DE2916514C2

DE2916514C2 - Verfahren zur Verbesserung des Wärmeaustausches in einem Latentwärmespeicher sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2916514C2
Application number: DE2916514A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Winterthur Stuecheli
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1979-04-18
Filing date: 1979-04-24
Publication date: 1983-03-10
Also published as: SE8002829L; DE2916514A1; FR2454599A1; GB2049922A; ATA306379A; NL8001778A; BR8002382A; JPS55140095A; ES8104549A1; BE882828A; ES490352A0; CH639477A5; AT363963B

Description

zwischen dem Latentwärmespeichermedium und dem über die jeweilige Wärmeübertragungsfläche von diesem getrennten Wärmeübertragungsmedium. Zur Beseitigung der eingangs aufgeführten Nachteile, z. B. in bezug auf Bildung einer störenden Salzschicht an den Wärmeübertragungsflächen, ist dieser bekannte Stand der Technik nicht brauchbar.

Ähnliche Probleme stellen sich, falls man statt der erwähnten Natriumsalzhydrate lediglich Wasser als Latentspeichermedium verwendet Ein solcher Latentwärmespeicher auf Eis/Wasser-Basis ist z.B. in der US-PS 29 96 894 beschrieben. Auch hier wird versucht, die geschilderten Probleme in bezug auf Verkrustung, d. h. in diesem Falle Eisbildung, an Wärmeaustauschflächen zu umgehen, indem auf den üblichen indirekten Wärmeaustausch zwischen Wärmeträgermedium und Latentwärmespeichermedium Ober eine Wärmeübertragungsfläche verzichtet wird und ein flüssiges Wärmeträgermedium, z. B. öl, direkt in Kontakt mit dem Latentwärmespeichermedium Wasser gebracht, nach vollzogenem Wärmetausch vom Wasser abgetrennt und z. B. durch einen Wärmeaustauscher außerhalb des Latentspeichers zwecks Wärmeentnahme oder Wärmezufuhr gepumpt wird.

Eine solche Verwendung von Öl zum direkten Wärmeaustausch mit dem Wasser ist jedoch mit verschiedenen Nachteilen verbunden. So hat das öl eine verhältnismäßig geringe Wärmekapazität Weiter ist es in der Praxis mit großen Schwierigkeiten verbunden, die erwünschte Trennung zwischen öl und Wasser nach vollzogenem Wärmeaustausch zu bewerkstelligen, da leicht eine irreversible Emulsionsbildung eintreten kann. Eine möglichst intensive und daher emulsionsbegünstigte Mischung Öl/Wasser ist jedoch unerläßlich für eine einigermaßen befriedigende Wärmeübertragung. Wird das öl jedoch nur mit geringer Intensität mit dem Wasser gemischt bzw. durch dieses gepumpt um das Risiko einer Emulsionsbildung zu verringern, ist der Wärmeübergang Öl/Wasser ungenügend. Ferner ist ein solcher direkter Wärmeaustausch ausgeschlossen, falls z. B. das Arbeitsmittel einer Wärmepump« als Wärmeträgermedium verwendet werden solL

Zur Lösung der genannten Probleme in bezug auf Wärmeübertragungsflächen im Bereich des Latentwärmespeichermediums eignen sich diese bekannten Latentwärmespeicher nicht

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmeaustausch in einem Latentwärmespeicher der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß die oben geschilderten Nachteile beim indirekte Wärmeaustausch zwischen Latentwärmespeichermedium und einem Wärmeträgermedium übtr mindestens eine Wirmeübertragungslei· tung vermieden werden und auch beim Vorliegen des Latentwärmespeichermediums, z. B. in Grießform, ein intensiver Kontakt der gesamten Speichermasse mit der Wärmeübertragungsleitung bei hohem Wärmeübergang gewährleistet ist Weiter soll bei Vorliegen des Latentwärmespeichermediums in Agglomerat- öder Blockform ein rasches Aufschmelzen bzw. Homogenisieren ermöglicht werden, damit innert kurzer Zeit ein optimaler Wärmeaustausch stattfinden kann. '

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 3 aufgeführten Maßnahmen.

