DE4100819A1 - Verfahren und vorrichtung zur speicherung von waerme - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Speicherung von Wärme in Warmwasserspeichern, Latent-Wärmespeicherelementen od. dgl., insbesondere für Warmwasserheizungen, mit einem wärmeabgebenden und einem -aufnehmenden Wärmeaustauscher in einem gemeinsamen Gehäu­ se und mit von einem Wärmetransportmedium um- bzw. durch­ strömten Wärmespeicherelementen.

Es sind eine Reihe von sogenannten Latent-Wärmespeichersy­ stemen bekannt, z. B. statische Speicher, bei denen das Wär­ mespeichermaterial in Rohrenwabenkörpern (DE-OS 19 28 694) oder Kapseln (DE-OS 23 43 525) enthalten ist. Poröses Spei­ chermaterial zeigt beispielsweise die DE-OS 28 54 880. Bei allen diesen bekannten Lesungen versucht man, eine Optimie­ rung durch bestimmte konstruktive Gestaltungen zu errei­ chen. Eine andere Lösung streben sogenannte dynamische La­ tent-Wärmespeicher an, bei denen im Gegensatz zu den stati­ schen Speichern, bei denen das Speichermaterial in Ruhe ist und der Wärmeeintrag durch Wärmeleitung erfolgt, hier das Speichermaterial bewegt ist, um durch Rühren od. dgl. zusätzlich einen konvektiven Wärmeübergang zu erreichen. Hier sei als Beispiel die DE-OS 25 43 686 oder DE-OS 28 57 314 oder DE-OS 32 36 319 genannt. Eine etwas andere Lösung zeigt die AT-3 63 963 oder auch die CH-6 36 427.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der insbesondere die Ladevorgänge derartiger Wärmespeicher beschleunigt werden, wobei die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Oberflächen möglichst groß ausgebildet sein sollen.

Mit einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß je­ des Wärmespeicherelement mit Schmelz- und Erstarrungspro­ zesse ausnutzendem Wärmespeichermaterial versehen ist und daß das Wärmespeichermaterial mit Kapillarstrukturelemen­ ten ausgerüstet ist.

Zunächst sei angemerkt, daß es für sich gesehen bekannt ist, Wärmespeicherelemente mit Schmelz- und Erstarrungspro­ zesse ausnutzendem Wärmespeichermaterial zu versehen, etwa mit Fixiersalzen oder mit Wachs, wobei Kontruktionen ge­ wählt sein können, wie sie eingangs oben zu den statischen Latent-Wärmespeichern angegeben wurden.

Um hier eine Optimierung zu erreichen und konstruktiv preiswerte Lösungen anbieten zu können, sieht die Erfin­ dung vor, daß um oder in einem solchen Material Kapillar­ strukturelemente enthalten sind, die allein durch ihre Ka­ pillarwirkung nach dem Docht-Prinzip das Wärmetransportme­ dium durch das Wärmetauschermedium hindurchleiten.

Neben der Kapillarwirkung der Kapillarelemente sorgen Tem­ peratur- und/oder Druckunterschiede im Flüssigkeitsraum des Wärmetransportmediums bzw. Gasraum zur Förderung des Wärmetransportmediums durch das Wärmespeichermaterial hin­ durch.

Das in Ausgestaltung vorgesehene Antihaftmittel sorgt da­ für, daß es nicht zum Anbacken, Verharzen od. dgl. der Ka­ pillarstrukturelemente kommt, wobei erfindungsgemäß das An­ tihaftmittel auch auf der Oberfläche der Kapillarstruktur­ elemente vorgesehen sein kann. Als Antihaftmittel kann auch eine temperaturleitende Wand, z. B. eine Metallbedamp­ fung der Kapillarstrukturelemente, vorgesehen sein.

In weiterer Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß zwi­ schen dem oberen und unteren Wärmetauscher dem Fluidsumpf bzw. Gasdom eine Mehrzahl von Wärmespeicherelementen vorge­ sehen sind, wobei die Wärmespeicherelemente von den Kapil­ larstrukturelementen umgeben und/oder von diesen durch­ setzt sind.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß die Ka­ pillarstrukturelemente als Dochte, Mullbinden oder Fluid­ leitfolien mit Kapillaren ausgebildet sind, die ggf. vom Wärmetauscherfluid mit Antihaftmittel durchströmbar sind, wobei auch vorgesehen sein kann, daß beispielsweise die Dochte oder die Mullbinden an ihrer Außenoberfläche mit ei­ ner zusätzlichen Wachsschicht versehen sind, wobei der Schmelzpunkt dieses Wachses über demjenigen Schmelzpunkt des Wärmespeichermateriales liegt.

Zweckmäßig kann es sein, die Kapillarstrukturelemente so im Wärmetauschermedium anzuordnen, daß nach dessen Auf­ schmelzen diese Elemente dort form- und strukturstabil ge­ halten sind. Hier können beispielsweise Korbkonstruktionen od. dgl. vorgesehen sein.

