DE20103843U1

DE20103843U1 - Hochreaktiver Rohrbündeleisspeicher

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Publication number: DE20103843U1
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Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2011-03-06

Description

Hochreaktiver Rohrbündeleisspeicher

Helmut Juran, Andreas Schlüter Str. 12, 53639 Königswinter 5. Febr 2001

Beschreibung

Titel :

Hochreaktiver Rohrbündeleisspeicher

Technisches Gebiet:

Gewerbliche und industrielle Kälte- und Kühltechnik von Anlagen und Verfahren

Stand der Technik:

Eisspeicher werden im wesentlichen zur Klimatisierung von Gebäuden und Kühlen von Lebensmitteln eingesetzt, wenn die Kältemaschinen elektrobetrieben sind und ein unterschiedlicher Stromtarif im Tagesablauf (meist Tages- und Nachttarif) ein Zwischenspeichern von Kälte in Form von Eis wirtschaftlich macht. Dies ist in der produzierenden Industrie, vor allem der Chemie und Verfahrenstechnik meist nicht gegeben. Eisspeicher haben hier nur eine Anwendungschance, wenn sie die erforderliche Betriebssicherheit und Leistungszuverlässigkeit erbringen und eine so hohe Kälteentladungsreaktivität (Kälteleistung) aufweisen, daß beim Abbau für die hohen temporären Spitzenlasten der Kaltwassersatz durch die hohe Installationsleistung teurer wird als eine Kombination Eisspeicher mit kleinerem Kaltwassersatz.

Nach dem Stand der Technik werden Eisspeicher im wesentlichen nach dem Prinzip gebaut, daß das Eis in atmosphärischen Becken erzeugt wird, indem Rohre durch dieses Becken geführt werden und in den Rohren Sole mit einer Temperatur unter 0°C zirkuliert, wobei damit Eis an den Rohraußenseiten wächst. Dieser Prozess wird durch eine Luft- oder Sauerstoffanreicherung im Wasserbecken aktivierend unterstützt, wodurch vor allem eine gewisse Homogenität beim Wachsen des Eises erzielt werden soll. Beim Entladen des Eisspeichers wird das Eiswasser um das gewachsene Eis in einem weiteren Kreislauf zirkuliert und erwärmt. Um die Reaktivität zu erhöhen, wird in Ausnahme auch die zirkulierende Sole in den Rohrkreisläufen erwärmt.

Ein neueres Verfahren speichert das Eis innerhalb einzelner horizontal angeordneter und an den Enden zugeschweißten Rohren, die als Bündel zusammengefaßt sind und die von außen von Sole umströmt werden. Hierbei wird eine 3 bis 5 mal höhere Austauschfläche erzielt die damit dem Verfahren eine höhere Reaktivität beim Be- und Entladevorgang verleit. Das Verfahren ist selbst beim Einsatz von normalem Stahl völlig rostfrei, gewährt auch ohne Luft- bzw Sauerstoffanreicherung eine sehr homogene Eisbildung in den Rohren, benötigt nur den einen Solekreislauf zum Be- und Entladen und kann zu jeder Zeit auf Bedarf vom Belade- auf den Entladevorgang umschalten.

Der Erfindung zugrundeliegendes Problem :

Alle Verfahren mit einer Eisbildung außerhalb der Kälte- bzw Wärmetauscherrohre haben große Probleme bei der homogenen Eisbildung und damit danach auch keinen gleichmäßigen und zuverlässige Entladevorgang. Sie müssen in der Regel völlig entladen werden, bevor sie wieder beladbar sind. Unregelmäßige Blockbildungen sind kaum vermeidbar. Die hohe Korrosionsanfälligkeit verlangt rostfreie Materialien. Die Reaktivität ist äußerst gering aufgrund der relativ kleinen Austauschflächen und weil die Eisblöcke isolierend bei der Beladung und Entladung wirken.

Das Eisspeichern in einzelnen geschlossenen horizontalen Rohren eliminiert fast alle Nachteile der beschrieben Systeme mit der Eisbildung außerhalb der Tauscherrohre. Die Bauweis ist allerdings sehr aufwendig. Jedes Rohr muß einzeln und beidseitig zugeschweißt werden, mit Füllstutzen versehen und mit Wasser gefüllt und dann in die Behälter mit Leitblechen eingeführt werden. Dies muß auf der Baustelle erfolgen und erfordert abnehmbare Montagedeckel an den Speicherbehältem und zudem einen hohen Montage- und Inbetriebnahmeaufwand. Bei dieser Kostenintensität reicht die höhere Reaktivität nicht aus, um selbst bei Anwendungen zum Spitzenlastabbau gegen Kältesysteme ohne Eisspeicher Marktvorteile zu erlangen.

