DE2751265A1

DE2751265A1 - Sammeltank fuer fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2751265A1
Application number: DE19772751265
Authority: DE
Inventors: Axel Harry Johansson
Original assignee: AUTOMATIK VAERME VENTILATION
Current assignee: AUTOMATIK VAERME VENTILATION
Priority date: 1976-11-12
Filing date: 1977-11-14
Publication date: 1978-05-24
Also published as: SE402639B; FR2370931A1; US4146087A; AU3062977A; JPS5384242A; CA1075546A; AU516595B2; SE7612682L; GB1590701A

Description

Sammeltank für Flüssigkeiten

Die Erfindung bezieht sich auf Sammeltanks für Flüssigkeiten im allgemeinen und auf eine Einrichtung für solche Tanks zum geschichteten Ansammeln von Flüssigkeiten, wobei die Schichtung durch Verändern der Temperaturen in der angesammelten Flüssigkeit bestimmt wird, im besonderen.

Sammeltanks von der Art, auf die sich die Erfindung bezieht, sind in erster Linie zum Speichern erwärmten Wassers zur Gebäudebeheizung, das wiederum zum Heizen beispielsweise mit gewöhnlichen Wasserradiatoren verwendet wird, wie zum Erhitzen von Hauehaltswasser gedacht. Solche Sammeltanks dienen hauptsächlich zum Speichern von Wärmeenergie, die intermittierend und/oder mit schwankender Energie erhalten und gleichmäßig abgegeben wird.

Der Anwendungsbereich der Erfindung ist jedoch nicht auf beizen beschränkt, sondern kann mit Erfolg auch auf andere Gebiete ausgedehnt werden, z.B. auf die Industrie, bei der ein temperaturgeschichtetes Speichern von Flüssigkeiten gefordert wird.

Heute ist es erwünscht, solare Energie für Heizzwecke in Kombination mit anderen Energiequellen zu verwenden, ^üie Solarenergie wird jedoch intermittierend wie auch mit schwankender Intensität gewonnen, wodurch die intermittierende Gewinnung größtenteils vom periodischen Wechsel von Tag und Nacht und die schwankende Intensität größtenteils von der Beziehung zwischen Sonnenschein und trübem Wetter abhängt.

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Bisher wurde die gewonnene Energie in der Form erwärmter Flüssigkeiten abgenommen, wodurch die Flüssigkeit selbst oder ein anderer Stoff, z.B. Sand oder Steine das Speicher»- material gebildet hat. So lange wie die Solarenergie eine höhere Flüssigkeitstemperatur als die Temperatur im Speichermaterial liefert, hat sich diese Energie angepaßt. Die Anlage ist jedoch abgeschaltet worden, wenn die Solarenergie eine solche Temperatur nicht erzeugt hat.

Um den Wärmeaustausch durch Wärmeübertragung von der üolarheizanlage auf die Flüssigkeit in einem Sammeltank zu verbessern, werden neuerdings mehr und mehr sogenannte Wärmepumpen verwendet. Es wurde jedoch beim Konstruieren des Sammeltanks keine Mühe aufgewendet und dies hat dann einen Flüssigkeitsbehälter ergeben, bei dem die Flüssigkeit frei zirkulieren kann. Die Abnahme von Wärme aus der Flüssigkeit im Tank erfolgt an der Tankoberseite entweder durch Wärmeaustauschen oder durch direkte Flüssigkeitsabnahme. Dies hat ergeben, daß die Flüssigkeit im Tank zirkuliert und daß der Temperaturunterschied zwischen dem oberen Tankteil und dem Tankboden verhältnismäßig klein ist. Die Tatsache, daß die erhitzte Flüssigkeit unmittelbar dem Tank zugeführt worden ist oder sich in Wärmeaustauschbeziehung mit der Flüssigkeit im Tank an dessen Teil befunden hat, ergibt ein Zirkulieren im Tank. Es war erwünscht, eine möglichst hohe Temperatur im heißen Wasser zu erhalten, das aus dem Tank als Haushaltwasser oder für Heizzwecke entnommen wird. Vorzugsweise soll die Temperatur dieses Wassers nicht unter 50⁰C sinken, aber dies war bisher nicht möglich, wenn das Mischen im Tank die Temperatur der Flüssigkeit oder des Wassers im Tank gesenkt hat, die bzw. das während des Füllens des Tanks auf eine möglichst hohe Temperatur aufgeheizt worden ist.

