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Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher unter Verwendung einer latenten Speichermasse, die durch Änderung ihres Aggregatzustandes Wärmeenergie speichert und bei Bedarf wieder abgibt, wobei zur Aufnahme der latenten Speichermasse Rohre, die sich zwischen Platten einander gegenüberliegender Wände eines Gehäuses erstrecken, vorgesehen sind, wobei die Rohre von einem Wärmeträgermedium, z. B. Wasser, umgeben sind und wobei das Wärmeträgermedium mittels eines Wärmetauschers aufheizbar ist.
Ein derartiger Wärmespeicher ist in der EP 0 118 028 A2, solarbetrieben, zur Verwendung in Glashäusern geoffenbart. Es enden bei dem Wärmespeicher gemäss dieser Druckschrift die Rohre an den Platten und diese schliessen die Stirnflächen der Rohre dicht ab, sodass mehrere, voneinander getrennte Volumina latenter Speichermasse geschaffen werden. Das ausserhalb der Rohre strömende Wärmeträgermedium wird durch schnorchelartige Gebilde von einem Abteil in das nächste geführt, dabei kommt es insofern zu einer Umschichtung, als das schnorchelähnliche Gebilde einerends im unteren Bereich eines Abteils mündet, andernends im oberen Bereich. Durch eine Vorrichtung wird eine Zwangsumwälzung aufrecht erhalten.
Diese Anordnung ist für andere Zwecke kaum adaptierbar, da durch die strikte Trennung der Latentwärmespeicher und der Behälter für das Wärmeträgermedium keine einfache Füll- bzw. Entleermöglichkeit besteht und der Bedarf an Stellfläche gross ist.
Die EP 0 330 312 A2 offenbart ebenfalls, dass die latente Speichermasse in beidseits geschlossenen Rohren untergebracht ist, während die DE 30 33 014 A1 die Unterbringung des Latentwärmespeichers in kugelförmigen oder in gewellten rohrfömigen Gebilden lehrt.
Die AT 364 121 B betrifft einen Sorptions-Wärmespeicher, der, wie der Name schon sagt, auf der Sorption und der dafür notwendigen Diffusion beruht, und nicht auf der Verwendung einer Latentwärmespeicher. Derartige Sorptions-Weärmespeicher benötigen Einbauten im Speicherbereich und sind schon deshalb komplex aufgebaut.
Wärmespeicher der eingangs definierten Art werden vorwiegend bei NiedertemperaturZentralheizungsanlagen als "Pufferspeicher" oder als "Energiespeicher" eingesetzt. Pufferspeicher dienen dazu, Festbrennstoffheizkessel jederzeit im Nennwärmeleistungsbereich betreiben zu können und die überschüssige Energie zu speichern. Der Schadstoffausstoss solcher Anlagen wird dadurch wesentlich verringert und hohe Jahresnutzungsgrade werden erzielt. Weiters werden Pufferspeicher dazu verwendet, die Schalthäufigkeit von Wärmepumpen zu verringern um eine höhere Lebensdauer dieser zu erreichen. Die Grösse eines Pufferspeichers richtet sich nach der Leistung, die ein Wärmeerzeuger zu bringen vermag.
Energiespeicher haben ihr Einsatzgebiet dort, wo irgendwann anfallende Energie gespeichert werden soll, die zu einem späteren Zeitpunkt benötigt wird und wo Ausschaltzeiten von Wärmepumpen oder Sonnenenergienutzungsanlagen überbrückt werden müssen. Die Grösse eines Energiespeichers richtet sich danach, bei welcher Temperatur, wieviel und wie lange Wärme gespeichert werden soll.
