DE10003334A1

DE10003334A1 - Thermisch isolierter Speicher für flüssige Medien

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Publication number: DE10003334A1
Application number: DE10003334A
Authority: DE
Inventors: Sen Josef Rinberger
Original assignee: RINBERGER SEN
Current assignee: RINBERGER SEN
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2001-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft Warmwasser-Druckspeicher mit innenliegender thermischer Isolierung. Die Isolierung wird durch ein zwischen Einsatz 8.1 und Speicherwand befindliches Gaspolster realisiert. An der Phasengrenze Wasser/Gas 5 wird vorzugsweise eine flüssige Wasserdampf-Diffusionssperre vorgesehen (Fig. 2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Speicher für flüssige Medien nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1

Die in den vergangenen Jahren verstärkte Nutzung von Solarengergie und regenerativen Energien zum Erwärmen von Brauchwasser und im zunehmenden Maße auch zur Heizungsunterstützung beschleunigte die Entwicklung und Optimierung von Warmwasserspeichern.

Bei Warmwasserspeichern ist grundsätzlich zwischen reinen Brauchwasserspeichern und Pufferspeichern zu unterscheiden. Brauchwasserspeicher müssen grundsätzlich höhere Anforderungen hinsichtlich der Korossionsbeständigkeit der Behälter erfüllen, da diese sauberes und hygienisch einwandfreies Wasser (Trinkwasserqualität) zur Verfügung stellen sollen. An die Pufferspeicher werden bezüglich Korrsionsbeständigkeit keine derart hohen Anforderungen gestellt, da in diesen nur das Heizungskreislaufwasser enthalten ist und die Warmwassererzeugung mittels Wärmetauscher (Durchlauferhitzer- Prinzip) vorgenommen wird.

Bezüglich der thermischen Anforderungen unterscheiden sich diese beiden Speicherarten jedoch nicht. Beide Speicher sollen eine weitgehend verlustfreie Speicherung - unter Erhaltung einer stabilen Temperaturschichtung - gewährleisten.

Diese Anforderungen können mit herkömmlich isolierten Speichern - an der metallischen Behälterwand außen angebrachte Isolierungen in Form von z. B. Schaumstoffen oder Hartschaumschalen - nur bedingt erfüllt werden, da einerseits der Übergang zwischen Außenisolierung und Behälterwand eine Schwachstelle darstellt und außerdem die thermisch gut leitenden Behälterwände und die am bzw. im Speicher montierten Zuführungsleitungen bzw. Schichteinsätze durch Wärmeableitung zur Zerstörung der Temperaturschichtung beitragen.

Eine grundsätzliche Möglichkeit zur Überwindung dieser Probleme besteht darin die Behälterwände von Speichern aus schlecht wärmeleitenden Materialien herzustellen. Derartige Lösungen sind bei drucklosen Speichern durch Verwendung von Kunststoffmaterialien bekannt; bei Druckspeichern scheitert jedoch eine wirtschaftlich brauchbare Lösung daran, daß übliche preiswerte Kunststoffmaterialien den Anforderungen hinsichtlich Druck- und Temperaturbeanspruchung nicht gewachsen sind und andere Materialien, wie Edelstahl zwar eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Normalstahl aufweisen, aber insgesamt gesehen auch zu keiner kostengünstigen und thermisch brauchbaren Lösung führen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, herkömmliche Warmwasserspeicher dahingehend zu verbessern, daß ohne großen Aufwand ein insgesamt besseres thermisches Isolierverhalten, eine stabilere Temperaturschichtung und ein besseres Korrosionsverhalten erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Ansprüchen 2 bis 21 zu entnehmen.

Infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird durch das zwischen Behälterwand und Einsatz liegende Gaspolster eine thermische Isolierung erzielt sowie bei Vorsehen von thermisch schlecht leitendem Material für den Einsatzes wird die Wärmeableitung nach unten erheblich verlangsamt, sodaß eine bestehende Temperaturschichtung länger stabil bleibt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist die sich zwangsläufig ergebende korrosionsbeständige Innenauskleidung des Druckspeichers. Dies ist insbesondere bei Brauchwasserspeichern vorteilhaft, da hierbei ggf. auf sonstige korrosionsfeste Beschichtungen wie Emaillieren, etc. oder kostspielige Behältermaterialien wie Edelstahl, etc. teilweise bzw. ganz verzichtet werden kann.

