NL8001778A - Werkwijze ter verbetering van de warmte-uitwisseling in een latent warmtegeheugen alsmede inrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze. - Google Patents

Description

IJ.O. 28.909

Werkwijze ter verbetering van de warmte-uitwisseling in een latent warmtegeheugen alsmede inrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verbeteren van de warmte-uitwisseling in een latent warmtegeheugen, waarbij de warmte-uitwisseling tussen het medium van het latente warmtegeheugen en een warmtedragermedium via een, de beide media scheidend warmte-over-5 drachtsvlak plaatsvindt, en verder heeft de uitvinding betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze.

In latente warmtegeheugens worden verschillende warmtegeheugenssub-stanties met hoge latente smeltwarmte toegepast. Deze substanties nemen grote hoeveelheden warmte op, bijvoorbeeld zonnewarmte, en worden daar-10 door gesmolten. Onttrekt men de warmte nu weer, bijvoorbeeld 's nachts of bij somber weer, dan zal het materiaal opnieuw bevriezen en geeft daardoor de opgeborgde warmte af. Als media voor latente warmtegeheugens komen bijvoorbeeld water, paraffine en in het bijzonder kristalwater houdende natriumzouten in aanmerking. Zo overtreft de verwarmde ge-15 heugencapaciteit van kristalwater houdend natriumsulfaat de capaciteit van hetzelfde voltime water met ongeveer een factor 7.

De praktische toepassing van dergelijke natriumzouthydraten was tot nu toe echter verbonden met verschillende nadelen. Zo vormt zich bijvoorbeeld bij dergelijke latente warmtegeheugens tijdens het verlies-20 proces een storende zoutlaag, niet alleen om de reservoirwanden maar ook op de warmte-overdrachtsvlakken, zodat de warmte-overdracht aanzienlijk wordt verslechterd.. Bij zekere zouttypen vindt tijdens het vriesproces een gruis- of vlokvorming plaats, waardoor eveneens de warmte-overdracht sterk wordt verminderd. Natuurlijk kan ook het laten-25 te warmtegeheugenmedium, bijvoorbeeld bij toepassing van paraffine, tot een meer of minder homogeen blok verstarren, Waarbij het weer opnieuw opsmelten door in het latente warmtegeheugenmedium aanwezige warmte-overdrachtsvlakken vanwege de slechte warmte-overgang zeer tijdrovend is. Ook de scheiding tussen de vaste fase en de vloeibare f-30 ase, bijvoorbeeld bij natriumzout/water kan moeilijkheden opleveren zodat een congruent opnieuw kristalliseren in een dergelijke geheugensub-stantie nagenoeg onmogelijk wordt.

Dezelfde problemen treden op als men in plaats van dergelijke natriumzouthydraten alleen water gebruikt als latent geheugenmedium.

35 Een dergelijk latent warmtegeheugen op ijs/waterbasis is bijvoorbeeld 800 1 7 78 beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 2.996.894. Hier wordt geprobeerd om de geschetste problemen met betrekking tot de korstvorming, dat wil zeggen in het geval de ijsvorming, bij de warmte-uitwisselings-vlakken te omzeilen doordat de gebruikelijke directe warmte-uitwisse-5 ling tussen het warmtedragermedium en het latente warmtegeheugenmedium via een warmte-overdrachtsvlak achterwege wordt gelaten. In plaats daarvan wordt een vloeibaar warmtedragermedium, in dit geval olie, direct in contact gebracht met het latente warmtegeheugenmedium water, en na voltrokken warmte-uitwisseling van het water gescheiden en bijvoor-10 beeld door een warmte-uitwisselaar gepompt buiten het latente geheugen voor het opnemen of afvoeren van warmte.

