DE20103843U1 - Highly reactive tube bundle ice storage - Google Patents
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Description
Helmut Juran, Andreas Schlüter Str. 12, 53639 Königswinter 5. Febr 2001Helmut Juran, Andreas Schlüter Str. 12, 53639 Königswinter 5. Feb 2001
Titel : Title :
Hochreaktiver RohrbündeleisspeicherHighly reactive tube bundle ice storage
Technisches Gebiet: Technical area :
Gewerbliche und industrielle Kälte- und Kühltechnik von Anlagen und VerfahrenCommercial and industrial refrigeration and cooling technology of systems and processes
Stand der Technik: State of the art :
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.Ice storage systems are mainly used for air conditioning buildings and cooling foodstuffs when the refrigeration machines are electrically operated and a different electricity tariff during the day (usually day and night tariff) makes intermediate storage of cold in the form of ice economical. This is usually not the case in the manufacturing industry, especially in the chemical and process engineering sectors. Ice storage systems only have a chance of being used here if they provide the required operational safety and performance reliability and have such a high cold discharge reactivity (cooling capacity) that when dismantled for the high temporary peak loads, the chiller becomes more expensive due to the high installation output than a combination of ice storage and a smaller chiller.
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.According to the current state of the art, ice storage tanks are essentially built according to the principle that ice is produced in atmospheric basins by running pipes through the basin and brine at a temperature below 0°C circulates in the pipes, causing ice to grow on the outside of the pipes. This process is activated by enriching the water basin with air or oxygen, which is primarily intended to achieve a certain homogeneity in the growth of the ice. When the ice storage tank is unloaded, the ice water is circulated around the grown ice in another circuit and heated. In order to increase reactivity, the circulating brine in the pipe circuits is also heated in exceptional cases.
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.A newer process stores the ice in individual horizontally arranged pipes that are welded at the ends and are bundled together and around which brine flows from the outside. This creates an exchange surface that is 3 to 5 times larger, which gives the process a higher reactivity during the loading and unloading process. The process is completely rust-free even when normal steel is used, ensures very homogeneous ice formation in the pipes even without air or oxygen enrichment, only requires one brine circuit for loading and unloading, and can switch from loading to unloading at any time as required.
Der Erfindung zugrundeliegendes Problem : Problem underlying the invention :
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.All processes that involve ice formation outside the cooling or heat exchanger tubes have major problems with homogeneous ice formation and therefore do not result in a uniform and reliable unloading process. They usually have to be completely unloaded before they can be loaded again. Irregular block formation is almost impossible to avoid. The high susceptibility to corrosion requires rust-free materials. The reactivity is extremely low due to the relatively small exchange surfaces and because the ice blocks act as an insulator during loading and unloading.
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.Ice storage in individual closed horizontal pipes eliminates almost all the disadvantages of the systems described with ice formation outside the exchanger pipes. However, the construction is very complex. Each pipe must be welded individually and on both sides, provided with filling nozzles and filled with water and then inserted into the containers with baffles. This must be done on site and requires removable assembly covers on the storage containers and also a high level of assembly and commissioning effort. Given this cost intensity, the higher reactivity is not enough to gain market advantages over cooling systems without ice storage, even in applications for peak load reduction.
Helmut Juran, Andreas Schlüter Str. 12, 53639 Königswinter 5. Febr 2001Helmut Juran, Andreas Schlüter Str. 12, 53639 Königswinter 5. Feb 2001
Erfindung : Invention :
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).The inventive aim was to retain the advantages of ice storage in closed horizontal pipes and to eliminate the disadvantages of high cost intensity and limited reactivity by using a different principle. The inventive solution uses the basic principle of ice storage within pipes, however the storage pipes (7) are not welded shut individually and filled with ice water, but are welded into tube sheets (2,3) in the classic way, so that a tube bundle is created which is then enclosed in a boiler of any design (length, height, cross-sectional shape, welded or removable chambers, expansion compensation by compensator (6) or sliding internal tube sheet, number of paths or guide plates for guiding the circulating media) (1,8,9) according to Figures 1,2 and 3.
