CH673889A5 - - Google Patents

Description

Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeübertragungsvor- ist, vorgeschlagen, mit welcher das Phasenwechselmaterial richtung für einen dynamischen Latentwärmespeicher nach kanalförmig aufgeschmolzen wird.

dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere unter Die Umwälzung des Wärmetransportmittels wird im Nutzung von Phasenwechselmaterialien, deren Erwärmung Speicherinneren durch diesen Kanal geführt und kann damit und Abkühlung in direktem Kontakt mit siedenden und kon- 45 ohne Behinderung erfolgen.

densierenden Wärmetransportmitteln in geschlossenen Diese Lösung stellt nur für schwer siedende Flüssigkeiten

Behältern oder Kreisläufen erfolgt. eine Verbesserung dar.

Zum Problemkreis der Latentwärmespeicher sind bereits Auf leicht siedende Flüssigkeiten ist sie nicht übertragbar.

eine Vielzahl von Konstruktionen und Methoden der Zum einen steigen die zur Wärmeübertragung erforderlichen

Betriebsführung bekannt geworden. Die in der Fach- und so Dampfblasen innerhalb des Kanals auf, ohne das Phasen-Patentliteratur beschriebenen Lösungen beziehen sich Wechselmaterial zur Wärmeabgabe zu berühren, zum

1. auf bestimmte Phasenwechselmaterialien mit möglichst anderen entweichen die Dampfblasen über den oben offenen grosser Phasenumwandlungswärme, um das Speichervo- Kanal und verbleiben nicht innerhalb des Speichermaterials lumen so gering wie möglich zu halten, und zur Wärmeabgabe und nachfolgenden Kondensation bzw.

2. auf Stoffe und Zusatzelemente, um die speziellen, den 55 erneuten Verdampfung.

Wärmeeintrag/Wärmeaustrag in/aus dem Phasenwechsel- Eine praktikable Lösung für leicht siedende Flüssigkeiten material negativ beeinflussenden Eigenschaften des Phasen- könnte die Vergösserung der Wärmeübertragerflächen für wechselmaterials auszugleichen. den Wärmeeintrag, wie z. B. durch Rippen und Lamellen,

Lösungen dieser Art sind z. B. durch die Publikationen sein. Diese Flächen stellen jedoch einen erhöhten Material-DE-OS 2 937 959, DD-AP 209 902, und DD-WP 154126 60 aufwand und eine zusätzliche Behinderung der Siede- und bekannt gemacht worden. Kondensationsprozesse dar, so dass diese Form der Erhö-

Charakteristisch für diese Lösungen ist die Verwendung hung der Wärmeübertragungsleistungen bisher nur in stati-von Wärmetransportmitteln, die zur Verbesserung der Wär- sehen Latentwärmespeichern genutzt wird, welche ohne meübertragungsleistungen in direkten Kontakt mit dem Pha- diese Flächen nicht arbeiten.

senwechselterial gebracht und in Bewegung versetzt werden, 6s Es ist das Ziel der Erfindung, die bei dynamischen Latent-um den konvektiven Anteil der Wärmeübertragung beson- wärmespeichern im Zusammenhang mit siedenden und kon-ders zu steigern. densierenden Wärmetransportmitteln während des Wärme-

Ais Wärmetransportmittel werden dabei schwer siedende eintrags bestehenden Wärmeübertragungsleistungen zu ver-

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bessern, wobei gleichzeitig der Materialaufwand gesenkt und die Betriebssicherheit erhöht wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Wärmeeintrag in das Phasenwechselmaterial dynamischer Latentwärmespeicher mittels konstruktiver Elemente zu erhöhen.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 definiert. Ausführungsformen davon gehen aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 hervor.

Ein Wärmeübertrager herkömmlicher Bauart im Bereich des Wärmeeintrags und der Rohrkäfig können in Reihe oder parallel miteinander verbunden sein. Bei einer parallelen Verbindung wird ein Teil des von der Wärmequelle kommenden Heizmediums dem Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches über einen Verteiler der unteren Ringleitung zugeführt.

Von dieser Ringleitung ausgehend, steigt das Heizmedium in den Strangleitungen hoch und mündet in die obere Ringleitung ein. In dieser wird das Heizmedium gesammelt und über eine Rücklauf leitung mit dem aus dem herkömmlichen Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches austretenden Strom des Heizmediums in einem Sammler vereinigt.

