DE4306684A1 - Speicherbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Speicherbehälter zum Spei­ chern einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, unter Temperaturschichtung der gespeicherten, in der Regel unterschiedlich temperierten Flüssigkeit, vorzugsweise eingesetzt als Speicherbehälter einer Warmwasserberei­ tungsanlage oder einer Heizungsanlage, wobei eine Entnah­ me von Warmwasser/Heizungsvorlaufwasser und eine Einspei­ sung von Kaltwasser/Heizungsrücklaufwasser durchführbar ist, mit einem rohrartigen, im wesentlichen vertikal angeordneten Einbau, welcher von eingespeistem Kaltwas­ ser, das im Zuge des Durchströmens erwärmbar ist, durch­ strömbar ist.

Derartige Speicherbehälter sind bereits in verschiedenen Ausgestaltungen im Stand der Technik bekanntgeworden. Um in einem solchen Speicherbehälter eine die Schichtung der Flüssigkeit, des Wassers, im Behälter möglichst nicht störende Einspeisung von Kaltwasser und Entnahme von Warmwasser durchführen zu können, sind Einbauten bekannt, die als Speicherkamine bezeichnet werden. Ein solcher Speicherkamin besteht bei einem bekannten Spei­ cherbehälter aus einem rohrförmigen, über einen wesentli­ chen Teil der Höhe des Speicherbehälters sich erstrecken­ den Einbau, der an seinem oberen und unteren Ende eine trichterförmige Öffnung aufweist. Im Bereich des unteren Endes des Einbaus ist die Mündung einer Kaltwasserzufluß­ leitung angeordnet, während im Bereich der oberen Öff­ nung des Einbaus die Mündung einer Warmwasserentnahmelei­ tung vorgesehen ist. In dem Einbau sind Vorkehrungen getroffen, bspw. mittels einer Heizwendel, um das ein­ strömende und durch den Einbau sofort in den oberen Bereich des Speicherbehälters geleitete Kaltwasser zu erwärmen. Hiermit sind aber auch gewisse Probleme insbe­ sondere dann verbunden, wenn ein stationärer Betrieb vorliegt, bei welchem jedenfalls keine Einspeisung von Kaltwasser erfolgt. Es kommt zu Naturumlauf-Strömungen in dem Einbauteil selbst. Durch die Erwärmung des Einbau­ teiles und dessen Erstreckung über einen wesentlichen Teil der Höhe des Speicherbehälters kommt es auch zur Erwärmung des daran angrenzenden außerhalb des Einbau­ teils befindlichen Wassers, was wiederum singuläre Natur­ umlauf-Strömungen verursacht. Alle diese Strömungen stören die angestrebte natürliche, temperaturbedingte Schichtung in dem Speicherbehälter. Erwärmtes Wasser kann bspw. bei bereits vorhandener Heißwasserschichtung im oberen Speicherbereich nicht in dem Maße nachströmen und sich schichten, wie dies wünschenswert wäre.

Hiervon ausgehend ist es ein Ziel der Erfindung, einen Speicherbehälter und eine zugehörige Vorrichtung zu finden, die bei einfachem Aufbau zu einem günstigen thermischen Verhalten des Speicherbehälters führt. Im einzelnen soll weiter eine für alle Betriebszustände sichere und stabile, selbstregelnde Temperaturschichtung gegeben sein und damit ein effektiver, kostengünstiger, energiesparender und umweltschonender Speicherbetrieb ermöglicht sein. Es sollen keine Vermischungen, keine Querströmungen, keine Speichereinschränkungen, Konstruk­ tionseinschränkungen, keine komplizierten Baugruppen und Apparaturen etc. vorhanden sein.

