DE1941062A1

DE1941062A1 - Kaelte- und Waermespeicher

Info

Publication number: DE1941062A1
Application number: DE19691941062
Authority: DE
Inventors: Ingeborg Laing; Nikolaus Laing
Original assignee: THERMO BAUELEMENT AG
Current assignee: THERMO BAUELEMENT AG
Priority date: 1968-09-09
Filing date: 1969-08-12
Publication date: 1970-03-19
Also published as: DE1941062B2; DE1941062C3; DE1966859A1; US3773031A

Description

DR. I. MAAS

DR. VV. fTilFFEtt

DR. F. VC· 1.'-!LViLEITNER

β MUiIOHCN 23 UNflERERSTR, JS. TEL, 3« Oa M

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Thermo-Bauelement AG, Murten/SCHWEIZ

Kälte- oder Wärmespeicher

Die Erfindung betrifft einen Kälte- oder Wärmespeicher mit einem Tank, der eine diesen Speicher durchsetzende, zu kühlende oder zu wärmende Flüssigkeit enthält, mit in einem oder mehreren Behältern angeordneter schmelzbarer Speichermasse, die mit der den Speicher·durchsetzenden Flüssigkeit im Wärmetausch steht und mit einer Kühl- oder Heizeinrichtung zum Kühlen oder Erwärmen der Speichermasse.

Es ist bekannt, billige periodisch anfallende Energie, z.B. den Machtstrom auszunutzen, indem man Kältemaschinen oder Heißwassergeräte mit Speichermassen ausrüstet, die bei Änderung ihres Aggregatzustandes latente Wärme aufnehmen oder abgeben. Hierbei wird die Speichermasse direkt durch ein

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Heizelement, z.B. durch eine elektrische Heizung, oder ein Kühlelement, z.B. einen als Rohrschlange ausgebildeten Verdampfer geladen. Wenn diese als Verdampfer ausgebildete Rohrschlange sich in einem mit Wasser gefüllten Tank befindet, wird beim Aufladen, also beim Kühlen Eis gebildet, welches sich als konzentrische Schicht um die Rohre ansetzt.

Da wegen der großen Volumenzunahmedes Wassers beim Gefrieren der Behälter gesprengt werden kann, sind Schutzmaßnahmen erforderlich, um die Dicke der die Rohre einhüllenden Eisschicht zu begrenzen. Die maximal tolerierbare Eisschicht beträgt etwa 5 mm, während die Wandstärke der Rohrschlange aus Kupfer etv/a 1 nm beträgt. Aus dieser Relation geht hervor, daß dem Eisgewicht des Kältespeichers etwa das gleiche Kupfergewicht entspricht. Aus diesem Grund haben Kältespeicher für die Kaltwasseraufbereitung oder auch in Klimageräten bisher keine Verbreitung gefunden. Eine gleichartige Anordnung für die Verwendung von Nitrathydraten, die bei 8O°C schmelzen, ist für die Wärmespeicherung zur Wassererzeugung bekannt. Eine Kupferschlange befindet sich in einem Tank, der mit der Speichermasse gefüllt ist und wird von Wasser durchströmt. Genau wie bei dem oben beschriebenen Kältespeicher bildet sich um das Rohr bei der Wasserentnahme eine Salzkruste, die schließlich das ganze Behälterinnere füllt. Beim Wiederaufheizen durch gleichmäßig in der Masse verteilte Heizstäbe entsteht eine starke Volumenzunahme, so daß außerordentlich große Kräfte von dem Behälter aufgenommen werden müssen. Bei den bekannten Anordnungen wird also die Speichermasse selbst durch direkte Kühlung oder Erwärmung aufgeladen und in Kontakt mit dem zu kühlenden oder zu erwärmenden Medium entladen. Der Nachteil dieser Anordnung,, den die Erfindung beseitigen will, besteht darin, daß die Speichermassen in

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kristallisiertem Zustand einen großen W'irneleitwiderctand zwischen dem Kühl- oder Heizregister und dem zu kühlenden oder zu erwärmenden Medium bilden. Zum Schütze der die auskristallisierenden Speichermassen aufnehmenden Behälter müssen kostspielige Regeleinrichtungen vorgesehen sein.

