|
(11) | EP 0 190 728 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
| (54) | Membranwärmespeicher |
| (57) Die Erfindung betrifft einen Membranwärmespeicher, der durch die Mittelstellung der
Membran im Speicherbehälter die Vermischung des im Speicherschritt aufbereiteten Wassers
verhindert, das gleichzeitige Funktionieren des Speisen und Entleerens des Speichers
erlaubt, die alleinige Speisung und die alleinige Entleerung des Speichers sichersteelt,
dann die Neutralstellung des Speichers während der gleichzeitigen Benutzung der Energiequelle
zum Nutzen von Verbrauchern gewährleistet, und alle diese oben erwähnten Kombinationen
während der gleichzeitigen Speisung des Akkumulators durch mehrere voneinander unabhängigen
Energiequellen gewährleistet. |
Technisches Gebiet:
[0001] Membranwärmespeicher bilden einen Teil der Gruppe der Heizsysteme mit Speicherung, die die in Massen gespeicherte Wärme des Heizvorganges benutzen und nach der Internationalen Patentklassifikation in den Gruppen F 24 D 11/00, F 24 D 3/10, F 24 D 7/00 und F 24 D 13/00 eingeordnet sind.
Technische Problemstellung:
[0002] Die wesentliche Funktion von Wärmespeichern jeglicher Art besteht darin, die erzeugte Wärme einer Wärmequelle aufzunehmen und bereitzustellen, falls sie in einem Moment, an dem es notwendig ist, gebraucht werden sollte.
[0003] Man unterteilt die Speicher gemäß ihrer Speichermasse in Speicher fester Phasen und flüssiger Phasen.
[0004] Bei Speichern flüssiger Phase (von denen in der Folge gesprochen wird) verwendet man Wasser oder andere Arbeitsflüssigkeiten und sie stellen einerseits die mit den Energiequellen verbundenen Aufnahmevorrichtungen und andererseits die Abgabeeinrichtungen für die Verbraucher dar. Die Speichermasse, das heißt das Volumen des aufnehmenden Mediums des Speichers, und des weiteren die Temperatur der Masse, bis zu welcher man die Flüssigkeit im Verfahrensschritt der Speicherung der Verbraucher aufheizt, bestimmen die Kapazität der Speicherung von Speichern und sie ist durch den Zweck der Einrichtung festgelegt.
[0005] Als Energiequellen benutzt man sehr häufig elektrische Energie zum reduzierten Tarif, die zu festgelegten Tageszeiten verteilt wird, und von den durch die Energieverteiler (Elektrizitätsverteiler) festgelegten Bedingungen abhängt.
[0006] Die Quellen können auch anderer Art sein:
- Sonnenenergie
- Energie aus technischen Prozessen
- Restwärme der Kondensation usw.
[0007] Neben anderen technischen Problemen, die durch die Konzeption vorgegeben sind, gibt es folgende Probleme:
1. Im Fall der Verwertung der Speicherflüssigkeit (da man nicht auf einmal die ganze Masse verwertet) tritt eine Mischung von rückgeführter Flüssigkeit und Speicherflüssigkeit auf, welche bereit steht, um im Raum des Speichers Anwendung zu finden, wodurch man die Flüssigkeitstemperatur des Speichers absenkt und somit die Speicherkapazität der Speicher.
[0008] Dieses Phänomen begründet die Notwendigkeit einer physikalischen Trennung der unbenutzten Flüssigkeitsmasse des Speichers von der benutzten Flüssigkeitsmasse des Speichers.
[0010] 2. Ein anderer Nachteil besteht dann, wenn die Kapazität der Verbraucher größer ist als die Kapazität des Speichers und dieser unmittelbar an die Energiequelle angeschlossen sein muß und die beste Lösung darin besteht, daß bei einer konstanten Energiequelle (elektrische Energie) sie selbst sowohl für das Füllen des Speichers wie auch zum direkten Zugriff benutzt werden sollte.
