EP0348773A2

EP0348773A2 - Eisspeicher für die Kälteversorgung von Kälteverbrauchern sowie Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: EP0348773A2
Application number: EP89111058A
Authority: EP
Inventors: Thomas Bruder
Original assignee: York International GmbH
Current assignee: York Deutschland GmbH
Priority date: 1988-06-25
Filing date: 1989-06-19
Publication date: 1990-01-03
Also published as: EP0348773A3; DE3821462A1

Abstract

Bei einem Eisspeicher für die Kälteversorgung von Kälteverbrauchern sind in einem zylindrischen Speicherbehälter (8) Speicherrohre (18) vorgesehen, die sich in gerader Richtung von einem Verschlußdeckel (14) zum anderen Verschlußdeckel (16) des Speicherraums erstrecken. Jene Speicherrohre, die sich unterhalb der in Längsrichtung verlaufenden Mittenebene des Speicherraums befinden (Vorströmrohre 20) sind im Bereich des anderen Verschlußdeckels (16) außerhalb des Speicherraums (12) mit jenen Speicherrohren (22) verbunden, die oberhalb der Mittenebene angeordnet sind (Rückströmrohre 22). Im Speicherraum (12) ist zwischen benachbarten Speicherrohren (18) ein lichter Abstand von 7 bis 8cm eingehalten, zwischen den Speicherrohren (18) und festen Wänden (10;92) besteht dagegen ein lichter Abstand von mindestens 6cm. Zur Aufladung des Eisspeichers wird in den Speicherrohren ein Kältemittel verdampft, so daß die Kältespeicherung bewirkende Eisschichten außen an den Rohren entstehen. Der Ladezustand des Eisspeichers wird hierbei durch die Volumenausdehnung des im Speicherraum (12) befindlichen und als Kälteträger dienenden Wassers oder durch die Messung des Strömungswiderstandes des Speicherraums bestimmt. Durch die vorbeschriebene Ausbildung und Betriebsweise des Eisspeichers wird eine hohe Speicherkapazität mit geringem Bauaufwand erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Eisspeicher für die Kälteversorgung von Kälteverbrauchern, mit einem zylindrischen Speicherbehälter, in dessen Speicherraum von einem Kältemittel duchströmbare und mit gegenseitigem Abstand verlaufende Kühlrohre angeordnet sind, sowie mit am Speicherraum vorgesehenen Anschlüssen für die Zufuhr und Abfuhr von als Kälteträger dienendem Wasser. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb des vorgenannten Eisspeichers.
Für Kälteverbraucher, wie z.B. Klima- oder Kühlanlagen, müssen oft große Kältemengen für kurze Zeit und in einem Temperaturbereich über 0° C, z.B. 1 bis 12° C, bereitgestellt werden. Zur Deckung eines solchen stoßweisen Kältebedarfs eignen sich Eisspeicher besonders gut, da Eis wegen seiner großen Erstarrungswärme von 336 kJ/kg große Kältemengen zu speichern vermag. Bei einem Eisspeicher der eingangs gennanten Bauart wird das Eis außen an den Kühlrohren angefroren und im Bedarfsfalle zur Kältelieferung abgeschmolzen. Um nun große Kältemengen auf geringem Raum speichern zu können, ist es einerseits wünschenswert, möglichst viele Kühlrohre auf engem Raum unterzubringen, andererseits muß jedoch gesichert sein, daß das Eis verschiedener Kühlrohre nicht zu einem großen Eisklotz zusammenwächst und den Fluß des Kälteträgers durch den Eisspeicher sehr stark drosselt oder ganz blockiert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Eisspeicher der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß er bezüglich Bauaufwand und Funktion optimal oder doch zumindest weitgehend optimal gestaltet ist. Darüber hinaus soll der Eisspeicher universell einsetzbar und den Forderungen des Betriebs voll gewachsen sein.
Diese Aufgabe wird bei einem Eisspeicher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:
- die Kühlrohre erstrecken sich in gerader Richtung durch den Speicherraum von einem axialen Verschlußdeckel zum anderen axialen Verschlußdeckel des Speicherraums,
- die Kühlrohre, die an dem einen Verschlußdeckel unterhalb der in Längsrichtung verlaufenden Mittenebene des Speicherraums enden (Vorströmrohre), sind außerhalb des Speicherraums mit einer Zufuhrleitung für das Kältemittel verbindbar,
- die Kühlrohre, die an dem einen Verschlußdeckel oberhalb der Mittenebene es Speicherraums enden (Rück strömrohre), sind außerhalb des Speicherraums mit einer Abfuhrleitung für das Kältemittel verbindbar,
- die Vorströmrohre sind im Bereich des anderen Verschlußdeckels außerhalb des Speicherraums mit dem Rückströmrohren in Verbindung und
- im Speicherraum ist zwischen benachbarten Kühlrohren ein lichter Abstand von 6 bis 9 cm, vorzugsweise 7 bis 8 cm, zwischen den Kühlrohren und festen Wänden dagegen ein lichter Abstand von mindestens 6 cm, vorzugsweise 8 cm, vorgesehen.
Durch die Ausbildung der Speicherrohre als gerade Rohre ergibt sich ein geringer Bauaufwand. Durch die Zu- bzw. Abfuhr des Kältemittels an dem einen Verschlußdeckel und durch die Verbindung der Kühlrohre an dem anderen Verschlußdeckel wird hohe Speicherfähigkeit bei geringer Baulänge erzielt. Hierbei ist von besonderer Bedeutung, daß die Verbindung der Vorströmrohre mit den Rückströmrohren außerhalb des Speicherraums erfolgt. Hierdurch sind den Ausgestaltungsmöglichkeiten dieses Verbindungsbereichs keine Grenzen gesetzt. Hinzu kommt, daß dieser Verbindungsbereich nicht zu Eisspeicherung herangezogen wird und daher die Eisspeicherung an den geraden Speicherrohren jeweils unter gleichen Bedingungen durchgeführt wird, so daß mit einem gleichmäßigen Anwachsen der Eisschichten auf den Kühlrohren zu rechnen ist. Schließlich hat sich gezeigt, daß die angegebenen Abstandswerte für die Kühlrohre eine weitgehend gute Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Speicherraums ermöglichen. Insgesamt gesehen führt die erfindungsgemäße Lehre zu einem Eisspeicher, der geringen baulichen Aufwand mit hoher Speicherkapazität verbindet.
Damit eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf die einzelnen Speicherrohre gefördert wird, empfiehlt es sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, daß die Vorströmrohre an eine, an den einen Verschlußdeckel grenzende und außerhalb des Speicherraums angeordnete Verteilkammer angeschlossen sind, die einen Anschluß für die Kältemittelzufuhrleitung aufweist, daß die Rückströmrohre an eine an den einen Verschlußdeckel grenzende und außerhalb des Speicherraums angeordnete Sammelkammer angeschlossen sind, die einen Anschluß für die Kältemittelabfuhrleitung aufweist, daß die anderen Enden der Vorström- und Rückströmrohre durch eine an den anderen Verschlußdeckel grenzende und außerhalb des Speicherraums angerodnete Wendekammer miteinder verbunden sind.
