DE8816395U1 - Nach dem Durchlauferhitzerprinzip wirkender Wärmespeicher für Umwandlungswärme, insbesondere als Autoheizaggregat - Google Patents
Nach dem Durchlauferhitzerprinzip wirkender Wärmespeicher für Umwandlungswärme, insbesondere als AutoheizaggregatInfo
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Description
Dr. Nikolaos Malatidis, 7000 Stuttgart 1
Nach dem Durchlauferhitzerprinzip wirkender Wärmespeicher für Umwandlungswärme, insbesondere als Autoheizaggregat
Wärmespeicher dienen dazu, entweder Wärme bis zu ihrer Verwendung zu speichern oder um Wärme aufzufangen,
die ansonsten verloren gehen würde. Letzteres ist z.B. bei den Abgasen von Autos der Fall, wo bekanntlich
die in den heißen Auspuffgasen enthaltene VJärme ungenutzt
in die Atmosphäre abgegeben wird; das gleiche gilt auch für das aufgeheizte Kühlwasser des Motors,
wobei zwar eine Überhitzung des Motors vermieden, die durch das Kühlwasser abgeführte Motorwärme jedoch
ungenutzt bleibt. Motor- und Abgaswärme betragen etwa 2/3 der Gesamtleistung des Kraftstoffs, d.h., daß
nur 1/3 der Kraftstoffenergie für den Antrieb des
Kraftfahrzeuges ausgenutzt wird, während 2/3 der Energie
vergeudet werden.
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Es besteht daher der Bedarf die ansonsten vergeudete Energie, d.h. die entsprechende Wärmemenge, aufzufangen
und zu speichern, um sie dann später bedarfsgerecht
abzugeben, z.B. um das Innere eines Kraftfahrzeuges
aufzuwärmen bis die Bordheizung wirksam wird, oder den Motor des Kraftfahrzeuges beim Kaltstart schnell
auf die Betriebscemperatur zu bringen.
Diese Aufgabe kann dadurch gelöst werden, daß man ein Speichersystem schafft, dem die Abgase oder Motorwärme
mittels das Kühlwassers zugeführt wird. Von den möglichen Speichersystemen hat sich als vorteilhaft
herausgestellt, Speicher zu verwenden, die nach dem Durchlauferhitzerprinzip arbeiten und bei denen zum
Speichern der Wärmeenergie Materialien verwendet werden, die die Aufnahme bzw. Abgabe der Wärme durch Änderung
des Aggregatzustandes bewirken. Man kann daher auch diese Stoffe als Phasenwechselmaterialien (PWM) bezeichnen.
Als Phasenwechselmaterialen kommen insbesondere Salze
in Frage. Ihre Verwendung setzt dabei voraus, daß die Wärmezufuhr bzw. Wärmeentnahme im gesamten Speicher
möglichst gleichzeitig und gleichmäßig vor sich geht, damit ein schnelles und gleichmäßiges Schmelzen bzw.
Erstarren des Salzes gewährleisten ist. Fernet; muß
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der Speicher so gestaltet und aufgebaut s^in, daß
die Wärmeverluste des aufgeladenen Speichers möglichst
gering sind. Schließlich müssen auch die Eigenschaften des Salzes und das Material des Speichergerätes so
aufeinander abgestimmt sein, daß Letzteres nicht vcn dem Salz angegriffen und zerstört wird.
Von diesen Bedingungen ausgehend soll durch die Erfindung ein Wärmespeicher geschaffen werden, der allen
Forderungen in optimaler Weise gerecht wird.
Gegenstand der Erfindung ist also ein Wärmespeicher für Umwandlungswärme, der nach dem Durchlauferhitzerprinzip
arbeitet und der insbesondere als Autoheizaggregat eingesetzt werden kann.
nie erfinderische Lösung ergibt sich aus dem Anspruch 1
sowie den Unteransprüchen.
Der Wärmespeicher kann in vielfacher Verwendung eingesetzt werden. Ganz besonders kann er aber in Kraftfahrzeugen
verwendet werden, wo erhebliche Mengen an Energie in r'orm von Wärme vorhanden sind, die üblicherweise
vergeudet werden. Zu den Wärmeträgern mit vergeudeter Energie gehören die Auspuffgase als auch das von dem
Motor aufgeheizte Kühlwaser. Der neue Wärmespeicher
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kann daher auch im Prinzip von den Abgasen odr·-. dem
Kühlwasser beladen werden. Unter "BELADEN" wird dabei das Zuführen der Wärme zu dem Wärmespeicher verstanden,
während man analog das Abführen der Wärme aus dem Wärmespeicher als "ENTLADEN" bezeichnen kann.
