DK2530418T3 - Varmeakkumulator - Google Patents

Description

Den foreliggende opfindelse angår en varmeakkumulator til temperaturstratificeret modtagelse af en varmebærer ifølge den indledende del af krav 1.

En sådan varmeakkumulator er kendt inden for teknikken og anvendes til at lagre vand ved højest mulig temperatur. Derved tilstræbes anordningen af vandet i forskellige temperaturlag oven over hinanden, og disse lag blandes så vidt muligt ikke under lastning af beholderen. Det er især kendt at anvende en varmeforsyning opnået ved solenergi til varmeakkumulatoren, og i hvert enkelt tilfælde på det højdeniveau, hvor et vandlag ved den passende temperatur befinder sig inde i varmeakkumulatoren.

Den ulige varmeforsyning fra solenergi medfører svingende temperaturer i mediet, som leveres af solvarmeanlægget (solmedium). På lignende vis må den via solmediet ulige opvarmede varmebærer tilføres ulige højdeniveauer af varmeakkumulatoren ("beholderen") for om muligt at undgå en vertikal blanding af de forskellige temperaturlag i varmeakkumulatoren. Til dette formål anviser den kendte teknik stigrør, som er forbundet via en flerhed af åbninger til varmeakkumulatoren. Den af solmediet opvarmede varmebærer stiger i stigrøret på grund af vægtfyldeforskellen til det niveau, der svarer til dens temperatur, til derfra at overstige hovedsageligt horisontalt i den tilstødende beholder. Særligt EP 0924471 A2 beskriver en sådan indretning. En varmeveksler, der støder op til den faktiske varmeakkumulatorbeholder, overfører solenergi til beholderen for at blive lagret i den første varmebærer. Solmediet (anden varmebærer) strømmer gennem en spiralformet rørledning. Rørledningen er anbragt i en kappebeholder, som styrer den første varmebærer, og som passerer over den spiralformede rørledning i et stigrør. Kappebeholderen og stigrøret er forbundet med den tilstødende beholder via fire forbindelsessektioner på forskellige højdeniveauer. Den i kappebeholderen opvarmede første varmebærer strømmer, afhængigt af dens temperatur, i det tilsvarende højdeniveau af kappebeholderen eller stigrøret gennem det forbindelsesstykke i varmeakkumulatorbeholderen med det nærmest tilsvarende niveau.

Denne løsning har imidlertid den ulempe, at et "forlag" (DE: "Vorschichten") af solarvæske ikke er mulig. Snarere fører ringe opvarmet solmedium endda til afkøling af den første varmebærer i den øvre ende af den spiralformede rørledning. For at undgå uønsket indstrømning fra akkumulatorbeholderen ved belastninger ved moderate temperaturer er også skråt arrangerede tilslutninger i det mindste i den centrale region nødvendige, hvilket komplicerer og øger udgifterne til opbygningen.

Formålet med opfindelsen er derfor at tilvejebringe en varmeakkumulator til overvindelse af de ovennævnte ulemper.

Formålet opnås ved en varmeakkumulator ifølge krav 1. Yderligere fordelagtige udførelsesformer vil fremgå af de afhængige krav.

Opfindelsen er baseret på den erkendelse, at en i forhold til varmeakkumulatoren opstrøms varmevekslerenhed omfatter mindst to individuelle vekslersegmenter, og hvert vekslersegment danner sin egen ladekreds med varmeakkumulatorbeholderen. På denne måde er det muligt at lagdele den anden varmebærer, hvilken er tilvejebragt ved solvar meanlægget, afhængigt af temperatur i varmevekslerenheden, altså allerede tilvejebringe en slags forlag (DE: Vorschichtung) uden for selve akkumulatorbeholderen. De enkelte vekslersegmenter overfører så varmen afhængigt af disse lag på den i hvert vekslersegment separate cirkulerende varmebærer. I modsætning til den kendte teknik er der således intet stig rør, der strækker sig over hele højden af akkumulatorbeholderen, som leder den første varmebærer med alle de forskellige temperaturniveauer, som forefindes. I stedet er der inde i varmevekslerenheden anordnet to eller flere vekslersegmenter, hvilke opvarmer den første varmebærer kun i dét område af dét temperaturinterval, som er bestemt af højden af arrangementet af det respektive vekslersegment inden for varmevekslerenheden og dermed inden for den lagdelte anden varmebærer.

Vertikale strømningsbevægelser af den første varmebærer inden for varmevekslerenheden er derfor nødvendigvis begrænset til et maksimum på den vertikale højde af det relevante vekslersegment. Den energi, der er ydet fra den anden varmebærer (solmedium), kan umiddelbart lagdeles i varmevekslerenheden og tilføres varmeakkumulatorbe-holderen via separate vekslersegmenter.