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Um diesem abzuhelfen, wurde gewöhnlich zusätzliche Hitze z.B. durch elektrische Heizpatronen erzeugt.

Es ist jedoch vorteilhaft, heißes Wasser mit einer Temperatur von mehr als 50°C ohne eine solche Anordnung zusätzlicher Hitze zu erhalten. Zum Heizen ist es auch von Vorteil, wenn die Flüssigkeit von verhältnismäßig hoher Temperatur abgegeben werden kann.

Die Erfindung soll die Nachteile bisheriger Anlagen beseitigen, die erwähnten Aufgaben lösen und die erwähnten Vorteile ergeben. Dies geschieht mit der Einrichtung nach der Erfindung, die mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben wird. In diesen ist:

Figur 1 eine schematische Darstellung des Sammeltanks nach der Erfindung in Kombination mit einem Sonnenenergiekollektor;

Figur 2 ein schematischer Schnitt durch den Sammeltank nach der Erfindung;

Figur 3 ein Teilschnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispiels von Abgabedüsen für den Sammeltank nach der Erfindung; und

Figur 4· eine schematische Darstellung einer Solarheizanlage für Gebäudebeheizung.

Der Sammeltank 1 nach Figur 1 besteht aus einem undurchlässigem, wärmeisoliertem Behälter 2, von dessen Boden 3 ein Rohr aufwärts führt und neben dem Deckel 5 des Tanks endet.

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Das Rohr 4 besitzt Offnungen 6, die hintereinander angeordnet sind, und ist am oberen ^nde offen. Vom Boden 3 des Behälters 2 führt ein Bohr 7 zu einem Solarenergie kollektor 8. Von dort verläuft ein Rohr 9 zum Behälter 2 zurück und ist am unteren Ende des Rohres 4 offen.

Vorzugsweise befindet sich entweder im Rohr 7 oder 9 eine Umwälzpumpe, aber im Prinzip arbeitet die Anlage mit der so genannten Thermosiphon-Zirkulation wenn keine Umwälzung erforderlich ist,

Im Sammeltank 1 befinden sich Auslasse für die erwähnte Flüssigkeit, die in Figur 1 nicht zu sehen sind. Die Anlage nach Figur 1 enthält vorzugsweise eine sogenannte Frostschutzflüssigkeit, wenn dort sonst die Gefahr eines Bruchs infolge des Frostes im Winter besteht. In diesem Fall erfolgt das Abnehmen von im Sammeltank 1 gespeicherter Wärmeenergie mittels Wärmeaustauscher, Die Anlage ist vorzugsweise mit Flüssigkeit gefüllt, außer eines kleinen Luftpolsters, das notwendig ist, damit sich die flüssigkeit im Verhältnis zu ihrer Erwärmung ausdehnen kann.

Im Solarenergiekollektor 8 wird die Flüssigkeit, die vom Boden des Tanks 2 durch das Rohr 7 fließt, erhitzt und fließt in das untere Ende des Rohrs 4. Das Rohr 4 muß nicht am Boden 3 dicht eingepaßt sein, sondern die erwärmte Flüssigkeit soll in das Rohr 4 geleitet werden und darf nicht um die Aussenseite des Rohres 4 fließen.

Der Sammeltank soll ein verhältnismäßig hohes Volumen aufweisen, so daß das Fließen der Flüssigkeit vom Tank zum Solarenergiekollektor und zurück keine fühlbaren Wirbel im Tank bildet.

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Das Rohr 4 ergibt ein ansteigendes Rohr, durch das die ankommende erhitzte Flüssigkeit in dem Umfang ansteigt, der einer Flüssigkeitsmenge entspricht, die durch das Rohr 7 ausfließt. Das -^ohr 4 ist mit Offnungen 6 versehen, die gleichmäßig an seiner Länge verteilt sind. Die erwärmte Flüssigkeit steigt im Rohr auf eine Öffnungshöhe, wo die temperatur der Flüssigkeit im Tank praktisch der der ansteigenden Flüssigkeit entspricht. Dort fließt sie durch die Cffnung aus.