Dieses Ziel ist beim Gegenstand des Anspruches 1 er­ reicht, wobei darauf abgestellt ist, daß der Einbau über einen wesentlichen Teil seiner vertikalen Länge mit Durchströmöffnungen ausgebildet ist. Der wesentliche Teil der vertikalen Länge mißt sich daran, welche Länge des Einbaus bzw. des Speichers (vertikale Höhe) für eine Schichtung in Frage kommt. Es ist möglich, wie weiter unten noch im einzelnen ausgeführt, daß in dem Speicher im unteren Bereich noch ein gesonderter, außerhalb des Einbaus vorgesehener Wärmetauscher angeordnet ist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, im Höhenbereich des ange­ sprochenen Wärmetauschers den Einbau nicht mit den ange­ sprochenen Durchströmöffnungen auszubilden. Bei den Durchströmöffnungen handelt es sich im übrigen bspw. um einfache Bohrungen, die bei einem rohrartigen Körper radial, von einer Mittelachse ausgehend, die Rohrwand durchsetzen. Aufgrund dieser Ausgestaltung wird zusätz­ lich gewährleistet, daß auch im teilgeladenden Zustand sich unter die obere Heißwasserschicht weitere gleichar­ tige Heißwasserschichten (jeweils geringfügig kälter) lagern können. Dies erfolgt zudem höhenproportional und selbstregelnd mit minimalster Auftriebsenergie, entspre­ chend der verfügbaren Wirkungshöhen für den thermodynami­ schen Umtrieb. In dem vorzugsweise als rohrartiger Kör­ per ausgebildeten Einbau kann ein innerer Durchmesser über die gesamte Höhe gleich (druckverlustarmes Kamin­ rohr über die gesamte Länge) oder unterschiedlich, insbe­ sondere oben größer und unten kleiner sein. Letzteres empfiehlt sich insbesondere bei Einbauten mit größeren Druckverlusten über die vertikale Höhe der Einbauten. Entsprechend läßt sich der Einbau hydraulisch nach oben auch mit zunehmend erweitertem Durchmesser sowie gegebe­ nenfalls zusätzlich unterschiedlichen Bohrungsöffnungen ausführen. Zur Gewährleistung einer stufenlosen selbstre­ gelnden Überströmung ist der Einbau großflächig mit sehr vielen kleinen Bohrungen bevorzugt ausgeführt. Die Anord­ nung der Bohrungen kann auch derart getroffen sein, daß jeweils auf einer Ebene über den Umfang die Bohrungen vorgesehen sind, sich sodann wieder ein vertikaler Ab­ schnitt des Einbaus anschließt, der nicht mit Bohrungen versehen ist, bis eine weitere Ebene, in welcher die Bohrungen angeordnet sind, erreicht ist. Es versteht sich, daß im Sinne der Erfindung eine Vielzahl solcher Ebenen über die vertikale Höhe des Einbaus - bevorzugt gleichmäßig - verteilt dann vorgesehen sind. Als Materia­ lien für den Einbau können in an sich bekannter Weise Stahlmaterialien zum Einsatz kommen, ebenso aber auch Nichteisenmetalle und Kunststoffe. Das primäre Funktions­ prinzip des Einbaus, insbesondere des Kamins, erfordert nicht mehr die wärmegedämmte Ausführung des Einbaus. Bei gleicher Aufheiztemperatur in dem Einbau wird die Mengen­ verteilung des Umtriebswassers ähnlich einer Schwerkraft­ heizung entsprechend den Wirkungshöhen vorgenommen (gro­ ße Höhe entspricht großer Menge und umgekehrt). Dies wiederum führt zur gewollten differenzierten Temperatur- Schichtung durch Einstellung der jeweiligen Schichtentem­ peraturen (Mischtemperaturen). Umgekehrt regelt sich das System bedarfsgerecht entsprechend den Aufheiztemperatu­ ren. So wird bei einer festgesetzten Höhe bei niedrigen Aufheiztemperaturen sich eine geringere Strömung ausbil­ den als bei höheren Temperaturen, und zwar auch nur in dem Ausmaß, wie für das Temperatur- und Energieniveau jeweils erforderlich ist. Damit werden selbstregelnd Verluste vermieden. Die Schichtung stellt sich optimal ein (minimal bezogen auf den Energietransportaufwand). Das System kommt jeweils schichtenweise selbsttätig zum Erliegen bei Erreichen der vorgegebenen Kaminarbeitstem­ peraturen. Nach Abschluß der Schichtung von oben nach unten stellt das System selbstregelnd den "Betrieb" ein. Es bestehen dann keine Wirkungshöhen bzw. wirksame Tempe­ raturunterschiede mehr. Um Zu- und Abströmdurchmischun­ gen zu vermeiden, ist der Kaltwasserzufluß weiterhin möglichst unmittelbar in den Einbau, das Kaminrohr, hineinragend ausgeführt. Aufgelegte Lochbleche auf dem unteren und oberen Ende des Einbaus verringern zudem Nebenzirkulationen bei Zu- und Abschaltvorgängen (Zapf­ ungen). Die Bohrungen in dem Einbau, bevorzugt also in dem Rohrmantel, gewährleisten nicht nur die Unabhängig­ keit der Speichertemperaturschichtung durch Wärmedurch­ gangsvorgänge, sondern ermöglichen andererseits auch notwendige temperaturgerechte Überströmvorgänge über die gesamte Höhe des Einbaus.

