DE2607168A1

DE2607168A1 - Verfahren und vorrichtung zum austauschen von waerme

Info

Publication number: DE2607168A1
Application number: DE19762607168
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Phys Lindner; Frank Ing Grad Mehlhorn
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1976-02-21
Filing date: 1976-02-21
Publication date: 1977-09-01
Also published as: DE2607168B2; US4086958A; JPS556836B2; DE2607168C3; JPS52121850A; FR2341831A1; FR2341831B1

Description

DIHL.fHV». DU. DIPL.-fHVS. HÖQER - STELLRECHT - GRIF.SSBACK - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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10. Februar 1976

Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.

5300 Bonn

Verfahren und Vorrichtung zum ■ Austauschen von Wärme

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austauschen von Wärme zwischen zwei auf verschiedenen Temperaturen befindlichen Medien sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere zum Austausch latenter Wärme beim Phasenübergang eines Stoffes.

Zum Wärmeaustausch zwischen zwei auf verschiedenen Temperaturen befindlichen Medien, die unabhängig voneinander sowohl flüssig als auch gasförmig sein können, werden sogenannte Wärmetauscher eingesetzt. Sie bestehen wegen der erwünschten guten Wärmeleitfähigkeit meist aus Metall und sind in der Regel so gestaltet,

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daß beide Medien in engen Kontakt mit metallischen Wärmeaustauscherflachen treten, durch die hindurch sich die Energieaus- und-einkopplung vollzieht, die jedoch einen direkten Kontakt der beiden Medien miteinander verhindern. Heizungsradiatoren, Kraftfahrzeugkühler, Gas-Durchlauferhitzer o.dgl. sind nach diesem Prinzip aufgebaut. Ein Wärmeaustausch findet auch in sogenannten Latentwärmespeichern statt, wobei hauptsächlich die Kristallisations- bzw. Schmelzwärme ausgetauscht werden soll. Da hier das die Energie speichernde Medium mindestens zum Teil in fester Form vorliegt, müssen die wärmetauschenden Metallflächen entsprechend angepaßt werden, was häufig problematisch ist, da die kristallisierenden Speichermaterialien in der Regel schlechte Wärmeleiter sind und somit ein sich über ein vorgegebenes Volumengebiet vollziehender Wärmeaustauschvorgang nur schwer zu realisieren ist. In Latentwärmespeichern liegen die Speichersubstanzen in entladenem Zustand meist in kompakt-konglomerierter Form vor, so daß eine Durchmischung zur Verbesserung der Wärmeübertragung nicht möglich ist.

Man hat daher bei Latentwärmespeichern versucht, die geschilderten Probleme dadurch zu überwinden, daß man das von der Speichersubstanz eingenommene Speichervolumen mit einer Metallstruktur, beispielsweise einem Röhren- oder Lamellensystem durchsetzt, durch welches eine wärmetauschende Flüssigkeit strömt. Dies hat jedoch erhöhte Kosten, höheres Gewicht und größere Volumina zur Folge, wodurch der Vorteil einer hohen "Energiedichte" des Speichers weitgehend verlorengeht. Es wurde auch schon vorgeschlagen, bei Latentwärmespeichern einen sich zum Boden hin konisch erweiternden Behälter zu verwenden, der ein Nachrutschen des festen, kristallisierten Speichermediums

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während des Ladevorganges, bei dem Wärme z.B. von einem flüssigen Medium durch die metallische Bodenplatte hindurch abgegeben wird, gestattet. Dabei wird das am Boden geschmolzene Material durch einen vorher erschmolzenen Kanal im Behälter nach oben gedrückt.

