DE3033014A1

DE3033014A1 - Waermespeicher

Info

Publication number: DE3033014A1
Application number: DE19803033014
Authority: DE
Inventors: Paul Lieli Maurer
Original assignee: PALOMAR ELEKTRONIK AG
Current assignee: PALOMAR ELEKTRONIK AG
Priority date: 1979-11-20
Filing date: 1980-09-02
Publication date: 1981-06-25
Also published as: DE3033014C2; CH641542A5

Description

DR. BERÖ DiPLv-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE : DR. DR.SANDMAIR 3033014

PATENTANWÄLTE Postfach 860245 · 8000 München 86

• fc.

? Sep. 1980

Anwaltsakte: 31 141 ^Ct

_PAL0MAR ELEKTRONIK AG

Im Ristet

8903 Birmensdorf/SCHWEIZ

Wärmespeicher

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.'(089)988272 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850

988273 BERGSTAPFPATENT München {BLZ 70020011) Swifl Code: HYPO DE MM

'8 82 74 TELEX: Bayet Vereinsbank MOnchen 453100 (BLZ 700202 70)

'83310 052456OBERGd Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

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Anwaltsakte: 31 141

Wärmespeicher

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, insbesondere zur Verwendung mit einer Wärmepumpe, wobei mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, der vom Speichermedium umgeben ist, und das Speichermedium mindestens zum Teil derart beschaffen ist, dass es während mindestens eines Teils der _t Betriebszeit vom flüssigen in den festen Zustand übergeht.

Es ist bekannt, dass sich die nutzbare Wärmekapazität eines Wärmespeichers·, in dem Wasser als Speichermedium verwendet wird, sich erheblich steigern lässt, wenn man auch die latente Wärme nutzt, die beim Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Zustand frei wird bzw. beim Phasenwechsel vom festen zum flüssigen Zustand gespeichert wird. Bei solchen Anlagen ergeben sich jedoch Schwierigkeiten dadurch, dass an den Wärmeübertragungsflächen des dem Speicher Wärme entziehenden Wärmeübertragers eine Eisbildung erfolgt, durch welche der Wärmeübergang stark beeinträchtigt wird..Um diesen Nachteil zu vermeiden ist es bekannt, die Eisbildung an einer

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Vielzahl von Wärmeübertragereinheiten durchzuführen, von denen jede eine Wärmeübergangslamelle aufweist, die metallisch wärmeleitend mit zwei Leitungen verbunden ist. Dabei dient die eine Leitung als Verdampferrohr einer. Wärmepumpe. In diesem Verdampferrohr fliesst ein wärmeentziehendes Kältemittel, welches zu Eisbildung an der Wärmeübergangslamelle führen kann. Die zweite Leitung dient einem wärmezuführenden Wärmetransportmedium, durch das nach der Eisbildung ein Abtauen des Eises bewirkt werden kann. Der Betrieb eines solchen Wärmespeichers erfolgt intermittierend, wobei'die Wärmezufuhr vor jeder Eisbildungsperiode so lange fortgesetzt wird, bis das Eis von den Wärmeübertragereinheiten abgetaut und sich durch seinen Auftrieb in dem spezifisch schwereren Wasser aus dem Volumenbereich der Wärmeübertragereinheiten entfernt hat (EPA-OS 0 004 552).

Der beschriebene Wärmespeicher hat den Nachteil, dass sofort nach der Eisbildung die Wärmeübertragung verschlechtert wird und soir.it trotzdem relativ grosse Verdampferrohr längen notwendig sind. Die Leistung wird ferner noch dadurch verschlechtert, dass immer wieder Heizzyklen notwendig sind, um das Eis abzuschmelzen. Dabei ist auch nachteilig, dass zum Abschmelzen dem Wärmespeicher wieder Wärme zugeführt werden muss. Ferner erfordert der intermittierende Betrieb einen zusätzlichen Aufwand an Steuerungsmitteln. Sollte die Steuerung einmal ausfallen, so besteht die Gefahr einer ausgedehnten Eisbildung. Durch die dadurch bewirkte Volumenänderung könnte dann ein derartiger Druck auf die Speicherwände erfolgen, dass der Speicher zerstört wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmespeicher der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der so betrieben werden kann, dass keine Vereisung.des Wärmeübertragers erfolgt und somit keine Zufuhr von Wärme zum Enteisen benötigt, aber trotzdem erlaubt, die erhöhte Speicherkapazität auszunutzen, die sich durch den Phaseaw;echsel ergeben.