Dies bedeutet, daß je wärmer die Flüssigkeit, die durch das Rohr 9 fließt, desto höher steigt sie im ^ohr 4 an, bevor sie durch die richtige Öffnung 6 austritt. Beim Eintritt kühlerer Flüssigkeit steigt diese nicht auf dieselbe Höhe. Dies ergibt, daß die Flüssigkeitsschicht über der kühleren Schicht nicht überall von der Flüssigkeit beeinflußt wird, die durch das Rohr M- eintritt. Es ist somit ersichtlich, daß im Tank durch die beschriebene Einrichtung diese Schichtung gehalten wird und daß diese von den Temperaturunterschieden der Flüssigkeit abhängt, in der die oberste Schicht am wärmsten ist.

Der Sammeltank nach Figur 2 besteht aus einem wärmeisolierten Behälter 10, der am Boden eine Kammer 11 aufweist, aus der ein Rohr aufwärts zum Deckel 13 des Behälters 10 führt. Die Wandung 14 der Kammer 11 wie auch das Rohr 12 sind wärmeisoliert. Die Kammer 11 steht durch eine Öffnung 15 mit dem Rest des Tankinneren in Verbindung.

In der Kammer 11 befinden sich zwei Wärmeaustauschschleifen 16, von denen eine ein Teil eines Kreises sein kann, in dem sich ein Solarenergiekollektor befindet. Die andere Schleife

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kann ein Teil eines Kreises mit der Energie-pumpe sein. In dieser Anlage ist die Flüssigkeit aus den Erwärmungskreisen von der Flüssigkeit im Behälter 10 isoliert. Dies bedeutet, daß die Flüssigkeit im Behälter unmittelbar z. B. in Heizungs- oder Heißwasseranlagen verwendet werden kann. Der Behaälter ist natürlich mit (nicht dargestellten) Ablässen für die erwärmte Flüssigkeit versehen und kann auch Wärmeaustauscher zum Abgeben von Thermalenergie enthalten.

Die Zirkulation im Behälter 10 erfolgt ebenso ruhig wie im Behälter 2 nach Figur 1. Die Flüssigkeit in der Kammer wird durch Wärmeaustauscher an den Schleifen 16 erhitzt und steigt durch das Rohr 12 auf eine Höhe an, wo die Temperatur der Flüssigkeit im Behälter 10 praktisch gleich der ansteigenden Flüssigkeit ist, und tritt durch die richtige öffnung 17 im Rohr 12 aus. Gleichzeitig fließt Flüssigkeit durch die Öffnung 15 in die Kammer 11.

Grundsätzlich können die Öffnungen im ansteigenden Rohr einfach aus einem Loch in der ^ohrwandung bestehen. Figur 3 zeigt jedoch eine bevorzugte Ausführung dieser öffnungen, bei der diese als kleine Düsen 20 ausgebildet sind, die der aus den Düsen ausströmenden Flüssigkeit eine geringe Direkbewegung erteilen, die vorzugsweise mit der abgerundeten Ausführung des Behälters übereinstimmt. Es scheint, daß diese Bewegung der ausströmenden Flüssigkeit geringere Wirbel als eine gerade nach außen gerichtete Strömung bildet.

Figur 4 zeigt die Grundlagen einer Gebäudeheizanlage, bei der einr Sammeltank nach der Erfindung verwendet wird, der aus einem vertikalen Abschnitt 30 und einem horizontalen Abschnitt 31 besteht. Der letzere bildet einen zusätzlichen

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Speicherabschnitt des Tanks 1. Mit dem Tank 1 steht ein Solarenergiekollektor 32 und eine Wärmepumpe 33 in Verbindung. Die Heizungsanlage besitzt Auslässe in form von Wasserradiatoren 34 und eine Heißwasseranlage 35· Durch den vertikalen Abschnitt 30 des Tanks 1 geht ein Steigrohr 36 hindurch, das in derselben Weise wie bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen mit öffnungen 37 versehen sind. Das Steigrohr 37 geht von einer Kammer 38 am Boden des Tanks 1 aus.