Bei einer Reihenschaltung wird das Heizmedium zuerst vollständig durch den Rohrkäfig geführt und danach über den Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches oder umgekehrt. Zur Anordnung des erfindungsgemässen Wärmeübertragers innerhalb eines dynamischen Latentwärmespeichers muss der Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches mit dem Wärmetransportmittel und der Rohrkäfig mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt sein.

Wesentlich ist dabei, dass die vorhandenen Strangleitungen geneigt sind und der Käfig nach oben nicht aus dem Phasenwechselmaterial herausragt.

Aufgrund der Neigung und der begrenzten Höhe des Rohrkäfigs ist gesichert, dass die vom Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches aufsteigenden Dampfblasen nur in schräg liegenden und nach oben geschlossenen Kanälen aufsteigen können.

Auf diese Weise ist es möglich, dass die Dampfblasen nicht senkrecht und ohne Berührung des Phasenwechselmaterials aufsteigen und das Phasenwechselmaterial ohne Wärmeabgabe verlassen können, sondern in fortwährender Berührung mit demselben bleiben und dieses ohne Wärmeabgabe nicht verlassen können.

Das durch die Wärmeabgabe entstehende Kondensat kann durch die schräge Lage des Kanals an dessen Unterseite in ständiger Berührung mit dem Phasenwechselmaterial gehalten und zum Wärmeübertrager zurückgeführt werden, wobei vorteilhaft die im Kondensat vorhandene Wärme an das Phasenwechselmaterial zu dessen Vorwärmung abgegeben wird. Aufgrund dieser Vorgänge kann eine wesentliche Erhöhung des Wärmeeintrags in das Phasenwechselmaterial erzielt werden.

Die Wirkung des Käfigs kann sich dabei durch die Verbesserung der Kinetik des Wärmeeintrags einstellen und nicht durch die Vergrösserung der Wärmeübertragerflächen.

Demzufolge genügen nur wenige Rohre, um eine Verbesserung zu erzielen, so dass erhöhte Materialaufwendungen vermieden werden können. Zweckmässig ist die Konstruktion des kegelstumpfförmigen Rohrkäfigs so ausgeführt, dass 5-20 % der Wärmeeintragsleistung durch diesen Rohrkäfig in das Phasenwechselmaterial einbringbar sind.

Für den speziellen Fall, dass als Heizmedium ein Kältemittel verwendet wird, welches durch Wärmeabgabe im Rohrkäfig kondensiert, kann die obere Ringleitung entfallen, und die Strangleitungen sind nach oben verschlossen.

Die Strangleitungen gleichen in ihrer Arbeitsweise in diesem Falle Wärmerohren, die mit Kältemittel gefüllt sind.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die angeordneten Strangleitungen durch Rohrschleifen ersetzt. Dies ist dadurch möglich, dass die obere Ringleitung im s Innern des Kegelstumpfes dicht oberhalb der unteren Ringleitung angeordnet ist. Die Durchmesser der beiden Ringleitungen sind nur wenig unterschiedlich.

In einer dritten Ausführungsform der Erfindung entsteht der kegelstumpfförmige Rohrkäfig dadurch, dass der Kegels-lo tumpf durch eine Rohrwendel entsteht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung ist die zuerst genannte Ausführungsform des Rohrkäfigs in Verbindung mit einem beliebigen konventionellen Wärmeübertrager dar-15 gestellt. Beide Systeme bilden den Wärmeübertrager zum Wärmeeintrag.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der Wärmeübertragungsvorrichtung ist deren Anwendung in einer bekannten Form eines dynamischen Latentwärmespeichers gezeigt. 20 Der Speicher besteht dabei aus einem druckfesten und dichten Hüllkörper 3, in welchem der erfindungsgemässe Wärmeübertrager mit einem herkömmlichen Wärmeübertragerteil 4 für den Wärmeeintrag 4 und dem Rohrkäfig, bestehend aus einer unteren Ringleitung 9, einer oberen 25 Ringleitung 10, Strangleitungen 7, einem Verteiler für das Wärmequellenmedium 14, einem Sammler für das Wärmequellenmedium 15 und einer Rücklaufleitung 6 sowie ein Wärmeübertrager 5 für den Wärmeaustrag integriert sind.