Indem das Latentwärmespeichermedium mit Hilfe des Zwischenmediuins in einem wirbelbeturtigen Zustand gehalten werden kann, wird nicht nur ein intensiver Kontakt der gesamten Speichermasse mit den Wärmeübertragungsleitungen erreicht, sondern es ist auch eine jederzeitige Betriebsbereitschaft oder Verfügbarkeit des Latentwärmespeichermediums zum Zwecke der Wärmeübertragung gewährleistet So kann, falls der Latentwärmespeicher zeitweise nicht benötigt wird, nur eine geringe Aufwirbelung bzw. Durchströmung des Latentwärmespeichermediums vorgesehen sein, welche jedoch ausreicht, um ein Zusammenbacken oder eine Phasentrennung im Latentwärmespeichermedium bzw. eine Inkrustation der Wärmeübertragungsleitungen zu verhindern. Soll Wärme im Latentwärmespeicher gespeichert oder abgegeben werden, kann der Aufwirbelungszustand beliebig intensiviert werden, um die gewünschte Wärmeübertragung zu gewährleisten. Da das Zwichenmedium keine Wärmeübertragungsfunktion erfüllen muß, ist der Wärmeübergang nicht von dessen Wärmekapazität abhängig. Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß keine komplizierten mechanischen Umwälzorgane im Speicher selber erforderlich sind.

Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von 3 Ausführungsbeispielen in \^.bindung mit der Zeichnung. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung unter Verwendung von flüssigem Zwischenmedium in Verbindung mit einer Sonnenkollektorhiizung,

F i g. 2 das Verfahren und die Vorrichtung nach F i g. 1 in Verbindung mit einer Wärmepumpe und einem ölgefeuerten Heizkessel,

Fig.3 eine Darstellung des Verfahrens unter Verwendung von gasförmigem Zwischenmedium in Verbindung mit einer entsprechenden Vorrichtung im Vertikalschnitt Ein Latentwärmespeicher 10 (Fig. 1) weist einen

isolierten Behälter 12 auf, welcher teils mit einem Latentwärmespeichermedium 14, wie z. B. Natriumazetat-Trihydrat, und teils mit einem flüssigen Zwischenmediuni 16, z.B. Paraffinöl, gefüllt ist Der obere, das Zwischenmedium 16 enthaltende Bereich des Bekälters 12 ist über eine Ableitung 18, eine Pumpe 20 mit variablem Fördervolumen und eine bis zum unteren Teil des Behälters 12 geführte Zuleitung 22, welche austrittsseitig ein Rückschlagventil 24 aufweist mit einem im unteren Bereich des Behälters 12 angebrachten und sich im wesentlichen über den Querschnitt des Behälters 12 erstreckenden, Durchtrittsöffnungen 28 aufweisenden Boden 26 verbunden. Eine im Behälter 12 angeordnete erste, als Rohrschlange ausgebildete Wärmeübertragungsleitung 30 wird über eine Leitung 32, eine Umwälzpumpe 34, einen Sonnenkollektor 36 und eine Leitung 38 mit erwärmtem Wärmeträgermedium 37, z. B. einem Wasser-Glykol-Gemisch, versorgt und dient zum Aufheizen des im unteren Teil des Bshäi(e?5 12 vorhandenen Latentwärmespeichermediums 14. Ein in der Leitung 38 nach dem Sonnenkollektor 36 angebrachter Temperaturfühler 39 tastet die Temperatur des Wärmeträgermediums 37 ab und steht über eine Signalleitung 41, ein Steuergerät 43 und eine Signalleitung 45 mit der Pumpe 20 in Verbindung. Eine zweite, ebenfalls im Latentwärmespeichermedium 14 angeordnete und als Rohrschlange ausgebildete Wärmeübertragungsleitung 40 steht über Leitungen 42, 44 und eine Umwälzpumpe 46 mit einem Verbraucherkreislauf in Verbindung, z. B. mit einer Heizung oder einer Bra'.<chwasser"ufbereitung. Als Wärmetrügermedium 47 dient Wasser. Ein elektrischer Heizkörper 48 dient als Zusatzheizung bei Ausfall der Sonnenenergie und erleichtert das Aufschmelzen des Latentwärme-