Die Erfindung löst die verschiedenen Schwierigkeiten dadurch, daß die Kühl- oder Heizeinrichtung nur mit der den Tank durchsetzenden zu kühlenden oder zu erwärmenden Flüssigkeit im Wärmetausch steht und die Oberflächen der Speichermassenbehälter ein Kanalsystem in dem Tank bilden, das eine Schwerkraftzirkulation der den Speicherbehälter durchsetzenden Flüssigkeit bei der Abgabe oder Aufnahme von Wärme an oder von der in dem Behälter befindlichen Speichermasse bewirkt. Es steht also nicht wie bei den bekannten Anordnungen das Kühl- oder Heizregister mit den Wärmespeichermassen im direkten Wärmetausch, sondern das Kühl- oder Heizregister steht nur mit der Flüssigkeit im Tank- im Wärmetausch und diese wiederum steht mit der in den Behältern angeordneten Speichermasse in wärmeleitendem Kontakt. Die in dem Tank befindliche, mit der Flüssigkeit in wärmeleitendem Kontakt stehende Speichermasse dient also dazu, die Kühl- oder Wärmekapazität des Speichers bei gegebenem Volumen zu vergrößern.

Bei Kältegeräten kann damit ein im Vergleich zu den oben beschriebenen Geräten verschwindend kleiner Verdampfer im oberen Bereich des Gerätes angeordnet werden. Durch Schwerkraftzirkulation fördert die Flüssigkeit im Tank die Wärme der Speicherkörper zu dem Verdampfer. Bei einem Heizgerät wird analog ein Heizelement im unteren Bereich des Gerätes angeordnet und die Flüssigkeit im Tank transportiert durch Konvektion die Wärme zu den Speicherkörpern. Die Volumenzunahme der Speichermasse, die vorteilhaft in Plastikfolien verpackt

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ist, wirkt sich nun nicht mehr als mechanische Belastung des Tanks aus, sondern führt nur zu einer unbedeutenden Verformung der einzelnen .Speichermassenbehälter, die sich in die zwischen den Speicherelementen verbleibenden freien Zonen ausdehnen. Durch diese Maßnahme kann die wärmetauschende Oberfläche zwischen Speichermasse und Brauchflüssigkeit beliebig groß gemacht werden, wodurch nur eine kleine Temperaturdifferenz zwischen den Speicherelementen und der entnommenen Flüssigkeit entsteht. Auch verbleibt zwischen den Speicherelementen stets ein fliissigkeitsgefüllter Raum, so daß bei plötzlicher Entnahme einer Menge der Brauchflüssigkeit die Temperatur dieser Flüssigkeit mit der der Speicherelemente zusammenfällt, solange die entnommene Menge nicht größer ist als die in diesem Zeitraum in dem Tank gespeicherte Flüssigkeit. Dies gilt sowohl für Kaltwassererzeuger, bei denen immer nur maximal 1/5 1 zum Trinken entnommen wird, als auch bei Heißwassererzeugern, aus denen man heißes Wasser nur in Mengen von wenigen Litern zum Kochen entnehmen will. Bei größerer Entnahme, z.B. zum Baden, werden zwar größere Mengen entnommen, diese haben aber viel geringere Temperaturen. Mit Kältespeichern nach der Erfindung lassen sich auch Klimageräte verwirklichen, die nachts dem Speicher Wärme entziehen, und damit am offenen Fenster stehend die den Speicher durchsetzende Luft erwärmen und am Tag ohne Einschaltung der Kältemaschine über einen von der V/ärmeträgerflüssigkeit durchfloss enen Wärmetauseher die Raumluft kühlen.

Anhand der Beispiele wird die Erfindung erläutert:

Figur 1 zeigt einen Kaltwassererzeuger nach der Erfindung in perspektivischer Darstellung, wobei Teile der Tankwand durchbrochen dargestellt sind.

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Figur 2 zeigt ein Klimagerät nach, der Erfindung für Nachtstrombetrieb.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf das in Figur 2 dargestellte Klimagerät.

Figur *J zeigt eine Seitenansicht des in Figur 2 dargestellten Klimageräts.

Figur 5 zeigt eine Teildraufsicht auf den Wärmetauseher des Gerätes nach Figur 2.

Figur 6 zeigt einen Heißwasserbereiter nach der Erfindung im Teilschnitt.

Figur 7 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Speichermassenbehälter eines Gerätes nach Figur 6.

Figur 8 zeigt die Enden von zwei Gliedern eines Speichermassenbehälters für ein Gerät nach Figur 6 in perspektivischer Ansicht.

