[0001] Die Erfindung betrifft einen Eisspeicher für die Kälteversorgung von Kälteverbrauchern,
mit einem zylindrischen Speicherbehälter, in dessen Speicherraum von einem Kältemittel
duchströmbare und mit gegenseitigem Abstand verlaufende Kühlrohre angeordnet sind,
sowie mit am Speicherraum vorgesehenen Anschlüssen für die Zufuhr und Abfuhr von als
Kälteträger dienendem Wasser. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb
des vorgenannten Eisspeichers.
[0002] Für Kälteverbraucher, wie z.B. Klima- oder Kühlanlagen, müssen oft große Kältemengen
für kurze Zeit und in einem Temperaturbereich über 0° C, z.B. 1 bis 12° C, bereitgestellt
werden. Zur Deckung eines solchen stoßweisen Kältebedarfs eignen sich Eisspeicher
besonders gut, da Eis wegen seiner großen Erstarrungswärme von 336 kJ/kg große Kältemengen
zu speichern vermag. Bei einem Eisspeicher der eingangs gennanten Bauart wird das
Eis außen an den Kühlrohren angefroren und im Bedarfsfalle zur Kältelieferung abgeschmolzen.
Um nun große Kältemengen auf geringem Raum speichern zu können, ist es einerseits
wünschenswert, möglichst viele Kühlrohre auf engem Raum unterzubringen, andererseits
muß jedoch gesichert sein, daß das Eis verschiedener Kühlrohre nicht zu einem großen
Eisklotz zusammenwächst und den Fluß des Kälteträgers durch den Eisspeicher sehr
stark drosselt oder ganz blockiert.
[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Eisspeicher der eingangs genannten
Art derart weiterzubilden, daß er bezüglich Bauaufwand und Funktion optimal oder
doch zumindest weitgehend optimal gestaltet ist. Darüber hinaus soll der Eisspeicher
universell einsetzbar und den Forderungen des Betriebs voll gewachsen sein.
[0004] Diese Aufgabe wird bei einem Eisspeicher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
durch folgende Merkmale gelöst:
- die Kühlrohre erstrecken sich in gerader Richtung durch den Speicherraum von einem
axialen Verschlußdeckel zum anderen axialen Verschlußdeckel des Speicherraums,
- die Kühlrohre, die an dem einen Verschlußdeckel unterhalb der in Längsrichtung
verlaufenden Mittenebene des Speicherraums enden (Vorströmrohre), sind außerhalb
des Speicherraums mit einer Zufuhrleitung für das Kältemittel verbindbar,
- die Kühlrohre, die an dem einen Verschlußdeckel oberhalb der Mittenebene es Speicherraums
enden (Rück strömrohre), sind außerhalb des Speicherraums mit einer Abfuhrleitung
für das Kältemittel verbindbar,
- die Vorströmrohre sind im Bereich des anderen Verschlußdeckels außerhalb des Speicherraums
mit dem Rückströmrohren in Verbindung und
- im Speicherraum ist zwischen benachbarten Kühlrohren ein lichter Abstand von 6 bis
9 cm, vorzugsweise 7 bis 8 cm, zwischen den Kühlrohren und festen Wänden dagegen ein
lichter Abstand von mindestens 6 cm, vorzugsweise 8 cm, vorgesehen.
[0005] Durch die Ausbildung der Speicherrohre als gerade Rohre ergibt sich ein geringer
Bauaufwand. Durch die Zu- bzw. Abfuhr des Kältemittels an dem einen Verschlußdeckel
und durch die Verbindung der Kühlrohre an dem anderen Verschlußdeckel wird hohe Speicherfähigkeit
bei geringer Baulänge erzielt. Hierbei ist von besonderer Bedeutung, daß die Verbindung
der Vorströmrohre mit den Rückströmrohren außerhalb des Speicherraums erfolgt. Hierdurch
sind den Ausgestaltungsmöglichkeiten dieses Verbindungsbereichs keine Grenzen gesetzt.
Hinzu kommt, daß dieser Verbindungsbereich nicht zu Eisspeicherung herangezogen wird
und daher die Eisspeicherung an den geraden Speicherrohren jeweils unter gleichen
Bedingungen durchgeführt wird, so daß mit einem gleichmäßigen Anwachsen der Eisschichten
auf den Kühlrohren zu rechnen ist. Schließlich hat sich gezeigt, daß die angegebenen
Abstandswerte für die Kühlrohre eine weitgehend gute Ausnutzung des zur Verfügung
stehenden Speicherraums ermöglichen. Insgesamt gesehen führt die erfindungsgemäße
Lehre zu einem Eisspeicher, der geringen baulichen Aufwand mit hoher Speicherkapazität
verbindet.