Nachstehend ist die Erfindung des weiteren anhand der beigefügten Zeichnung, die jedoch lediglich Ausführungs­ beispiele darstellt, erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische, geschnittene Ansicht eines Speicherbehälters mit einem Einbau in Form eines Kaminrohrs;

Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1, mit einem sich hydraulisch nach oben konisch erweiternden Kaminrohr;

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform eines Spei­ chers gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2.

Dargestellt und beschrieben ist ein Speicherbehälter 1, der zum Speichern von unterschiedlich temperiertem Was­ ser 2, über eine sich auf natürliche Weise einstellende Temperaturschichtung, dient. Der Speicherbehälter 1 ist Teil einer Warmwasseranlage oder einer Hausheizungsanla­ ge. Wenn der Speicherbehälter 1 Teil einer Heizungsanla­ ge ist, sind im einzelnen noch zusätzlich auf der Zeich­ nung nicht dargestellte Zu- und Abflüsse von Heizungs­ vorlauf und Heizungsrücklauf vorgesehen.

Im unteren Bereich des Speicherbehälters 1 ist eine Kaltwasserzuflußleitung 3 angeordnet, deren Mündung 4 sich bereits innerhalb des Einbaus 5 befindet. Der Ein­ bau 5 ist als einfacher rohrartiger Körper gestaltet, der über seine vertikale Länge eine Vielzahl von radia­ len Bohrungen 6 aufweist.

Die untere Öffnung 7 des Einbaus 5 ist im übrigen gleich­ falls durch ein Lochblech gedeckt.

Innerhalb dem Einbaus 5 ist eine elektrische Heizeinrich­ tung oder ein sonstiger Wärmeübertrager 8, bspw. betrie­ ben von einem Heizungskessel oder einer Solaranlage, angeordnet, der über die Leitung 3 einströmendes Kaltwas­ ser erwärmt.

Auch eine obere Öffnung 9 des Einbaus 5 ist mittels eines Lochbleches überdeckt. Im übrigen ragt in das obere Ende 9 des Einbaus 5 eine Mündung 10 einer Warmwas­ serentnahmeleitung 11. Über die Leitung 11 wird Warmwas­ ser aus dem Speicherbehälter 1 abgezogen. Die Leitung 11 weist auch weitere Mündungen 12, 13 auf, über welche gleichfalls Warmwasser aus dem oberen Bereich des Spei­ cherbehälters 1 entnommen werden kann.

Eine vergleichbare Ausführung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier ist jedoch der Einbau 5 mit sich vertikal (hydrau­ lisch) nach oben erweiternden Durchmesser ausgebildet. Insgesamt handelt es sich um ein konisches Rohr, das in gleicher Weise wie bei dem Speicherbehälter 1 gemäß Fig. 1 über seine Länge mit Bohrungen 6 versehen ist.