Der neue Wärmespeicher stellt ein ausgezeichnetes Aggregat zur Verwendung in Kraftfahrzeugen dar, da
er einerseits sehr raumsparend und damit kostengünstig ausgebildet werden kann. Der modulare Aufbau des Spei- ■■'{
chers aus mehreren identischen Teilspeichern ermöglicht i\ es andererseits den Speicher an die räumlichen Verhält- 'A
nisse des Kraftfahrzeuges anzupassen. So muß der Speicher
nicht gestreckt sein, er kann auch kreis- oder halbkreisförmig gebogen sein. Auch ist der neue Wärmespeicher
leicht auswechselbar, so daß er z.B. im Sommer, wenn keine Heizuna oder Starthilfe erforderlich ist, |
ganz ausgebaut werden kann. !'
Der modulare bzw. netzartige Aufbau gestattet es auch, |
Wärmedämm-Mittel um den Wärmespeicher anzubringen, %
um so die Wärmeverluste des beladenen Wärmespeichers |
möglichst gering zu halten. w
Ein wesentlicher Vorteil des neuen Wärmespeichers § besteht jedoch darin, daß man aufgrund der konstruktiven Jj
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Gegebenheiten ~;ehr große wärmeleitende Flächen hat,
die eine schnelle und gleichmäßige Zu- bzw. Ableitung der Wärme gewährleisten. Dieses wird noch dadurch
unterstützt, daß relativ großflächige und gut wirkende Wärmebrücken zwischen den betroffenen Kanalteilen
vorhanden sind.
Die Geometrie des neuen Wärmespeichers gewährleistet nicht nur eine gleichmäßige Be-- und Entladung, sondern
bewirkt auch, daß keine zu starke örtliche Überhitzung beim Beladen und keine zu starke Unterkühlung der
Schmelze beim Entladen auftritt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1-6 beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den neuen Wärmespeicher;
Fig. 2 den neuen Wärmespeicher nut Blick auf die Kanals
für die Transportflüssigkeit;
Fig. 3 den neuen Wärmespeicher mit Blick auf die Aufnahmeräume für das Phasenwechselmaterial;
Fig. 4 drei nebeneinander angeordnete, zu einer Einheit verbundene Wärmespeicher;
Fig. 5 einen Blick von oben auf den Wärmespeicher gemäß Fig. 4;
Bei der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ist daran gedacht, den Wärmespeicher als Autoheizgerät
zu verwenden. Es werden daher auch zur Er-
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leichterung des Verständnisses die Ausdrücke aus der Autotechnik, wie z.B. Kühlwasser, verwendet, ohne
daß dadurch t_ne Einschränkung des Schutzbegehrem
verbunden sein soll.
Fig. 1 zeigt schematisch den Wärmespeicher 1 gemäß der Erfindung. Er besteht aus den vier zu einem Block
zusammengefassten Kanälen 2, die durch die in Längsrichtung
verlaufenden Stege oder Lanellen 3 in die rohrförmigen Teilkanäle 4 unterteilt sind. Die Kanäle 2
und die Teilkanäle 4 haben im vorliegenden Beispiel rechteckigen Querschnitt.
Zwischen den Kanälen 2 befinden sich die geschlossenen
Hohlräume 5. In der Fig. 1 ist die oberste Seite offen gezeigt, um die Stege bzw. Lamellen 6, durch die die
Hohlräume 5 in die Kanäle 7 unterteilt werden, sichtbar zu machen.
Fig. 2 zeigt den Wärmespeicher 1 in Richtung des Pfeiles 8. Hierbei ist anstelle der Lamellen 3 ein meanderförmig
ausgebildetes Blech vorgesehen. Das Blech 9 besteht aus dem selben metallischen Material wie die
Kanäle 2, vorzugsweise aus Aluminium, Die Meanderform hat einmal den Vorteil der einfachen Fertigung; wesentlicher
ist jedoch, daß sich hierdurch eine sehr große
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wärmeleitende Fläche ergibt und daß gute Wärmebrücken
zwischen den Wandungen der Kanäle 2 und dem Meanderblech
9 hergestellt werden können, indem das Blech mit den Wandungen der Kanäle 2 z.B. verlötet oder
verschweißt wird, wie durch die Punkte 10 angedeutet ist.
Fig. 3 zeigt den Wärmespeicher 1 in Richtung des Pfeiles 11. Wie in den Kanälen 2 sind auch hier die Hohlräume
5 durch ein meanderförmig ausgebildetes Blech 12 in die Kanäle 7 unterteilt. Das Meanderblech 12 besteht
ebenfalls aus Metall, z.B. Aluminium, und bringt die selben Vorteile bezüglich Konstruktion und Wärmeleitung
wie das Meanderblech 9, da die Meanderbleche 12 ebenfalls mit den Wandungen der Kanäle 2 verlötet oder
verschweißt sind, wie durch die Pumpe 13 angedeutet ist. Die Teilkanäle 4 dienen zur Durchleitung des
Wärmetransportmittels, z.B. des Kühlwassers des Motorkühlsystems eines Personenkraftwagens, während in
die Kanäle 7 das Phasenwechselmaterial eingefüllt wird.