[0011] Wenn das so ist, muß als Möglichkeit bestehen:
- Die gleichzeitige Benutzung der Quelle als elektrischer Kessel sowohl zum Füllen des Speichers als auch zum Speisen der Verbraucher,
- Die teilweise Benutzung als alleinige Quelle für die Speisung der Verbraucher ohne Füllen des Speichers im Falle der elektrischen Energie und der Verteilung zum höheren Tarif, falls die Notwendigkeit des Verbrauchs in diesem Augenblick besteht.
[0012] 3. Wenn es eine Möglichkeit der gleichzeitigen Anwendung mehrer Energiequellen zur Speicherung und auch zum Verbrauch gibt, können diese voneinander unabhängig und unabhängig vom Verbrauch an den Speicher angeschlossen werden.
[0013] 4. Es ist notwendig, daß der Speichervorgang und der Verbrauchsvorgang bei Bedarf den optimalen Nutzinhalt des Speichers abgibt oder vollständig gedrosselt ist.
Stand der Technik:
[0014] Wärmespeicher flUssiger Phase sind als Kessel, mit oder ohne elektrische Vorwärmer, die am meisten benutzten Vorrichtungen in Zentralheizungssystemen. Sie existieren in verschiedener Form und man baut sie am häufigsten mit aber auch ohne Wärmetauscher.
[0015] Die Figur 1 zeigt ein Funktionsschema der Wärmespeicherung mit dem Speicher der deutschen Firma "Accuma".
[0016] Der Speicher setzt sich aus zwei unabhängigen Systemen und aus einem integrierten elektrischen Vorwärmer zusammen. Der elektrische Vorwärmer ist in der Hochpartie des Kessels ungefähr zu 2/5 der -Höhe der Zone integriert, bis zu welcher das umlaufende Wasser ohne Speicherung aufgewärmt wird.
[0017] Bei dieser Konstruktion wird die Speichermasse (Wasser) während des Vorheizens zur Speicherung durch die Kreislaufpumpe 2 vom unteren Teil des Reservoirs bis zum oberen Teil gepumpt, wo es durch die elektrische Heizung aufgeheizt wird. Der Schritt der Speicherung ist in dem Moment beendet, in dem das gesamte Reservoir ganz mit heißem Wasser gefüllt ist.
[0018] Die Verwendung des Speichers vollzieht sich durch die Pumpe 2, die das heiße Wasser des oberen Teils des Reservoirs ansaugt, wobei diese im Heizsystem verwendet wird, und sie pumpt dieses zum unteren Teil des Reservoirs und bewirkt die Mischung und damit die Erniedrigung der Temperatur des gesamten Speicherinhalts. Das Reservoir besitzt Verbindungsstücke für alternative Quellen 3.
[0019] Die Speicher dieser Gattung werden mehr oder weniger nach nach obengenannten Schema hergestellt. (Reknagel Springer: "Heizung- und Klimatechnik", Buch des Bauingenieurwesens, 1984).
[0020] Es ist auch wichtig, daß die Vorheizsysteme und die Systeme der Nutzbarmachung der Wärme absolut von der Speichermasse getrennt sind, so daß die direkte Nutzung des Heizelementes für das Heizsystem nicht möglich ist.
Beschreibung der Erfindung:
[0022] Es zeigen:
Figur 2 die Konstruktion eines Membranwärmespeichers;
Fig. 3a) das Rohrverbindungsstück (oben und unten) des Speichers;
Fig. 3b) den Boden des Behälters mit dem Anschluß an die alternative Energiequelle;
Fig. 3c-k) das Funktionsschema des Speichers für die unterschiedlichen Verbindungen des Zirkulationskreises;
Fig. 4 eine Gesamtdarstellung des Speichersystems mit der Anwendung und Funktiorsweise,
a) gesamtes System
b) Benutzung des Systems
c) Systembedienung in Abhängigkeit von der Außentemperatur.
[0023] Wie bereits erwähnt wurde (Fig. 2),besteht die Konstruktion des zylindrischen Standardbehälters aus einer Ummantelung 1 und einem Boden 2.
[0024] Im Zentrum der Ummantelungl befindet sich symmetrisch im Verhältnis zum Transversalschnitt eine elastische Membran 6, die aus einem Material hergestellt ist, welches gegen die Umgebungsbedingungen sowohl der Arbeitsflüssigkeiten wie auch der Temperatur der Arbeitsflüssigkeiten beständig ist.