^peichermediums 14, falls dieses beim Gefrierprozeß in feste Form übergegangen ist. Der Heizkörper 48 ist im Zwischenmedium 16 angeordnet, da er nur den Fluidisierungsvorgang beim »Anfahren« des Latentw?,rmespeichers 10 erleichtern soll.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:

Es wird z. B. davon ausgegangen, daß der Sonnenkollektor 36 während der Nacht außer Betrieb ist. In Latentwärmespeicher 10 befindet sich nun im unteren Teil eine breiartige, mehr oder weniger zusammenbakkende Masse, bestehend aus grießförmigem Latentwärmespeichermedium 14 und aus als Zwischenmedium 16 dienendem Ul. In einem derartigen Gemisch im stationären Zustand können nur die der Wärmeübertragungsflächen 30,40 unmittelbar benachbarten Festkörperteile beim Aufheizen des Speichers geschmolzen werden, so daß der Wärmeübergang sehr schlecht ist.

Sonnenkollektors 36 ein, so wird über den Temperaturfühler 39 die Pumpe 20 so weit in Betrieb gesetzt, daß das als Zwischenmedium 16 dienende Ul mit einer gewissen Strömungsgeschwindigkeit über die Leitungen 18, 22 in Pfeilrichtung in den unteren Teil des Behälters 12 über das Rückschlagventil 24 durch die Durchtrittsöffnungen 28 des Bodens 26 gefördert wird. Hierdurch wird das breiartige Gemisch fluidisiert, d. h. vom stationären Zustand in einen mobilen Zustand versetzt, wobei die einzelnen festen Partikel des Latentwärmespeichermediums 14 ein Wirbeibett bilden und praktisch der gesamte Behälterinhalt fortwährend in Kontakt mit den Wärmeübertragungsleitungen 30,40 kommt. Bei diesem minimalen Fluidisierungsgrad wird also der Latentwärmespeicher 10 in Betriebszustand versetzt Meldet der Temperaturfühler 39 eine Steigerung der Eintrahlungstemperatur, so wird über das Steuergerät 43 die Fördergeschwindigkeit der Pumpe 20 erhöht, so daß der Fluidisierungsgrad im Latentwärmespeicher 10 entsprechend erhöht wird. Der Wärmeübergang zwischen den Wärmeübertragungsleilungen 30,40 und dem Latentwärmespeichermedium 14 erhöht sich somit entsprechend. Somit werden die bei höherer Temperatur ins Gewicht fallenden Abstrahlungsverluste des Sonnenkollektors 36 wesentlich verringert Nach Aufladung des Speichers 10 kann über die vom fluidisierten Latentwärmespeichermedium 14 umströmte Wärmeübertragungsleitung 40 die gespeicherte Wärme entnommen und dem Verbraucherkreislauf zugeführt werden.