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Gemäss der vorliegenden Erfindung wird dies bei einem Wärmespeicher der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, dass eine Vielzahl von Behältern vorgesehen ist, welche einen Teil des Speichermediums enthalten, währenddem das übrige Speichermedium die Behälter mindestens teilweise umgibt und einen Gefrierpunkt aufweist, welcher tiefer liegt als jener des in den Behältern enthaltenen Speichermediums. Dadurch wird erreicht, dass sich am Wärmeübertrager kein Eis bildet, wenn die Temperatur des .Speichermediums, welches den Wärmeübertrager umgibt, unter 0 C sinkt. .Wenn aber durch den Wärmeentzug die Temperatur des genannten Speichermediums unter 0 C gesenkt wird, beginnt das Wasser in den einzelnen Behältern zu frieren. Solange nicht alles Wasser in den Behältern gefroren ist, kann die Temperatur im Speichermedium ausserhalb dieser Behälter nicht wesentlich unter 0 C sinken und somit besteht solange auch keine Gefahr, dass eine Vereisung des Wärmeübertragers erfolgt. Der erfindungsgemässe Wärmespeicher hat daher eine nutzbare Wärmekapazität, die mindestens so gross oder grosser ist wie bei bekannten Wärmespeichern, die vom Phasenwechsel Wasser / Eis Gebrauch machen. Er benötigt jedoch keine grossen Wärmeaustauschflächen beim Wärmeübertrager und keinerlei Steuerungseinrichtungen zum periodischen Abschmelzen von Eis an den Wärmeaustauschflächen. Es ist also keine aufwendige Verrohrung mit grossen und speziell gestalteten Wärmeübergangslamellen wie beim Gegenstand der angeführten Offenlegungsschrift notwendig. Vorteilhaft ist auch, .dass im Bereich des Phasenwechsels Wasser / Eis ein rascher Zugriff zur gesamten Wärmekapazität des Speichers gewährleistet ist, weil die Behälter allseitig umspült'werden, und somit eine grosse Gesamtfläche zur Wärmeübertragung bei der Eisbildung besteht. Dabei weist \ die maximale Eisdicke nicht mehr als etwa 10 - 20 cm auf. Vorteilhaft ist auch, dass die relativ kleinen Behälter problemlos in beliebig geformte Speichertanks eingebracht werden können. Auf diese Weise können auch bestehende Speicher leicht umgerüstet werden, um von der Erfindung Gebrauch zu machen.

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Das Speichermedium in den Behältern kann Wasser sein, und das übrige Speichermedium kann aus mit Frostschutzmittel versetztem Wasser bestehen. Mit' Frostschutzmitteln, wie sie beispielsweise auch für Automobilmotoren verwendet werden, lässt sich der Gefrierpunkt des Speichermediums stark senken.

Das in den Behältern enthaltene Speichermedium kann auch aus einem Material, z.B. Wachs oder Paraffin, bestehen, das einen höheren Schmelzpunkt als Eis aufweist. So erhält man bei der Verwendung von Wachs einen Latentspeicher mit hoher Speicherkapazität bei etwa 50 - 60° C. Ein solcher Wärmespeicher kann z.B. als Tagesspeicher für eine Heizung dienen, die mit Nachtstrom betrieben wird.

Die Behälter sind vorteilhaft kugelförmig. Kugelförmige Behälter können ausserhalb des Wärmespeichers mit Wasser gefüllt und ohne grosse Schwierigkeiten in den Speicher eingefüllt werden. Bei der Verwendung von kugelförmigen Behältern befindet sich das Speichermedium zu rund 80 % in den Kugeln, so dass nur etwa 20 % Speichermedium mit einem tieferen Gefrierpunkt als Wasser notwendig is.t. Daraus ergibt sich auch, dass ohne Schwierigkeiten bis zu 80 % des Speicherinhalts vereist werden können. .