Bei beiden Speichersystemen verbleiben jedoch zumindest bei der Wärmeentnahme ungelöste Probleme, da sich die Speichersubstanz an den Kontaktflächen immer zuerst verfestigt und eine Wärmedämmschicht bildet, die einen Wärmeaustausch mit dem hinter dieser Schicht liegenden Volumengebiet erschwert.Teilweise kommt es aufgrund einer Volumenkontraktion sogar zur Ablösung der verfestigten Schicht von der metallischen Kontaktfläche des Wärmetauschers, wodurch der Wärmeübergang praktisch völlig unterbunden ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, zur Lösung der geschilderten

iWärme Probleme ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Austauschen vorP zwischen zwei auf verschiedenen Temperaturen befindlichen Medien anzugeben, die sich insbesondere bei Latentwärmespeichern anwenden lassen und bei denen eine metallische Wärmeübertragungsschicht zwischen den beiden Medien nicht erforderlich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man zwei praktisch nicht miteinander mischbare Medien zum Zwecke des Wärmeaustausches in unmittelbaren gegenseitigen Kontakt bringt und nach vollzogenem Wärmeaustausch aufgrund ihrer Unmischbarkeit wieder voneinander abtrennt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß in einem Gefäß eine kristallisierbare

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Substanz enthalten und über Leitungen eine Flüssigkeit durch das Gefäß derart hindurchleitbar ist, daß die Flüssigkeit hierbei in direktem Kontakt mit der kristallisierbaren Substanz gelangt.

Der allgemeine Erfindungsgedanke besteht also darin, den Wegfall von metallischen Zwischenwänden zwischen den wärmeaustauschenden Medien dadurch zu ermöglichen, daß man miteinander unmischbare Medien verwendet und diese in direkten, gegenseitigen Kontakt bringt und hierauf wieder voneinander abtrennt. Von besonderem Vorteil ist dieses Verfahren bei Latentwärmespeichern, in denen ein vorzugsweise flüssiges Medium mit einem kristallisierbaren Medium, das auch ein Eutektikum sein kann, in direkten Kontakt gebracht wird.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Grundprinzips der Erfindung;

Fig. 2 schematisch die Anwendung des erfindungs^s gemäßen Verfahrens bei einem Latentwärmespeicher und

Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 in Fig. 2.

In Fig. 1 ist in einem Gefäß 1 ein erstes, flüssiges Medium 2, beispielsweise Wasser, bei einer tieferen Temperatur T. von beispielsweise 10 C enthalten. In das Gefäß 1 ist zentral ein Rohr 3 von oben nach unten eingeführt, das sich in der Nähe des

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Bodens 4 des Gefäßes in mehrere bodenparallel verlaufende Zweige aufteilt oder in eine bodenparallele Rohrspirale ausläuft. An der Unterseite der Zweige 5 oder der Spirale sind Öffnungen oder Düsen 6 vorgesehen. In die Leitung 3 wird ein zweites, vorzugsweise ebenfalls flüssiges Medium, z.B. ein Siliconöl oder ein Mineralöl.von geringerer Dichte als Wasser und mit einer Temperatur T- eingeleitet, die höher als T. ist. T₂ kann beispielsweise 30° C betragen. Entscheidend ist, daß sich das durch die Leitung 3 zugeführte, zweite Medium mit dem im Gefäß 1 enthaltenen, ersten Medium 2 praktisch nicht mischt. Somit tritt das zweite Medium aus den Düsen 6 der Zweige 5 aus und strömt in Form kleiner, diskreter Tröpfchen 7 oder gegebenenfalls auch in Form feiner, diskreter Strahlen nach oben. Dabei findet zwischen den beiden Medien ein direkter Wärmeaustausch statt, so daß sich das zweite Medium 8 im abgekühlten Zustand auf der Oberfläche des ersten Mediums 2 ansammelt, während das erste Medium 2 an Ort und Stelle verharrt, jedoch auf eine zwischen T, und T₂gelegene Temperatur erwärmt ist. Durch eine Leitung 9 kann das abgekühlte Medium 8 wieder abgeführt und gegebenenfalls nach erneuter Erwärmung, beispielsweise in einem Kollektor für Sonnenenergie, erneut über die Leitung 3 und die Zweige 5 in Kontakt mit dem Medium 2 gebracht werden. Jedenfalls werden bei den beschriebenen Verfahren zwei praktisch nicht miteinander mischbare Medien zum Zwecke des Wärmeaustausches in unmittelbarem gegenseitigen Kontakt gebracht und nach vollzogenem Wärmeaustausch aufgrund ihrer Unmischbarkelt wieder voneinander abgetrennt, ohne daß dabei der Wärmeaustausch durch metallische Wände hindurch erfolgen muß, die die beiden Medien voneinander getrennt halten.