Der Wärmeübertrager 4 und möglicherweise auch die 30 untere Ringleitung 9 befinden sich in einem Bereich 1 für den Wärmeeintrag, der mit dem Wärmetransportmittel gefüllt ist.

Darüber befindet sich (aufgrund gewollter Dichteunterschiede) das Phasenwechselmaterial 2, welches den Rohr-35 käfig umschliesst. Über dem Phasenwechselmaterial 2 schliesst sich ein Bereich für den Wärmeaustrag 13 an, welcher nur mit dem Dampf des Wärmetransportmittels gefüllt ist. Der Strömungsweg für das Wärmequellmedium 11 und der Strömungsweg für das Wärmeverbrauchermedium 40 12 sind ebenfalls dargestellt. Im Falle des Wärmeeintrags werden sowohl der Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches als auch der Rohrkäfig mit einem Wärmequellenmedium durchströmt, welches eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials 2 besitzt. 45 Infolge des Durchströmens beider Systeme laufen 2 Vorgänge gleichzeitig ab.

Zum einen wird das Phasenwechselmaterial entlang der Strangleitungen 7 des Rohrkäfigs zu Kanälen 8 aufgeschmolzen, zum anderen verdampft das Wärmetransport-50 mittel im Bereich für den Wärmeeintrag 1 an der Oberfläche des Wärmeübertragers 4.

Die entstehenden Dampfblasen steigen in den Kanälen auf, wobei sie infolge der Neigung der Kanäle in ständiger Berührung mit dem noch ungeschmolzenen Phasenwechsel-5S material sind.

Ein Aufsteigen der Blasen ohne eine solche Berührung ist nicht möglich. Da nach dem Funktionsmechanismus des gewöblten Speichersystems die Verdampfung bei einer Tem-60 peratur oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials erfolgt, besitzen die Dampfblasen Temperaturen, die höher sind als die Schmelztemperatur.

Infolge der Berührung der Dampfblasen mit festem Phasenwechselmaterial 2, dessen Temperatur im ungeschmol-65 zenen Zustand nur niedriger als die Schmelztemperatur sein kann, erfolgt eine Kondensation des Dampfes mit gleichzeitiger Übertragung der Kondensationswärme an das Phasenwechselmaterial 2.

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Die Übertragung der Kondensationswärme bewirkt entweder die allmähliche Erwärmung des Materials bis zur Schmelztemperatur oder, wenn diese schon erreicht ist, den Phasenwechsel in dem schmelzflüssigen Zustand.

Das aus dem Dampf des Wärmetransportmittels gebildete Kondensat tropft im Kanal 8 nach unten und kommt wiederum durch die Neigung des Kanals in Kontakt mit ungeschmolzenem Phasenwechselmaterial 2 an der unteren Innenseite der Kanäle 8. Das zurückfliessende Kondensat wird am Wärmeübertrager 4 erneut verdampft, so dass sich der gesamte Vorgang in fortlaufendem Zyklus wiederholt. D; der Rohrkäfig nicht aus dem Phasenwechselmaterial 2 hinausragt, spielt sich dieser Zyklus nur im Inneren des Phasenwechselmaterials 2 mit hoher Effektivität der Wärmeübertragung ab.

Aus Versuchen, die mit Na2 SO4 • 10 H2O als Phasenwechselmaterial und Kältemittel durchgeführt wurden, konnte 5 ermittelt werden, dass bei einer Neigung der Strangleitungen 7 des Rohrkäfigs von 780 gegenüber der Horizontalen und einer den Rohrkäfig durchströmenden Menge von 8% des im Latentwärmespeicher eingespeisten Wärmequellenmediums eine Leistungssteigerung des Wärmeeintrags in den Speicher 10 von 20% erreichbar ist.

Eine gleichgrosse Leistungssteigerung würde mit herkömmlichen Mitteln, d. h. durch Vergrösserung der Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers 4, einen etwa 8-fachen Materialaufwand erfordern.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Wärmeübertragungsvorrichtung für dynamische Wärmeein- oder -austrages im flüssigen Zustand bleiben oder Latentwärmespeicher, die zum Wärmeeintrag mit siedenden leicht siedende Flüssigkeiten, wie z. B. Kältemittel, die wäh-und kondensierenden Wärmetransportmitteln arbeiten, rend des Wärmeein- und Wärmeaustrages Wechsel zwischen welche in direktem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial s Sieden und Kondensieren durchlaufen. Dabei wird vorausgestehen, bestehend aus einem ersten Wärmeübertrager (4) für setzt, dass die Wärmetransportmittel und die Phasenwechsel-den mit Wärmetransportmittel gefüllten Bereich des Wärme- materialien nicht ineinander löslich sind und sich vonein-eintrags, einem mit Aufschmelzleitungen versehenen Teil im ander abscheiden.