Eine andere, bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß im Bereich der Rückströmrohre ein Verteilkanal mit größtmöglichem Abstand zur Mittenebene, diametral hierzu ein Sammelkanal für den Kälteträger im Speicherbehälter angeordnet ist, die beide in Richtung der Längsachse des Speicherbehälters verlaufen und die jeweils mit mindestens einem Kälteträgerrücklaufanschluß bzw. Kälteträgervorlaufanschluß versehen sind, und daß der Verteilkanal und der Sammelkanal jeweils gleichmäßig verteilte Öffnungen, der en Querschnitte klein sind im Verhältnis zum zugehörigen Kanalquerschnitt, mit dem Speicherraum verbunden sind. Durch diese Maßnahme wird eine über die Länge des Speicherraums gleichmäßig verteilte Zufuhr des Kälteträgers und eine ebenso gleichmäßige Abfuhr des Kälteträgers aus dem Speicherraum erreicht, so daß die Speicherrohre auf ihrer gesamten Länge weitgehend gleichmäßig umströmt sind. Durch diese Maßnahme wird ein sehr gleichmäßiges Abschmelzen der an den Kühlrohren angefrorenen Eisschichten und somit eine gleichmäßige Entladung des Eisspeichers erreicht.
Diese gleichmäßige Zu- und Abfuhr des Kälteträgers wird noch gefördert, wenn zweckmäßig der Verteilkanal und der Sammelkanal jeweils einen Querschnitt aufweist, der mindestens das 3-fache des Querschnittes des zugehörigen Rücklauf- bzw. Vorlaufanschlusses beträgt.
In die gleiche Richtung wirkt sich auch aus, wenn vorteilhaft drei Kälteträgerrücklaufanschlüsse bzw. drei Vorlaufanschlüsse jeweils über die Länge des Verteilkanals bzw. Sammelkanals gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Da es für eine gleichmäßige Be- und Entladung des Eisspecihers am günstigsten ist, wenn die Eisspeicherung lediglich an den Speicherrohren erfolgt, empfiehlt es sich, daß in jenen Bereichen, in dem die Verteilkammer, die Sammelkammer und die Wendkammer an den einen bzw. anderen Verschlußdeckel grenzen, zwischen die Kammern und die zugeordneten Verschlußdeckel jeweils eine thermische Isolierschicht eingefügt ist. Hierdurch ist sichergestellt, daß ein Eisansatz an den Verschlußdeckeln vermieden ist.
Gemäß einer anderen, vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Eisspeichers ist zwischen den Vorströmrohren und den Rückströmmrohren eine gerade Trennwand im Speciherraum angeordnet, die sich von dem einen Verschlußdeckel in Richtung zum anderen Verschlußdeckel erstreckt und die mit einem Abstand, der 1/4 bis 1/3 der Länge des Speicherraums beträgt, vor dem anderen Verschlußdeckel endet, und daß in der Nähe des einen Verschlußdeckels im Bereich der Rückströmrohre eine Kälteträgerrücklaufleitung und im Bereich der Vorströmrohre eine Kälteträgervorlaufleitung angeschlossen ist. Gemäß dieser Ausführungsform fließt das Kältemittel und der Kälteträger im Gegenstrom, so daß optimale Wärmeübertragungswerte erreicht werden.
Für die Kältemittelversorgung und -entsorgung sowie für die Umlenkung des Kältemittels von den Vorströmrohren zu den Rückströmrohren empfiehlt es sich, daß die Vorströmrohre, die an dem einen Verschlußdeckel enden, durch jeweils eine Verteilleitung mit einer Kältemittelverteilspinne verbunden sind, an die die Kältemittelzufuhrleitung anschließbar ist, daß die Vorströmrohre an dem anderen Verschlußdeckel durch Rohre, die außerhalb des Speicherraumes angeordnet sind, mit den Rückströmrohren verbunden sind, und daß die Rückströmrohre, die an dem einen Verschlußdeckel enden, durch eine Sammelleitung mit einem Kältemittelabscheider verbunden sind.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb des Eisspeichers, wobei die Speicherrohre auf der Außenseite durch den Kälteträger beaufschlagt werden, besteht darin, daß der Eisspeicher durch Anfrieren von zylindrischen Eisschichten an den Außenflächen der Speicherrohre aufgeladen wird, daß der Ladezustand des Eisspeichers entweder durch die von der Eisbildung bewirkte Wasserverdrängung und/oder durch die Messung des Durchflußwiderstandes des Speicherraums erfaßt wird, daß beim Erreichen eines vorgesetzten Grenzwertes der Wasserverdrängung bzw. des Durchflußwiderstandes die Zufuhr von Kältemittel zu den Speicherrohren unterbrochen wird, und daß zum Entladen des Eisspeichers die Eisschichten durch den durch den Speicherraum zirkulierenden Kälteträger abgeschmolzen werden, wobei der Massenstrom des Kälteträgers so gewählt ist, daß der Kälteträger eine Abkühlung um höchstens 3, vorzugsweise 2 K erfährt.
Durch die angegebenen Maßnahmen zur Messung des Ladezustandes wird mit Sicherheit ein Zusammenwachsen der Eisschichten einzelner Speicherrohre vermieden und im Falle der Speicherentladung eine effektive Umströmung der Eisschichten durch den Kälteträger gewährleistet. Für eine gleichmäßige Um- und Durchströmung ist es besonders vorteilhaft, wenn der Massenstrom des Kälteträgers groß ist, und zwar so groß daß der Kälteträger höchstens die angegebene Abkühlung erfährt.
Die durch die Eisbildung bewirkte Wasserverdrängung kann zweckmäßig am Wasserspiegelanstieg eines Ausdehnungsgefäßes erfaßt werden, das an den Kälteträgerkreislauf angeschlossen ist. Im Falle eines geschlossenen Kälteträgersystems ist es jedoch zweckmäßig, die Wasserverdrängung durch den hierdurch bewirkten Druckanstieg im Kälteträgersystem zu erfassen.
Da beim Fluß Kälteträgers durch den Speicherraum mit zunehmender Eisbildung der Durchflußwiderstand ansteigt, empfiehlt es sich, daß zur Erfassung des Durchflußwiderstandes die Kälteträgerzirkulation kurzzeitig, z.B. eine Minute, in Betrieb genommen wird. Hierbei ist von der üblichen Betriebsweise ausgegangen worden, wonach während des Ladevorganges des Eisspeichers die Zirkulation des Kälteträgers durch den Speicherraum unterbunden ist.
Die Erfindung wird dim folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den schematischen Zeichnungen näher beschrieben.
Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Eisspeichers,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 1 gemäß der Schnittlinie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 den Ausschnitt III der Fig. 2 als Einzelheit und in größerer Darstellung,
Fig. 4 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Eisspeichers im vertikalen Längsschnitt,
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 4 gemäß der Schnittlinie V-V,
Fig. 6 eine mit einem Eisspeicher gemäß Fig. 1 versehene Kälteanlage in schematischer Darstellung und
Fig. 7 eine mit einem Eisspeicher gemäß Fig. 4 versehene Kälteanlage in schematischer Darstellung.