Es ist möglich, die kugelförmigen Behälter aus zwei miteinander verschweissten halbkugelförmigen Schalen herzustellen. Das Verschweissen der Schalen kann am Standort des Wärmespeichers erfolgen. Da die halbkugelförmigen Schalen leicht gestapelt werden können, erweist sich deren Transport zum Verwendungsort problemlos. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass ausser halbkugelförmigen Schalen auch andere Schalenformen verwendet werden können, wobei jedoch auf deren Stapelbarkeit geachtet werden sollte.

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Es ist aber auch möglich, die Behälter beispielsweise rohrförmig zu gestalten. In diesem Falle können jedoch die Behälter nicht •einfach in den Speicher geworfen werden, wenn man ein möglichst hohes Verhältnis zwischen dem Behälterinhalt und dem umgebenden Speichermedium erzielen will.

Wenn Behälter in der Form von gewellten Rohren verwendet v/erden, wird für bessere Zirkulation des Speichermediums um die Behälter gesorgt.

Die Behälter bestehen vorteilhaft aus einem elastisch dehnbaren Kunststoff. In diesem Falle können die Behälter ganz gefüllt werden, ohne dass Gefahr besteht, dass sie bei der Eisbildung zerspringen.

Die Behälter können auch aus einer dehnbaren Blase, z.B. aus Naturgummi oder synthetischem Gummi, bestehen. Auch solche Behälter können an Ort und Stelle gefüllt und in den teilweise bereits mit·Speichermedium gefüllten Tank eingebracht werden.

Die Behälter weisen vorteilhaft etwa 10 bis 20 1 Inhalt auf. Dies gibt ein für den Wärmeübergang günstiges Verhältnis zwischen Oberfläche und Inhalt und relativ geringer Eisdicken. Behälter solcher Grosse können auch leicht abgefüllt und in den Tank eingefüllt werden.

Um zu verhindern/ dass die Behälter durch die Eisbildung Auftrieb erhalten, können sie teilweise mit einem Material von hohem spezifischem Gewicht gefüllt werden. Als'solches Material eignet sich vorteilhaft Sand von hohem spezifischem Gewicht.

Das Wasser in den Behältern kann Tracer aufweisen. Durch Ueberwachung des Gehalts von Tracer im übrigen Speichermedium kann dann festgestellt werden, ob und wieviele Behälter im Betrieb leck geworden sind.

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Vorteilhaft wird mindestens ein Vibrator vorgesehen, welcher mindestens dann, wenn sich das Speichermedium in den Behältern in der Nähe des Gefrierpunktes befindet, das Speichermediüm in Vibration versetzt. Auf diese Weise kann eine Unterkühlung des Speichermediums verhindert werden. Die Vibration bewirkt, dass die Eisbildung einsetzt, sobald der Gefrierpunkt erreicht ist.

Der Vibrator ist zweckmässigerweise ein Ultraschallgenerator. Ein Ultraschallgenerator erzeugt Vibrationen die nicht hörbar sind. Als zweckmässig erweist sich auch ein Infraschallgenerator, der ebenfalls Vibrationen erzeugt, die nicht hörbar sind. Infraschall hat den Vorteil, dass es sich im Speichermedium gut ausbreitet, auch wenn Hindernisse vorhanden sind, wie sie durch die einzelnen Behälter gebildet werden. Es ist aber auch möglich, einen Schallgenerator zu verwenden, wenn keine Gefahr besteht, dass Schallwellen zum Wärmespeicher austreten und eine Lärmimmission darstellen. Durch geeignete Wahl der Schallfrequenz kann dies meist vermieden werden, da die Tankwände, besonders wenn sie aus Beton bestehen, eine niedrige Eigenfrequenz besitzen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend näher beschrieben. Zum besseren Verständis der Ausführungen kann auf die Zeichnung Bezug genommen werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wärmespeichers, der an eine Wärmepumpe angeschlossen ist,

Fig. 2 einen kugelförmigen Behälter zur Aufnahme von Speichermedium und

Fig. 3 einen wellrohrförmigen Behälter zur Aufnahme von Speichermedium.