Nachfolgend wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele die Erfindung näher erläutert. Diese sind in nicht maßstäblicher Form dargestellt; auch auf die Darstellung üblicher erforderlicher Zuführungen, etc. wurde weitestgehend verzichtet.

Es zeigen:

Fig. 1 Warmwasserspeicher mit am Speicherkopf gasdicht befestigtem Einsatz;

Fig. 2 Warmwasserspeicher mit einem glockenförmigen Einsatz (geschlossenes Teil dem Speicherkopf gegenüberliegend);

Fig. 3 Warmwasserspeicher mit einem glockenförmigen Einsatz (geschlossenes Teil dem Speicherboden gegenüberliegend);

Fig. 4 Warmwasserspeicher mit zwei glockenförmigen Einsätzen;

Fig. 5 Warmwasserspeicher mit einem gewellten glockenförmigen Einsatz;

Fig. 6 Warmwasserspeicher mit vollkommen geschlossenem Einsatz;

Fig. 7 Warmwasserspeicher mit glockenförmigen Einsatz und einem Schichteinsatz mit Trennelement;

Fig. 8 Verschiedene Varianten der Trennelemente.

Fig. 1 zeigt einen Warmwasserspeicher mit einem unten und oben offenen zylindrischen Einsatz 2, der am oberen Teil des Warmwasserspeichers (Speicherkopf) druckdicht befestigt ist. Der Raum bzw. der Abstand zwischen Speicherwand 1 und Einsatz 2 wird je nach geforderten thermischen Isolierwerten festgelegt. Zusätzlich kann partiell oder vollständig eine äußere Isolierung (4) vorgesehen werden. Der Raum zwischen Speicher und Einsatz wird üblicherweise mit Gas (3) z. B. Stickstoff gefüllt, dessen Druck dem des gespeicherten flüssigen Mediums entspricht. Prinzipiell kann auch eine Luftfüllung vorgesehen werden, hierbei ist jedoch zu beachten, daß dabei die Sauerstoffanteile teilweise in Lösung gehen und ggf. zu Korrosionsproblemen führen.

Um besonders gute thermische Isolierwerte zu erzielen kann als Gasfüllung das Edelgas Xenon vorgesehen werden, dessen Wärmeleitzahl bekanntlich nur ca. ein Fünftel der von Luft beträgt.

Bei Schichtspeichern kann es u. U. sinnvoll sein nur den oberen "heißen" Bereich des Speichers besonders gut thermisch zu isolieren. In diesem Fall reicht ein zylindrischer Einsatz (2) aus, der nur im oberen Bereich des Warmwasserspeichers vorgesehen ist, da dann zusammen mit der äußeren Isolierung eine sehr effiziente und kostengünstige Isolierung des oberen Speicherbereiches realisiert werden kann.

Weiterhin ist eine Verbesserung der thermischen Isolierwerte möglich, wenn am Phasenübergang Gas/Wasser (5) eine Wasserdampfdiffusionssperre (6) vorgesehen wird. Die dabei realisierte "trockene" Gasfüllung weist erheblich bessere thermische Isolierwerte auf als wasserdampfhaltige Gase. Wasserdampfdiffusionssperren können als Flüssigkeitsfilme entsprechender Dicke aus höherkettigen Kohlenwasserstoffen, Paraffinölen oder Silikonölen bzw. mehrschichtigen Lagen dieser Flüssigkeiten ausgebildet sein. Die erforderlichen Dicken der jeweiligen Flüssigkeitsschichten werden je nach gewählter Flüssigkeit(en) in einfachen Versuchen ermittelt.

Zur Kontrolle der Niveaus des Phasenübergangs Gas/Wasser können an sich bekannte elektrische Anzeige-/Meßvorrichtungen auf der Basis von resistiven oder kapazitiven Verfahren vorgesehen werden. Die hierbei erforderlichen Elektroden können an der Speicherbehälterwand und/oder am Einsatz angebracht werden.

Bei Bedarf kann dann mittels einer Zuführungsleitung (7) Gas nachgefüllt werden.

Alternativ kann auch ein transparentes Schauglas (17) an der Speicherbehälterwand angebracht werden und auf diese Art das Niveau des Phasenübergangs visuell kontrolliert werden.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Speicher mit einem Einsatz in Form eines glockenförmigen Körpers (2.1), der ggf. eine integrierte Entlüftungsvorrichtung (16) aufweist. Das geschlossene Teil des Körpers (2.1) ist dem Speicherkopf gegenüberliegend angeordnet. Die unterbrochen (gestrichelt) dargestellte Einsatzwand soll lediglich andeuten, daß der glockenförmige Einsatz (2.1) den Speicher je nach Bedarf ausfüllen soll (z. B. nur oben oder vollständig).