Gemäß Fig. 1 weist die erste Ausführungsform des Eisspeichers einen zweckmäßig liegenden Speicherbehälter 8 mit einem druckfesten, zylindrishchen Mantel 10 auf, in dem der Speicherraum 12 ausgebildet ist. Der Speicherraum ist an dem in der Zeichnung rechten Ende mit dem ebenen einen Verschlußdeckel 14, an dem anderen Ende mit dem ebenen anderen Verschlußdeckel 16 verschlossen. Zwischen den beiden Verschlußdeckeln erstreckt sich eine Vielzahl von Speicherrohren 18, die über den Querschnitt des Speicherraums gleichmäßig verteilt angeordnet sind. In Fig. 1 sind der Übersicht wegen lediglich vier Speicherrohre eingezeichnet, obwohl, wie aus dem Querschnitt gemäß Fig. 2 zu erkennen ist, eine Vielzahl von Speicherrohren vorgesehen ist. Die unterhalb einer horizontalen Mittenebene des Speichers verlaufenden Speicherrohre werden als Vorströmrohre 20, die oberhalb der Mittenebene verlaufende Speicherrrohre werden als Rückströmrohre 22 bezeichnet. Die horizontale Mittenebene enthält vorzugsweise die zentrale Längsachse 24 des Speicherraumes 12. In manchen Fällen, insbesondere wenn die Anzahl der Vorströmrohre verschieden ist von der Anzahl der Rückströmrohre, ist es zweckmäßig, daß die Mittenebene oberhalb oder unterhalb der Längsachse ver läuft und ebenfalls die Richtung der Längsachse 24 aufweist. In den Vorströmrohren 20 strömt das Kältemittel vom einen Verschlußdeckel 14 in Richtung zum anderen Verschlußdeckel 16, in den Rückströmrohren ist die Strömungsrichtung des Kältemittels umgekehrt. Sämtliche Speicherrohre 18 haben zweckmäßig den gleichen Durchmesser.
Außerhalb des Speicherraums ist eine an den einen Verschlußdeckel 14 grenzende Verteilkammer 26 vorgesehen, die mit einem Anschluß 28 für eine Kältemittelzufuhrleitung versehen ist. An diese Verteilkammer 26 sind die Vorströmrohre 20 angeschlossen. Oberhalb der Verteilkammer 26 befindet sich eine auf die gleiche Weise angeordnete Sammelkammer 30, in die die Rückströmrohre 22 münden und die einen Anschluß 32 für eine Kältemittelabfuhrleitung aufweist. Die Verteilkammer 26 und die Sammelkammer 30 sind durch eine horizontale Wand 34 voneinander getrennt, die ungefähr in der Mittenebene verläuft, wobei bezüglich der Mittenebene das weiter oben gesagte gilt. Zum Außenraum hin ist die Verteilkammer 26 und die Sammelkammer 30 durch einen mit Abstand zum ebenen Verschlußdeckel 14 verlaufenden kuppelförmigen Deckel 36 begrenzt. Die Verteilkammer 26 und die Sammelkammer 30 haben, in Richtung der Längsachse 24 gesehen, jeweils die Form eines Halbkreises.
Die Speicherrohre 18 münden in Bereich des ebenen, anderen Verschlußdeckels 16 in eine Wendekammer 38, die sich außerhalb des Speicherraums 12 befindet und an den anderen Verschlußdeckel 16 grenzt. Diese Wendekammer wird, ähnlich wie die Verteilkammer 26 und Sammelkammer 30, zum Außenraum hin durch einen kuppelförmigen Deckel 40 verschlossen, der an dem anderen Verschlußdeckel 16 befestigt ist.
Im höchsten Bereich des liegenden Speicherraums 12 ist ein Verteilkanal 42, im tiefsten Bereich dagegen ein Sammelkanal 44 für den Kälteträger vorgesehen (vergl. auch Fig. 2). Der Verteilkanal und der Sammelkanal erstrecken sich jeweils über die gesamte Länge des Speicherraums 12. Der Verteilkanal 42 und der Sammelkanal 44 ist zum Außenraum 46 hin jeweils durch einen Bereich des Mantels 10 begrenzt. Die Begrenzung des Verteilkanals 42 zum Speicherraum 12 hin erfolgt durch eine horizontal verlaufende Verteilplatte 48, die Begrenzung des Sammelkanals 44 zum Speicherraum hin geschieht durch eine horizontal verlaufende Sammelplatte 50.
Der Verteilkanal 42 ist mit drei Stück Kälteträgerrück laufanschlüssen 52 versehen, die über die Länge des Verteilkanals 42 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Kälteträgerrücklaufanschlüsse 52 sind jeweils im höchsten Bereich des Verteilkanals 42 angeordnet, der die Form eines Kreisabschnittes aufweist. Der Querschnitt des Verteilkanals 42 beträgt mindestens das dreifache des Querschnitts eines der Kälteträgerrücklaufanschlüsse 52. In der Verteilplatte 48 ist eine Vielzahl von Öffnungen 54 vorgesehen, deren Querschnitte jeweils sehr klein sind im Verhältnis zum Querschnitt des Verteilkanals 42.
Der Sammelkanal 44 und die Sammelplatte 50 ist auf die gleiche Weise wie der Verteilkanal 42 und die Verteilplatte 48 ausgebildet und im tiefsten Bereich des Speicherraums 12 angeordnet. Die am Sammelkanal 44 vorgesehenen drei Kälteträgervorlaufanschlüsse 56 sind bezüglich der durch die Längsachse24 angedeuteten Mittenebene spiegelbildlich zu den Kälteträgerrücklaufanschlüssen 52 angeordnet.
In Fig. 2 sind besonders die gleichmäßige Verteilung der Vielzahl von Speicherrohren über den Querschnitt sowie die identischen Profile des Verteilkanals 42 und des Sammelkanals 44 zu erkennen. Die Anzahl der Vorströmrohre ist vorzugsweise gleich der Anzahl der Rückströmrohre.
Der eine Verschlußdeckel 14 und der andere Verschlußdeckel 16 ist jeweils auf seiner Außenseite, mit welcher er an die Verteilkammer 26 bzw. Sammelkammer 30 bzw. Wendekammer 38 grenzt, mit einer thermischen Isolierschicht 58 versehen. Diese Isolierschicht besitzt eine Dicke von ungefähr 5mm und sie besteht vorzugsweise aus Silikongummi.