Fig. 4 zeigt den gesamten Wärmespeicher, bei dem drei der beschriebenen Wärmespeicher 1 nebeneinander in
direktem körperlichen Kontakt angeordnet und ringsum in der Oberfläche zusammengeschweißt sind, so daß
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man einen Speicherblock 14 erhält, der nach außen hermetisch dicht ist. Vor dem Verschließen der Kanäle 7
wird das Phasenwechselmaterial in flüssigem Zustc- id
eingefüllt. Die Abschlußdeckel sind der Übersichtlichkeit wegen in den Figuren nicht dargestellt.
Die Flutung des Speicherblockes 14 mit dem Kühlwasser erfolgt nun paarweise über die Teilkanäle 4, wobei
die Kanalpaare bezüglich der Flutrichtung hintereinander geschaltet. Hierzu sind an den beiden Kopfenden des
Speicherblockes 14 Wasserkästen 15 und 16 vorgesehen, deren Ausbildung sich aus Fig. 5 ergibt.
Über die Zuleitung 17 gelangt das Kühlwasser in den Wasserkasten 16 und fließt aus diesem über die Ableitung
18 wieder aus dem Speicherblock 14 ab. In der Zuleitung 17 befindet sich das Umschalteventil 19,
mittels dem die Zuleitung des Kühlwassers von dem Kühlsystem 20 des Motors auf das Verbrauchersystem 21,
d.h. das Heizungssystem, umgeschaltet werden kann.
Analog dazu befindet sich in der Ableitung 18 das Umschaltventil 22, mittels dem der Abfluß des Kühlwassers
von dem Kühlsystem 23 des Motors auf das Verbrauchersystem 24 umgeschaltet werden kann.
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• · &igr;
• &igr; &idigr; ·
Wenn das Kühlsystem des Motors in den Umlauf eingeschaltet
ist, d.h, wenn heißes Kühlwasser durch den Speicherblock fließt, wird Wärme an das in den Kanälen 7 befindliche
Phasenwechselmaterial abgegeben, so daß dieses von dem festen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht
und somit die abgegebene Wärme speichert.
Fig. 5 zeigt schematisch die Ausbildung der Wärmekästen 15 und 16 und die Flutung des Wärmespeichers 14, und
zwar wieder in einem Blick in Richtung des Pfeiles 11 (Fic,. 1).
Die Speicher I weisen auch hier je vier Kanäle 2 auf. Wie bereits gesagt, erfolgt die Flutung des Kühlwassers
durch Kanalpaare, die zu diesem Zwecke hintereinander geschaltet sind. Diese ist durch die Pfeile 25 angedeutet.
Die Wasserkessel 15 und 16 sind nun durch die Trennwände 26 und 27 so unterteilt, daß die paarweise
Flutung ermöglicht wird.
Das Phasenwechselmaterial
Die thermo-physikalischen Eigenschaften, das Schmelz-
und Erstarrungsverhalten sowie das Korrosionsverhalten des Phasenwechselmaterials müssen bei der Auswahl
des Werkstoffes für den Wärmespeicher und dessen Aufbau
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- &iacgr;&ogr; -
beachtet werden. Durch seinen Schmelz- und Erstarrungspunkt bestimmt das Phasenwechselmaterial neben anderen
Randbedingungen die Arbeitstemperatur des Wärmespeichers, wenn dieser als Autoheizaggregat verwendet
werden soll. Ferner ist die Wärmekapazität des Speichers weitgehend von der Umwandlungsenthalpie und der Wärmekapazität
des Phasenwechseimaterials beim festen und flüssigen Zustand bestimmt.
Als zweckmäßiges Phasenwechselmaterial hat sich z.B.
ein Gemisch aus Magnesiumnitrathexahydrat und Lithiumnitrat, z.B. der Formel
Mg(NO3)2 ' 6H2O + L1NO3
gezeigt. Diese Mischung erfüllt für den Einsatz des Wärmespeichers als Autoheizaggregat die Forderung,
daß die Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur bei etwa 7O0C liegt u:id daß das Phasenwechselmaterial bis auf
125°C erhit' t werden kann. Gegebenenfalls muß dem Gemisch nocl\ ein Stabilisator zugeführt werden, um
die Beständigkeit der chemischen Substanzen gegen Störeinwirkungen zu sichern.