Een dergelijke toepassing van olie voor directe warmte-uitwisseling met water gaat echter gepaard met verschillende nadelen. Zo heeft de olie een naar verhouding geringe warmtecapaciteit en is alleen al om 15 deze reden niet als warmte-overdrachtsmedium geschikt. Verder levert de gewenste scheiding tussen olie en water na voltooiing van de warmte-uitwisseling in de praktijk grote moeilijkheden op omdat gemakkelijk een irreversible emulsievorming kan optreden. Een zo intensief mogelijke en derhalve voor het vormen van emulsies zeer gunstige menging van 20 olie en water is echter onvermijdelijk voor een enigermate bevredigende warmte-overdracht. Wordt de olie echter met geringe intensiteit met water gemengd respectievelijk door het water gepompt om het risico van emulsievorming te verminderen dan is de warmte-overdracht tussen olie en water onvoldoende. Verder is een dergelijke directe warmte-uitwisser 25 ling uitgesloten indien bijvoorbeeld het werkmiddel van een warmtepomp als warmtedragermedium moet worden gebruikt. Voor de doeleinden waarop de uitvinding is gericht is dus een dergelijk latent warmtegeheugen niet geschikt.

De uitvinding heeft nu ten doel zowel de in het bovenstaande be-30 schreven nadelen van een directe warmte-uitwisseling tussen het latente warmtegeheugenmedium en een vloeibaar warmtedragermedium als ook bij indirecte warmte-uitwisseling tussen het latente warmtegeheugenmedium en een warmtedragermedium via een warmte-overdrachtsoppervlak te vermijden en de warmte-uitwisseling in een latent warmtegeheugen van in de 35 aanhef genoemde soort zodanig te verbeteren dat ook bij het optreden van het latente warmtegeheugenmedium bijvoorbeeld in gruisvorm een intensief contact van de gehele geheugenmassa met de warmte-overdrachts-viakken bij hoge warmte-overgang gewaar borgd is. Verder moet bij het optreden van het latente warmtegeheugenmedium in agglomeraat- of blok-40 vorm een snel opsmelten respectievelijk 800 1 7 78 3 - homogeniseren mogelijk zijn zodat binnen korte tijd een optimale warmte-uitwisseling kan plaatsvinden.

De werkwijze waarmee aan deze doelstelling wordt voldaan draagt het kenmerk, dat het latente warmtegeheugenmedium door middel van een daar-5 mee in wezen niet mengbaar dispersiemedium in gefluïdiseetde toestand wordt gebracht. De inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze wordt gekenmerkt door een voor afname van het latente warmtegeheugenmedium en het dispersiemedium bestemd reservoir met ten minste een warmte-over-drachtsvlak voor een warmtedragermedium dat zich in het gebied van het 10 latente warmtegeheugenmedium bevindt, en in gedeeltelijk door het reservoir gevoerde gedwongen kringloop voor het dispersiemedium voorzien van een in het gebied van het dispersiemedium aangebrachte afvoerlei-ding, een circulatie-orgaan, een in het gebied met het latente warmtegeheugenmedium verlopende toevoerleiding alsmede een dispergeer-15 element.

Om ervoor te zorgen dat het latente Warmtegeheugenmedium met behulp van het dispersiemedium in een wervelbedachtige toestand kan worden gehouden wordt niet alleen een intensief contact tussen de totale geheu-genmassa en de warmte-overdrachtsvlakken bereikt, maar wordt ook op ie-20 der moment de bedrijfsgereedheid of beschikbaarheid van het latente Warmtegeheugenmedium ten dienste van de warmte-overdracht gewaarborgd. Zo kan, indien het latente warmtegeheugen bijvoorbeeld bij gebruik aan zone-instelling tijdelijk niet wordt gebruikt slechts een geringe fluï-disering respectievelijk doorstroming van het dispersiemedium worden 25 toegepast die echter voldoende is om het samenpakken of een faseschei-ding in het latente warmtegeheugenmedium respectievelijk een korstvorming aan de warmte-overdrachtsvlakken te verhinderen. Moet er warmte in het latente warmtegeheugen opgeborgen of daardoor worden afgegeven dan kan de fluïdiseringstoestand willekeurig worden geïntensiveerd om de 30 gewenste warmte-overdracht te waarborgen. Omdat het dispersiemedium geen warmte-overdrachtsfunctie moet vervullen is de warmte-overdracht niet van de warmtecapaciteit ervan afhankelijk. Als verder voordeel wordt bereikt dat er geen gecompliceerde mechanische eirculatie-organen in het geheugen zelf noodzakelijk zijn.