Weiterhin können zwischen Einsatz und Speicherbehälterwand zur Fixierung punktuelle (13.1), ringförmig umlaufende (13.2) oder in Längsrichtung verlaufende Abstandshalter/Fixierungselemente (nicht dargestellt) vorgesehen werden, wobei diese ggf. aus gasdurchlässigem (porösem) Material bestehen.

Bedarfsweise können auch Abstandhalter (14) im Speicherkopf- Bereich vorgesehen werden.

Die ringförmigen umlaufenden Abstandhalter (13.2) können aus elastischem Material mit hydrophoben Eigenschaften (z. B. Silikonkautschuk) bestehen und regelmäßig beabstandet angeordnet werden. Durch eine zwischen Speichermedium und Gasraum vorgesehene geringe Druckdifferenz wirken diese Abstandshalter dann als Dichtelemente, die als Alternative zur Wasserdampfdiffusionsperre (6) vorgesehen werden können.

Ggf. kann der Zwischenraum (Einsatz/Speicherwand) auch ganz mit einem offenporigen, d. h. gasdurchlässigen anorganischen oder organischen Schaummaterial gefüllt sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist weiterhin ein Schichteinsatz (21) zur temperaturgesteuerten Be- und Entladung vorgesehen, der mittels Befestigungselemente (20) mit dem Einsatz (2.1) verbunden ist.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung, bei der der glockenförmige Einsatz (2.2) mit seinem geschlossenen Teil dem Speicherboden gegenüberliegt. Bei einer derartigen Anordnung kann das im oberen Speicherbereich gebildete Gaspolster (3) - das durch die Wasserdampfssperrschicht (6) vom Wasser getrennt ist - einerseits als Isolierung und andererseits als "integriertes Ausdehnungsgefäß" dienen. Zwischen Einsatz 2.2 und Speicherwand können ggf. Abstandselemente 14 vorgesehen werden.

Fig. 4 zeigt einen Warmwasserspeicher mit einem oberen (2.1) und einem unteren (2.2) glockenförmigen Einsatz. Der Abstand der Wand des unteren glockenförmige Körper (2.2) von der Speicherwand ist geringer als der entsprechende Abstand des oberen glockenförmigen Körpers (2.1), sodaß sich die unteren offen Enden der glockenförmigen Einsätze (2.1, 2.2) überlappen können, wobei im Überlappungsbereich die Wasserdampfsperre (6) angeordnet ist. Zwischen der Speicherwand und den glockenförmigen Einsätzen (2.1, 2.2) ist das Gas (3) vorgeshen. In den unteren Einsatz können ggf. gasdichte Durchführungen für entsprechende Anschlüsse (11) integriert werden. Mit dieser Variante ist es möglich innen isolierte Brauchwasser-Speicher zu realisieren, da die Behälter-Innenwände mit korrosionsfesten, hygienisch unbedenklichen Materialien ausgeführt werden können.

Das Material für die Einsätze (2, 2.1, 2.2,) der obigen Ausführungsvarianten kann je nach Bedarf aus entsprechenden korrosionsbeständigen, wasserdampf-undruchlässigen und temperaturbeständigen Materialien gewählt werden. Geeignet hierfür sind z. B. Edelstahl, emailliertes Stahlblech, temperaturbeständige Polyethylene, Polypropylene, etc.

Fig. 5 zeigt einen Warmwasserspeicher mit einem glockenförmigen Einsatz dessen Konturen wellenförmig (12) ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung des Einsatzes ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Einsatz aus einem verhältnismäßig gut wärmeleitenden Material (z. B. Edelstahl) besteht und trotzdem auf eine stabile Temperaturschichtung Wert gelegt wird. Die wellenförmige Ausgestaltung des Einsatzes verlängert in diesem Fall den wärmeableitenden Weg. Weiterhin können bei dieser Ausführungsform die Abstandshalter/Fixierungselemente (14) in vorteilhafter Weise am Einsatz (Wellentäler) befestigt werden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit das unten offene Ende des Einsatzes zur Speichermitte hin konisch, trichterförmig (10) aufzuweiten. Hierdurch ist es möglich das zusätzlich zur Verfügung stehende Gasvolumen zum Druckausgleich des Speicher- /Heizsystems ("integriertes Ausdehnungsgefäß") vorzusehen, sodaß ggf. auf ein seperates Druckausgleichsgefäß verzichtet werden kann.