In den Figuren 2 bis 6 ist schematisch ein Latentwärmespeicher

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zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in verschiedenen Betriebszuständen dargestellt, wobei entsprechend dem allgemeinen Erfindungsgedanken wiederum zwei wärmeaustauschende Medien in unmittelbaren'Kontakt miteinander gebracht werden. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, enthält ein Gefäß 21 ein z.B. bei 20 C befindliches, festes Speichermedium 22, z.B. Na₃SO₄*1OH 0. Ähnlich wie in Fig. 1 mündet eine Rohrleitung 23 in das Gefäß 21, die sich am Gefäßboden 24 in Zweigleitungen 25 aufteilt oder in eine bodenparällele Spirale ausläuft. An den Zweigleitungen 25 sind zahlreicheT) nach unten gekehrte Öffnungen oder Düsen 26 angeordnet. Eine Rohrleitung 29, die vom oberen Teil des Gefäßes 21 abführt, entspricht der Leitung 9 in Fig. 1.

Wie dargestellt - vgl. insbesondere die Querschnittsansicht gemäß Fig. 7 - ist die Leitung 23 im Bereich des Mediums 22 von einer überlaufleitung 31 konzentrisch umgeben, die bis über die Oberfläche des festen Mediums 22 reicht. Dort ist sie über eine Haube 32 mit der Leitung 23 verbunden. In der Nähe des Gefäßbodens 24 zweigen von der überlaufleitung 31 Leitungen 33 ab, die in direktem (Wärme-) Kontakt mit den Zweigen 25 stehen können und schließlich nach oben abgekrümmt sind. Die Leitungen 33 verlaufen bis über die Oberfläche des festen Mediums 22 hinaus und sind dort so umgebogen,daß ihre Öffnungen auf die Oberfläche der festen Substanz 22 gerichtet sind.

Die beschriebene, als Latentwärmespeicher benutzbare Vorrichtung arbeitet in folgender Weise: Es werde angenommen, daß das feste Speichermedium 22 im Gefäß 21 einen Schmelzpunkt bei etwa 35 C habe und zunächst bei einer Temperatur von T. = 20 C gehalten sei, also in festem Zustand vorliege. Das Material 22

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ist dabei nicht nur im Gefäß 22 vorhanden, sondern füllt auch die Leitung 23 und die Zweige 25. Die Leitung 23 ist also unterhalb des Niveaus des Materials 22 im Gefäß 21 gewissermaßen "verstopft". Wird nun durch die Leitung 23 ein warmes Medium, z.B. ein öl mit einer Temperatur von T„ = 40° C zugeführt, so kann es nicht in den unteren Teil der Leitung 23 und in die Zweige 25 gelangen und somit auch nicht aus den ebenfalls verstopften Düsen 26 austreten. Das warme Medium fließt jedoch durch die Überlaufleitung 31 in die Leitungen 33 und von da auf die Oberfläche des kristallisierten Mediums 22, welches von solcher Beschaffenheit ist, daß es sich mit dem zweiten, durch die Leitung 23 zugeführten, wärmeren Medium nicht mischt. Das wärmere Medium schmilzt nun während seiner Zuleitung zunächst die feste Substanz in der Leitung 23, in den Zweigen 25 und in den Düsen 26 auf und erschmilzt entlang der Leitungen 31 und 33 Schmelzkanäle, so daß nunmehr das warme Medium direkt über die Leitung 23 und die Zweige 25 zu den Düsen 26 gelangen und von da nach oben strömen kann, wobei es in direkten Kontakt mit dem Medium 22 gelangt upd dieses immer mehr aufschmilzt. Dieser Zustand ist in Fig. 3 dargestellt. Das durch die Leitung 23 mit etwa 40° C zugeführte, zweite Medium 28 sammelt sich aufgrund seines geringeren spezifischen Gewichtes und seiner ünmischbarkeit mit dem Material 22 auf der Oberfläche des letzteren, von wo es mit einer Temperatur von etwa 30° C über die Leitung 29 abgeführt werden kann.