Der in Figur 1 dargestellte Wasserkühler zur Erzeugung von' kaltem Wasser hat eine nicht dargestellte Kältemaschine, deren Verdampfer 80 in dem Wassertank 83 angeordnet ist. Der Verdampfer 80 hat vorteilhaft Rippen 8l und ist überhalb einer Schüttung 82 aus Speicherelementen angeordnet, die aus mit Speichermasse gefüllten Behältern bestehen. Solche Behälter können aus zwei tiefgezogenen ineinanderpassende Halbkugelschalen bestehen, die nach dem Einfüllen der Masse miteinander verschweißt oder verklebt werden. Bei eingeschalteter Kühlung führt das im Tank 83 zwischen den Speicherelementen 82 befindliche Wasser in Richtung der Pfeile BH eine Konvektionsströmung aus und bewirkt damit die Abkühlung der

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Speicherelenente 82. Bei Entladung, also bei Entnahme von kalten V/asser wird Leitungswasser durch das Rohr 85 in die Ecke 86 Geleitet und strömt dann raumdiagonal durch die Schüttung aus den Speicherelenenten 82 und aus den Stutzen 87 heraus. Die Speichernasse in den Speicherelenenten entzieht dabei dem Wasser Wärme, die von der Speichernasse latent gespeichert wird. Das wesentliche an der dargestellten Ausführungsform ist, daß die Kühleinrichtung, nämlich der Verdampfer 8l nicht die Speicherelemente direkt kühlt, sondern daß die Kühlung dieser Speicherelemente über das Brauchwasser, das sich in dem Tank 83 befindet, erfolgt.

In Figur 2 ist ein Klimagerät im Schnitt dargestellt, das mit Nachtstrom geladen wird. Ein Klimagerät nach der Erfindung nützt nicht nur den Machtstrom, der billiger als der Tagstrom ist, aus, sondern auch die Tatsache, daß die Temperatur der den Verflüssiger umgebenden Luft bei Nacht geringer als bei Tag ist. Dadurch wird der thermodynanische Wirkungsgrad des Kältekreislaufes verbessert. Das Gerät v/eist einen Tank 100, eine diesen Tank umgebende Isolation 109 und ein Gehäuse 101 auf. Innerhalb des Tanks 100 sind senkrecht stehen* de Wärmespeicherplatten 102 in kleinen Abständen voneinander angeordnet, so daß die im Tank befindliche Flüssigkeit, z.B. Methanol oder Tetrachlorkohlenstoff frei zirkulieren kann. Oben in den Tank befindet sich eine Rohrschlange 10*1 vorzugsweise aus einem Rippenrohr. Wie aus Figur 3 ersehen v/erden kann, verlaufen die Rohrabschnitte so, daß jeweils über jedem zweiten Abstand zwischen zwei benachbarten Platten 102 ein Rohrabschnitt verläuft, der also über einem von zwei benachbarten Platten gebildeten Kanal angeordnet ist. Durch diesen Kanal sinkt das durch Wärmeaustausch mit dem Rohrinhalt abgekühlte "ethanol nach unten und im benachbarten Spalt zwischen zwei Platten, über dem sich kein Rohr befindet, steigt das