[0025] Die Membran in Sackform ist in Figur 2 dargestellt. Die Enden der Einfassung der Membran sind an der Ummantelung des Speichers (Abdeckung) nach bekannter Art und Weise befestigt.
[0026] Der Boden der Membran (Basis) 6 ist aus einem etwas beständigeren Material gefertigt und ist auf der Oberfläche des Überzugs einer Membran 8 befestigt, wobei der Boden der Membran 6 und der Überzug 8 aus demselben Material hergestellt sind.
[0027] Die Funktion der Membran des Speichers besteht darin, den Speicher in zwei Teile zu teilen, damit diese beiden Teile in Abhängigkeit von der Position der Membran eine unterschiedliche Kapazität aufweisen können (genannte Positionen dargestellt durch gestrichelte Linien in der Figur 2).
[0028] Die Rohrverbindungen 4 sind entlang der Ummantelung des Speichers 1 im unteren und oberen Teil unter und über den Extrempositionen der Membran angeordnet und im Inneren des Speichers mit dem Rohrring 7 verbunden, wie dies in Figur 3a dargestellt ist.
[0029] Der Rohrring 7 ist am Teil über oder unter einem dieser leile mit Perforationen 9 versehen. Wenn die Ringe im Speicher liegen und durch die beiden Enden an geschlossene Zirkulationskreisläufe angeschlossen sind, stellt man in Abhängigkeit des Drucks die in der Figur 3 dargestellten Zustände fest.
[0030] a) Wenn der Zirkulationskreislauf an einem der Enden abgeschlossen ist (geschlossene Armatur), wird der andere aber dadurch geschlossen werden, daß sich ein Durckunterschied zwischen beiden Teilen der Membran 6 bilden wird und sich die Membran deswegen vom einen Ende des Speichers zum anderen ausbeulen wird.
[0031] Das heißt, daß die Zirkulation praktisch aufrechterhalten ist, obwohl die Membran nicht die korrespondierende Extremstellung erreichen wird (Figur 3d und 3e).
[0032] b) Wenn die beiden Zirkulationskreisläufe in Funktion sind, erkennt man folgende Situationen:
1) Wenn die Ausströmmenge beider Zirkulationskreisläufe die gleiche ist, gelangen die Flüssigkeiten von einem Kreislauf in den anderen ohne irgendeine Vermischung der Flüssigkeiten während der Zirkulation mit der Speicherflüssigkeit ohne Berücksichtigung der Perforationen 9 im Rohr (Figur 3c).
2) Wenn die Ausflußmenge eines Kreislaufs größer ist als die Ausflußmenge des anderen, wird man eine Abhängigkeit im Hinblick darauf feststellen, ob ein Teil der FlUssigkeit in den Speicher gegeben oder ein Teil der Flüssigkeit aus dem Speicher herausgesaugt wird. Jeder dieser Vorgänge wird durch eine entsprechende Verschiebung der Membran 6 des Speichers begleitet werden (Figur 3i u. 3j).
[0033] Die Verbindungen zu den alternativen Energiequellen, die die Konstruktion des Speichers ergänzen und am Boden des Speichers angebracht sind und die Form von Rohren aufweisen, sind über und unter der Membran angebracht (Fig. 3b). Daher sind die Zuleitungen im Fall der Verwendung von alternativen Quellen an einen dritten Zirkulationskreislauf angeschlossen (Fig. 3k).
[0034] Die Bedienung des Speichers kann wie im vorhergehenden Beispiel definiert werden und das Verhältnis ist definiert nach den Volumenströmen Q1 und (Q2 + Q3) im System.
[0035] Nach dem gleichen Prinzip kann der Speicher immer an eine Hauptquelle und eine große Zahl von Alternativenergiequellen angeschlossen sein.
[0036] Wenn einerseits das System der Verbraucher (z.B. eine Zentralheizung) durch eine Zirkulationspumpe an das Speichersystem angeschlossen ist und andererseits eine Energiequelle (z.B. eine elektrische Heizung), erhält man eine vollständige Einrichtung zur Speicherung und Entnahme von Energie. Ein Beispiel für die Speichereinheit ist in Figur 4 angegeben.