35 De uitvinding wordt in het volgende nader verklaard aan de hand van de in de iig. geïllustreerde uitvoeringsvoorbeelden.

Fig. 1 toont een schematische weergave van de werkwijze en de inrichting volgens de uitvinding gebruikmakend van vloeibaar dispersiemedium in samenhang met een zonecollectorverwarmingseenheid.

40 Fig. 2 toont de werkwijze en de inrichting volgens fig· 1 maar nu 800 1 7 78 4 in samenhang met een warmtepomp en een oliegestookte verwarmingsketel.

Fig. 3 toont een weergave van de werkwijze onder toepassing van gasvormige dispersiemedium in samenhang met daartoe geschikte inrichting die in verticale doorsnede is getoond.

5 Een latent warmtegeheugen 10 (fig. 1) is voorzien van een op niet nader aangegeven wijze geïsoleerd reservoir 12, dat gedeeltelijk gevuld is met een latent warmtegeheugenmedium 14 en. gedeeltelkijk gevuld is met een vloeibaar dispersiemedium 16, bijvoorbeeld paraffine olie. Het bovenste, het dispersiemedium 16 bevattende gedeelte van het reservoir 12 10 is via een afvoerleiding 18, een pomp 20 met variabele pompcapaciteit en een tot in het onderste gedeelte van het reservoir 12 voerende toe-voerleiding 22, welke aan de uittreezijde voorzien is van een terug-slagventiel 24, verbonden met een in het onderste gedeelte van het reservoir 12 aangebracht en zich over in principe de gehele doorsnede van 15 het reservoir uitstrekkend zeefvormig of gatplaatvormig fluïdiserings-of dispergeerelement 26, waarvan de doorlaatopeningen zijn aangeduid met 28. Een in het reservoir 12 aangebracht eerste, buisvormig uitgevoerd warmte-overdrachtsvlak 30 wordt via een leiding 32, een circula-tiepomp 34, een zonnecollector 36 en een leiding 38 gevoed met een ver-20 warmd warmtedragermedium 37, bijvoorbeeld een water-glycol-mengsel en doet dienst voor het verwarmen van het in het onderste gedeelte van het reservoir 12 aanwezige latente warmtegeheugenmedium 14. Een in de leiding 38 naar de zonnecollector aangebrachte thermische voeler 39 tast de temperatuur van het warmtedragermedium 37 af en staat via een sig-25 naalleiding 41, een stuureenheid 43 en een signaalleiding 45 in verbinding met de pomp 20. Een tweede, eveneens in het latente warmtegeheugenmedium 14 aangebracht, buisvormig uitgevoerd warmte-overdrachtsvlak 40 staat via de leidingen 42, 44 en een circulatiepomp 46 in verbinding met een verbruikerkringloop, bijvoorbeeld een verwarmingsinstallatie of 30 een inrichting voor het bereiden van verbruikswater. Het warmtedragermedium 47 is in dit geval dus water.

Een elektrisch verwarmingselement 48 doet dienst als extra verwarming bij uitval van zonne-energie en vergemakkelijkt het opsmelten van het latente warmtegeheugenmedium 14 indien dit tijdens een vriesproces naar 35 vaste vorm is overgegaan. Omdat dit verwarmingslichaam op zichzelf geen dienst doet voor het opslaan van warmnte in het latente warmtegeheugenmedium 14 maar alleen het fluïdiseringsproces tijdens het "aanlopen" van het latente warmtegeheugen moet vergemakkelijken, kan dit, zoals ook in fig. 1 is weergegeven, aangebracht zijn in het dispersiemedium 40 16.