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Der in Figur 1 dargestellte Wärmetauscher 10 ist an eine Wärmepumpe 11 angeschlossen, die beispielsweise zur Wärmeversorgung eines Hauses dient. Mit der Bezugsziffer 13 ist ein Wärmeübertrager versehen, der normalerweise als Verdampfer der Wärmepumpe 11 wirkt. Bei der Verdampfung wird dem Wärmespeicher Energie entzogen. Mit der Bezugsziffer 15 ist der Kondensator der Wärmepumpe 11 dargestellt. Dieser ist in einem Zwischenspeicher 17 angeordnet und dient dazu, beispielsweise das Wasser einer Zentralheizungsanlage z.u erwärmen. Es ist bekannt, dass'durch geeignete Umschaltung die Wärmepumpe 11 auch zur Kühlung verwendet werden kann, wobei dann, z.B. im Sommer, dem Speicher 10 Wärmeenergie zugeführt wird.

Der Tank 19 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Vielzahl von kugelförmigen Behältern 21 gefüllt, die als Speicher medium Wasser enthalten. Sie sind von weiterem Speichermedium umgeben, das aus mit Frostschutzmittel versetztem Wasser besteht. Wie bereits erwähnt, wird durch das Frostschutzmittel vermieden, dass sich am Wärmeübertrager 13 Eis bilden kann. Es kann sich jedoch' Eis in den Behältern 21 bilden.

In Figur 2 ist ein solcher Behälter 21 dargestellt, der z.B. einen Inhalt von etwa 10 - 20 1 aufweist. Er besteht aus zwei halbkugelförmigen Schalen 23, die je einen Flansch 25 aufweisen. Die beiden Flansche 25 sind luftdicht miteinander verschweisst. Ein Stutzen 27 ist vorgesehen, um Wasser einzufüllen, wobei dann nach dem Füllen der Stutzen beispielsweise durch Verschweissen verschlossen wird. Die halbkugelförmigen. Schalen 23 sind stapelbar. Dies ermöglicht es, die Behälter an Ort und Stelle zusammenzusetzen und mit Wasser zu füllen. Die einzelnen Schalen 23· bedürfen dank ihrer Stapelbarkeit sehr wenig Platz beim Transport.

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Als Material für die Behälter ist vorteilhaft ein elastisch dehnbarer Kunststoff, z.B. Polypropylen oder Neopren. Es wäre aber auch möglich/ solche Behälter beispielsweise aus Stahl herzustellen. Zu berücksichtigen ist jedoch dann die Volumenausdehnung bei der Eisbildung. Wenn der Behälter praktisch nicht dehnbar ist, so kann er nicht ganz mit Wasser gefüllt werden. Um zu verhindern, dass ein solcher Behälter in dem ihn umgebenden Speichermedium Auftrieb erhält, kann er teilweise mit Material von hohem spezifischem Gewicht, z.B. Sand, Kies oder Eisenspäne, gefüllt v/erden.

Die Behälter können auch durch eine Blase aus Naturgummi oder synthetischem Gummi gebildet werden. Auch solche Blasen können an Ort und Stelle gefüllt und in den Speicher verbracht werden.

Sie sind keiner grossen Beanspruchung unterworfen, da sie im übrigen Speichermedium schweben. Um einen Auftrieb bei der Eisbildung zu vermeiden, können sie ebenfalls teilweise mit Material von hohem spezifischem Gewicht gefüllt sein.

In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Behälters 21 dargestellt. Dieser Behälter ist rohrförmig. Wenn er die Form eines gewellten Rohrs besitzt, wird die Wasserzirkulation zwischen solchen Behältern erleichtert. Die in Figur 3 gezeigten Behälter werden vorteilhaft in senkrechter Lage in den Tank 19 eingelegt, wobei sie oben offen bleiben können. Wenn der Tank 19 gefüllt wird, kann Wasser von oben in die Behälter 21 einfHessen und diese ebenfalls füllen. Nach der Füllung aller Behälter 21 kann dann der Wasserspiegel im Tank 19 gesenkt werden, wobei einzurechnen ist, dass beim Gefrieren des Wassers im Behälter 21 noch Wasser aus diesem ausfHessen wird. Bevor jedoch der Speicher in Funktion genommen wird, wird dem die rohrförmigen Behälter 21 enthaltenden Tank Frostschutzmittel beigesetzt. Das das Frostschutzmittel enthaltende Speichermedium umgibt dann die rohrförmigen Behälter 21, kann aber nicht in diese eindringen, weil vorher das Niveau im Tank genügend abgesenkt wurde.