Zweckmäßig ist es auch, die Kapillarstrukturelemente dort beschichtungsfrei zu halten, wo sie in das flüssige Wärme­ transportmedium einerseits und das gasförmige Wärmetrans­ portmedium andererseits eintauchen, d. h. im Sumpf der Vor­ richtung und im Gasdom, wie dies die Erfindung ebenfalls vorsieht, wobei eine dauerhafte Benetzung der Kapillar­ strukturelemente gewährleistet sein soll.

Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Wärmeausnutzung eines Wärmetransportmediums unter Ausnutzung der Schmelz- und Erstarrungsprozesse eines Wärmespeichermediums zur Lö­ sung obiger Aufgabe vor, wobei sich ein derartiges Verfah­ ren dadurch auszeichnet, daß ein Wärmespeichermedium mit einer Vielzahl von Kapillarstrukturelementen, ein Wärmetau­ schermedium und ggf. ein Antihaftmittel zur Verhinderung der Haftung des Wärmetransportmediums an den Kapillarstruk­ turelementen eingesetzt wird.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Wärme­ transport zum oder vom Wärmespeichertransportmedium über die das Wärmetransportmedium führenden Kapillarstrukturele­ mente temperatur- und/oder druckabhängig vorgenommen wird.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine vereinfacht wiedergegebene Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer anderen Ausfüh­ rungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Teilausschnitt einer wiederum abgewandelten Ausführungsform jeweils in Seitenansicht,

Fig. 4 eine Aufsicht etwa gemäß Linie IV in Fig. 1 auf ein wiederum abgewandeltes Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine Möglichkeit eines Speichergehäuses mit abge­ dichteter Durchführung von Kapillarelementen sowie in

Fig. 6 ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel.

Die allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung als Speicher­ element weist ein nicht näher dargestelltes Gehäuse 2 mit einem oberen Gasdom 3 und einem unteren Flüssigkeitssumpf 4, wobei sowohl im Gasdom 3 ein Wärmetauscher 5 wie auch im Sumpf ein anderer Wärmetauscher 6 vorgesehen sind, auf. Zwischen Gasdom 3 und Sumpf 4 befindet sich ein mit 7 be­ zeichneter Bereich, gefüllt mit Wärmespeichermaterial, z. B. Wachs.

Für die Erfindung von Bedeutung sind Kapillarstrukturele­ mente 9, die in unterschiedlicher Art und in unterschiedli­ cher Anzahl je nach Bedarf und je nach Art des Wärmespei­ chermateriales dieses durchziehen und zur Durchleitung ei­ nes im Sumpf 4 flüssig vorliegenden, verdampfbaren Wärme­ transportmediums 8 dienen, welches im Gasdom 3 gasförmig vorliegt und dort mit 8′ bezeichnet ist.

Das Wärmetransportmedium 8 kann mit einem Antihaftmittel versehen sein, um eine leichtere Durchleitung durch die Ka­ pillarstrukturelemente 9 zu ermöglichen.

Die Wirkungsweise einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist dabei im wesentlichen die folgende:

Wird über den Wärmetauscher 6 dem Wärmetransportmedium 8 Wärme zugeführt, verdampft dieses und durchströmt die Ka­ pillarstrukturelemente 9 nach oben in den Gasdom 3 und liegt dann dort gasförmig vor. Nunmehr kann es seine Wärme an den Wärmeaustauscher 5 abgeben. Ist die Rückkühlung sehr stark, kondensiert das Wärmetransportmedium 8′ wieder und läuft durch die Kapillarstrukturelemente 9 nach unten in den Sumpf zurück. Beim Durchströmen durch die Kapillar­ strukturelemente wird das Wärmespeichermaterial 7 bei­ spielsweise verflüssigt.

Durch das Antihaftmittel ist ein permanent guter Durchfluß gewährleistet. Die Kapillarstrukturelemente 9 können aus unterschiedlichen Materialien sein in Art von Dochten, aus Vlies bestehen oder als Leitfolien, wie sie etwa in Fig. 4 andeutungsweise dargestellt sind (sie sind dort mit 9c be­ zeichnet), ausgebildet sein.

In Fig. 2 ist ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt, hier können die Begrenzungswände der einzel­ nen Speicherelemente, dort mit 1a bezeichnet, flexibel ge­ staltet sein, etwa in Form von Folienschläuchen od. dgl. Im Beispiel nach Fig. 3 weist ein Speicherelement 1b zu Bündeln 9b zusammengefaßte Kapillarstrukturelemente auf, die an einem im Gasdom 3b angeordneten Lochblech 10 befe­ stigt sind.

Das Wärmespeicherelement 1c gemäß Fig. 4 wurde oben schon kurz angesprochen, dort in Aufsicht dargestellt, zeigt es eine spiralförmig gewickelte Fluidleitfolie 9c mit entspre­ chenden Kapillaren.