Hochreaktiver Rohrbündeleisspeicher

Helmut Juran, Andreas Schlüter Str. 12, 53639 Königswinter 5. Febr 2001

Erfindung :

Die erfinderische Ziel bestand darin, daß die Vorteile des Eisspeicherns in geschlossenen horizontal liegenden Rohren beizubehalten und die Nachteile der hohen Kostenintensität und beschränkten Reaktivität durch ein anderes Prinzip auszuschalten. Die erfinderische Lösung benutzt das Grundprinzip der rohrinternen Eisspeicherung, alledings werden die Speicherrohre (7) nicht einzeln zugeschweißt und mit Eiswasser gefüllt, sondern klassisch in Rohrböden (2,3) eingeschweißt, sodaß ein Rohrbündel entsteht, daß nun nach Figur 1,2 und 3 von einem Kessel beliebiger Bauweise (Länge, Höhe, Querschnittsform, geschweißte oder abnehmbare Kammern, Dehnungsausgleich durch Kompensator (6) oder gleitenden internen Rohrboden, Anzahl der Wege bzw Leitbleche für die Führung der zirkulierenden Medien) umschlossen wird (1,8,9).

Das Kälte- bzw Wärmeträgermedium, bevorzugt Sole, tritt über Flanschanschlüße in den Kessel ein und aus (4,5) und umströmt die Außenseite des Rohrbündels. Die Innenseite wird nur soweit mit dem Eiswasser (10) gefüllt, daß noch das Volumen (11) frei bleibt, das sich aus der Differenz des spezifischen Volumens von Eis und Wasser ergibt, was auch durch die Verbindung mit einem extern angebrachten Expansionsbehälter erfolgen kann. Der Freiraum (11) zur Kompensierung der Volumenausdehnung wird mit Luft oder Schutzgas gefüllt und gegebenenfalls durch eine flexible Membrane getrennt.

Über eine Differenzdruckmessung und -regelung (14) wird die Eisbeladung nach Betriebsbedarf so gestoppt, daß in den Speicherrohren im Kern genügend eisfreien Raum (26) offen bleibt, durch den je nach Bedarf der erforderlichen Kälteleistung das Eiswasser (26) auch bei der Kälteentladung zirkuliert werden kann. Das hierzu erforderliche homogene Wachsen des Eises (25) an den Rohrwänden (24) wird durch die Regelung der Zirkulationsgeschwindigkeit des Eiswassers in den Rohren (25) optimiert. Es gehört zum wesentlichen der Erfindung, daß eine Zirkulationspumpe (17) die für die Belade- und Entladeunterstützung jeweils optimale gleichmäßige Zirkulationsgeschwindigkeit des Eiswassers (26) in den Speicherrohren (24) sorgt und es ist für den erfinderischen Wert unwesentlich, wie die Pumpe innerhalb oder außerhalb des Speichers installiert ist (Beispiele : Figur 1 bis 3).

Es gehört allerdings zum Wesen der Erfindung, daß im Zirkulationskreislauf des Eiswassers (Beispiel : 19) ein Wärmetauscher (20) bei einer weiteren erforderlichen Leistungssteigerung bei der Kälteentladung integriert wird. Das Eiswasser kann je nach Bedarf somit von der Außenseite der Speicherrohre (24) durch warme Sole oder von innen über diesen Wärmetauscher (20) oder gleichzeitig von beiden Seite zur Kälteentladung erwärmt werden, wobei die sich nach Figur 2 bildenden Eisringe in den Speicherrohren von beiden Seiten umströmt werden und sich somit neben dem für die Kälteleistung wirksamen K-Wert auch die wirksame Austauschfläche erheblich vergrößert.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung :

Die Erfindung ermöglicht eine völlig homogene kontrollierte Eisbildung und ebenfalls eine völlig homogene kontrollierte Kälteentladung innerhalb von sehr kompakt gebündelten Eisspeicherrohren. Da die Konzeption keinen Sauarstoffzutritt für die Homogenisierung der Eisbeladung in das Eiswasser erfordert und auch nicht zuläßt, kann bspw Kohlenstoffstahl als Konstruktionsmaterial in Kontakt mit den Energieträgermedien eingesetzt werden.