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Am Tank 19 ist noch ein Vibrator 20 vorgesehen, mit welchem das Speichermedium in Vibration versetzt werden kann. Bei diesem Vibrator kann es sich um einen Ultra- oder Infraschallgenerator handeln. Es ist aber auch möglich, einen Schallgenerator zu verwenden. Der Vibrator wird vorteilhaft in der Mitte des Tanks 19 angeordnet, wobei ein Vibratorglied vorgesehen ist, welches in das Tankinnere reicht und in das Speichermedium, das sich ausserhalb der Behälter 21 befindet, taucht. Dadurch wird aber auch das Speichermedium innerhalb der Behälter in Vibration versetzt, um eine Unterkühlung zu verhindern. Ausser Vibratoren sind aber auch noch andere Mittel denkbar, die normalerweise verwendet werden., um eine Unterkühlung zu verhindern und dafür zu sorgen, dass die Eisbildung mit Sicherheit beim Gefrierpunkt einsetzt.

Es sind noch verschiedene Ausgestaltungen möglich, ohne dass vom Erfindungsgedanken abgewichen wird. So können die Behälter oder Blasen 21 z.B. mit einem Material gefüllt sein, das einen höheren Schmelzpunkt als Eis aufweist. In Frage kommen u.a. Wachs, Paraffin oder andere Substanzen mit relativ hoher Latenzwärme. Auf diese Weise kann z.B. ein Wärmespeicher gebaut werden, der mit billigem Nachtstrom aufgeheizt werden kann und tagsüber viel Wärme im Bereich von etwa 50 bis 60° G abgeben kann.

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Claims

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PATENTANWÄLTE

Patentansprüche · MÖNCHEN eo · MAUtRKlflCHeRSTR.46

Wärmespeicher, insbesondere zur Verv/enc^ng mit einer Wärmepumpe, wobei mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, der vom Speichermedium umgeben ist, und das Speichermediun; mindestens zum Teil derart beschaffen ist, dass es während mindestens eines Teils der Betriebszeit vom flüssigen in den festen Zustand übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Behältern (21) vorgesehen ist, welche einen Teil des Speichermediums enthalten, währenddem das übrige Speichermedium die Behälter (21) mindestens teilweise umgibt und einen Gefrierpunkt aufweist, welcher tiefer liegt als jener des in den Behältern (21) enthaltenenfpeichermediums.
2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Behältern enthaltene Speichermedium Wasser ist· und das genannte übrige Speichermedium aus mit Frostschutzmittel versetztem Wasser besteht.
3. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Behältern enthaltene Speichermedium aus einem Material.besteht, das einen höheren Schmelzpunkt als Eis

• aufweist.
4. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte-Material Wachs oder Paraffin ist. '
5. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (21) kugelförmig sind.

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6. Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kugelförmigen Behälter (21) aus zwei miteinander verschweissten halbkugelförmigen Schalen (23) bestehen.
7. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, .dadurch gekennzeichnet/ äjß.ss die Behälter (21) rohrförmig sind.
8. Wärmespeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Form eines gewellten Rohrs haben.
9. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8,«dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (21) aus elastisch dehnbarem Kunststoff bestehen.
10. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter aus einer dehnbaren Blase bestehen.
11. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die· Behälter je 10 bis 20 1 Inhalt aufweisen.
12. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (21) teilweise mit einem Material von hohem spezifischem Gewicht gefüllt sind.
13. Wärmespeicher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (21) teilweise mit Sand gefüllt sind.
14. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in den Behältern (21) einen Tracer aufweist.

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15. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Vibrator vorgesehen ist, welcher mindestens dann, wenn sich das Speichermedium in den Behältern in der Nähe des Gefrierpunktes
befindet, das Speichermedium in Vibration versetzt.
16. Wärmespeicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrator ein Ultraschallgenerator ist.
17. Wärmespeicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrator ein Infraschallgenerator ist'.
18. Wärmespeicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass- der Vibrator ein Schallgenerator ist.

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