Bereich des Phasenwechselmaterials und einem zweiten Wesentlich ist dabei, dass für alle Erfindungen, in denen

Wärmeübertrager (5) für den mit dem Dampf des Wärme- io schwer siedende Flüssigkeiten verwendet werden, das Wärtransportmittels gefüllten Bereich des Wärmeaustrags, metransportmittel mit Hilfe von Umwälzpumpen in Bewe-dadurch gekennzeichnet, dass die Aufschmelzleitungen (7,9, gung des Wärmetransportsmittels über die Siedeprozesse 10) einen kegelstumpfförmigen Rohrkäfig bilden, wobei eine ohne Antrieb erfolgen kann und eine mechanische Bewe-Vielzahl von Strangleitungen (7), die eine Neigung von 50 °- gung nicht zwingend erforderlich ist.

85 ° gegenüber der Horizontalen haben, über mindestens is Lösungen, in denen Umwälzpumpen verwendet werden,

eine Ringleitung (9), welche die Grundfläche des Kegels- sind z. B. in der DE-OS 2 826 404, der DE-OS 3 023 494 und tumpfes bildet, miteinander verbunden sind. der DE-OS 2916 514 beschrieben. Lösungen mit siedenden

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PATENTANSPRÜCHE Flüssigkeiten, wie z. B. Öle, vorgeschlagen, die während des

2. Wärmeübertragungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, und kondensierenden Wärmetransportmitteln, die ohne dadurch gekennzeichnet, dass die Strangleitungen (7) über Umwälzpumpen arbeiten, sind z. B. aus dem DD-WP 225 857 eine obere, die Deckfläche des Kegelstumpfes bildende Ring- 20 und dem EP 0 079. EP 0 079 452 bekannt.

leitung (10) sowie die untere Ringleitung (9) miteinander ver- Für beide Lösungen besteht ein Problem :

bunden sind. Im festen Zustand ist das Phasenwechselmaterial für alle

3. Wärmeübertragungsvorrichtüng gemäss Anspruch 1, Wärmetransportmittel nicht oder nur wenig durchlässig.

dadurch gekennzeichnet, dass die Strangleitungen (7) Rohr- Infolge dieser Undurchlässigkeit ist der Prozess des Wärmeschleifen sind und sich die obere Ringleitung (10) im Phasen- 25 eintrages in das Phasenwechselmaterial entweder unter-wechselmaterial (2) über der unteren Ringleitung (9) im bunden oder stark behindert.

Bereich des Wärmeeintrags (1) befindet. Die Umwälzung schwer siedender Flüssigkeiten ist hier-

4. Wärmeübertragungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, durch entweder nicht oder nur mit hohen Pumpendrücken dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Rohr- möglich. Die Umwälzung leicht siedender Flüssigkeiten ist käfig aus einer sich vollständig im Phasenwechselmaterial (2) 30 nur innerhalb der im Phasenwechselmaterial vorhandenen befindlichen Rohrwendel besteht. Kapillaren und Risse oder in Phasenwechselmaterialien, die

5. Wärmeübertragungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, durch besondere Zusatzstoffe als Kristallschüttung vor-dadurch gekennzeichnet, dass der kegelstumpfförmige Rohr- liegen, in den Zwischenräumen der Kristalle möglich. Der käfig aus einer unteren Ringleitung (9) und einer Vielzahl beim Sieden im Phasenwechselmaterial aufsteigende Dampf oben geschlossener Strangleitungen (7) besteht. 35 und das zurückfliessende Kondensat behindern sich in den

Zwischenräumen gegenseitig und lassen damit keine hohen Wärmeübertragungsleistungen zu.

Zur Lösung dieses Problems wird in der DE-PS 3 010 625 für schwer siedende Flüssigkeiten eine sog. Aufschmelzlei-BESCHREIBUNG 40 tung die senkrecht durch das Phasenwechselmaterial geführt