DE4434442A1 - Wärmedämmung für Wärmespeicher mit optimiertem Werkstoffeinsatz - Google Patents
Wärmedämmung für Wärmespeicher mit optimiertem WerkstoffeinsatzInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
- F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
- F24H1/18—Water-storage heaters
- F24H1/181—Construction of the tank
- F24H1/182—Insulation
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Description
Die Erfindung betrifft Mittel zur Dämm-Materialeinsparung oder zur Verbesserung der
Dämmwirkung insbesondere bei Brauchwasser- und Heizungsspeichern. Bei herkömmlich
isolierten derartigen Wärmespeichern erfolgt die Dämmung gegen Wärmeverluste durch einen
Kunststoffschaum (z. B. Weich- oder Hart-Polyurethan) oder durch Mineralwolle, die um den
z. B. warmes Wasser enthaltenden Behälter angeordnet sind. Die Wandstärke der Dämmung ist
über die gesamte Speicherhöhe konstant.
Bei einigen Wärmespeichern ist der Deckelbereich stärker gedämmt, da hier wegen des
konvektiven Wärmetransports im Speichermedium und der oben meist erhöhten Temperatur die
Verlustströme sonst am größten sind.
Bei Warmwasserspeichern kommt zunehmend das Prinzip der geschichteten Be- und Entladung
zur Anwendung, da hierdurch die Verfügbarkeit und Speicherkapazität erhöht, die mittlere
Speichertemperatur jedoch verringert wird.
Bei der Einschichtung des warmen Wassers in den oberen Speicherbereich (Beladung) wird das
darunter befindliche Wasser nach unten verdrängt. Entsprechend umgekehrt wird bei der
Entladung des Speichers das kalte Wasser unten eingeschichtet und das wärmere Wasser nach
oben verdrängt. Durch das beschriebene Schichtenspeicherprinzip nehmen die im statistischen
Mittel anzutreffenden Temperaturen im Speicher von oben nach unten ab. Der
Temperaturgradient zwischen warmem und kaltem Speicherwasser ist im Vergleich zu
Speichern mit gemischter Beladung noch deutlich stärker ausgeprägt, da bei Speichern ohne
Schichtenspeicherprinzip eine gleichmäßigere Erwärmung des gesamten Speichervolumens
stattfindet.
Erfindungsgemäß kann eine Verbesserung der Dämmwirkung bei gleichem Materialeinsatz oder
eine Materialeinsparung bei gleicher Dämmwirkung durch die Anpassung der Wandstärke
erreicht werden. Die Wandstärke wird dabei so dimensioniert, daß die Gesamtwärmeverluste im
zeitlichen Mittel minimal sind. Dies kann bei üblichen zylinderförmigen Speicherbehältern
folgendermaßen erreicht werden:
- - Im seitlichen Speicherbereich ist eine Anpassung der Wandstärke an die lokale, zeitlich gemittelte Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen durch eine noch unten abnehmende Wandstärke möglich. Dies wirkt sich bei Schichtenspeichern noch stärker hinsichtlich einer Verbesserung der Dämmwirkung bzw. einer Kostenreduktion aus.
- - Je nach Geometrie des zu isolierenden Wandbereichs (flache, ein- oder zweidimensional gekrümmte Fläche) gibt es eine andere optimale Wandstärke.
Diese Geometriezusammenhänge werden anhand Fig. 1 im folgenden vereinfacht erläutert:
Das Dämmstoffvolumen setzt sich zusammen aus den Bereichen Deckel (1), Seitenbereich (2), und Boden (3):
Das Dämmstoffvolumen setzt sich zusammen aus den Bereichen Deckel (1), Seitenbereich (2), und Boden (3):
Vges = VD + VS + VB.
Die Wärmeverluste des Speichers analog:
Qges = QD + QS + QB.
Bei vorgegebener Innengeometrie und Dämmvolumen lassen sich durch Bildung der
Ableitungen des Gesamtwärmeverlustes nach den einzelnen Parametern der Außenabmessungen
die optimalen Abmessungen der äußeren Form ermitteln, bei denen der Gesamtwärmeverlust
minimal ist. Beispielhaft ist dies für eine einfache Formpaarung dargestellt. Der Innentank wird
von einer zylinderförmigen Dämmung seitlich und einer flachen Dämmung im Deckel- und
Bodenbereich umgeben. Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen Speichermedium und
Umgebung wird in der folgenden vereinfachten Darstellung als konstant über den gesamten
Speicher angenommen und Konvektion im Speicher wird nicht berücksichtigt.
Ebenfalls wird die Konvektion an der Außenseite der Dämmung vernachläßigt. Der Fehler
hierdurch im Vergleich zu realen Anordnungen ist klein, da der thermische Widerstand der
Dämmung deutlich größer ist.