Bei einer Einspeisung von Kaltwasser, bspw. in bezug auf den Speicherbehälter 1 gemäß Fig. 1 durch die Leitung 3, strömt das Kaltwasser aufgrund seiner Einströmgeschwin­ digkeit zunächst von unten nach oben durch den Einbau 5 und wird mittels des Wärmeübertragers 8 erwärmt. Je nachdem, welche Wärme das Kaltwasser hierbei im Ver­ gleich zu dem umgebenden Wasser des Speicherbehälters erreicht, wird es nach oben strömen und sich etwa auf dem Niveau, welches gemäß der bereits vorhandenen Schich­ tung des Wasser in dem Speicherbehälter 1 seinem Tempera­ turniveau entspricht, die Strömung verlangsamen und nach außen aus den Bohrungen 6 austreten. Sind die Temperatu­ ren in den oberen Bereichen des Speicherbehälters 1 bereits relativ hoch, wird das Wasser nur eine geringe oder vergleichsweise geringe (verbleibende) vertikale Höhe durchströmen, sind die Temperaturen in dem Speicher­ behälter 1, insbesondere in seinem oberen Bereich, dage­ gen vergleichsweise gering, wird das Wasser eine ver­ gleichsweise große vertikale Höhe des Einbaus 5 durch­ strömen.

In Fig. 3 ist eine weitere besondere Ausgestaltung des Speicherbehälters dargestellt, die auch in Verbindung mit einem herkömmlichen Einbau von Bedeutung ist. Bei dieser Ausgestaltung ist in dem Speicherbehälter 1 ein weiterer gesonderter Wärmetauscher 14 angeordnet. Der Wärmetauscher 14 befindet sich im unteren Bereich des Speicherbehälters 1 und seitlich außerhalb des Einbaus 5. Der Wärmetauscher 14 kann bspw. aus einer Rohrschlan­ ge bestehen, durch welche Warmwasser geführt wird, um im Wärmetausch kälteres, in dem Speicher 1 befindliches Wasser aufzuwärmen. Der Wärmetauscher 14 kann aber bspw. eine Heizwendel eines elektrischen Widerstandsheizers sein. Dieser gesonderte Wärmetauscher 14 ist insbesonde­ re dann von Bedeutung, wenn der Speicherbehälter 1 etwa zusammen mit einer Solaranlage benutzt wird und - insbe­ sondere in Übergangszeiten - die durch die Solaranlage - bevorzugt über den Wärmeübertrager 8 - mögliche Erwär­ mung des Kaltwassers nicht bedarfsgerecht ist. In diesem Fall kann eben über den Wärmetauscher 14 alternativ eine Erwärmung durchgeführt werden. Wenn der Einbau 5 nicht aktiviert ist, d. h. der Wärmeübertrager 8 nicht in Be­ trieb ist, d. h. über den Wärmeübertrager 8 keine Erwär­ mung einströmenden Wassers vorgenommen wird, wird aus der Kaltwasserzuflußleitung 3 ausströmendes Wasser im wesentlichen an dem Einbau 5 vorbeiströmen bzw. durch nahe des unteren Eintrittsquerschnittes des Einbaus 5 ausgebildete Öffnungen 15 wieder entweichen. Wenn gleich­ zeitig der Wärmetauscher 14 aktiviert ist, wird dort Wasser erwärmt und strömt nach oben, wodurch sich umge­ kehrt eine Strömung entfernt von dem Wärmetauscher 14 in entgegengesetzter Richtung einstellt und dem Wärmetau­ scher 14 somit auch hierdurch kühleres Wasser zuströmt. In diesem Zusammenhang ist es auch von Bedeutung, daß eine Austrittsöffnung der Kaltwasserzuflußleitung 3 mit einem Abstand a zu einem unteren Eintrittsquerschnitt des Einbaus 5 angeordnet ist. Der Abstand a kann einem Ein- bis Vielfachen, bspw. Fünffachen, des Austrittsquer­ schnittes der Kaltwasserzuflußleitung 3 entsprechen. Beim Ausführungsbeispiel entspricht der Abstand a etwa dem 1,5fachen dieses Ausströmquerschnittes.

Soweit der Speicherbehälter 1 gemäß Fig. 3 in Zusammen­ hang mit einem weiter vorne in Einzelheit beschriebenen Einbau 5 betrieben wird, ist vorgesehen, daß über eine vertikale Höhe h, welche etwa der Höhe des zusätzlichen Wärmetauschers 14 entspricht, der Einbau 5 nicht mit Durchströmöffnungen 6 versehen ist.