Vom Tankboden führt eine vertikale Wand 55 gerade unter den horizontalen Teil 31 des Tankdeckels, die den Eintritt kalter Flüssigkeit des unteren Teils des horizontalen Tankabschnitts y\ in den unteren Teil des vertikalen Tankabschnitts 30 verhindert. Da die Wärmepumpe 33 von der Flüssigkeit im horizontalen Tankabschnitt 31 Wärme abzieht, besitzt dieser Abschnitt eine verhältnismäßig niedrige Temperatur, die bei einer Flüssigkeit von Vorteil ist, die zum Energiekollektor 32 zum Aufheizen geliefert werden soll, andererseits aber von Nachteil ist, wenn diese gekühlte Flüssigkeit in den vertikalen Tankabschnitt 30 eintreten soll, wo die Temperatur so hoch wie möglich sein soll. Man kann aber auch zwei vollständig voneinander getrennte Tankabechnitte als zwei getrennte Einrichtungen besitzen, die durch Rohre untereinander verbunden sind. Dies würde funktionelle Vorteile haben, könnte aber auch den Aufbau der Anlage vereinfachen.

Die Umwälzanlage ist in Verbindung mit dem Solarenergiekollektor 32 geschlossen, so daß sie eine Frostschutzflüssigkeit enthalten kann, und weist eine Umwälzpumpe 39 auf. Die Flüssigkeit wird im Solarenergiekollektor 32 aufgeheizt und durch ein Bohr 40 und ein Umschaltventil 41 zur Wärmeaustauschzelle 44 im horizontalen Speicherabschnitt 31 des Tanks

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geführt. Von der Zelle 44 gelangt die Flüssigkeit dann zurück zum Kollektor 32 durch ein Rohr 45, in dem sich eine Umwälzpumpe 39 befindet. Wenn die Flüssigkeit aus dem Kollektor 32 eineverhältnismäßig niedrige Temperatur aufweist, wird das Ventil vorteilhafterweise so eingestellt, daß die Flüssigkeit von der tfärmeaustauschzelle 42, die sich in der Kammer 38 befindet, unmittelbar durch die Wärmeaustauschzelle 44 geführt wird, da sie bei unzureichender Temperatur der Aufheizung durch die Anlage entgegenwirkt, die mit der Wärmepumpe 33 versehen ist.

Die Wärmepumpe 33 ist mit einer Schleife 46 versehen, die zu einer Wärmeaustauschzelle 47 am oberen Teil des horizonten Speicherabschnitte y\ des Tanks führt. Die Pumpe 33 absorbiert von der Flüssigkeit im Speicherabschnitt y\ durch die Wärmeaustauschzelle 47 Wärme und gibt diese durch die Wärmeaustauschers 33 in der Kammer 3Ö befindet.

Die Temperatur der Flüssigkeit im Speicherabschnitt wird durch diese Anordnung zwar gesenkt, aber die im Vertikalabschnitt 33 wird angehoben und kann in diesem Abschnitt so hoch wie möglich gehalten werden.

Die Flüssigkeit im Tank kann unmittelbar für Heizzwecke verwendet werden. Vom oberen Teil des Tanks 1 geht ein äohr 50 ab, in das eine Umwälzpumpe gelegt ist, die die Flüssigkeit durch Radiatoren 34 und dergl. pumpt. Die ^ückflüssigkeit fließt dann durch ein Rohr 52 zum Speichertank y\ zurück.

Von einem Wärmeaustauscher 33 geht ein Rohr 53 zum .aufheizen von Haushaltwasser ab, wodurch kaltes Wasser durch ein Rohr 54 zum Wärmeaustauscher gelangt. Das Rohr 54 geht durch den Speicherabschnitt 31 hindurch und heizt das Wasser vor, be-

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vor es den Wärmeaustauscher 53 erreicht hat, wo es im Tank seine höchste Temperatur besitzt.