In der Vorrichtung gemäß Fig.2 dient eine ein Drosselorgan 5§, einen Verdampferteil 52 und einen Verdichterteil 54 aufweisende Wärmepumpe 56 zum Aufheizen des Latentwärmespeichermediums 14. Der Temperaturfühler 39 dient in diesem Falle zum Abtasten der Temperatur des Wärmeträgermediums 37 der Wärmepumpe 56, welches durch ein über eine im Verdampferteil 52 angeordnete Zuströmleitung 58 und eine Abströmleitung 60 geführtes Medium, z.B. Grundwasser oder Umgebungsluft, erwärmt wird. Weiter ist eine in die Leitungen 42, 44 über dort angeordnete Drei-Wege-Ventile 62, 64 aus Leitungen 66, 68, und aus einer durch einen ölbrenner 70 beheizbaren Rohrschlange 72 bestehende Zusatzheizung einschaltbar. Ein zusätzlicher Temperaturfühler 74 ist über eine Signalleitung 76 mit dem Steuergerät 43 verbunden. Die Zuleitung 22 weist zusätzlich eine Bypaßleitung 75 auf, deren Durchflußwiderstand größer ist als derjenige der Zuleitung 22. Der Boden 26 weist in diesem Falle zusätzlich zu den Durchtrittsöffnungen 28 auch Glockenbodenöffnungen 29 auf.

Die Wirkungsweise der zuletzt beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:

Das Wärmeträgermedium 37 der Wärmepumpe 56, z. B. eines der üblichen Kältemittel wie Freon, wird im Verdampferteil 52 durch das über die Leitungen 58, 60 zu- bzw. abströmende Medium aufgeheizt, im Verdichterteil 54 komprimiert und danach in der Wärmeübertragungsleitung 30, weiche in diesem Falle als Kondensator dient, kondensiert, wobei die dabei frei werdende Wärm? an das Latentwärmespeichermedium 14 abgegeben wird. Der Temperaturfühler 39 steuert dabei den Fluidisierungsgrad des Laientwärmespeichermediums 14, wie an Hand des Beispiels gemäß Fig. I bereits beschrieben. Nach erfolgter Kondensation und Wärmeabgabe wird das Wärmeträgermedium 37 im Drosselorgan 50 entspannt und gelangt wieder in den Vcr^^A7Tf^mfcrtei! S^ vfo sich der &sschr*^A^^^nA Ργλ^αϊι wiederholt. Mittels der über die Drei-Wege-Ventile 62, 64 einschaltbaren Zusatzheizung 66,72,68, 70 kann der Verbraiicherkreislauf zusätzlich beheizt werden, falls die Temperaturbedingungen für einen Betrieb der Wärmepumpe 56 nicht gegeben sind. Er kann jedoch auch zur Beheizung des Latentwärmespeichermediums 14 eingeschaltet werden, z. B. zwecks Aufrechterhaltung einer minimalen Betriebsbereitschaft des Speichers 10. In diej im Falle dient der Temperaturfühler 74 dazu, den Fluidisierungsgrad des Latentwärmespeichermediums 14 so zu steuern, daß Überhitzungen an der WärmeübertragungsleituRg 40 vermieden werden. Die Bypaßleitung 75 dient zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes des Zwischenmediums 16, falls z. B. der untere Teil des Behälters 12 mit zusammengebackenem Latentwärmespeichermedium 14 gefüllt ist und die Durchtrittsöffnungen 28 teilweise verstopft sind. Dem gleichen Zweck dienen die Glockenbodenöffnungen 29.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 ist der Behälter 12 des Latentwärmespeichers 10 mittels Stützen 78, 80 auf dem Boden abgestutzt. In diesem Falle dient als Zwischenmedium 16 Luft oder inerte Gase, wie z. B. Stickstoff. Das Zwischenmedium 16 wird

von einem Gebläse 84 über die im oberen Teil des

Behälters 12 angeordnete Ableitung 18 angesaugt, über

die Zuleitung 22 in den unteren Teil des Behälters 12 geführt und tritt durch den Boden 26 unter Fluidisierung des Latsntwärmespeichermediums 14. In diesem Falle zweigt die mit einer Drosselklappe 92 versehene

Bypaßleitung 75 vom unteren Teil der Zuleitung 22 ab. Der Querschnitt der Bypaßleitung 75 ist etwas geringer

als der Querschnitt der Zuleitung 22. Dei nicht dargestellte Verstellantrieb der Drosselklappe 92 >s" über eine Signalleitung 94 mit dem Steuergerät 43 verbunden. Eine weitere Signalleitung 96 verbindet das

Steuergerät 43 mit dem Antriebsmotor 98 des Gebläses

84.