In Fig. 5 ist ein Teilbereich einer Vorrichtung 1d darge­ stellt, wobei hier die Kapillarstruktelemente 9d in einem Gehäuse 2d untergebracht sind und die Gehäusewände abge­ dichtet durchdringen, wobei die Dichtbereiche angedeutet sind und mit 10 bezeichnet wurden, derart, daß das sich verflüssigende Wärmespeichermaterial 7d in beiden Richtun­ gen nicht austreten kann.

Um sowohl die Struktur wie auch die Positionierung der Ka­ pillarstrukturelemente aufrechterzuhalten, ist eine Trag­ einrichtung 11 vorgesehen, die eine räumliche Verschiebung der Kapillarstrukturelemente um einen gewissen Bereich mög­ lich macht, was durch die im Randbereich schrägen Verläufe angedeutet sein soll.

An einem Kapillarstrukturelement ist eine metallische Dampfbeschichtung 12 andeutungsweise wiedergegeben, wobei erkennbar die Metallbedampfung nur in dem Bereich vorgenom­ men wurde, der in der Gebrauchslage vom Wärmespeichermedi­ um umhüllt ist. Im sonstigen Bereich sind die Kapillar­ strukturelemente unbeschichtet, um ein leichtes Eindringen des flüssigen Wärmetransportmediums 8 bzw. des Aus- oder Eintretens des gasförmigen Wärmetransportmediums 8′ zu ge­ währleisten.

In Fig. 6 ist zusätzlich die Möglichkeit dargestellt, auf evtl. Abdichtelemente 10 zu verzichten, wenn eine genaue Medientrennung zwischen geschmolzenen Wärmespeichermedium einerseits und Wärmetransportmedium andererseits gewährlei­ stet ist. Dort ist symbolisch auch dargestellt, daß die Wärmeaustauscher 5′ bzw. 6′ auch unmittelbar von der Be­ hälterwand 2′ gebildet sein können, d. h. es müssen nicht zwingend eigene Einbauten als Wärmeaustauscher vorgesehen sein.

Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können neben den in Fig. 2 eingezeichneten Dochten 9a auch die Wände als Kapillar­ strukturelemente ausgebildet sein. Dies ist in Fig. 2 mit 9a′ bezeichnet.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Speicherung von Wärme in Warmwasserspei­ chern, Latent-Wärmespeicherelementen oder dgl., insbesonde­ re für Warmwasserheizungen, mit einem wärmeabgebenden und einem -aufnehmenden Wärmeaustauscher in einem gemeinsamen Gehäuse und mit von einem Wärmetransportmedium um- bzw. durchströmten Wärmespeicherelementen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmespeicherelement (1) mit Schmelz- und Erstar­ rungsprozesse ausnutzendem Wärmespeichermaterial (7) verse­ hen ist und daß das Wärmespeichermaterial mit Kapillar­ strukturelementen (9) ausgerüstet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstrukturelemente (9) und/oder das Wärme­ transportmedium (8) mit einem Antihaftmittel versehen sind/ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kapillarstrukturelementen und Wärmespeicherma­ terial eine für das Wärmespeichermaterial undurchlässige Wand (12) mit sehr geringem Wärmedurchgangswiderstand vor­ gesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die undurchlässige Wand (12) als auf den Kapillarstruk­ turelementen (9) aufgedampfte Metallbeschichtung od. dgl. ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen und unteren Wärmetauscher (5, 6) dem Fluidsumpf (4) bzw. Gasdom (3) eine Mehrzahl von Wärme­ speicherelementen (1a) vorgesehen sind, wobei die Wärme­ speicherelemente (1a) von den Kapillarstrukturelementen (9a, 9a′) umgeben und/oder von diesen durchsetzt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstrukturelemente (9) als Dochte, Mullbin­ den oder Fluidleitfolien (9c) mit Kapillaren ausgebildet sind, die vom Wärmetransportmedium (8) mit Antihaftmittel durchströmbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstrukturelemente (9d) einen oberen und un­ teren unbeschichteten Bereich zum Eintauchen in das flüssi­ ge bzw. gasförmige Wärmetransportmedium (8 bzw. 8′) aufwei­ sen.

8. Verfahren zur Wärmeausnutzung eines Wärmetransportmediums unter Ausnutzung der Schmelz- und Erstarrungsprozesse ei­ nes Wärmespeichermediums, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmespeichermedium mit einer Vielzahl von Kapil­ larstrukturelementen, ein Wärmetransportmedium und ggf. ein Antihaftmittel zur Verhinderung der Haftung des Wärme­ transportmediums an den Kapillarstrukturelementen einge­ setzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetransport zum oder vom Wärmespeichertransport­ medium über die das Wärmetransportmedium führenden Kapil­ larstrukturelemente temperatur- und/oder druckabhängig vor­ genommen wird.