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.The cooling or heat transfer medium, preferably brine, enters and exits the vessel via flange connections (4,5) and flows around the outside of the tube bundle. The inside is only filled with ice water (10) to the extent that the volume (11) remains free, which results from the difference in the specific volume of ice and water, which can also be achieved by connecting to an externally mounted expansion tank. The free space (11) to compensate for the volume expansion is filled with air or protective gas and, if necessary, separated by a flexible membrane.
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).By means of a differential pressure measurement and control (14), the ice loading is stopped as required in such a way that sufficient ice-free space (26) remains open in the core of the storage tubes through which the ice water (26) can also be circulated during cold discharge, depending on the required cooling capacity. The homogeneous growth of the ice (25) on the tube walls (24) required for this is optimized by controlling the circulation speed of the ice water in the tubes (25). One of the essential features of the invention is that a circulation pump (17) ensures the optimal, uniform circulation speed of the ice water (26) in the storage tubes (24) for supporting loading and unloading, and it is not important for the inventive value whether the pump is installed inside or outside the storage tank (examples: Figures 1 to 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.However, it is part of the essence of the invention that a heat exchanger (20) is integrated in the circulation circuit of the ice water (example: 19) if a further increase in performance is required for cold discharge. The ice water can thus be heated as required from the outside of the storage tubes (24) by warm brine or from the inside via this heat exchanger (20) or simultaneously from both sides for cold discharge, whereby the ice rings formed in the storage tubes according to Figure 2 are flowed around from both sides and thus not only the K value effective for the cooling capacity but also the effective exchange surface is considerably increased.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung : Advantageous effects of the invention :
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.The invention enables a completely homogeneous, controlled ice formation and also a completely homogeneous, controlled cold discharge within very compactly bundled ice storage pipes. Since the design does not require or allow the ingress of oxygen into the ice water for the homogenization of the ice load, carbon steel, for example, can be used as a construction material in contact with the energy carrier media.
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.These tube bundle ice storage systems designed in this way can be installed vertically, horizontally and at any incline. They can be pre-assembled ready for use and only filled with ice water on site before operation.
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.Because the ice water can be circulated in the pipe bundles, the exchange surface is no longer so important given the high reactivity achieved and larger cross-sectional diameters of the ice storage pipes can be selected, which reduces manufacturing costs accordingly. This principle enables fully controlled operation, whereby the loading and unloading performance can be varied as desired and adapted to the respective operating conditions, because the unloading and loading process can take place via the outside or inside of the pipe or in combination, and all this with optimally large exchange surfaces and optimally high K values for cold/heat transfer.
Hochreaktiver RohrbündeleisspeicherHighly reactive tube bundle ice storage
Helmut Juran, Andreas Schlüter Str. 12, 53639 Königswinter 5.Febr 2001Helmut Juran, Andreas Schlüter Str. 12, 53639 Königswinter 5.Febr 2001
Figur 1 - Rohrbündeleisspeicher mit im Kessel integrierter Pumpe zur Zirkulation des Eiswassers zum Zwecke höhererReaktivität beim Eisbeladevorgang Figure 1 - Tube bundle ice storage with pump integrated in the boiler for circulation of the ice water for the purpose of higher reactivity during the ice loading process
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 Figure 2 - Tube bundle ice storage with external pump and heat exchanger for circulation of ice water for the purpose of higher reactivity during ice loading and unloading, ice storage tubes are flowed through in one direction