Der in Fig. 6 dargestellte Warmwasserspeicher mit vollkommen geschlossenem Einsatz (15) der partiell flexible Bereiche im Form von Faltenbälgen (18) aufweist. Diese sollen auftretende unterschiedliche thermische Ausdehnungen kompensieren.

Ein "vollkommen geschlossener" Einsatz ist auch durch einen oben und unten offenen zylindrischen Einsatz (2) realisierbar, der dann jedoch sowohl oben (Speicherkopf) als auch unten (Speicherboden) gasdicht mit dem Speicherwänden verbünden sein muß. Auch bei diesen Varianten entspricht der Gasdruck im geschlossenen Gasraum dem Druck des gespeicherten wäßrigen Mediums.

Fig. 7 zeigt eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines sogenannten Kombispeichers mit einem Schichteinsatz 21 zur temperaturgerechten Einschichtung von durch Wärmequellen ( Heizkessel, Wärmepumpe, Solaranlage, etc.) erhitzten Wassers bzw. einer geschichtenten Entladung durch entsprechende Leitungen 22. Der glockenförmige Einsatz 2.1 wird durch Fixierelemente 13.2 im Speicher gehaltert. Im oberen Teil des Speichers an der Übergangstelle von Brauchwasser- und Heizungswasserbereich ist ein Trennelement (20) - mit Durchlaßöffnungen (23) vorgesehen. Dieses Teil dient primär der thermischen Trennung zwischen den beiden Warmwasserbereichen. Durch die weitgehende Abdeckung der Übergansstelle wird die Wärmeleitfähigkeit des gespeicherten Wasser in Z-Richtung merklich reduziert, sodaß insbesonders bei längeren Speicherzeiten die vertikale Temperaturschichtung weitgehend erhalten bleibt. Die Durchlaßöffnungen (23) ermöglichen eine gewissen Wasseraustausch bei entsprechenden Lade-/Entladungsvorgängen.

In einer bevorzugten Ausführungsform können die Trennelemente (20) in Form mind. einer gelochten Trennplatte aus schlecht wärmeleitenden Material ausgeführt sein, wobei die Trennplatte eine doppelte Funktion erfüllt, nämlich einerseits als Befestigungs-/Abstandselement und andererseits als " Wärmebremse", d. h. durch die verringerte Wasserquerschnittsfläche wird der durch die Wärmeleitfähigkeit des Wassers bedingte Temperaturschichtenabbau (z-Richtung) erheblich vermindert.

In Fig. 8 werden konkrete Ausführungs-Variante für die zwischen dem Schichteinsatz 21 und Einsatz 2.1 angeordneten Trennelemente gezeigt.

Variante (a) zeigt ein Trennelement in Form einer gelochten Trennplatte (20.1) aus z. B. einem Isoliermaterial.

Variante (b) ist eine schalteförmige Platte (20.2) mit Öffnungen (23) als Trennelement vorgesehen, unter welcher sich ein Luftpolster (24) befindet.

Bei Variante (c) ist das Trennelement integraler Bestandteil es Einsatzes 2.1. Hierbei sind die Enden des Einsatzes in Richtung zur Mittel des Speichers (Schichteinsatz 21) verlängert und ggf. mit Durchflußöffnungen (23) versehen. Diese Variante ermöglicht die einstückige Herstellung eines Kombiteiles (Einsatz-Trennelement).

Claims

1. Speicherbehälter für flüssige Medien, insbesondere unter Druck stehende Warmwasserspeicher, mit

- einem außen wärmeisolierten aus geeignetem Material bestehenden Speicherbehälter (1) mit einem entsprechenden Höhen-/Durchmesserverhältnis,
- mind. einem Wärmetauscher und/oder mind. einer Heizungsvor- und Heizungsrücklaufleitung einer beliebigen Wärmequelle und/oder eines Schichteneinsatzes und
- ggf. sonstigen Durchführungen (Entlüftungsrohr, Temperaturmeßeinführungen, etc.)

dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Speichers ein von der Speicherwand (1) be abstandeter, koaxial angeordneter mind. auf einer Seite gegenüber dem flüssigen Medium abschließbarer Einsatz (2) vorgesehen ist, der den Speicher mind. teilweise ausfüllt, wobei der Raum zwischen Speicherwand und Körper wenigstens teilweise mit Gas (3) gefüllt ist, dessen Druck dem des gespeicherten flüssigen Mediums entspricht.