Fig. 3 zeigt den Ausschnitt III der Fig. 2 als Einzelheit und in größerer Darstellung. Man erkennt drei Speicherrohre 18, die im vorliegenden Fall Vorströmrohre 20 sind. Der lichte Abstand a zwischen den einzelnen Speicherrohren 18 beträgt 7 bis 8 cm, der Abstand b zwischen den Speicherrorhren 18 und dem Mantel 10 beträgt mindestens 6 cm, vorzugsweise 8 cm. Der Außendurchmesser der Speicherrohre 18 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel ungefähr 2, 5 cm. In Fig. 3 sind noch die kreiszylindrische Eisschichten 60 eingezeichnet, die sich während des Betriebs an den Speicherrohren 18 bilden. Die Eisschichten dürfen bei aufgeladenem Kältespeicher maximal den durch die gestrichelten Linien 62 angedeuteten Durchmesser erreichen, der so gewählt ist, daß zwischen den Eisschichten 60 benachbarter Speicherrohre 18 ein freier Spalt 64 verbleibt, der an seiner engsten Stelle eine Größe von mindestens 1cm nicht unterschreitet.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform des Eisspeichers im zentralen Längsschnitt. Man erkennt den zweck mäßig liegenden Speicherbehälter 89 mit einem zylindrischen Mantel 66, der den Speicherraum 68 umschließt. Der eine axiale Verschlußdeckel 70 befindet sich an dem in der Zeichnung rechten Ende des Speicherraumes, der ande re axiale Verschlußdeckel 72 verschließt das gegenüberliegende Ende. Beide Verschlußdeckel sind am Mantel 66 befestigt. Zwischen den Verschlußdeckeln 70, 72 erstrecken sich die geraden Speicherrohre 74, von denen in Fig. 4 nur einige dargestellt sind. Jene Speicherrohre, die sich unterhalb einer horizontalen Mittenebene befinden, werden als Vorströmrohre 76, die sich oberhalb der Mittenebene befindenden Speicherrohre werden als Rückströmrohre 78 bezeichnet. Die horizontale Mittenebene ist in den Figuren 4 und 5 durch die zentrale Längsachse 80 angedeutet. Im übrigen gilt auch hier das weiter oben über die Mittenebene gesagte. Wie aus dem Querschnitt gemäß Fig. 5 au erkennen ist, ist eine Vielzahl von Speicherrohren 74 über den Querschnitt des Speciherraums 68 gleichmäßig verteilt angeordnet. Bezüglich des gegenseitigen Abstandes der Speicherrohre sowie des Abstandes zwischen Speicherrohren und an deren festen Bauteilen, z.B. dem Mantel 66, gelten auch hier die im Zusammenhang mit Fig. 3 gegebenen Erläuterungen.
Die Speicherrohre 74 sind durch den anderen Verschlußdeckel 72 in den Außenraum geführt und durch jeweils einen Rohrbogen oder durch einn L-förmiges Rohrteil miteinander verbunden, und zwar derart, daß jeweils ein Vorströmrohr 76 mit einem Rückströmrohr 78 verbunden ist. Die Verbindung ist hierbei so gewählt, daß jeweils jene Vorström- und Rückströmrohre miteinander verbunden sind, die bezüglich der horizontalen Mittenebene spiegelbildlich angeordnet sind, wie dies deutlich aus Fig. 4 zu erkennen ist.
Die Vorströmrohre 76 und die Rückströmrohre 78 enden an dem einen Verschlußdeckel 70. Die Enden der Vorströmrohre 76 sind jeweils durch eine Verteilleitung 84 mit einer Verteilspinne 86 verbunden, durch die das Kältemittel den Vorströmrohren zugeführt wird. Die Enden der Rückströmrohre 78 sind durch jeweils eine Sammelleitung 88 mit einem Kältemittelsammelbehälter 90 verbunden.
In der horizontalen Mittenebene des Speicherraums (Längsachse 80) ist eine Trennwand 92 angeordnet, die sich vom einen Verschlußdeckel 70 in Richtung zum anderen Verschlußdeckel 72 erstreckt. Die Trennwand 92 teilt in diesem Bereich den Speicherraum 68 in einen oberen Teil 94 und einen unteren Teil 96. Da die Trennwand 92 in axialer Richtung mit einem Abstand, der ungefähr 1/4 bis 1/3 der Länge des Speicherraums beträgt, vor dem anderen Verschlußdeckel 72 endet, ist der obere Teil 94 und der untere Teil 96 des Speicherraums durch einen Umlenkraum 98 miteinander verbunden, der sich zwischen dem anderen Verschlußdeckel 72 und der Trennwand 92 befindet.
In der Nähe des einen Verschlußdeckels 70 ist im höchsten Bereich des Teiles 94 ein radialer Kälteträgerrücklaufanschluß 100 am Mantel 66 angeordnet, am tiefsten Punkt des Teiles 96 des Speicherraums dagegen ein radialer Kälteträgervorlaufanschluß 102 vorgesehen.
Im Querschnitt gemäß Fig. 5 erkennt man deutlich die Vielzahl der Speicherrohre 74, die gleichmäßig über den Querschnitt des Speicherraumes verteilt angeordnet ist. Der Übersicht wegen sind in Fig. 4 dagegen lediglich vier Speicherrohre 74 eingezeichnet.
Fig. 6 zeigt den Eisspeicher gemäß Fig. 1 als Bestandteil einer Kälteanlage, die schematisch dargestellt ist.
Die Kälteanlage umfaßt einen Kältemittelverdichter 104, dessen Ausgang mit einem Kältemittelunterkühler/-überhitzer 108 verbunden ist, wobei in die Verbindungsleitung 110 ein Kältemittelkondensator 106 eingeschaltet ist. Der Kältemittelkondensator ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel luftgekühlt. Vom Kältemittelunterkühler/-überhitzer 108 führt eine Leitung 112 mit eingefügtem Expansionsventil 114 zum Anschluß 28 der Verteilkammer 26 des Eisspeichers. Vom Anschluß 38 der Sammelkammer 30 des Eisspeichers führt eine Leitung 116 über den Kältemittelunterkühler/überhitzer zur Saugseite des Kältemittelverdichters 104.
Das Kälteträgersystem mit Wasser als Kälteträger weist eine Kälteträgervorlaufleitung 118 auf, welche die Kälteträgervorlaufanschlüsse 56 mit dem Eingang eines Wärmetauschers 120 verbinden, der beispielsweise in einem Luftkanal 122 angeordnet ist und der als Kälteverbraucher dient. Eine Kälteträgerrücklaufleitung 124, in die eine Umwälzpumpe 126 eingefügt ist, führt vom Ausgang des Wärmetauschers 120 zu den Kälteträgerrücklaufanschlüssen 52 des Eisspeichers.