Diese so konzipierten Rohrbündeleisspeicher können vertikal, horizontal und in jeder beliebigen Schräglage zur Aufstellung kommen, wobei sie betriebsfertig vormontiert werden können und erst auf der Baustelle vor dem Betrieb mit Eisasser gefüllt werden.

Dadurch, daß das Eiswasser in den Rohbündel zirkulierbar ist, ist die Austauschfläche bei der erzielten hohen Reaktivität nicht mehr so entscheidend und es können größere Querschnitts-Durchmesser der Eisspeicherrohre gewählt werden, womit die Herstellkosten entsprechend sinken. Dieses Prinzip ermöglicht einen voll kontrollierten Betrieb, wobei die Belade- und Entladeleistung beliebig variiert und den jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßt werden kann, weil der Entlade- und auch Beladevorgang über die Rohraußenseite oder Rohrinnenseite oder in Kombination erfolgen kann und das bei optimal großen Austauschflächen und optimal hohen K-Werten für die Kälte- / Wärmeübertragung.

Hochreaktiver Rohrbündeleisspeicher

Helmut Juran, Andreas Schlüter Str. 12, 53639 Königswinter 5.Febr 2001

Bezeichnung und Beschreibung der grafischen Figuren 1 bis

Figur 1 - Rohrbündeleisspeicher mit im Kessel integrierter Pumpe zur Zirkulation des Eiswassers zum Zwecke höhererReaktivität beim Eisbeladevorgang

Figur 2 - Rohrbündeleisspeicher mit externer Pumpe und Wärmetauscher zur Zirkulation des Eiswassers zum Zwecke höherer Reaktivität beim Eisbelade- und Entladevorgang, Eisspeicherrohre werden in einer Richtung durchströmt

Figur 3 - externe Pumpe und Wärmetausche zur Zirkulation des Eiswassers zum Zwecke höherer Reaktivität beim Eisbelade- und Entladevorgang, Eisspeicherrohre werden in zwei Richtungen durchströmt, obere Rohrbündelkammer dient als Umlenkkammer

Figur 4 - Querschnitt durch das Rohrbündel, die Rohre sind zu ca 90% mit Eis beladen Figur 5 - Eisbeladung eines Eisspeicherrohres im Zeitablauf über 3 Stufen dargestellt, die Beladekälteenergie wird über Sole an der Rohraußenwand zugeführt, wobei das Eiswasser in den Rohren zirkuliert und hierdurch die Eisbeladung beschleunigt

Figur 6 - Eisentladung eines Eisspeicherrohres im Zeitablauf über 3 Stufen dargestellt, die Entladewärmeenergie wird über Sole an der Rohraußenwand und über einen Wärmetauscher durch das zirkulierende Eiswasser zugeführt, wobei das Eiswasser den Eisring an der Innen- und Außenseite umströhmt, womit eine extrem hohe Kälteentladeleistung erzielt wird

Nummerierung der Bau- und Funktionsteile nach Figuren 1 bis

1 Rohrwand des Eisspeicherkessels

2 oberer Rohrboden des Eisspeicherkessels

3 unrerer Rohrboden des Eisspeicherkessels

4 Anschlußflansch an den Kessel für den Soleein- oder Austritt

5 Anschlußflansch an den Kessel für den Soleein- oder Austritt

6 Kompensator am Kessel je nach Kesselbauweise

7 in den oberen und unteren Rohrboden eingewalzte oder eingeschweißte Eisspeicherrohre

8 obere rohrseitige Kammer des Eisspeicherkessels g untere rohrseitige Kammer des Eisspeicherkessels

10 Eiswasser in den rohrseitigen Kammern und in den Eisspeicherrohren

11 Luft- oder Gasauflage zur Volumenlompensation bei der Eisbildung

12 Füllniveau des Eiswassers

13 Anschluß für Luft- oder Gasauflage zur Korrosionsvermeidung auf der Eiswasser- bzw Rohrseite

14 Barometer zur Differenzdruckmessung bei der Eisbeladung, Maß für Beladezustand

15 ein oder mehrere mit der internen Eiswasserzirkulationspumpe verbundene Eisspeicherrohre