Das Dämmstoffvolumen ergibt sich mit dem Innenradius r, dem Außenradius rz, der
Zylinderhöhe h und der Plattendicke δ zu:
Vges = π h(r²z-r²)+2πr²δ.
Der Wärmeverlust durch Wärmeleitung (ohne Berücksichtigung der Verluste an den Stößen
zwischen Zylinder und Deckel bzw. Boden) beträgt mit der Wärmeleitfähigkeit λ:
Bei Festlegung des Innenradius, der Zylinderhöhe und des Dämmstoffvolumens läßt sich mit
der Volumenbeziehung aus der Ableitung dieser Gleichung implizit ein Außenradius und eine
Plattendicke, für welche die Wärmeverluste minimal sind, bestimmen.
Beispiel: Zylinderhöhe h = 1,7 m, Innenradius r = 0,32 m, Dämmstoffvolumen Vges = 0,605
m³. Die optimale Zylinderwandstärke beträgt in diesem Fall 125 mm, die der Deckel- und
Bodenplatten 150 mm.
Aus diesem Rechenbeispiel ist ersichtlich, daß allein aus der geometrieabhängigen Optimierung
des Werkstoffeinsatzes bei zylindrischen Speicherbehältern folgt, daß ein flacher Deckel stärker
isoliert sein sollte, als der übrige Bereich. Verstärkt wird diese Tendenz durch die oben
beschriebenen Gründe (Speicherschichtung, Konvektion im Speichermedium).
Für andere Formpaarungen ergeben sich ähnliche Zusammenhänge, gekrümmte Formen nutzen
dabei den Dämmstoff besser aus als flache.
Die optimale Dimensionierung der Übergangsbereiche zwischen unterschiedlichen
Geometrieabschnitten (im obigen Beispiel Seitenwand (2) und Deckel (1) bzw. Boden (3)) läßt
sich nicht mehr mit einfachen mathematischen Beziehungen durchführen. Numerische
Rechenverfahren nach der Finiten-Element-Methode sind hierfür geeignet. Grundsätzlich gilt
jedoch erfindungsgemäß, daß beim Übergang von Zylinderwänden in flache Deckel (bzw.
Böden) eine Materialreduzierung gegenüber einer Deckelisolation, die mit konstanter
Wandstärke bis zum Außenradius der Seitendämmung geführt wird, erfolgen kann. Dies folgt
(entgegen der herkömmlichen Auffassung, nach der Ecken besonders gut isoliert werden
sollen) aus den oben erläuterten Optimierungsrechnungen, wonach stark gekrümmte Bereiche
schwächer isoliert werden, als weniger gekrümmte.
Kostenreduktionen bei gleicher Dämmwirkung sind auch durch Lufteinschlüsse in Form von
Aussparungen an der Innenseite der Isolation möglich, da unter günstigen Randbedingungen
(bei geringer Konvektion) die Dämmwirkung von Luft den Dämmstoff ersetzen kann.
Besonders günstig sind hohe enge Spalte, da sich die Konvektion bei dieser Spaltgeometrie
durch die gegenläufigen Strömungen selbst behindert (s. a. Kast, W. u. H. Klan,
Wärmeübergang durch freie Konvektion in geschlossenen Gas- und Flüssigkeitsschichten.
VDI-Wärmeatlas 5/88).
Die Dämmwirkung von Isolationen mit derartigen Lufteinschlüssen kann durch Verringerung
des Strahlungsanteils noch weiter verbessert werden. Rechnungen und Versuche haben
ergeben, daß dies durch Einbringung von metallischen Folien oder Blechen auf der Innenseite
der Dämmung durch den verringerten Absorptionskoeffizienten oder auf der Außenseite des
Speicherbehälters durch den geringeren Emissionskoeffizienten geschehen kann.
Für Spalthöhen größer als 40 cm bei Spalttiefen geringer 2 cm im Seitenbereich des Speichers
ergeben sich für Lufteinschlüsse unter Berücksichtigung des Strahlungs- und
Konvektionsanteils gute Dämmwerte. Ohne Reflexionsfolien, d. h., bei hohen Emissions- bzw.
Absorptionskoeffizienten für Strahlung sollten die Spalte nicht tiefer als 1 cm sein.
Die Maßnahmen zur Steigerung der Dämmwirkung bzw. zur Minimierung des Materialeinsatzes
lassen sich anhand der Fig. 2-3 wie folgt einteilen:
Deckelbereich (1): Im Vergleich zur Seitenwand (2) dickere Wandstärke des Deckels (1) mit an
den Rändern ausgeprägter Materialeinsparung.
Seitenbereich (2): Von oben nach unten abnehmende Wandstärke entsprechend der mittleren
angenommenen Temperaturverteilung über die Lebensdauer.