Die Wirkungsweise der zuletzt beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:

Es wird z. B. angenommen, daß das Latentwärmespeichermedium 14 mittels des elektrischen Heizkörpers 48 so weit aufgeheizt werden soll, daß der Latentwärmespeicher 10 betriebsbereit ist Anhand eines vom Temperaturfühler 39 übermittelten Signals schaltet das Steuergerät 43 den Antriebsmotor 98 des Gebläses 84 ein und stellt gleichzeitig die Drosselklappe 92 in Offenstellung. Ein Teil des Gases kann somit durch die Bypaßleitung 75 entweichen. Hierbei wird ein gewisser Fluidisierungsgrad erreicht, weicher für eine

Betriebsbereitschaft des Speichers 10 genügt. Falls bei steigender Temperatur der Fluidisierungsgrad intensiviert werden soll, wird die Drosselklappe 92 nach und nach geschlossen so daß ein maximales Gasvolumen durch die Zuleitung 22 strömt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbessern des Wärmeaustausches in einem Latentwärmespeicher, bei dem Wärme zwischen einem Latentwärmespeichermedium und einem Wärmeträgermedium über mindestens eine die beiden Medien trennende Wärmeübertragungsleitung ausgetauscht wird, bei dem ein mit dem Latentwärmespeichermedium nicht mischbares flüssiges oder gasförmiges Zwischenmedium in direkten Kontakt mit dem Latentwärmespeichermedium gebracht wird, und bei dem das Latentwärmespeichermedium durch das Zwischenmedium aufgewirbelt wird, wobei sich das Zwischenmedium unter Bildung einer Flüssigkeits- oder Gasschicht von dem Latentwärmespeichermedium entlang einer im wesentlichen horizontalen Grenzfläche abtrennt, dadurch gekennzeichnet, daß das LatCTKWärmespeichermedium (14) durch das in einem Kreislauf durch das Latentwärmespeichermedium (14) hindurchgeführte Zwischenmedium (16) wenigstens im Bereich der Wärmeübertragungsleitung (30,40) aufgewirbelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufwirbelungsgrad des Latentwärmespeichermediums (14) nach Maßgabe der Temperatur mindestens eines der am Wärmeaustausch beteiligten Medien gesteuert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansp: jch 1, mit einem geschlossenen Behälter (12) zur Aufnahme fies Lat-ritwärmespeichermediums (14) und des Zwischenmediums (16), mit einem eine Pumpe (20) bzw. ein Gebläse (84) aufweisenden offenen Kreislauf für das Zwischenmedium (16), wobei das Zwischenmedium (16) über eine Zuleitung (22) in den Behälter (12) einleitbar und über eine Ableitung (18) aus dem Behälter (12) entnehmbar ist und die Ableitung (18) in dem die Flüssigkeits- bzw. Gasschicht bildenden Bereich des Behälters (12) angeordnet ist und mit einer einem Ladekreislauf und einer einem Verbraucherkreislauf zugeordneten Wärmeübertragungsleitung (30,40) für das Wärmeträgermedium (37,47), dadurch gekennzeichnet, daß jede der Wärmeübertragungsleitungen (30, 40) innerhalb des Latentwärmespeichermediums (14) und die Zuleitung (22) für das Zwischenmedium (16) im Bereich der Wärmeübertragungsleitungen (30, 40) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behüter (12) einen sich im wesentlichen über dessen Querschnitt erstreckenden Boden (26) mit Durchtrittsöffnungen (28) für das Zwischenmedium (16) aufweist