800 1 7 78 5 < ·

De beschreven inrichting werkt als volgt:

Er wordt bijvoorbeeld van uitgegaan dat de zonnecollector 36 buiten bedrijf is, bijvoorbeeld 's nachts. In het latente warmtegeheugen 10 bevindt zich nu in het onderste gedeelte een brijachtige, meer of min-5 der samenbakkende massa, bestaande uit gruisvormig latent warmtegeheu-genmedium en olie. Het is zonder meer duidelijk dat in een dergelijk mengsel in de stationaire toestand alleen de direct aan de warmte-overdracht svlakken 30, 40 naburige vaste lichaamsdeeltjes bij het verwarmen van het geheugen gesmolten kunnen worden en dat de warmte-overdracht 10 zeer slecht is. Worden de voorwaarden voor de werking van de zonnecollector 36 weer gunstig, dan wordt via de voeler 39 de pomp 20 dusdanig in bedrijf gesteld dat de olie 16 met een zekere stroomsnelheid via de leidingen 18, 22 in de pijlrichting in het onderste gedeelte van het reservoir 12 via het terugslagventiel 24 door de doorlaatopeningen 28 15 van het dispergeerelement 26 wordt getransporteerd. Daardoor wordt het brijachtige mengsel gefluïdiseerd, dat wil zeggen van de stationaire toestand in een mobiele toestand gebracht, waarbij de afzonderlijke vaste deeltjes van het latente warmtegeheugenmedium een wervelbed vormen en praktisch de gehele reservoirinhoud voortdurend In contact komt 20 met de warmte-overdrachtsvlakken 30, 40. Bij deze minimale fluïdise-ringsgraad wordt dus het latente warmtegeheugen in de bedfrijfstoestand gebracht. Meldt de voeler 39 een stijging van de instralingstempera-tuur, dan wordt via de stuureenheid 43 de transportsnelheid van de pomp 20 verhoogd, zodat de fluïdiseringsgraad in het latente warmtegeheugen 25 op overeenkomstige wijze wordt geïntensiveerdv De warmte-overdracht tussen dê overdrachtsvlakken 30, 40 en het latente warmtegeheugenmedium 14 wordt dienovereenkomstig groter. Daardoor worden de bij hogere temperatuur zwaarder tellende uitstralingsverliezen van de zonnecollector 36 aanzienlijk verminderd.

30 Na oplading van het geheugen 10 kan via het warmte-overdraehtsvlak 40, rond welk vlak het gefluïdiseerde latente warmtegeheugenmedium stroomt, de opgeborgen warmte weer wordt afgenomen en toegevoerd worden aan de verbruikerkringloop.

In de inrichting volgens fig. 2 wordt een warmtepomp 56, voorzien 35 van een smoororgaan 50, een verdamperelement 52 en een verdichterele-ment 52 en een verdichterelement 54, gebruikt voor verwarming van het latente geheugenmedium 14. De voeler 39 dient in dit geval voor het aftasten van de temperatuur van het werkmedium 77 van de warmtepomp, welk medium door een via de in het verdampergedeelte 52 aangebrachte toe-40 voer- respectievelijk afvoerleiding 58 respectievelijk 60 geleid me- 800 1 7 78 dium, bijvoorbeeld grondwater of omgevingslucht, wordt verwarmd. Verder kan via in de leidingen 42, 44 aangebrachte driewegkleppen 62, 64 en leidingen 66, 68 een door een oliebrander 70 verwarmde buissectie 72 worden ingeschakeld. Een extra temperatuurvoeler 74 is via een signaal-5 leiding 76 verbonden met een stuureenheid 43. De toevoerleiding 22 bezit bovendien een omloopleiding 75, waarvan de doorstroomweerstand groter is dan die van de toevoerleiding 22. Het dispergeerelement 27 bezit in dit geval naast de doorlaatopeningen 28 ook nog klokvormige bodem-openingen 29.