16 Ansaugstutzen der Eiswasserzirkulationspumpe

17 Eiswasserzirkulationspumpe

18 Antriebsmotor der Eiswasserzirkulationspumpe

19 externe Bypassleitung zur Zirkulation des Eiswassers

20 Wärmetauscher zur Wärmezufuhr in den Eiswasserkreislauf beim Kälteentladevorgang

21 Trennblech in der unteren rohrseitigen Kammer für eine Trennung von Vor- und Rücklauf bei der Eiswasserzirkulation mit 2 Wegen durch das Rohrbündel

22 Voraufeintrittsleitung bei der Eiswasserzirkulation mit 2 Wegen durch das Rohrbündel

23 Rückaufaustrittsleitung bei der Eiswasserzirkulation mit 2 Wegen durch das Rohrbündel

24 Wand der Eisspeicherrohre

25 Gespeichertes Eis in den Eisspeicherrohren

26 Eiswasser in den Eisspeicherrohren

Claims

1. Hochreaktiver Rohrbündeleisspeicher, gekennzeichnet dadurch, daß das Eis innerhalb beidseitig offenen Rohren (7) gespeichert wird, die als Rohrbündel in beliebiger Form und Größe so zusammengefaßt und in einen Behälter (1, 8, 9) integriert sind, daß die Rohraußenseiten von Kälte-/ Wärmeträgermedien wie Solen oder Wasser/Glykol-Gemischen und die Rohrinnenseiten mit Eiswasser dicht voneinender getrennt beaufschagt werden, diese Medien beliebig nach Bedarf zirkuliert werden können, in der Form, daß sie einzeln oder in Kombination den Eisspeicherrohren (1) Wärme- oder Kälteenergie zuführen, wobei die Speicherrohre bevorzugt an ihren Enden dicht in Rohrböden (2, 3) zusammengefaßt befestigt sind, die wiederum so mit dem Behälter (1, 8, 9) verbunden sind, daß Rohrinnen- und Außenseite dicht voneinander getrennt sind, gekennzeichnet dadurch, daß das atmosphärisch nach außen dicht verschlossenen Eiswasser ein Gas- oder Luftkompensationsvolumen (11) entsprechend dem Eisaudehnungsvolumen im Speicherinnenraum oder in Verbindung mit einem extern angebrachten Ausdehngefäß enthält und daß das Eiswasser vorzugsweise bei der Eisbeladung und Kältenetladung von einer Rohrsammelkammer (8) in die andere (9) durch eine im oder außerhalb des Behälters angebrachte Pumpe (17) in 1 oder mehreren Wegen durch das Rohrbündel innerhalb der Eispeicherrohre zirkuliert wird.

2. Hochreaktiver Rohrbündeleisspeicher nach Schutzanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Eisbeladezustand über den Differendruck im Eiswasserkreislauf ermittelt und geregelt wird, in der Form daß ein Differenzdruckmeßgerät (14) an einer Rohrkammer (8, 9) angebracht wird und die Beladung oder Entladung damit nach vorgegebenen Grenzwerten in Betrieb oder außer Betrieb genommen wird, wenn diese Grenzwerte von diesem Meßgerät erfaßt werden.

3. Hochreaktiver Rohrbündeleisspeicher nach Schutzanspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Eisbeladung durch die exakte Messung des Beladungszustandes (14) bevorzugt den Eisspeicherring (25) in den Eisspeicherrohren (24) nicht vollständig schließen läßt, gekennzeichnet dadurch, daß durch die verbliebene Öffnung (26) im Eisblock(25) bei der Kälteentladung über einen Wärmetauscher (20) erwärmtes Eiswasser mittels der Pumpe (17) zirkuliert wird.

4. Hochreaktiver Rohrbündeleisspeicher nach den vorangegangenen Schutzansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß bei sehr hoher geforderter Kälteentladeleistung gleichzeitig Wärme vom Solekreislauf auf die Außenseite der Eisspeicherrohre und durch die Zirkulierung des erwärmten Eiswassers an die Rohrinnenseiten übertragen wird, gekennzeichnet dadurch, daß sich hierdurch in den Eispeicherrohren ein Eisring bildet, der von außen und innen vom warmen Eiswasser umströmt wird.