[0037] Die Speichereinheit besteht aus dem gesamten Speichersystem (Ak), der Zirkulationspumpe (P2) im Zentrum des Kessels, der elektrischen Heizung (K), des Ausdehnungsbehälters (Eks), des Sicherheitsventils (Vs), des automatischen Luftventils (Uv) und der Zirkulationspumpe der Anordnung (P1).
[0038] Das Speichersystem (Ak) ist zusammengesetzt aus dem vorgefertigten Speicherbehälter, Anschlüssen (beschrieben und dargestellt in der Figur 2) und aus folgenden Teilen:
1) Handregelschließventile
2) Eine vollständige Regelung, bestehend aus:
- Regelkreis R1, der die Temperatur des Kesselspeisewassers und des Speichers entsprechend der Außentemperatur einstellt.
- Regelkreis R2, der die Wassertemperatur in der Anlage entsprechend der Außentemperatur regelt.
[0039] Die Charakteristiken der Regelkreise sind in Figur 4a dargestellt.
3) Ein Steuerungsrechner, der die Funktionsweise der Einrichtung entsprechend dem Schema in Figur 4b steuert,
4) andere Elemente wie Steuerelemente, Verriegelungen und Anzeigeinstrumente.
[0041] Die Kapazität des Speichers wird durch das Wasservolumen, durch die definierte Größe des Speichers, durch die äußerste Position der Membran und auch durch die Speichertemperatur twl und tw3 nach folgender Gleichung festgelegt:
[0042] Außer den oben angesprochenen Elementen bestehen alle Speicherkonstruktionen aus der Isolierschicht, der Rahmenkonstruktion und anderen Standardelementen
[0043] Die Funktionsvarianten des Speichers sind in der Figur 3 aufgeführt und sind folgende:
Figur 3c: - Funktionsweise des Systems unter direkter Verwendung der Energiequelle für den Verbraucher mit passivem Zustand des Speichers,
Figur 3d: - Funktionsweise des Systems unter Füllen des Speichers ohne diesen selbst für die Verbraucher zu nutzen,
Figur 3e: - Funktionsweise des Systems unter Verwendung des Speichers ohne Verwendung des Füllsystems,
Figur 3i: - Funktionsweise des Systems unter Verwendung des Speichers und gleichzeitiger Verwendung der Quelle,
Figur 3j: - Funktionsweise des Systems unter Verwendung der Quelle und gleichzeitigem Füllen des Speichers,
Figur 3k: - Funktionsweise des Systems unter Verwendung aller vorgenannten Kombinationen und weiterer Verwendung einer parallelen Energiequelle (Sonnenenergie).
daß der Speicherbehälter durch eine flexible Membran (6) in der Form geteilt ist, daß sie der Form des halben Behälters entspricht und die Auslenkung der Membran von einer Stellung zur anderen extremen Stellung das Volumen des einen oder anderen Teils der Membran im Einvernehmen mit der Form des Behälters ändert, so daß sich dort unterschiedliche Volumina von Fluiden auf der einen und auf der anderen Seite der Membran ansammeln, wobei die Summe der Volumina immer die gleiche ist und gleich dem Volumen des Behälters ist.
daß über der extremen Position oberhalb und der extremen Position unterhalb der Membran (6) ein Rohr (7) durch den Speicher verläuft, mit Anschlüssen (4) von beiden Seiten und Perforationen (8) als Öffnungen im Speicher wobei und ihre Verzweigungen zu beiden Kreisen die Leitungen des in den Figuren 3c, 3d, 3e, 3i und 3j definierten Systems, festlegen.
daß es jenseits der unteren und oberen extremen Position der Membran (6) des Behälters noch eine oder mehrere Leitungen gibt, die die alternativen Energiequellen sein können, und die Leitung des Speichers dieselbe ist, wie die in der Figur 3c, 3d, 3e, 3i und 3j, und sich das Verhältnis zwischen dem Ausgangskreislauf Q1 und der Gesamtheit der anderen Kreisläufe Q2 und Q3 ergibt, wie es in der Figur 3k dargestellt ist.