10 De werking van deze laatst beschreven inrichting is als volgt:

Het werkmedium respectievelijk warmtedragermedium 77 van de warmtepomp, bijvoorbeeld een gebruikelijk koelmiddel, wordt in het verdamper-gedeelte 52 door het via de leidingen 58, 60 toe- respectievelijk afstromende medium verwarmd, in het verdichtergedeelte 54 gecomprimeerd 15 en vervolgens in de buis 30, die in dit geval dienst doet als condensor, gecondenseerd, waarbij de daarbij vrijkomende warmte wordt afgegeven aan het latente warmtegeheugenmedium 14. De temperatuurvoeler 39 stuurt daarbij de fluïdiseringsgraad van het latente warmtegeheugenmedium 14, zoals aan de hand van het voorbeeld uit fig. 1 reeds werd be-20 schreven. Na de condensatie en warmte-afgifte wordt het werkmedium 77 in het smoororgaan 50 ontspannen en komt weer in het verdampergedeelte 52 terecht waar het beschreven proces zich herhaalt. Door middel van de via driewegkleppen 62, 64 inschakelbare extra verwarming 66, 72, 68, 70 kan de verbruikerkringloop extra worden verwarmd indien de temperatuur-25 omstandigheden voor bedrijf van de warmtepomp 56 niet voldoende zijn.

Ze kan echter ook worden gebruikt voor verwarming van het latente warmtegeheugenmedium, bijvoorbeeld voor het in stand houden van een minimale bedrijfsgereedheid van het geheugen.

In dit geval dient de temperatuurvoeler 74 ervoor de fluïdiserings-30 graad van het latente warmtegeheugenmedium dusdanig te besturen dat oververhitting aan het ruimte-overdrachtsvlak 40 wordt vermeden. De omloopleiding 75 dient voor het in stand houden van de kringloop van het dispersiemedium 16 in het geval bijvoorbeeld het onderste gedeelte van het reservoir 12 is gevuld met samengebakken latent warmtegeheugenme-35 dium 14 en de doorlaatopeningen 28 gedeeltelijk zijn verstopt. Voor hetzelfde doel zijn de klokvormige bodemopeningen 29 aangebracht.

Bij het uitvoeringsvoorbeeld volgens fig. 3 is het reservoir 13 van het latente warmtegeheugen 10 door middel van steunen 78, 80 op de bodem geplaatst. In dit geval wordt lucht of inert gas zoals bijvoorbeeld 40 stikstof gebruikt als dispersiemedium 82. Het dispersiemedium wordt 800 1 7 78 ij -C ^ door een axiale ventilator 84 via een in het bovenste deel van het reservoir 13 aangebracht afneemkanaal 86 aangezogen en via een toevoerka-naal 88 zoals in dit geval de in het bovenstaande reeds beschreven toe-voerleiding 22 naar het onderste gedeelte van het reservoir 13 gevoerd 5 waar het door het dispergeerelement 26 onder fluïdisering van het latente warmtegeheugenmedium 14 wordt geleid. In dit geval is een omloop-kanaal 90 met een smoorklep 92 afgetakt van een onderste gedeelte van het toevoerkanaal 88. De doorsnede van het omloopkanaal 90 is iets kleiner dan de doorsnede van het toevoerkanaal 88. De niet getoonde in-10 stelaandrijving van de smoorklep 92 is via een signaalleiding 94 verbonden met de stuureenheid 43. Een verdere signaalleiding 96 verbindt de stuureenheid met de aandrijfmotor 98 van de axiale ventilator 84.

De werking van deze laatst beschreven inrichting is als volgt:

Er wordt bijvoorbeeld aangenomen dat het latente warmtegeheugenmé-15 dium 14 door middel van het elektrische verwarmingslichaam 48 zover moet worden opgewarmd dat het latente warmtegeheugenmedium bedrijfsge-reed is. Aan de hand van een door een temperatuurvoeler 39 geleverd signaal schakelt de stuureenheid 43 de aandrijving 98 van de axiale ventilator 84 in en brengt tegelijkertijd de smoorklep 92 in de geopen-20 de positie. Een deel van de lucht kan dus via de omloopleiding weer ontwijken. Hierbij wordt een zekere fluïdiseringsgraad bereikt die voldoende is voor de bedrijfsgereedheid van het geheugen.