Im höchsten Bereich der Kälteträgerrücklaufleitung 124 ist ein offenes Ausdehnungsgefäß 128 angeschlossen, das mit einem Schauglas 130 versehen ist. Dieses Schauglas dient zur Beobachtung des Wasserstandes im Ausdehnungsgefäß 128.
Für die Aufladung des Eisspecihers, d.h. für Kältespeicherung wird der Kältemittelverdichter 104 in Betrieb genommen, das verdichtete, gasförmige Kältemittel im Kondensator 106 kondensiert und das flüssige Kältemittel dem Kältemittelunterkühler/-überhitzer 108 zugeführt. Hier wird das flüssige Kältemittel unterkühlt, dann durch das Expansionsventil 114 entspannt und durch die Rohrleitung 112 der Verteilkammer 26 zugeführt. Von hier strömt das flüssige Kältemittel in die Vorströmrohre 20 und durch die Wendekammer 38 in die Rückströmrohre 22. In den Vor- und Rückströmrohren, welche die Speicherrohre 18 bilden, verdampft das flüssige Kältemittel, so daß sich im wassergefüllten Speicherraum Eisschichten um die Speicherrohre 18 bilden.
Der Kältemitteldampf strömt in den Speicherrohren 18 zur Sammelkammer 30 und von hier durch die Leitung 116 zum Kältemittelunterkühler/-überhitzer 108. In diesem wird das gasförmige Kältemittel überhitzt und dann durch die Rohrleitung 116 weitergeführt zur Saugseite des Kältemittelverdichters 104, so daß Kältemittelkreislauf geschlossen ist.
Während dieses Vorganges ist die Umwälzpumpe 126 des Kälteträgerkreislaufes außer Betrieb, das im Speicherraum 12 befindliche Wasser ist daher in Ruhe und friert an den Speicherrohren 18 in kreisringförmigen Schichten an. Da die Verschlußdeckel 14 und d16 jeweils mit einer thermischen Isolierschicht 58 versehen sind, bilden sich an diesen Verschlußdeckeln keine Eisschichten.
Da Eis gegenüber Wasser ein um ungefähr 10% größeres Volumen aufweist, steigt der Wasserstand im Ausdehnungsgefäß 128 während des Anfrierens der Eisschichten und somit während des Ladevorganges des Eisspeichers an. Dieser Anstieg kann durch das Schauglas 130 kontrolliert werden. Der Wasserstand im Ausdehnungsgefäß 128 ist somit ein Maß für den Ladezustand des Eisspeichers. Durch Berechnungen und/oder Versuche wird nun festgestellt, welcher Höhe des Wasserstandes im Ausdehnungsgefäß 128 der volle Ladezustand des Eisspeichers zugeordnet ist.
Beim Erreichen dieses vollen Ladezustandes wird dann der Kältemittelverdichter 106 außer Betrieb genommen und eine weitere Ladung des Speichers unterbunden. Der volle Ladezustand des Eisspeichers ist dann gegeben, wenn zwischen den Eisschichten benachbarter Rohre ein Spalt von ungefähr 1cm lichter Weite freibleibt (vergl. Fig. 3). Dieser freie Spalt ist erforderlich, damit der Kälterträger während des Entladevorganges des Eisspeichers das an den Speicherrohren angefrorene Eis gut umströmen und abschmelzen kann.
Für die Entladung des Eisspeichers wird im Falle des Kältebedarfs des Kälteverbrauchers die Umwälzpumpe 126 in Betrieb genommen, so daß Kälteträger durch die Kälteträgervorlaufleitung den drei Kälteträgerrücklaufanschlüssen 52 zugeführt wird. Von hier strömt der Kälteträger in den Verteilkanal 42. Da der Verteilkanal 42 durch eine Vielzahl von Öffnungen 54 mit dem Speicherraum 12 verbunden ist, wird der Kälteträger gleichmäßig über die Länge des Speicherraums verteilt in den Speicherraum 12 eingeführt. Zur gleichmäßigen Verteilung des Kälteträgers trägt auch der Umstand bei, daß der Kälteträgerrücklauf durch drei gleichmäßig verteilte Kälteträgerrücklaufanschlüsse 52 in den Verteilkanal 42 eingeführt wird.
Im Speicherraum 12 fließt der Kälteträger unter Umströmung und Abschmelzung der Eisschichten, d.h. unter Abkühlung, nach unten zum Samelkanal 44, in den der Kälteträger durch die Vielzahl von Öffnungen 54 der Sammelplatte 50 eintritt. Durch diese Maßnahme im Zusammenwirken mit den drei gleichmäßig am Sammelkanal 44 angeordneten Kälteträgervorlaufanschlüssen 56 wird eine über die Länge des Speicherraums 12 gleichmäßige Abfuhr des Kälteträgers aus dem Speicherraum erreicht. Hierdurch ist im Zusammenwirken mit der gleichgestalteten Zufuhr des Wärmeträgers zum Speicherraum eine praktisch gleichmäßige Durchströmung des Speicherraums und somit eine gleichmäßige Abschmelzung der Eisschichten gewährleistet. Durch die Kälteträgervorlaufleitung 118 wird der Kälteträger dann dem Wärmetauscher 120 zugeführt, der Nutzkälte an die im Luftkanal 122 strömende Luft abgibt. Der erwärmte Wärmeträger tritt dann in die Kälteträgerrücklaufleitung 124 ein und wird durch die Umwälzpumpe 126 zu neuem Kreislauf dem Eisspeicher zugeleitet.
Fig. 7 zeigt den Eisspeicher gemäß Fig. 4 im Zusammenhang mit einer Kälteanlage. Die Kälteanlage weist, genau wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, einen Verdichter 132, einen Kondensator 134, einen Kältemittelunterkühler/-überhitzer 136 sowie ein Expansionsventil 138 auf. Vom Expansionsventil 138 führt eine Leitung 140 zur Verteilspinne 86, die das zugeführte flüssige Kältemittel aufteilt und durch die Verteilleitungen 84 den Vorströmrohren 76 zuführt. Von den Enden der Rückströmrohre führen Sammeleitungen 88 zu einem Kältemittelabscheider 90, der durch eine Leitung 142 mit dem Kältemittelunterkühler/-überhitzer 136 verbunden ist. Von hier führt eine Leitung 144 zur Saugseite des Kältemittelverdichters 132 zurück.
Das Kälteträgersystem, das ebenfalls Wasser als Kälteträger aufweist, besitzt eine Kälteträgervorlaufleitung 146, die den Kälteträgervorlaufanschluß 102 mit dem Wärmetauscher 148 verbindet. Vom Wärmetauscher 148, der z.B. in einem Luftkanal 150 angeordnet ist, führt eine Kälteträgerrücklaufleitung 152 mit eingefügter Umwälzpumpe 154 zum Kälteträgerrücklaufanschluß 100 zurück.