Tilsvarende anviser en udførelsesform af opfindelsen, at varmevekslerenheden omfatter en vekslerbeholder, inden for hvilken alle vekslersegmenterne er anbragt. Vekslerbeholderen bliver tilført den anden varmebærer, hvilken opvarmes af en separat enhed (særligt et solvarmeanlæg). På fordelagtig måde er vekslerbeholderen dimensioneret således, at den anden varmebærer kan være anbragt i sin indre "lagdeling" (DE: "aufschic-ten"), altså i over hinanden lejrede lag af forskellige temperaturniveauer. Tilførslen og fjernelsen af den anden varmebærer er hensigtsmæssigt udformet således, at de enkelte lag bliver udsat for mindst muligt turbulens i vertikal retning.

De enkelte vekslersegmenter er anbragt inde i vekslerbeholderen og er hver især forbundet med den tilstødende beholder af varmeakkumulatoren via sine egne, fortrinsvis horisontale, forbindelsesledninger gennem væggen af den ydre vekslerbeholder.

De enkelte vekslersegmenter ifølge opfindelsen er i vertikal retning anbragt fuldstændigt over hinanden, således hver vekslerenhed rager gennem en blot til den tildelt gruppe af termiske lag af den anden varmebærer. Alternativt eller derudover er det også muligt at arrangere de enkelte vekslersegmenter i vertikal retning, så de overlapper hinanden, således at for eksempel et vekslersegment med sin nederste del og et vertikalt tilstødende andet vekslersegment med sin øverste del kommer til at ligge inden for det samme temperaturlag af den anden varmebærer. Den vertikale højde på hvert vekslersegment og deres vertikale nærhed til hinanden bestemmer ligesådan som deres antal mulighederne for at overføre det lagdelte temperaturniveau af den anden varmebærer med de lavest mulige temperaturafvigelser til de tilsvarende dannede temperaturlag i varmeakkumulatoren.

For dannelse af deres respektive egne ladekredse og for udveksling af den første varmebærer er hvert vekslersegment forbundet via forbindelsesledninger til beholderen for at danne en separat ladekreds for hvert vekslersegment. Cirkulationen af den første var- mebærer, fortrinsvis vand, finder fortrinsvis ikke sted med hjælpeenergi, men ifølge ter-mosifonprincippet, dvs. på grund af vægtfyldeforskelle. Følgelig er forbindelsesledningerne fra hvert vekslerelement til beholderen af varmeakkumulatoren og derfra tilbage fortrinsvis dannet horisontalt for at muliggøre et simpelt overløb af varmebæreren i beholderen.

Afhængigt af de respektive ledningstværsnit kan det være nødvendigt, for at undgå modsat rettede strømninger inden for en ledning, givet eksempelvis en køligere andel strømmer i det nedre ledningstværsnitshalvdel til et vekslersegment, mens en varmere andel strømmer i den øvre ledningstværsnitshalvdel af samme ledning til beholderen. Af denne grund anviser en fordelagtig udførelsesform af opfindelsen, at i mindst én af de ledninger, der forbinder vekslersegmenterne med beholderen, er anbragt en cirkulationsspærring for at undgå førnævnte virkning. I betragtning til dette formål kommer eksempelvis anvendelsen af to plader, der bliver indsat i ledningstværsnittet, og hver af disse indsnæv-rer delvist asymmetrisk således, at strømningen i området af den første plade er begrænset til det højere beliggende øvre tværsnitsafsnit af ledningen, mens den anden plade begrænser strømningen på den nedre tværsnitshalvdel. Derved udelukkes to indbyrdes modsat rettede strømme inden for ledningen, særligt efter termosifonprincippet, temmelig godt.

En alternativ udførelsesform anviser anvendelsen af en spiralformet komponent som cirkulationsspærring. Denne reducerer kun det frie ledningstværsnit lidt, men strækker sig over en eller flere stigninger langs ledningen, hvorved ledningsindholdet langs cirkulationsspærringen må følge en spiralformet vej, der nødvendigvis fører fra det nedre ledningstværsnit og i det øvre ledningstværsnit og dermed forhindrer en modstrømning. Den spiralformede cirkulationsspærring har den fordel, at de kan være dannet i ét stykke og skubbes manuelt ind i det pågældende ledningsafsnit uden særlig installationsindsats. Afhængigt af design og fremstillingstolerance er en særlig fastgørelse af cirkulationsspærringen inden for ledningsafsnittet muligvis ikke nødvendig, såsom i en plastspiral med et lille overmål i forhold til den indre diameter af ledningen.