Fig. 4 zeigt den vollständig aufgeschmolzenen Zustand des im Gefäß 21 enthaltenen Speichermediums 22, welches nunmehr beispielsweise eine Temperatur von etwa 35 C angenommen, also eine Temperatursteigerung von etwa 15 C erfahren und außerdem noch die latente Schmelzwärme aufgenommen hat.

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Die Figuren 5 und 6 zeigen gegenüber Fig. 2 und 3 den umgekehrten Vorgang, nämlich den Vorgang der Wärmeentnahme aus dem Speichermedium 22. über die Leitung 23 und die Düsen 26 an den Zweigen 25 wird nunmehr kaltes öl von beispielsweise 10° C in das Gefäß 21 eingeleitet, welches von unten nach oben durch das flüssige, bei ca. 35 C befindliche Speichermedium 22 hindurchströmt und dabei dem letzteren Wärme entzieht,so daß dieses wieder zu kristallisieren beginnt. Das zugeführte kalte öl erwärmt sich bei seinem direkten Kontakt mit dem Speichermedium 22 auf eine Temperatur von beispielsweise 25 und wird von der Oberfläche des Speichermediums 22 durch die Leitung 29 abgeführt. Fig. 6 zeigt das teilweise wieder erstarrte Speichermedium 22, das nun auch wieder die Leitung 23 sowie die Zweige 25 mit den Düsen 26 verstopft. Daher muß das zugeführte zweite Medium 28 durch die Überlaufleitung 31 und die Leitungen 33 auf die Oberfläche des Mediums 22 geleitet werden, bis dieses vollständig erstarrt und der Zustand entsprechend Fig. 2 wieder erreicht ist. Bei der Anordnung nach Fig.2 könnten die Leitungen 23 und 29 an einen Kollektor für Sonnenenergie angeschlossen sein und das Speichermedium 22 dazu dienen, die aus der Sonnenenergie gewonnene Wärme zu speichern. In Fig. 5 könnten die Leitungen 23 und 29 an eine Wärmepumpe angeschlossen sein, wobei durch die Leitung 23 das von der Wärmepumpe auf beispielsweise 10° C abgekühlte öl zugeführt und durch die Leitung 29 das z.B. auf 25° C erwärmte öl der Wärmepumpe wieder zugeführt wird. Die Wärmepumpe kann dabei ein Teil einer Gebäudeheizung sein. Die genannten Temperaturen hängen selbstverständlich von der Geschwindigkeit ab, mit welcher das zweite Medium 28 das Speichermedium 22 durchströmt.

Außer dem genannten Natriumsulfat eignen sich als Wärmespeicher-

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medien beispielsweise noch: Na₂IIPO₄* 12H₂O, Na₂CO₃-IOH 0,
Na-,ΡΟ- · 12H-0 oder entsprechend abgestimmte Eutektika. Als
Medium, welches mit den vorgenannten Stoffen in direkten
Wärmeaustausch gebracht werden kann, eignet sich beispielsweise ein nichtmineralisches, paraffinhaltiges öl, wie es
in der metallbearbeitenden Industrie zur sogenannten Funkenerrosion von Werkstücken eingesetzt wird. Das durch die Leitung 23 zu- und durch die Leitung 29 abgeführte Medium ist
in der Regel eine Flüssigkeit, kann aber auch als überhitzte Flüssigkeit, Dampf oder Gas vorliegen.