Der den Kälteträger führende Kreislauf ist als geschlossenes System ausgebildet, er besitzt daher eine Mem bran-Ausdehnungsgefäß 156, das an die Kälteträgerrücklaufleitung 152 angeschlossen ist. Um nun die Volumenausdehnung des Kälteträgerkreislaufes, die durch die Eisbildung bewirkt wird, zu erfassen, ist an die Kälteträgerrücklaufleitung 152 ein Druckmeßgerät 158, z.B. ein Manometer, angeschlossen. Dieses zeigt die Drucksteigerung im Kälteträgersystem an. Durch Berechnung und/oder Versuche wird vorab festgestellt, welcher Drucksteigerung einer zulässigen Aufladung des Eisspeichers entspricht. Nach dem Erreichen dieser Drucksteigerung wird dann der Kältemittelverdichter 132 abgestellt, und die weitere Aufladung unterbunden. Selbstverständlich wird man diese Drucksteigerung und das Ausschalten des Kältemittelverdichters 132 mit Hilfe von Pressostaten selbsttätig durchführen. Auch hier wird der Eisspeicher solange aufgeladen, bis die weiter oben genannten Grenzwerte der Eisschichtdicken bzw. Abstände erreicht sind.
Der Ladezustand des Eisspeichers kann alternativ auch durch Messung des Durchflußwiderstandes, d.h. durch Messung des Druckverlustes bestimmt werden, den der Kälteträger beim Durchströmen des Speicherraums 68 erleidet. Hierzu ist ein Differenzdruckmesser 160 mit dem Kälteträgervorlaufanschluß 102 und dem Kälteträgerrücklaufanschluß 100 durch Meßleitungen 162 verbunden. Die Meßleitungen können alternativ auch an die Kälteträgervorlaufleitung und die Kälteträgerrücklaufleitung jeweils in der Nähe der zugehörigen Anschlüsse 100,102 angeschlossen sein. Da mit zunehmender Eisbildung im Eisspeicher der freie Durchflußquerschnitt des Wärmeträgers durch den Speicherraum gedrosselt wird, steigt der Durchflußwiderstand des Speicherraums 68 an, d.h. der Differenzdruck zwischen dem Kälteträgerrücklaufanschluß 102 und dem Kälteträgervorlaufanschluß 100 wird größer. Durch Berechnung oder Versuche läßt sich nun feststellen, welcher Differenzdruck dem voll aufgeladenen Eisspeicher entspricht. Beim Erreichen dieses Differenzdruckes wird dann der Kältemittelverdichter 132 selbsttätig abgestellt. Für die Erfassung des Differenzdruckes wird zweckmäßig ein Differenzdruckwächter eingesetzt, der den Kältemittelverdichter 132 selbsttätig abschaltet.
Selbstverständlich wird man sich für eine einzige Anordnung zur Bestimmung des Ladezustandes des Eisspeichers entscheiden. Hierbei ist zu bemerken, daß die im Zusammenhang mit Fig. 7 gezeigten Anordnungen auch bei einer Anlage gemäß Fig. 6 zweckmäßig sind und umgekehrt.
Zur Aufladung des Kältespeichers wird der Kältemittelverdichter in üblicher Weise in Betrieb genommen und das im Expansionsventil 138 entspannte flüssige Kältemittel durch die Leitung 140 der Verteilspinne 86 zugeführt. An diese Kältespinne 86 sind die Verteilleitungen 84 angeschlossen, die jeweils zu einem Vorströmrohr 86 führen und jedem dieser Vorströmrohre Kältemittel zuführen. Dieses Kältemittel strömt von den Vorströmrohren 76 durch die Rohrbogen 82 zu den Rückströmrohren 78. Durch die Verdampfung des Kältemittels in den Vorströmrohren und Rückströmrohren bilden sich im Speicherraum Eisschichten an diesen Rohren. Das verdampfte Kältemittel strömt dann durch die Sammelleitungen 88 zu dem Kältemittelabscheider 90 und von hier weiter durch den Kältemittelunterkühler/-überhitzer zum Eingang des Kältemittelverdichters 132.
Damit die Ausbildung der Eisschichten an den Speicherrohren 74 gleichmäßig erfolgt, findet während des Ladevorganges keine Zirkulation des Kälteträgers durch den Speicherraum 68 statt, das heißt die Umwälzpumpe 154 ist abgestellt. Der Ladezustand des Eisspeichers wird, wie weiter oben beschrieben, durch das Druckmeßgerät 158 erfaßt. Alternativ hierzu läßt sich hierzu auch der ebenfalls weiter oben beschriebene Differenzdruckmesser 160 einsetzen. Für den Meßvorgang ist es in diesem Falle jedoch erforderlich, die Zirkulation des Kälteträgers kurzzeitig, z.B. während einer Zeitspanne von einer Minute, einzuschalten, um den Druckabfall des Kälteträgers im Speicherraum 68 und damit den Ladezustand des Eisspeichers erfassen zu können.
Nach aufgeladenem Eisspeicher wird bei Kältebedarf des Kälteverbrauchers die Umwälzpumpe 154 in Betrieb genommen und der Kälteträger durch die Kälteträgerrücklaufleitung 152 und den Kälteträgerrücklaufanschluß 150 in den oberen Teil 94 des Speicherraums 68 eingeführt. Da im Speicherraum 68 die Trennwand 92 vorgesehen ist, strömt der Kälteträger im oberen Teil 94 in Richtung zum anderen Verschlußdeckel 72 tritt in den Umlenkraum 98 ein und fließt dann im unteren Teil 96 des Speicherraums zum Kälteträgervorlaufanschluß 102 zurück. Von hier wird der Kälteträger durch die Kälteträgervorlaufleitung 146 dem Wärmetauscher 158 zugeführt, der Kälte an den z.B. im Luftkanal 150 strömenden Luftstrom abgibt. Der erwärmte Kälteträger wird dann der Umwälzpumpe zugeführt, die Kälteträger zum weiteren Kreislauf wiederum dem Kälteträgervorlaufanschluß 100 zuführt. Während der Durchströmung des Speicherraumes 68 schmilzt der Kälteträger die Eisschichten der Speicherrohre 74 ab, wobei der Kälteträger abgekühlt wird.
Um Kälteverluste zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die im Außenraum sich befindenden Rohrbogen 82 sowie die gesamte äußere Oberfläche des Kältespeichers mit einer in den Figuren nicht dargestellten thermischen Isolierschicht zu versehen.