Konventionelle Wärmespeicher arbeiten mit Wasser oder Frostschutzlösungen, die gleichzeitig Wärmeträger und Speichermedium sind. Sie speichern die "fühlbare" Wärme, wobei der Energieinhalt proportional zur Temperatur ansteigt bzw. abfällt. Solche Speicher sind meistens als zylinderförmige Behälter ausgebildet und werden von oben nach unten geladen und entladen, wobei der Inhalt eine thermische Schichtung bildet. Durch Grösse und Form dieser Behälter kommt es immer wieder zu Problemen mit Einbringung und Aufstellung. Daher begannen in den letzten Jahren viele Erzeugerfirmen und Techniker nach Speicherlösungen zu suchen, die bei geringstem Platzbedarf möglichst viel Wärme speichern können. So wurden auch Speicher entwickelt, welche die "Latente Wärme" diverser Stoffe nützen sollen.
Die latente oder versteckte Wärme eines Stoffes ist jene Wärme, die zur Änderung des Aggregatzustandes aufgenommen bzw. abgegeben werden muss. Um zum Beispiel ein Kilogramm Eis mit 273 K (Kelvin) in Wasser mit 273 K umwandeln zu können, muss 335 kJ an Wärmeenergie eingebracht werden. Mit derselben Energiemenge könnte 1kG Wasser von 273 K auf 353 K erwärmt werden. Da Wasser mit 273 Kin Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlagen nicht direkt genutzt werden kann, ist die Verwendung von Eis-Latentspeichern nur in Verbindung mit Wärmepumpen möglich.
Als Speichermasse für Heizungs-Latentspeicher kommen daher nur Stoffe in Frage, die ihren Schmelzpunkt zwischen 303 und 333 K haben und zum Schmelzen möglichst viel Wärme aufneh-
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men müssen. Einige Paraffine und Fettsäuren besitzen diese Eigenschaften. So nimmt zum Beispiel Octadekan (C18H34) 241 kJ/kG an Wärmeenergie auf um sich zu verflüssigen. Das entspricht jener Energie, die benötigt wird um 1 kG Wasser von 273 auf 330 K zu erwärmen.
Versuche haben ergeben, dass sich Kerzenwachs als Latentspeichermaterial sehr gut eignet.
Es beginnt bei ungefähr 318 K zu schmelzen und braucht um 7 Minuten länger um abzukühlen als die gleiche Menge Wasser.
Als problematisch erwies sich die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Speichermaterials im festen Zustand und der damit verbundene Wärmeübergangswiderstand bei der Entladung, sowie die sehr starke Volumenzunahme beim Übergang in den flüssigen Zustand.
Die Erfindung bezweckt einen Latentspeicher, der die gespeicherte Wärme restlos an einen flüssigen Wärmeträger übergibt und bei dem genügend Platz vorhanden ist die Volumensänderungen des Speichermaterials aufzunehmen. Weiters bezweckt die Erfindung einen Latentspeicher herzustellen, bei dem Form und Grösse normalen Haus- und Heizraumeingängen angepasst sind und daher problemlos eingebracht werden können.
Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass die Platten Lochplatten sind, die im Bereich der Rohre Löcher aufweisen, durch die sich die Rohre an beiden Enden in Sammelkästen öffnen, die durch weitere Platten des Gehäuses gebildet sind, und dass die latente Speichermasse in die Sammelkästen über Steigrohre einführbar ist bzw. über Auslassöffnungen abführbar ist. Damit werden die genannten Probleme vermieden, insbesondere ist ein derartiger Wärmespeicher kostengünstig an vorgegebene Aufstellorte anpassbar und einfach befüllbar und entleerbar.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Rohre von gekrümmten, bevorzugt rohrförmigen, Seitenwänden umgeben sind, die sich zwischen den Lochplatten erstrecken, wobei sich das Wärmeträgermedium in dem von den gekrümmten Seitenwänden, den Rohren und den Lochplatten begrenzten Raum befindet. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Konstruktion bei grosser Festigkeit, die Vermeidung sogenannter "toter Ecken" und gute Wärmeübergangseigenschaften.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Sammelkästen innen von einem durch die Lochplatten führenden und den Raum vor den Lochplatten durchsetzenden Rohr begrenzt sind, wobei in das Rohr ein insbesondere durch Solarenergie beheizter Wärmetauscher zur Beheizung des Wärmeträgermediums und der latenten Speichermasse eingebracht ist. Damit wird einerseits auf einfache Weise eine hohe mechanische Festigkeit erreicht und andererseits die Wärmeübertragung gesteigert.
Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen näher beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen Wärmespeicher, teilweise im Schnitt, die Fig. 2 zeigt eine Variante, die Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 4 und die Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie B-B der Fig. 3.
Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen Wärmespeicher, teilweise im Schnitt. Er besteht aus einem sogenannten Wassermantel 1, der druckfest aus gekrümmten Stahlplatten hergestellt und mit den erforderlichen Anschlussmuffen 2 versehen ist. Der Wassermantel wird hinten und vorne mit den Lochplatten 3 und 4 verschweisst. Die inneren Speichermaterialkammern 5 bestehen aus Stahlrohren, die waagrecht durch den Wassermantel 1 geführt und mit den Lochplatten 3,4 verschweisst sind. Die äusseren Speichermaterialkammern 6 und 7 sind kastenförmig aus Stahlblech hergestellt und mit den Lochplatten verschweisst. Sie sind mit Steigrohren 8 ausgestattet, die sowohl zum Einbringen des Speichermaterials als auch zur Be- und Entlüftung der Speichermaterialkammern 6,7 dienen.
Durch die vordere Speichermaterialkammer 6 sind Flanschöffnungen 9 in den Wassermantel 1 geführt. Sie dienen zum Einbau von handelsüblichen Wärmetauschern, die es ermöglichen, den Wärmespeicher mit Sonnenenergie oder mittels Wärmepumpe zu laden. Die Muffen 10, die ebenfalls in den Wassermantel 1 geführt werden, sind zum Einbau von Entleerung, Thermometern und Temperaturfühlern vorgesehen. Zum Entleeren der Speichermaterialkammern werden die Muffen 11 benötigt. Der Wärmespeicher ist aussen mit Mineralwolle 12 wärmegedämmt und mit einem Blechmantel 13 verkleidet. Der Inhalt dieses Speichers besteht aus 71, 5 % Wasser als Wärmeträger und aus 28, 5 % Latentspeichermaterial. Die Wärmeaustauschfläche beträgt 6, 17 dm2 pro 1 dm3 Speichermaterial.
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Fig. 2 zeigt eine verbesserte Version des erfindungsgemässen Wärmespeichers mit mehr Speichermaterialinhalt. Durch Aufschweissen zusätzlicher Stahlplatten 14 rund um den Wassermantel 1 entsteht eine zusätzliche, äussere Speichermaterialkammer. Durch Ausschneiden von Löchern 15 in den Deckplatten wird sie mit der vorderen und hinteren Speichermaterialkammer verbunden. Der Inhalt dieses Speichers besteht aus 57, 6 % Wasser als Wärmeträger und aus 42, 4 % Latentspeichermaterial. Die Wärmeaustauschfläche beträgt 5, 76 dm2 pro 1 dm3 Speichermaterial.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Schnittdarstellungen des Wärmespeichers, der innere Aufbau geht aus diesen Darstellungen gut hervor.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmespeicher unter Verwendung einer latenten Speichermasse, die durch Änderung ih- res Aggregatzustandes Wärmeenergie speichert und bei Bedarf wieder abgibt, wobei zur
Aufnahme der latenten Speichermasse Rohre, die sich zwischen Platten einander gege- nüberliegender Wände eines Gehäuses erstrecken, vorgesehen sind, wobei die Rohre von einem Wärmeträgermedium, z. B. Wasser, umgeben sind und wobei das Wärmeträgerme- dium mittels eines Wärmetauschers aufheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Plat- ten Lochplatten (3,4) sind, die im Bereich der Rohre (5) Löcher aufweisen, durch die sich
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