Selv om de enkelte vekslersegmenter af varmevekslerenheden kan konstrueres identisk, er der ifølge opfindelsen også mulighed for at anvende forskellige størrelser vekslersegmenter ifølge den foretrukne anvendelse. Således er det muligt, ved for eksempel i alt to vekslersegmenter, at vælge den øverste større end den nederste, hvor den påtænkte anvendelse er fokuseret på brugsvandsopvarmning. Hvis solenergi derimod primært anvendes til varmeunderstøttelse, kan installationen også vendes med det større vekslerelement under det mindre.

Vekslerelementer, der er anvendelige ifølge opfindelsen, er eksempelvis vertikale rørbundter, hvilke hver især ved deres ender munder ud i et fælles samlingsområde, for derfra at være forbundet med beholderen af varmeakkumulatoren. Andre typer af varmevekslere er også tænkelige, og de bør muliggøre, bekvemt på primærsiden (siden af den anden varmebærer, fortrinsvis solmedium), dannelsen af termisk lagdeling, men ikke nødvendigvis. Selvfølgelig kan også forskellige typer vekslerelementer eller varmevekslere være arrangeret i en varmevekslerenhed, hvilke for eksempel adskiller sig i varmeoverfø-ringsareal for at kunne opnå en bedre tilpasning til brugerforudsætningerne, som eksempel er til stede i meget store solfangeranlægsfelter eller i såkaldte LowFlow-systemer.

For at kunne bruge varmeakkumulatoren ifølge opfindelsen til forskellige anvendelser er denne forsynet med egnede forbindelsesstykker fortrinsvis til hvert brugstilfælde, hvilke kan dækkes med blindflanger i tilfælde af manglende brug. Således er også en senere omstilling ved ændrede brugsønsker uden videre mulig, idet varmevekslerenheden kan tilsluttes beholderen via andre henholdsvis på andre højdeniveauer placerede studse henholdsvis forbindelsesledninger. Det er også muligt at afmontere og atter tilslutte varmevekslerenheden horisontalt på hovedet til beholderen, hvis den førnævnte brug til overvejende brugsvandsopvarmning bliver ændret til en sådan foretrukket varmeunderstøttelse, så det vertikale arrangement af vekslersegmenterne vender om. Enkelte vekslersegmenter i varmevekslerenheden kan også lukkes ned (med blindflanger) eller (re-) aktiveres. Dette gør varmeakkumulatoren ifølge opfindelsen særlig fleksibel til forskellige anvendelser.

Varmeakkumulatoren ifølge opfindelsen tillader med den tilhørende varmevekslerenhed uden det fra kendte teknik kendte stigrør effektiv og fleksibel udnyttelse af især solenergi og hindrer samtidigt uønsket varmetab på grund af blanding, hvilket er muligt i varmevekslerenheden af den kendte teknik fra det højeste til det laveste temperaturniveau af varmevekslerbeholderen. Følgende er en udførelsesform af opfindelsen nærmere beskrevet ved hjælp af et figureksempel. Der vises

Fig. 1 en skematisk afbildning af en varmeakkumulator ifølge opfindelsen og

Fig. 2 en cirkulationsspærring i detaljeret afbildning.

Fig. 1 viser en varmeakkumulator 1. Denne omfatter en cylindrisk beholder 2 og en tilstødende varmevekslerenhed 4. Varmevekslerenheden 4 omfatter en cylindrisk formet vekslerbeholder 5, som er lukket ved sin øvre og nedre ende, og som via forbindelser, der ikke er vist, kan påvirkes med en anden varmebærer W2. Den anden varmebærer kan især være drevet af et solvarmeanlæg.

Inde i vekslerbeholderen 5 er to vekslersegmenter 4a, 4b, der er anbragt i en vertikal retning, tilvejebragt, hvilke er udformet som rørkedelvarmevekslere. Hvert vekslersegment 4a, 4b er ved sin øvre henholdsvis nedre endedel forbundet via en respektiv forbindelsesledning 6 med den tilstødende beholder 2, hvor rørbundterne munder ud i et fælles samlestykke. Beholderen 2 er udformet til at indeholde en første varmebærer Wi, især vand. Den første varmebærer fylder ikke blot beholderen 2 via forbindelsesledningerne 6, men også det indvendige af rørbundterne af begge vekslersegmenterne 4a og 4b. På ydersiden af rørbundterne (primær side) holdes, ifølge opfindelsen, den anden varmebærer W2, som også bekvemt arrangerer sig i lag af forskellige temperaturer. Varmevekslerenheden 4 strækker sig i det væsentlige over hele højden af beholderen 2, således at den i vekslerbeholderen 5 dannede lagdeling af den anden varmebærer nogenlunde svarer til lagdelingen af den første varmebærer i beholderen 2. Gennem varmevekslingen mellem den på ydersiden af rørbundterne barede varmebærer W2 og den inde i rørbundterne førte første varmebærer Wi dannes i hvert vekslersegment 4a, 4b, afhængigt af temperaturniveauet af den første varmebærer i beholderen 2, i højden af forbindelsesledningerne 6 en strømning ifølge termosifonprincippet, således at varmere vand kan strømme gennem de respektive øvre forbindelsesledninger af hvert vekslersegment i beholderen 2, mens de respektive nedre forbindelsesledninger tillader tilbageførslen af den køligere varmebærer i varmevekslerenheden 4.

