DE19704914C1 - Vorrichtung zur Einschichtung von Fluiden in Abhängigkeit von deren Dichte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einschichtung von Fluiden in Behältern in Abhängigkeit von deren Dichte.

Es ist bekannt, daß eine Warmwasserschichtung in Speichern zu gewissen Vorteilen im Vergleich zum durchmischten Speicher führen (DE 39 05 874 C2).

Um das einzuspeichernde, erwärmte Wasser in den Bereich gleicher Dichte zu leiten, wird ein Steigrohr mit mechanischen Klappenventilen an den seitlichen Öffnungen verwendet. Die Einströmrichtung ist in eine bestimmte Richtung definiert. Außerdem findet nur eine recht grobe Zuordnung der Dichte des einzuspeichernden Wassers zur Dichte des Speicherwasser, also eine nur teilweise Vermischung statt. Dies ist die Folge relativ großer Abstände der Auslaßöffnungen.

Weiterhin ist ein Wärmespeicher aus der DE 28 04 456 A1 bekannt, bei dem nur aufsteigendes Wasser geschichtet eingelagert werden kann. Aufsteigendes Wasser wird mittels eines Beschleunigers durch Wasserschichten anderer Dichte geleitet. In den Etagen ergibt sich jedoch ein direkter Kontakt zwischen dem aufsteigenden Fluid und dem eingespeicherten Fluid. An diesen direkten Kontaktflächen findet eine teilweise Vermischung mit dem einzuspeichernden und dem bereits eingespeicherten Wasser statt. Dieser verlustbehaftete Vorgang verstärkt sich, je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen dem aufsteigenden Fluid und dem eingespeicherten Fluid wird. Weiterhin ist die Schichtung recht grob, da der Abstand zwischen den Beschleunigerelementen zwischen einem Drittel und zwei Drittel des Durchmessers des Behälters liegt. Die Einschichtung in die Etagen verläuft turbulent. Bei der Wärmeentnahme fließt das kalte Wasser durch den Ringspalt, an der Behälterwand abwärts. Hierbei muß nun das abgekühlte Wasser, wärmere, horizontal verlaufende Wasserschichten durchströmen. Es ergibt sich eine unkontrollierte, verlustbehaftete Vermischung von abwärts strömendem Wasser und eingespeichertem Wasser.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schichtung des Fluids im Behälter (4) nahezu beliebig feinstufig, gleichmäßig und turbulenzarm aufzubauen, damit die Energieverluste minimierbar sind. Die Erfindung soll deshalb auch einen direkten Kontakt zwischen dem eingespeicherten Medium und dem einzuspeichernden Medium mit unterschiedlicher Dichte verhindern. Das einzuspeichernde Medium soll mit der Erfindung selbstregelnd, exakt in die Mediumschicht eingeleitet werden, in der die Dichten, des einzuspeichernden und des eingespeicherten Mediums, gleich sind. Die Einströmung in die naturgemäß horizontal verlaufende Speicherschicht soll möglichst horizontal erfolgen. Außerdem soll die Vorrichtung kostengüstig realisiert werden können. Eine daraus folgende Konsequenz ist eine problemlose Adaption an unterschiedliche Behältersysteme. Weiterhin sollen keine mechanisch beweglichen, und somit verschleißbehafteter Teile Verwendung finden. Um eine hohe Produktionsstückzahl des standardisierten Systems erhalten zu können, sollte die Vorrichtung und das Verfahren die Einschichtung sowohl eines sinkenden, als auch eines steigenden Volumenstroms ermöglichen.

Diese Probleme werden durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht und nachstehend im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung für sinkende und steigende Volumenströme.

Der in Fig. 1 dargestellte Behälter (Speicher) (4) kann eine beliebige Form haben und beispielsweise als zylindrischer Tank ausgebildet sein mit einer Höhe, die vorzugsweise größer ist als der Durchmesser. Auch viereckige Querschnitte sind möglich, und die Endwände können eben oder gewölbt sein. Der Behälter (4) kann als Druckspeicher, als druckloser Speicher, als natürlicher Speicher oder als Saisonalspeicher ausgebildet sein.

In dem Behältern (4) sind zwei Vorrichtungen (5.1) (5.2) vorgesehen. Die Speisung der Vorrichtung (5.2) erfolgt von oben (Volumenstrom sinkend - Dichte b < (Dichte c, Dichte d)) und in (5.1) von unten (Volumenstrom steigend - Dichte c < (Dichte b, Dichte a)). Zur Speisung der Vorrichtung kommen interne und externe Wärmetauschersysteme, aber auch eine direkte Kopplung an externe Wärmequellen (7) oder Wärmesenken (8), in Betracht.

Das Einschichtungsverfahren erfordert einen grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung (5.1) (5.2). Das Einschichtungsverfahren nutzt den "thermischen Sifoneffekt", der von der Vorrichtung erzwungen, und folgendermaßen definiert wird:
Ein Fluid mit höherer Dichte könnte sich nur dann mit einem Fluid mit geringerer Dichte mischen, falls das Fluid mit geringerer Dichte in der Vorrichtung (5.1) (5.2) im Ausströmkanal (2) nach unten sinkt. Dies ist physikalisch nicht möglich.