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 Figure 3 - external pump and heat exchanger for circulation of ice water for the purpose of higher reactivity during ice loading and unloading, ice storage pipes are flowed through in two directions, upper tube bundle chamber serves as a deflection chamber
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 Figure 4 - Cross section through the tube bundle, the tubes are approximately 90% loaded with ice Figure 5 - Ice loading of an ice storage tube over time shown in 3 stages, the loading cooling energy is supplied via brine on the outside wall of the tube, whereby the ice water circulates in the tubes and thereby accelerates the ice loading
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 Figure 6 - Ice discharge from an ice storage pipe shown over time in 3 stages, the discharge heat energy is supplied via brine on the outside wall of the pipe and via a heat exchanger through the circulating ice water, whereby the ice water flows around the ice ring on the inside and outside, thus achieving an extremely high cold discharge performance
1 Rohrwand des Eisspeicherkessels1 Tube wall of the ice storage tank
2 oberer Rohrboden des Eisspeicherkessels2 upper tube sheet of the ice storage boiler
3 unrerer Rohrboden des Eisspeicherkessels3 lower tube bottom of the ice storage boiler
4 Anschlußflansch an den Kessel für den Soleein- oder Austritt4 Connection flange to the boiler for brine inlet or outlet
5 Anschlußflansch an den Kessel für den Soleein- oder Austritt5 Connection flange to the boiler for the brine inlet or outlet
6 Kompensator am Kessel je nach Kesselbauweise6 Compensator on the boiler depending on the boiler design
7 in den oberen und unteren Rohrboden eingewalzte oder eingeschweißte Eisspeicherrohre7 ice storage tubes rolled or welded into the upper and lower tube sheets
8 obere rohrseitige Kammer des Eisspeicherkessels g untere rohrseitige Kammer des Eisspeicherkessels8 upper tube-side chamber of the ice storage boiler g lower tube-side chamber of the ice storage boiler
10 Eiswasser in den rohrseitigen Kammern und in den Eisspeicherrohren10 Ice water in the tube-side chambers and in the ice storage tubes
11 Luft- oder Gasauflage zur Volumenlompensation bei der Eisbildung11 Air or gas layer for volume compensation during ice formation
12 Füllniveau des Eiswassers12 Filling level of ice water
13 Anschluß für Luft- oder Gasauflage zur Korrosionsvermeidung auf der Eiswasser- bzw Rohrseite13 Connection for air or gas support to prevent corrosion on the ice water or pipe side
14 Barometer zur Differenzdruckmessung bei der Eisbeladung, Maß für Beladezustand14 Barometer for differential pressure measurement during ice loading, measure of loading condition
15 ein oder mehrere mit der internen Eiswasserzirkulationspumpe verbundene Eisspeicherrohre15 one or more ice storage pipes connected to the internal ice water circulation pump
16 Ansaugstutzen der Eiswasserzirkulationspumpe16 Ice water circulation pump intake port
17 Eiswasserzirkulationspumpe17 Ice water circulation pump
18 Antriebsmotor der Eiswasserzirkulationspumpe18 Drive motor of the ice water circulation pump
19 externe Bypassleitung zur Zirkulation des Eiswassers19 external bypass line for circulation of ice water
20 Wärmetauscher zur Wärmezufuhr in den Eiswasserkreislauf beim Kälteentladevorgang20 heat exchangers for supplying heat to the ice water circuit during the cold discharge process
21 Trennblech in der unteren rohrseitigen Kammer für eine Trennung von Vor- und Rücklauf bei der Eiswasserzirkulation mit 2 Wegen durch das Rohrbündel21 Divider plate in the lower tube-side chamber for separating the flow and return flow in the ice water circulation with 2 paths through the tube bundle
22 Voraufeintrittsleitung bei der Eiswasserzirkulation mit 2 Wegen durch das Rohrbündel22 Pre-inlet line for ice water circulation with 2 paths through the tube bundle
23 Rückaufaustrittsleitung bei der Eiswasserzirkulation mit 2 Wegen durch das Rohrbündel23 Return outlet line for ice water circulation with 2 paths through the tube bundle
24 Wand der Eisspeicherrohre24 Wall of ice storage pipes
25 Gespeichertes Eis in den Eisspeicherrohren25 Ice stored in the ice storage pipes
26 Eiswasser in den Eisspeicherrohren26 Ice water in the ice storage pipes
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