Die Anlage kann verschiedene Ventile und Temperatursensoren zum automatischen Umschalten und bestmöglichen Wärmeaustausch besitzen. Es können auch zusätzliche Heizanordnungen vorgesehen werden, die bei Temperaturerhöhungen angeschaltet werden, z.B. elektrische Patronenheizer oder ölbefeuerte Heizanordnungen. Diese Maßnahmen sind dem Fachmann jedoch geläufig und brauchen nicht weiter erläutert zu werden.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Flüssig-keit im Tank abhängig von ihrer Temperatur geschichtet gehalten wird, obwohl thermische Energie ständig abgenommen und zugeführt wird, was bisher ungleiche Werte der Temperatur der Flüssigkeit im oberen Tankteil und der am Tankboden ergab. Mit der Erfindung kann auch vergleichbar heißes Wasser für Haushaltszwecke entnommen werden, was bisher ohne besondere Maßnahmen nur schwer zu erreichen war.

Zusammenfassung

Der geschichtete Zustand einer Flüssigkeit in einem Tank wird durch die Flüssigkeit im Tank gehalten und verstärkt, wenn sie durch Aufheizen zum Fließen gebracht wird. Der Teil der Flüssigkeit im Tank, der erhitzt werden soll, wird vor dem Erhitzen von der Flüssigkeit im Tank getrennt und die erhitzte Flüssigkeit kann durch eine Flüssigkeitssäule aufsteigen, die von der Flüssigkeit im Tank getrennt ist, und wird in den Tank bei der Flüssigkeitsschicht zurück geführt, die praktisch dieselbe Temperatur wie die erhitzte Flüssigkeit aufweist. Die Einrichtung enthält einen Sammeltank, in dem ein Bohr praktisch vertikal vom Boden zum oberen Teil geht und getrennte erwärmte Flüssig-

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keit aufnimmt, die durch das Rohr aufsteigen kann. Das Kohr ist mit hintereinander an ihm liegenden Offnungen versehen, die Auslässe für die erhitzte Flüssigkeit ergeben.

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Claims

Meissner & Meissner PATE NTANWALTSBU RO BERLIN — MÜNCHEN PATENTANWÄLTE DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPL-ING. H.-J. PRESTING (BLN) HERBERTSTR. 22, 1000 BERLIN Ihr Zeichen ....... ϋ·»»η Zeichen Berlin, den 14.11· 1977 Ihr Schreiben vom Unsere Zeichen Automatik-Värme-Ventilationsservice AW AB S - 21619 Malmö Patentansprüche

1. Verfahren zum Halten und Verstärken eines geschich-O teten Zustandes einer Flüssigkeit in einem Sammeltank durch die Flüssigkeit im Tank, wenn die Flüssigkeit durch Erhitzen zum Fließen gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Flüssigkeit im Tank (1), der erhitzt werden soll, vor dem Erhitzen von der Flüssigkeit im Tank getrennt wird, daß die erhitzte Flüssigkeit durch eine Flüssigkeitssäule aufsteigen kann, die von der Flüssigkeit im Tank getrennt ist, und daß die Flüssigkeit in den Tank bei einer Flüssigkeitsschicht zurückgeleitet wird, die praktisch dieselbe Temperatur wie die aufgeheizte Flüssigkeit besitzt.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr (4,12,36) vertikal angeordnet und vertikal im Tank

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TEL.: MB/22 3644

von dessen Boden zu dessen oberen Teil verläuft, dessen unteres Ende die getrennte erhitzte Flüssigkeit aufnimmt, die durch das Rohr aufsteigen kann, wobei das Rohr (4.12,36) mit hintereinander am Rohr liegenden Öffnungen (6,17,36) versehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (4,12,36) von einer Kammer (11,38) am Boden des Tanks abgeht, und daß diese Kammer (11,38) mit der Flüssigkeit im Tank in Verbindung steht und getrennte erhitzte Flüssigkeit enthält, die durch das Rohr (4,12,36) aufsteigen soll.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (11,38) mit Wärmeaustauschern (16)

zum Erwärmen der in der Kammer getrennten Flüssigkeit versehen ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (4,12,36) eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen im Rohr (4,12,36) von rohrförmigen Düsen (20) gebildet sind.

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