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Durchtrittsöffnungen (28) wenigstens teilweise als Glockenbodenöffnung (29) ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der Zuleitung (22) eine einen höheren Durchflußwiderstand als derjenige der Zuleitung (22) aufweisende Bypaßleitung (75) abzweigt, wobei die Bypaßleitung (75) durch (Jas Latentwärmespeichermedium (14) geführt ist und in den die Flüssigkeits- bzw. Gasschicht bildenden Bereich des Behälters (12) mündet.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Wärmeaustausches in einem Latentwärmespeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

in Latentwärmespeicher werden verschiedene Wärmespeichersubstanzen mit hohen latenten Schmelzwärmen verwendet Diese Substanzen nehmen große Wärmemengen auf, z. B. Sonnenwärme, und schmelzen

ίο dabei. Entzieht man ihnen die Wärme wieder, z.B. nachts oder bei trübem Wetter, gefriert das Material erneut und gibt dabei die gespeicherte Wärme ab. Als Latentwärmespeichermedien kommen z. B. Wasser, Paraffin und insbesondere kristallwasserhaltige Natrium umsalze in Frage. So übertrifft z. B. die Heizwärme-Speicher-Kapazität von kristallwasserhaltigem Natriumsulfat diejenige des gleichen Volumens Wasser um ca. das 7fache.
Die praktische Verwendung solcher Natriumsalzhydrate war bisher jedoch mit verschiedenen Nachteilen verbunden. So bildet sich z. B. bei derartigen Latentwärmespeichern beim Gefrierprozeß eine störende Salzschicht nicht nur an den Behälterwänden, sondern auch an den Wärmeübertragungsflächen, so daß die Wärmeübertragung erheblich verschlechtert wird. Bei gewissen Salztypen findet beim Gefrierprozeß eine Grieß- oder Flockenbildung statt so daß ebenfalls die Wärmeübertragung stark verringert wird. Selbstverständlich kann auch das Latentwärmespeichermedium,

z. B. bei Verwendung von Paraffin, zu einem mehr oder weniger homogenen Block erstarren, wobei ein Wiederaufschmelzen durch im Latentwärmespeichermedium vorhandene Wärmeübertragungsflächen wegen des schlechten Wärmeübergangs sehr zeitraubend ist Zusätzlich erschwerend kann sich noch eine Fest/Flüssig-Phasentrennung, z. B. Natriumsalz/Wasser, auswirken, so daß ein kongruentes Wiederkristallisieren einer derartigen Speichersubstan/ praktisch unmöglich wird.

Ein Verfahren der eingangs erwähnten Art ist zwar in der DE-OS 27 35 197 offenbart Bei der Rückwandlung der in einem Salz gespeicherten Wärme wird ein mit dem Salz unmischbares Zwischenmedium, welches gleichzeitig als Wärmeübertrager dient vorzugsweise Mineralöl, über die Oberfläche des flüssigen Salzes mit solch einer Geschwindigkeit bewegt daß die obere Salzschicht aufgewirbelt wird und mit dem Medium bzw. Wärmeübertrager emulgiert, um das Salz in dieser oberen Schicht zu kristallisieren, wodurch exothermisch Wärme vom Salz an das Zwischenmedium abgegeben wird. Durch dieses Verfahren wird bezweckt, die eingangs geschilderten Probleme in bezug auf Verkrustung an Wärmeübertragungsflächen zu umgehen, indem auf den üblichen indirekten Wärmeaustausch zwischen Wärmeträgermedium und Latentwärmespeichermedium teilweise verzichtet wird. Statt dessen wird das flüssige Wärmeträgerzwischenmedium direkt in Kontakt mit dem Latentwärmespeichermedium gebracht, nach vollzogenem Wärmeaustausch vom Latentwärmespeichermedium abgetrennt und durch einen Wärmeaustauscher außerhalb des Latentwärmespeichers zwecks Wärmeentnahme gepumpt.

Dieser Stand der Technik weist jedoch den Nachteil auf, daß das Latentwärmespeichermedium im Bereich der Wärmeübertragungsflächen nur in geringem Ausmaße von den genannten, mit diesem unmischbaren Zwischenmedium erfaßt wird. Dieses Medium ist somit praktisch ohne Einwirkung auf den Wärmeaustausch