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Methanol wieder nach oben,-nachdem es den plattenförmigen V.'ürnespeicherelementen Wärme entzogen hat. Methanol eignet sich besonders für diesen Zweck, da der Ausdehnungskoeffizient ein vielfaches dessen von Wasser beträgt und die Gefrier-•cemperatur sehr niedrig liegt. In der Nacht wird durch die Verdainpferleistung innerhalb der Rohrschlange 104 den Speicherplatten und der. Methanol wie beschrieben Wärme entzogen. Die Wärme wird bei höherer Temperatur durch den Verflüssiger 105 an die Außenluft abgegeben. Der Verflüssiger 105 und der Kompressor 106 der Kältemaschine befinden sich zusammen mit einem Gebläse 107 in einem Endabteil 110 des Gehäuses 101. Beim Laden saugt das Gebläse 107 Luft längs der Pfeile lOS an und entzieht damit dem Verflüssiger Wärme. Der Wärmetauseher des Verflüssigers 105, von dem in Figur 5 eine Teilendansicht dargestellt ist, hat mehrere übereinander angeordnete Gruppen von Rohren. Die außen liegenden Rohrgruppen IO9 werden von dem Kältemittel durchströmt, während die innen liegende Rohrgruppe 12*1 an den Stirnseiten des Geräts in Verteiler 125 münden, die an eine Pumpe 12o angeschlossen sind. Dabei wird wieder eine raumdiagonale Strömung durch den Wärnetauseher 105 angestrebt. Während des Tagbetriebs wird am tiefsten Punkt des Tanks 100 Methanol abgepumpt und über einen Verteiler durch die Rohre 124 zu dem zweiten Verteiler auf der anderen Seite gedruckt, von wo es zum höchsten Punkt des Tanks geleitet wird. Auf diese Weise kann das Gerät am Tage die in der Nacht gespeicherte Wärme wieder abgeben. Tetrachlorkohlenstoff eignet sich besonders bei schmelzenden Speicherstoffen von etwa gleicher Dichte, wodurch die Speichermassenbehälter 102 eine sehr dünne Wandstärke haben können. Als Speichermasse wird gemäß der Erfindung ein Hydrat verwendet, das einen Gefrierpunkt von nur minus 3⁰C oder gar von + 5⁰C hat, da in diesem Falle keine Vereisung am Wärmetauscher 105 stattfinden kann. Wenn Speicherraassen, die bei noch tieferen Temperaturen frieren,

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eingesetzt werden, wird gemäß der Erfindung ein Teil der den Wärmetauscher 105 verlassenden Flüssigkeit wieder dem Einlauf in der. Wärmetauscher 105, nämlich dem Verteiler 125, zugeführt, wobei das Verhältnis dieses Teilstroms und des Stroms, der durch den Tank 100 fließt, so gewählt wird, daß die Temperatur des Wärmetauschers 105 bei Luftdurchsatz oberhalb des Gefrierpunktes bleibt, so daß eine Vereisung des Wärmetauschers ausgeschlossen ist. Gemäß der Erfindung kann als Wärmespeichermittel auch Wasser Verwendung finden.

Figur 6 zeigt ein weiteres als Warr.wassererhitzer ausgebildetes Gerät nach der Erfindung mit einem Tank 1, einem Zulaufrohr 2, einem Ablaufrohr 3, einem Außengehäuse 4 und einer Isolierung 5. In dem Tank befindet sich ein elektrischer Heizkörper 6 und ein spiralenförmig gewickeltes Wärmespeicherelement 7· Dieses Wärmespeicherelement ist in Draufsicht in Figur 7 noch einmal dargestellt. Beim Aufladen steigt heißes V/asser durch den in der Mitte verbleibenden Kanal 8 nach oben und verteilt sich längs den Pfeilen 9 im Kopf raum des Tanks. Von hier aus sinkt das V/asser unter Wärmeabgabe an das Speicherelement wieder nach unten. Die Zirkulationsströmung wird dabei so lange aufrecht erhalten, bis die Speichermasse aufgeladen ist. Im Bereich 10 ist ein nicht dargestell-ter Temperaturschalter angeordnet, da an dieser Stelle die Endtemperatur zuletzt erreicht wird. Wenn auch an dieser Stelle 10 eine Temperatur erreicht v/urde, die über der Umwandlungstemperatur der Speichermasse liegt, so wird die Heizung automatisch abgeschaltet.

Wie in Figur 7 dargestellt, besteht das Speicherelement aus einem nicht gewellten Blechstreifen 20 und einem gewellten Blechstreifen 21, sowie gegebenenfalls einem dazwischenliegenden, der besseren Wärmeverteilung dienenden Blechstreifen 23. An dem axialen Ende sind die gewellten Blechstreifen, wie in Figur 8 mit dem Bezugszeichen 2k angedeutet wird, so.