Bodenbereich (3): Ausgeprägte Materialeinsparung am äußeren Rand und eine deutlich
verringerte Dicke des Bodens (3), da die mittlere Speichertemperatur im unteren
Speicherbereich kleiner ist als oben. Insbesondere unterhalb des Beladewärmetauschers oder
des Einleitungspunktes z. B. bei externen Wärmetauschern können nur durch Wärmeleitung die
darunter liegenden Wasserschichten erwärmt werden, da sich wegen der stabilen
Wasserschichtung keine Konvektionsströmung einstellt.
Lufteinschlüsse und Strahlungsreflexionsfolien (siehe Fig. 3): Lufteinschlüsse (5)
ermöglichen bei entsprechender geometrischer Gestaltung in allen beschriebenen Bereichen bei
gleicher Dämmwirkung eine zusätzliche Materialeinsparung. Im Seitenbereich sind
Lufteinschlüsse durch horizontale oder vertikale Nuten realisierbar. In Fig. 3 ist der seitliche
Bereich der Speicherdämmung mit horizontalen Nuten (5) dargestellt. Die Dämmung ist mit
Innentank im Schnitt dargestellt. Verringert werden kann der Anteil der Wärmeverluste durch
Strahlung durch die Einbringung von metallischen Folien mit geringen
Emissions/Absorptionskoeffizienten vorzugsweise an den Stellen mit besonders hohem
Temperaturunterschied zur Umgebung d. h. im oberen Speicherbereich, seitlich und unter dem
Deckel.
Erfindungsgemäß besonders geeignet für die Realisierung der beschriebenen Isolations-
Formgebungen mit optimiertem Materialeinsatz sind Partikelschäume wie z. B. expandiertes
Polypropylen oder expandiertes Polystyrol, letzteres gegebenenfalls in einer modifizierten,
temperaturstabileren Form.
Claims (9)
1. Wärmedämmung für Wärmespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation so
gestaltet ist, daß die Gesamtwärmeverluste bei gegebenem Dämmstoffvolumen minimal sind.
2. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
weniger gekrümmte Wandbereiche bei gleicher Temperaturdifferenz zwischen innen und außen
stärker gedämmt sind, als stärker oder in einer weiteren Dimension gekrümmte Wandbereiche.
3. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
diese am Rand des Deckelbereichs (1) und/oder Bodenbereichs (3) Abrundungen oder Schrägen
aufweist.
4. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 1, wobei das Speichermedium
flüssig ist, und im zeitlichen Mittel oben höhere Temperaturen als unten vorliegen, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Speicherdämmung (2) von oben nach unten abnimmt.
5. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dämmung innen zur Behälterwand des Speichers hin Materialaussparungen (5) aufweist.
6. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dämmung im seitlichen Bereich innen Materialaussparungen (5) in Form wenigstens einer
horizontal oder vertikal angeordneten Nut aufweist.
7. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dämmung im Deckel- oder Bodenbereich eine oder mehrere schlitz- oder punktförmige
Aussparung(en) aufweist.
8. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch
gekennzeichnet, daß in den Luftspalten zwischen Innentank (4) und Dämmung (1, 2, 3)
wenigstens eine vorzugsweise metallische Folie oder Blech mit geringen Emissions- bzw.
Absorptionskoeffizienten für Wärmestrahlung (vorzugsweise metallisch) angebracht ist.
9. Wärmedämmung für Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch
gekennzeichnet, daß für den Dämmstoff Partikelschäume wie expandiertes Polypropylen oder
expandiertes Polystyrol, letzteres gegebenenfalls in einer modifizierten, temperaturstabileren
Form, eingesetzt werden.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944434442 DE4434442A1 (de) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | Wärmedämmung für Wärmespeicher mit optimiertem Werkstoffeinsatz |
DE9422201U DE9422201U1 (de) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | Wärmedämmung für Wärmespeicher mit optimiertem Werkstoffeinsatz |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944434442 DE4434442A1 (de) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | Wärmedämmung für Wärmespeicher mit optimiertem Werkstoffeinsatz |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4434442A1 true DE4434442A1 (de) | 1996-03-28 |
Family
ID=6529277
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944434442 Withdrawn DE4434442A1 (de) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | Wärmedämmung für Wärmespeicher mit optimiertem Werkstoffeinsatz |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4434442A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1571404A1 (de) * | 2004-03-05 | 2005-09-07 | Wolf GmbH | Schichtenspeicher mit einem Gehäuse und einer Isolierung |
DE102013211889B3 (de) * | 2013-06-24 | 2014-12-11 | Siemens Aktiengesellschaft | Tank, insbesondere Wassertank |
DE102015221562A1 (de) * | 2015-11-04 | 2017-05-04 | Robert Bosch Gmbh | Wärmespeicher |
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-
1994
- 1994-09-27 DE DE19944434442 patent/DE4434442A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8122 | Nonbinding interest in granting licenses declared | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: CONSOLAR ENERGIESPEICHER- UND REGELUNGSSYSTEME GMB |
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8130 | Withdrawal |