For at undgå modsatte strømninger inden for en forbindelsesledning 6 er alle forbindelsesledninger 6 med undtagelse af den laveste forbindelsesledning 6 udstyret med en cirkulationsspærring 7. Den i den øverste forbindelsesledning 6 i henhold til fig. 1 angivne cirkulationsspærring 7 er vist i fig. 2 i en let forstørret skematisk afbildning. Det er et spiralformet element, der før montering af forbindelsesledningen er blevet indsat i denne, og tvinger en strømning gennem denne ledning, således at denne gennemstrømmer ledningen i det nedre og i det øvre ledningstværsnit.

Claims (9)

1. Varmeakkumulator (1) omfattende en beholder (2) til temperatur-stratificeret modtagelse af en første varmebærer (Wx) og med en varmevekslerenhed (4) tilvejebragt uden for beholderen (2) til opvarmning af den første varmebærer (Wx) ved hjælp af en anden varmebærer (W2), kendetegnet ved, at varmevekslerenheden (4) har mindst to separate vekslersegmenter (4a, 4b ...), hvor hvert vekslersegment (4a, 4b ...) er forbundet med beholderen (2) via en egen ladekreds, hvor de individuelle vekslersegmenter (4a, 4b ...) er anbragt i varmevekslerenheden (4) i vertikal retning, så de fuldstændigt eller kun delvist overlejrer hinanden, og er udformet således, at vekslersegmenterne kun opvarmer den første varmebærer i området af det temperaturinterval, som er bestemt af det vertikale arrangement af det respektive vekslersegment inde i varmevekslerenheden og dermed inden for den stratificerede anden varmebærer.

2. Varmeakkumulator ifølge krav 1, kendetegnet ved, at varmevekslerenheden (4) omfatter en vekslerbeholder (5), som indeholder alle vekslersegmenterne (4a, 4b ...), og som skal fyldes med den anden varmebærer (W2).

3. Varmeakkumulator ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at varmevekslerenheden (4) tillader tilvejebringelsen af den anden varmebærer (W2) i overlejrende, enkelte lag, der er afhængige af dens temperatur.

4. Varmeakkumulator ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at varmevekslerenheden (4) tilvejebringer et fortrinsvis cylindrisk kapperum af en vekslerbeholder (5), der skal fyldes med den anden varmebærer (W2), mens den første varmebærer (Wi) kan flyde gennem de enkelte vekslersegmenter (4a, 4b ...), hvilke er anbragt i vekslerbeholderen (5) og fortrinsvis er udformet som rørkedelvarmevekslere.

5. Varmeakkumulator ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at hvert vekslersegment (4a, 4b ...) er forbundet med beholderen (2) via forbindelsesledninger (6) for dannelse af en egen ladekreds og udveksling af den første varmebærer (Wx), hvor forbindelsesledningerne (6) af en ladekreds er anbragt på forskellige vertikale niveauer.

6. Varmeakkumulator ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at i mindst én ledning, som forbinder et vekslersegment (4a, 4b ...) med beholderen (2), er anbragt en cirkulationsspærring (7) for at forhindre modsat rettede strømme i ledningen.

7. Varmeakkumulator ifølge det foregående krav, kendetegnet ved, at cirkulationsspærringen (7) er dannet a) af to små plader, som er anbragt inde i ledningen med indbyrdes afstand, og som indsnævrer ledningstværsnittet ved de respektive forskellige tværsnitspositioner, eller b) et spiralformet indsatselement.

8. Varmeakkumulator ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at mindst to af vekslersegmenterne (4a, 4b ...) adskiller sig med hensyn til deres vertikale udstrækning.

9. Varmeakkumulator ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at vekslerbeholderen (5) i varmevekslerenheden (4) udstrækker sig i det væsentlige over højden af beholderen (2).