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gefaltet, daß die Abwicklung in jeder. Querschnitt senkrecht zur Achse des Behälters gleich groß ist. Durch diese Endbereichsausgestaltung wird vermieden, daß die sich durch die gewellten Bleche 21 gebildeten Kanäle durch besondere Abdeckkappen an den Enden abgedeckt werden nüssen. Die Sicke 25 dient dazu, einen definierten Abstand von den jeweils benachbarten Blech 20 zu gewährleisten. Diese Konfiguration kann sowohl in Tafeln, also in aufeinanderfolgender. Schichten Verwendung finden, als auch zu geometrischer Spirale aufgerollt werden, wie in dem dargestellten Beispiel. Zwischen den mit Speichermasse gefüllten Blechstreifen 26 und 27 ist ein Wärmeleitblech 23 angeordnet, welches vorteilhaft so eingelegt ist, daß die Eindringtiefe in.die Hasse überall gleich ist, so daß die Masse gleichmäßig thermisch entladen werden kann. Gemäß der Erfindung bestehen die äußeren Wände 20 und 21 vorzugsweise aus nichtmetallischen -Werkstoff. Durch die Wahl des Abstands 28 und der Höhe der Sicke 25 werden die Dimensionen der verbleibenden Kanäle für die aufzuwärmende Flüssigkeit, die in diesen Falle V/asser ist, bestimmt. Ein als spiralenförmiger Einsatz 7 ausgebildetes Speicherelement kann mit sehr dünnen Wandstärken ausgebildet sein und daher kleine Dichteänderungen der eingeschlossenen Speichermasse kompensieren, wobei die Wände der 31eche 21 gering verformt werden. Indem Gerät wird dadurch eine geringe Wassermenge wieder in die Leitung zurückgedrängt oder durch eine Bypassleitung an anderer Stelle aus dem Tank herausgedrängt. Bei Warmwasserbehältern, bei denen Warmwasser nicht in die Leitung zurückgedrängt werden darf, ist ein faltenbalgähnlicher Körper 11, wie in Figur 1 dargestellt, vorgesehen, der die Volumenänderung durch Änderung der Dichte der Speicherstoffe aufnimmt.

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Claims

- ίο - Patentansprüche

1./ Kälte- oder V/arme spei eher mit einem Tank, der eine diesen Speicher durchsetzende, zu kühlende oder zu erwärmende Flüssigkeit enthält, mit in einen oder mehreren Behältern angeordneter schmelzbarer Speicherr.asse, die mit der den Speicher durchsetzenden Flüssigkeit in Wärmetausch steht und mit einer Kühloder Heizeinrichtung zum Kühlen oder Erwärmen der Speichermasse, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühloder Heizeinrichtung nur nit der den Tank durchsetzenden Flüssigkeit in Wärmetausch steht und daß die Oberflächen der Speichermassenbehälter ein Kanalsystem in derr. Tank bilden, das eine Schwerkraft zirkulation der den Tank durchsetzenden Flüssigkeit bei der Abgabe oder Aufnahme von Warne an oder von der in den Behältern befindlichen Speichermasse bewirkt.

2. Kältespeicher nach Anspruch 1 für einen Kaltwassererzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß die den Speicher durchsetzende, mit der Kühleinrichtung einerseits und den Speichermassenbehältern andererseits in wärmeleitendem Kontakt stehende Flüssigkeit das zu kühlende Brauchwasser ist.

3. Wärmespeicher nach Anspruch 1 für einen Warmv/assererzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß die den Speicher durchsetzende, mit der Heizeinrichtung einerseits und den Speichermassenbehältern andererseits in wärmeleitendem Kontakt stehende Flüssigkeit das zu erhitzende Brauchwasser ist.

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- li -

. "Kältespeicher nach Anspruch 1 für ein Klimagerät, da-~ durch Gekennzeichnet, daß die den Speicher durchsetzende, mit der Kühleinrichtung einerseits und den Speichermassenbehältern andererseits in wärmeleitenden Kontakt stehende Flüssigkeit eine Wärmetransport flussickeit, vorzugsweise Tetrachlorkohlenstoff oder Methanol, ist, die bein Laden des Geräts V/arme von den Speicherelementen zu der als Verdampfer eines Kühlkreises ausgebildeten Kühleinrichtung und beim Entladen des Geräts Wärme von einem außerhalb des Tanks befindlichen, die Raumluft kühlenden Wärmetauscher zu den Speicherelementen transportiert.

· Speicher nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente aus einer Vielzahl von unter sich gleichen, die Speichermasse einschließenden Behältern, vorzugsweise aus Kunststoff, bestehen, die in loser Schüttung einen Teil des Tankinneren einnehmen.

. Speicher nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente aus einer Vielzahl von unter sich gleichen, die Speichermasse einschließenden Behältern bestehen, die nebeneinander in vertikaler Richtung angeordnet sind und zwischen sich Kanäle bilden, die den Speichertänk in vertikaler Richtung durchsetzen.

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