Indien bij toenemende temperatuur de fluïdiseringsgraad geïntensiveerd moet worden dan wordt de smoorklep 92 langzamerhand gesloten, zodat een 25 maximaal luchtvolume door de toevoerleiding 88 stroomt.

Het zal duidelijk zijn dat de beschreven kringloop voor het gasvormige dispersiemedium ook voorzien kan zijn van compressoren en gebruikelijke gashouderinrichtingen.

8Ό 0 1 7 78

Claims (12)

1. Werkwijze ter verbetering van de warmte-uitwisseling in een latent warmtegeheugen, waarbij de warmte-uitwisseling tussen het latente warmtegeheugenmedium en een warmtedragermedium plaatsvindt via een, de 5 beide media scheidend warmte-overdrachtsvlak, met het kenmerk, dat het latente warmtegeheugenmedium (14) door middel van een met dit mediumprincipe onmengbaar dispersiemedium (16, 82) in gefluïdiseerde toestand wordt gebracht.

2. Werkwijze volgens conclusie l,met het kenmerk, 10 dat de fluïdiseringsgraad van het latente warmtegeheugenmedium (14) afhankelijk van de temperatuur van ten minste een van de aan de warmte-uitwisseling deelnemende media wordt gestuurd.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat het dispersiemedium (16) vloeibaar is. .15

4. Werkwijze volgens conclusie l,met het kenmerk, dat ten minste een deelstroom van het dispersiemedium (16, 82) in direct contact met het latente warmtegeheugenmedium (14) in een gedwongen kringloop door dit medium wordt gevoerd.

5. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 20 1, gekenmerkt door een voor de opname van het latente warmtegeheugenmedium (14) en het dispersiemedium (16, 82) bestemd reservoir (12, 13) met ten minste een warmte-overdrachtsvlak (30, 40) voor een warmtedragermedium (37, 47, 77) dat zich bevindt in het gebied van het latente warmtegeheugenmedium (14), en een in het gebied van het 25 dispersiemedium (16, 82) aangebrachte, gedeeltelijk door het reservoir (12, 13) gevoerde gedwongen kringloop voor het dispersiemedium (16, 82) waartoe behoort een de in het gebied van het dispersiemedium (16, 82) aangebrachte afvoerleiding (18, 86), een circulatie-orgaan (20, 84), een in het gebied van het latente warmtegeheugenmedium (14) verlopende 30 toevoerleiding (22, 88) alsmede een dispergeerelement (26, 27).

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat als dispergeerelement (26) een zich in hoofdzaak over de gehele reservoir door snede uitstrekkende bodemeenheid met doorlaatopeningen (28, 29) is aangebracht.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de doorlaatopeningen ten minste gedeeltelijk zijn uitgevoerd als klokvormige bodemopeningen (29).

8. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat tussen het dispergeerelement (26, 27) en de toevoerleiding (22, 88) 800 1 7 78 9 * een terugslagventiel (24) is geschakeld.

9. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de toevoerleiding (22, 88) voorzien is van een omloopleiding (75, 90).

10. Inrichting volgens conclusie 9 , m e t h e t k e n m e r k, dat de doorstroomweerstand van de omloopleiding (75, 90) groter is dan die van de toevoerleiding (22, 88).

11. Inrichting volgens conclusie 5, gekenmerkt door middelen (39, 43, 74) voor temperatuurafhankelijke sturing van de 10 stroomsnelheid en/of de hoeveelheid van het circulerende dispersieme-dium (16, 82).

12. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het circulatie-orgaan (20, 84) via een de temperatuur van het warm-tedragermedium (37, 47, 77) en/of het latente warmtegeheugenmedium (14) 15 aftastende voeler (39, 74) kan worden beïnvloed. 800 1 7 78