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Bezugs zahlen Iiste
| 1 | Wärmespeicher |
| 2 | Kanäle |
| 3 | Ii ame 1 len |
| 4 | Teilkanäle |
| 5 | Hohlräume |
| 6 | Stege, Lamellen |
| 7 | Kanäle in 6 |
| 8 | Pfeil |
| 9 | Meanderblech in 2 |
| 10 | Schweißpunkte |
| 11 | Pfeil |
| 12 | Meanderblech in 5 |
| 13 | Schweißpunkte |
| 14 | Speicherblock, Fig. 4 |
| 15 | Wasserkasten, links |
| 16 | Wasserkasten, rechts |
| 17 | Zuleitung |
| 18 | Ableitung |
| 19 | Umschaltventil in 17 |
| 20 | Kühlsystem |
| 21 | Verbrauchersystem |
| 22 | Umschaltventil in 18 |
| 23 | Kühlsystem |
| 24 | Verbrauchersystem |
| 25 | Fließpfeile |
| 26 | Trennwände, links |
| 27 | Trennwände, rechts |
| 28 | Ventil |
| 29 | Wärmespeicher |
| 30 | Heizungsanlage |
| 31 | Kühlwasserpumpe |
| 32 | Ventil |
| -i -> J J |
Ventil |
Claims (6)
1. Nach dem Durchlauferhitzerprinzip wirkender Wärme- 1
speicher mit Phasenwechselmaterial als Wärmeträger, f
dadurch gekennzeichnet; claß der Wärmespeicher §
(1) aus mehreren, übereinander angeordneten Kanälen J
(2) aus metallischem Material und rechteckigem *
Querschnitt die in Längsrichtung durch metallische f Stege oder Lamellen (3) in Teilkanäle (4) für &idiagr;
die Durchleitung des Wärmetransportmittels unterteilt sind, aufgebaut i^t, daß zwischen den Kanä- %
len (2) kanalartige, geschlossene Hohlräume (5) |
für die Aufnahme des Phasenwechselmaterials vorge- f
sehen sind, die durch metallische Stege oder i Lamellen (6), die in Kontakt mit den Kanälen (2) |
stehen, in senkrecht zu den Teilkanälen (4) verlau- I
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fende Teilkanäle (7) unterteilt sind.
2. V/ärmesceicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei oder mehrere Wärmespeicher (1) in unmittelbarem Kontakt nebeneinander angecrinesind
und die Durchblutung des Wärmetransportmi-tels
bezüglich der Wärmespeicher (1) hintereinander geschaltet ist, und daß die Zuführung (17) des
Viärme-ransportmittels zu den Teilkanälen (4)
umschaltbar von dem Wärmesysrem zu dem Wärmeverbraucher
und die Abführung des Wärmerransportmiztels
von den Teilkanälen (4) umschaltbar zu den Kühlwassersystem bzw. dem Wärmeverbraucher
ist.
3. Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilspeicher (1) in ihrer Oberfläche zusammengeschweißt sind.
4. Wärmespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche
1-3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kopfenden des Wärmespeichers (14) je Behälter (15, 16) für die
Aufnahme des Wärmetransportmittels vorgesehen ist und daß die Behälter (15, 16) derart unterteilt sind,
daß eine paarweise und hintereinander geschaltete Flutung des Wärmetransportmittels ermöglicht ist.
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5. Wärmespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- bzw. Abführung
des Wärmetransportmittels paarweise zu bzw.
von den Kanälen (4) &ugr;&eegr;&Dgr; die Flutung des Wärmetransport
mittels sowol _ je Kanalpaar eines Warmespeichers
als auch der nebeneinander angeordneten Wärmespeicher
erfolgt, wobei die Behälter (15, 16) su ausi)«bildet
sind, daß die getrennte Flutung von einem bzw. zwei
Kanalpaaren durchführbar ist.
6. Wärmespeicher nach einem oder mehrerei der Ansprüche
1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß d i ^ Stege (3) und die Stege (6) aus einem meanderförmig gebogenen
Blech (9) bzw. (12) bestehen und die Meanderfla ehe
(9) und (12) mit den Wänden der Kanäle (2) verschweißt
oder verlötet sind.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE8816395U DE8816395U1 (de) | 1988-03-26 | 1988-03-26 | Nach dem Durchlauferhitzerprinzip wirkender Wärmespeicher für Umwandlungswärme, insbesondere als Autoheizaggregat |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE8816395U DE8816395U1 (de) | 1988-03-26 | 1988-03-26 | Nach dem Durchlauferhitzerprinzip wirkender Wärmespeicher für Umwandlungswärme, insbesondere als Autoheizaggregat |
| DE3810334 | 1988-03-26 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=6350788
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| DE8816395U Expired DE8816395U1 (de) | 1988-03-26 | 1988-03-26 | Nach dem Durchlauferhitzerprinzip wirkender Wärmespeicher für Umwandlungswärme, insbesondere als Autoheizaggregat |
| DE3990275A Expired - Lifetime DE3990275C1 (de) | 1988-03-26 | 1989-03-28 | Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher für Kraftfahrzeuge |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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