Im übrigen ist in Fig. 3 auch deutlich, daß der Einbau 5 über mehrere Ebenen E1, E2, E3 usw. verteilt (nur) mit Bohrungen 6 ausgebildet sein kann, die Mantelwand des Einbaus 5 dagegen in den Zwischenbereichen keine derarti­ gen radialen Bohrungen 6 aufweist.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein. Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Priori­ tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt­ lich mit einbezogen.

Claims (10)

1. Speicherbehälter (1) zum Speichern von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, unter Temperaturschichtung der gespeicherten, in der Regel unterschiedlich temperierten Flüssigkeit, vorzugsweise eingesetzt als Speicherbehäl­ ter (1) einer Warmwasserbereitungsanlage oder einer Heizungsanlage, wobei eine Entnahme von Warmwasser/Hei­ zungsvorlaufwasser und eine Einspeisung von Kaltwas­ ser/Heizungsrücklaufwasser durchführbar ist, mit einem rohrartigen, im wesentlichen vertikal angeordneten Ein­ bau (5), welcher von eingespeistem Kaltwasser, das im Zuge des Durchströmens erwärmbar ist, durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau (5) über einen wesentlichen Teil seiner vertikalen Länge mit Durchström­ öffnungen (6) ausgebildet ist.

2. Speicherbehälter nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnun­ gen (6) jeweils über die vertikale Länge in etwa glei­ cher Verteilung, gegebenenfalls jeweils auf einer Ebene (E1, E2, E3) zusammengefaßt und über eine Vielzahl von Ebenen (E1, E2, E3) verteilt vorgesehen sind.

3. Speicherbehälter nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau (5) mit sich von unten nach oben vergrößerndem Durchmesser ausgebildet ist.

4. Speicherbehälter nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mündung (4) einer Einströmlei­ tung (3) unmittelbar einem unteren Mündungsende des Einbaus (5) zugeordnet ist.

5. Speicherbehälter nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß das untere und/oder obere Mündungsen­ de des Einbaus (5) mit einer Durchströmöffnungen aufwei­ senden Abdeckung versehen ist.

6. Speicherbehälter (1) zum Speichern von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, unter Temperaturschichtung der gespeicherten, in der Regel unterschiedlich temperierten Flüssigkeit, vorzugsweise eingesetzt als Speicherbehäl­ ter (1) einer Warmwasserbereitungsanlage oder einer Heizungsanlage, wobei eine Entnahme von Warmwasser/Hei­ zungsvorlaufwasser und eine Einspeisung von Kaltwas­ ser/Heizungsrücklaufwasser durchführbar ist, mit einem rohrartigen, im wesentlichen vertikal angeordneten Ein­ bau (5), welcher von eingespeistem Kaltwasser, das im Zuge des Durchströmens erwärmbar ist, durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicherbehälter (1) benachbart zu dem Einbau (5) ein gesonderter Wärmetau­ scher (14) angeordnet ist.

7. Einbau, der rohrartig ausgebildet ist und von einer Flüssigkeit durchströmbar ist, insbesondere für einen Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Einbau (5) im wesentlichen über seine gesamte vertikale Länge mit Durchströmöffnun­ gen (6) ausgebildet ist.

8. Einbau nach Anspruch 7 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnungen (6) jeweils über die vertikale Länge in etwa gleicher Vertei­ lung, gegebenenfalls jeweils auf einer Ebene (E1, E2, E3) zusammengefaßt und über eine Vielzahl von Ebenen (E1, E2, E3) verteilt vorgesehen sind.

9. Einbau nach einem der Ansprüche 7 oder 8 oder insbe­ sondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau (5) mit sich von unten nach oben vergrößerndem Durchmes­ ser ausgebildet ist.

10. Einbau nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß das untere und/oder obere Mündungsende des Einbaus (5) mit einer Durchströmöffnungen aufweisenden Abdeckung versehen ist.