Beispiel

Einschichtungsvorgang mit der Vorrichtung (5.1): Das Fluid mit höchster Dichte (a) wird mittels einer Pumpe (6) abgezogen und einem Heizelement (7) zugeführt. Das austretende Fluid mit der Dichte c, wird nun der Vorrichtung (5.1) zugeführt. Eine Vermischung von einzulagerndem Fluid (Dichte c) mit dem bereits eingespeicherten Fluid (Dichte a und Dichte b) findet nicht statt, da das Fluid im Kanal (1) mit Dichte c einen Auftrieb erfährt. Dieser Auftrieb ist nur bis zum Erreichen der bereits eingelagerten Fluidschicht mit gleicher Dichte existent. Hätte sich z.B im Kanal (1) das Fluid mit der Dichte c bereits bis in die Fluidschicht mit der Dichte d hochgeschoben, erführe das Fluid im Kanal (1) genau in dieser Schicht einen Abtrieb. Die Schicht (Dichte d) wirkt wie eine "Abschottung" für das Fluid (Dichte c) im Kanal (1). Den Auftrieb im Kanal (1) erhält das Fluid (Dichte c) im Bereich der gespeicherten Fluidschichten (Dichte a und b). Dieser Auftrieb ist für den steigenden Volumenstrom im Kanal (1) verantwortlich. Die "Abschottung" einerseits und der steigenden Volumenstrom (Dichte c) andererseits, sorgen für eine Umlenkung des Richtungsvektors des Volumenstroms im Kanal (1) um mehr als 90° in der Speicherschicht Dichte c. Das einzuschichtende Fluid (Dichte c) wird nun durch den Ausströmkanal (2) in die Speicherschicht (Dichte c) gedrückt. Prallplatten (3) sorgen für eine vorteilhafte, horizontale Einströmung in die naturgemäß, horizontal verlaufende Fluidschicht gleicher Dichte.

Die Einschichtung in (5.2) erfolgt analog. Element (8) stellt eine Wärmesenke dar.

Der hier vorgestellten, exemplarischen Vorrichtung liegt als Basiselement ein innen hohler Kegelstumpf zugrunde. Die Aneinanderreihung dieses Basiselements ergibt die Vorrichtungen (5.1, 5.2) um das Einschichtungsverfahren, mit der Nutzung des "thermischen Sifoneffekts", zu ermöglichen. Die konstruktive Lösung im Anhang 7 ist deshalb als exemplarisch zu betrachten, da der "thermische Sifoneffekt". auch mit anderen geometrischen Formen erzielt werden kann. Abmessungen und Dimensionen sind unmittelbar von den einzuspeichernden Volumenströmen abhängig.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Ausnutzung des "thermischen Sifoneffekts" also der natürlichen Schwerkraft des Fluids, keine Zusatzenergie zur Einschichtung des Fluids erforderlich ist, und daß es zu keiner wesentlichen Vermischung zwischen dem einzuladenden Fluid im Kanal (1) und dem bereits eingespeicherten Fluid mit einer anderen Dichte kommt. Die Schichtung kann sehr feinstufig vorgenommen werden. Die Geschwindigkeit des Volumenstroms am Ausgang von Ausströmkanal (2) nimmt stark ab, es erfolgt somit eine bewegungsarme (turbulenz-, wirbelarme) und energiesparende Einschichtung. Ein weiterer wichtiger Vorteil liegt darin, daß die Vorrichtung ohne mechanisch beweglichen Teile, sowohl für steigende als auch für fallende Fluide einsetzbar ist. Weiterhin erfolgt die Einschichtung selbstregelnd. Dieses Einschichtungsverfahren ist grundsätzlich für jede Art von Fluiden geeignet.

Die Erfindung ermöglicht eine kostengünstige Massenproduktion und den Einsatz v.a. in vielen Bereichen der Heizungs- und. Solartechnik. Hierbei können Behälter und Speicher in jeder Größenordnung (druck oder drucklos) bedient werden. Insbesondere ist auf die Einsatzmöglichkeit in großen Saisonal- und Jahresspeichern hinzuweisen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Einschichtung von Fluiden in Behälter (4) in Abhängigkeit von deren Dichte, wobei die Einschichtung entweder von oben mit sinkenden Volumenströmen (5.2) oder von unten mit steigenden Volumenströmen (5.1) in den Behälter (4) erfolgt, mit übereinander angeordneten, dicht aufeinanderfolgenden, und in ihrer Mitte jeweils eine Öffnung aufweisenden Leitelementen, die mit ihrer Öffnung einen Kanal (1) für das durchströmende Fluid bilden, wobei die Leitelemente zwischen sich jeweils Ausströmkanäle (2) in das umgebende Fluid freigeben, die eine Strömungsumkehr des Fluids < 90°, ausgehend von der Kanalströmungsrichtung, in das umgebende Fluid der entsprechenden Dichte bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente kegelstumpfförmig ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente an ihren Enden horizontale Prallplatten (3) aufweisen.