Durch die Erfindung lassen sich unter anderem folgende wesentliche Vorteile erzielen: Trotz des direkten Kontakts der
beiden wärmeaustauschenden Medien kann das eine Medium an geeigneter Stelle, z.B. nach einer Beruhigungsstrecke, in der
sich mitgerissene Partikel der Speichersubstanz eines Latentwärmespeichers absetzen können, wieder abgesaugt und aufgewärmt oder abgekühlt werden, je nach dem der Speicher gerade geladen oder entladen werden soll. Die Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlauben eine einfache, robuste Bauweise, ohne daß dabei eine besondere Gestalt der Speicherbehälter oder aufwendige Metallstrukturen zur
Wärmetauschung notwendig sind. In Latentwärmespeichern verfestigt sich das Speichermedium in der Regel zu kleinen Partikeln in ihrer eigenen Lösung. Latentwärmespeicher können bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch gasdicht ausgeführt werden, wenn die Behälterwände elastisch genug sind, um eventuell auftretende, geringfügige Volumenänderungen der festen Speichersubstanz aufzufangen. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt es praktisch keine problematischen Ablösungserscheinungen einer festen Speichersubstanz

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von metallischen Wärmetauscherflächen. Die Wärmeübertragung ist nahezu ideal, da das durchströmende Wärmetauschermedium 28 für entsprechende Turbulenz im Speichermedium 22 sorgt.

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Claims

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Patentansprüche:
1.j Verfahren zum Austauschen von Wärme zwischen zwei auf ver-

^v-"' schiedenen Temperaturen befindlichen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß man zwei praktisch nicht miteinander mischbare Medien zum Zwecke des Wärmeaustausches in unmittelbaren gegenseitigen Kontakt bringt und nach vollzogenem Wärmeaustausch aufgrund ihrer ünmischbarkeit wieder voneinander abtrennt .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zwei flüssige Medien in gegenseitigen Kontakt bringt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein flüssiges mit einem festen Medium in Kontakt bringt.
4. Verfahren nach Anspruch.1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man durch die Kontaktierung der Medien eine Phasenumwandlung eines der Medien hervorruft.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als wärmetauschendes Medium eine kristallierbare Substanz oder ein Eutektikum verwendet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als kristallisierbare Substanz Na₃SO₄*lOH-O, Na₂HPO₄*12H₂O, Na₂CO₃-IOH₃O oder Na₃PO₄*12H₂O verwendet.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man ein nichtmineralisches, paraffinhaltiges öl als wärmetauschendes Medium verwendet.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der wärmetauschenden Medien durch

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Sonnenenergie aufgeheizt wird.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Medien unterschiedlicher Dichte verwendet werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gefäß (21) eine kristallisierbare Substanz (22) enthalten und über Leitungen (23, 25) eine Flüssigkeit (28) durch das Gefäß derart hindurchleitbar ist, daß die Flüssigkeit hierbei in direkten Kontakt mit der kristallisierbaren Substanz gelangt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß außer einer Hauptleitung (23) eine Überlaufleitung (31) vorgesehen ist, durch die bei verschlossener Hauptleitung (23) die Flüssigkeit (28) mit der kristallisierbaren Substanz (22) in Kontakt bringbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlaufleitung (31) so angeordnet ist, daß die in ihr strömende Flüssigkeit (28) ein Aufschmelzen kristallisierter Substanz (22) im Gefäß (1) und in der Hauptleitung (2 3, 25) auslöst.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Gefäß (1, 21) eingeleitete Flüssigkeit (8, 28) durch einen Solarkollektor aufheizbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Gefäß (1, 21) entnommene Flüssigkeit (8, 28) einer Wärmepumpe zuführbar ist.

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