2. Speicherbehälter für flüssige Medien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas (3) mind. eines aus der Gruppe Stickstoff, Argon oder insbesondere Xenon vorgesehen wird.

3. Speicherbehälter für flüssige Medien nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Phasengrenze Gas/Flüssigkeit (5,) eine flüssige Wasserdampf-Diffusionssperre (6) vorgesehen ist, die eine geringe Dichte als das gespeicherte Medium aufweist.

4. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserdampf-Diffusionssperre (6) aus einem hydrophoben Flüssigkeitsfilm aus höherkettigen Kohlenwasserstoffen, Paraffinölen oder insbesondere Silikonölen bzw. deren Mischungen besteht.

5. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Einsatz (2) bedeckten Bereich der Speicherwand, eine Gaszuführungsöffnung (7) vorgesehen ist.

6. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (2) als einseitig geschlossener, insbesondere einstückig ausgeführter, glockenförmiger Körper (2.1) ausgebildet ist.

7. Speicherbehälter für flüssige Medien nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Teil des glockenförmigen Körpers (2.1) dem Speicherkopf gegenüberliegt.

8. Speicherbehälter für flüssige Medien nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Teil des glockenförmigen Körpers (2.1) dem Speicherboden gegenüberliegt.

9. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz im Form eines oberen (2.1) und unteren (2.2) glockenförmigen Körpers ausgebildet ist, wobei sich die offenen Enden der glockenförmigen Körper überlappen.

10. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (2) als vollkommen geschlossener Behälter ausgebildet ist.

11. Speicherbehälter für flüssige Medien nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mind. bereichsweise Teile der Wand des geschlossenen Behälters flexibel, z. B. in Form eines Faltenbalges, ausgeführt sind.

12. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich im wesentlichen alle Anschlüsse (11) im Speicherboden befinden und ggf. den Einsatz (2, 2.1, 2.2, 9) durchdringen.

13. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturen der Einsätze wellenförmig (12) ausgebildet sind, wobei der Verlauf der Wellenberge und -täler im wesentlichen senkrecht zur Längsachse ausgerichtet ist.

14. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Einsätzen (2, 2.1, 2.2) und Speicherbehälterwand (1) zur Fixierung punktuelle (13.1), ringförmig umlaufende (13.2) oder in längsrichtung verlaufende (13.3) ggf. gasdurchlässige Abstandshalter/Fixierungselemente vorgesehen sind.

15. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Einsätzen (2, 2.1, 2.2) und der Speicherbehälterwand (1) wenigstens teilweise mit einem offenporigen anorganischen, vorzugsweise organischen Schaum aus hydrophoben Polymeren auf der Baisis von Polyethylen, Polypropylen oder Silikonen gefüllt sind.

16. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1, 7, 9, dadurch gekennzeichnet, daß das unten offene Ende des Einsatzes (2, 2.1) zur Speichermitte hin ver größert, konisch, trichterförmig (10) ausgebildet ist.

17. Speicherbehälter für flüssige Medien nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einsatz (2, 2.1) fest oder lösbar mittels mind. einem stabförmigen Halteelements (20) mit einem Schichteinsatz 21 zur temperaturgeschichteten Be-/Entladung verbunden ist.

18. Warmwasserspeicher für flüssige Medien nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (20) in Form einer Platte (Trennplatte 22) aus thermisch isolierendem Material oder einer schalenförmigen Platte (20.2) mit Luftpolster die jeweils mind. eine Durchtrittsöffnung (23) aufweisen, zur thermischen Trennung von Warm- und Heizungswasser ausgebildet ist.

19. Warmwasserspeicher für flüssige Medien nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur thermischen Trennung von Warm- und Heizungswasser das unten offene Ende des Einsatzes (2, 2.1) zur Speichermitte hin vergrößert, konisch, trichterförmig (10) ausgebildet ist und mind. eine Durchlaßöffnung (23) aufweist.

20. Warmwasserspeicher für flüssige Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Einsätze (2, 2.1, 2.2,) aus einem korrosionsbeständigen Metall besteht.

21. Warmwasserspeicher nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Einsätze (2, 2.1, 2.2) aus einem temperaturbeständigen, thermisch schlecht leitenden und Wasserdampf undurchlässigen Kunststoff besteht.