Claims

1. Eisspeicher für die Kälteversorgung von Kälteverbrauchern, mit einem zylindrischen Speicherbehälter (8;89), in dessen Speicherraum (12;68) von einem Kältemittel durchströmbare und mit gegenseitigem Abstand verlaufende Speicherrohre (18;74) angeordnet sind, sowie mit am Speicherraum (12;68) vorgesehenen Anschlüssen für die Zufuhr und Abfuhr von als Kälteträger dienendem Wasser, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- die Speicherrohre (18;74) erstrecken sich in gerader Richtung durch den Speicherraum (12;68) von einem axialen Verschlußdeckel (14;70) zum anderen axialen Verschlußdeckel (16;72) des Speicherraums,
- die Speicherrohre (18;74), die an dem einen Verschlußdeckel (14,70) unterhalb der in Längsrichtung verlaufenden Mittenebene des Speicherraumes (12;68) enden (Vorströmrohre (20;76)), sind außerhalb des Speicherraums mit einer Zufuhrleitung für das Kältemittel verbindbar,
- die Speicherrohre (18;74), die an dem einen Verschlußdeckel (14;70) oberhalb der Mittenebene des Speicherraums (12;68) enden (Rückströmrohre (22;78)), sind außerhalb des Speicherraums (12;68) mit einer Abfuhrleitung für das Kältemittel verbindbar,
- die Vorströmrohre (20;70) sind im Bereich des anderen Verschlußdeckels (16;72) außerhalb des Speicherraums (12,68) mit den Rückströmrohren (22,78) in Verbindung,
- im Speicherraum (12;68) ist zwischen benachbarten Speicherrohren (18;74) ein lichter Abstand von 6 bis 9cm, vorzugsweise 7 bis 8 cm, zwischen den Speicherrohren (18;78) und festen Wänden (10;92) dagegen ein lichter Abstand von mindestens 6cm, vorzugsweise 8cm, vorgesehen (Figuren 1 und 4).

2. Eisspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorströmrohre (20) an eine, an den einen Verschlußdeckel (14) grenzende und außerhalb des Speicherraums (12) angeordnete Verteilkammer (26) angeschlossen sind, die einen Anschluß (28) für eine Kältemittelzufuhrleitung aufweist, daß die Rückströmrohre (22) an eine, an den einen Verschlußdeckel (14) grenzende und außerhalb des Speicherraums (12) angeordnete Sammelkammer (30) angeschlossen sind, die einen Anschluß (32) für eine Kältemittelabfuhrleitung aufweist, daß die anderen Enden der Vorström- und Rückströmrohre (20 bzw. 22) durch eine an den anderen Verschlußdeckel (16) grenzende und außerhalb des Speicherraums (12) angeorndete Wendekammer miteinander verbunden sind (Fig. 1).

3. Eisspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Rückströmrohre (22) ein Verteilkanal (42) mit größtmöglichem Abstand zur Mittenebene, diametral hierzu ein Sammelkanal (44) für den Kälteträger im Speicherbehälter angeordnet ist, die beide in Richtung der Längsachse (24) des Speicherraumes (12) verlaufen und die jeweils mit mindestens einem Kälteträgerrücklaufanschluß (52) bzw. Kälteträgervorlaufanschluß (56) versehen sind, und daß der Verteilkanal (42) und der Sammelkanal (44) jeweils durch gleichmäßig verteilte Öffnungen (54), deren Querschnitte klein sind im Verhältnis zum zugehörigen Kanalquerschnitt, mit dem Speicherraum (12) verbunden sind (Figuren 1 und 2).

4. Eisspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilkanal (42) und der Sammelkanal (44) jeweils einen Querschnitt aufweist, der mindestens das dreifache des Querschnittes des zugehörigen Kälteträgerrücklauf- bzw. -vorlaufanschlusses (52 bzw. 56) beträgt.

5. Eisspeicher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Kälteträgerrücklaufanschlüsse (52) und drei Kälteträgervorlaufanschlüsse (56) jeweils über die Länge des Verteilkanals (42) bzw. Sammelkanals (44) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

6. Eisspeicher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jenen Bereichen, in denen die Verteilkammer (26), die Sammelkammer (30) und die Wendekammer (38) an den einen bzw. anderen Verschlußdeckel (14 bzw. 16) grenzen, zwischen die Kammern (26 bzw. 30 bzw. 38) und die zugeordneten Verschlußdeckel (14 bzw. 16) jeweils eine thermische Isolierschicht (58) eingefügt ist (Fig. 1).

7. Eisspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Vorströmrohren (76) und den Rückströmrohren (78) eine gerade Trennwand (92) im Speicherraum (68) angeordnet ist, die sich von dem einen Verschlußdeckel (70) in Richtung zum anderen Verschlußdeckel (72) erstreckt und die mit einem Abstand, der 1/4 bis 1/3 der Länge des Speicherraums (68) beträgt, vor dem anderen Verschlußdeckel (72) endet, und daß in der Nähe des einen Verschlußdeckels (70) im Bereich der Rückströmrohre (78) ein Kälteträgerrücklaufanschluß (100) und im Bereich der Vorströmrohre (76) ein Kälteträgervorlaufanschluß (102) am Mantel des Speicherraumes (68) angeordnet ist (Fig. 4).

8. Eisspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorströmrohre (76), die an dem einen Verschlußdeckel (70) enden, durch jeweils eine Verteilleitung (84) mit einer Verteilspinne (86) für das Kältemittel verbunden sind, an die eine Kältemittelzufuhrleitung anschließbar ist, daß die Vorströmrohre (76) an dem anderen Verschlußdeckel (72) durch Rohre (82), die außerhalb des Speicherraums (68) angeordnet sind, mit den Rückströmrohren (78) verbunden sind, und daß die Rückströmrohre (78), die an dem einen Verschlußdeckel (70) enden, durch jeweils eine Sammelleitung (88) mit einem Kältemittelabscheider (90) verbunden sind (Fig. 4).

9. Verfahren zum Betrieb des Eisspeichers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Speicherrohre (18;74) auf der Außenseite durch Wasser als Kälteträger beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisspeicher durch Anfrieren von zylindrishchen Eisschichten (60) an den Außenflächen der Speicherrohre (18,74) aufgeladen wird, daß der Ladezustand des Eisspeichers entweder durch die von der Eisbildung bewirkte Wasserverdrängung und/oder durch die Messung des Durchflußwiderstandes des Speicherraums (12;68) erfaßt wird, daß beim Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes der Wasserverdrängung bzw. des Durchflußwiderstandes die Zufuhr von Kältemittel zu den Speicherrohren (18;74) unterbrochen wird, und daß zum Entladen des Eisspeichers die Eisschichten (60) durch den durch den Speicherraum (12;68) zirkulierenden Kälteträger abgeschmolzen werden, wobei der Massenstrom des Kälteträgers so gewählt ist, daß der Kälteträger eine Abkühlung um höchstens 3, vorzugsweise 2 K erfährt (Figuren 6 und 7).

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserverdrängung durch den hierdurch bewirkten Druckanstieg im geschlossenen Kälteträgersystem erfaßt wird (Fig. 7).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Durchflußwiderstandes die Kälteträgerzirkulation durch den Speicherraum (68) kurzzeitig, vorzugsweise eine Minute, in Betrieb genommen wird (Fig. 7).