[0006] Damit eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf die einzelnen Speicherrohre
gefördert wird, empfiehlt es sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
daß die Vorströmrohre an eine, an den einen Verschlußdeckel grenzende und außerhalb
des Speicherraums angeordnete Verteilkammer angeschlossen sind, die einen Anschluß
für die Kältemittelzufuhrleitung aufweist, daß die Rückströmrohre an eine an den einen
Verschlußdeckel grenzende und außerhalb des Speicherraums angeordnete Sammelkammer
angeschlossen sind, die einen Anschluß für die Kältemittelabfuhrleitung aufweist,
daß die anderen Enden der Vorström- und Rückströmrohre durch eine an den anderen Verschlußdeckel
grenzende und außerhalb des Speicherraums angerodnete Wendekammer miteinder verbunden
sind.
[0007] Eine andere, bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß im Bereich
der Rückströmrohre ein Verteilkanal mit größtmöglichem Abstand zur Mittenebene, diametral
hierzu ein Sammelkanal für den Kälteträger im Speicherbehälter angeordnet ist, die
beide in Richtung der Längsachse des Speicherbehälters verlaufen und die jeweils mit
mindestens einem Kälteträgerrücklaufanschluß bzw. Kälteträgervorlaufanschluß versehen
sind, und daß der Verteilkanal und der Sammelkanal jeweils gleichmäßig verteilte Öffnungen,
der en Querschnitte klein sind im Verhältnis zum zugehörigen Kanalquerschnitt, mit
dem Speicherraum verbunden sind. Durch diese Maßnahme wird eine über die Länge des
Speicherraums gleichmäßig verteilte Zufuhr des Kälteträgers und eine ebenso gleichmäßige
Abfuhr des Kälteträgers aus dem Speicherraum erreicht, so daß die Speicherrohre auf
ihrer gesamten Länge weitgehend gleichmäßig umströmt sind. Durch diese Maßnahme wird
ein sehr gleichmäßiges Abschmelzen der an den Kühlrohren angefrorenen Eisschichten
und somit eine gleichmäßige Entladung des Eisspeichers erreicht.
[0008] Diese gleichmäßige Zu- und Abfuhr des Kälteträgers wird noch gefördert, wenn zweckmäßig
der Verteilkanal und der Sammelkanal jeweils einen Querschnitt aufweist, der mindestens
das 3-fache des Querschnittes des zugehörigen Rücklauf- bzw. Vorlaufanschlusses beträgt.
[0009] In die gleiche Richtung wirkt sich auch aus, wenn vorteilhaft drei Kälteträgerrücklaufanschlüsse
bzw. drei Vorlaufanschlüsse jeweils über die Länge des Verteilkanals bzw. Sammelkanals
gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
[0010] Da es für eine gleichmäßige Be- und Entladung des Eisspecihers am günstigsten ist,
wenn die Eisspeicherung lediglich an den Speicherrohren erfolgt, empfiehlt es sich,
daß in jenen Bereichen, in dem die Verteilkammer, die Sammelkammer und die Wendkammer
an den einen bzw. anderen Verschlußdeckel grenzen, zwischen die Kammern und die zugeordneten
Verschlußdeckel jeweils eine thermische Isolierschicht eingefügt ist. Hierdurch ist
sichergestellt, daß ein Eisansatz an den Verschlußdeckeln vermieden ist.
[0011] Gemäß einer anderen, vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Eisspeichers
ist zwischen den Vorströmrohren und den Rückströmmrohren eine gerade Trennwand im
Speciherraum angeordnet, die sich von dem einen Verschlußdeckel in Richtung zum anderen
Verschlußdeckel erstreckt und die mit einem Abstand, der 1/4 bis 1/3 der Länge des
Speicherraums beträgt, vor dem anderen Verschlußdeckel endet, und daß in der Nähe
des einen Verschlußdeckels im Bereich der Rückströmrohre eine Kälteträgerrücklaufleitung
und im Bereich der Vorströmrohre eine Kälteträgervorlaufleitung angeschlossen ist.
Gemäß dieser Ausführungsform fließt das Kältemittel und der Kälteträger im Gegenstrom,
so daß optimale Wärmeübertragungswerte erreicht werden.
[0012] Für die Kältemittelversorgung und -entsorgung sowie für die Umlenkung des Kältemittels
von den Vorströmrohren zu den Rückströmrohren empfiehlt es sich, daß die Vorströmrohre,
die an dem einen Verschlußdeckel enden, durch jeweils eine Verteilleitung mit einer
Kältemittelverteilspinne verbunden sind, an die die Kältemittelzufuhrleitung anschließbar
ist, daß die Vorströmrohre an dem anderen Verschlußdeckel durch Rohre, die außerhalb
des Speicherraumes angeordnet sind, mit den Rückströmrohren verbunden sind, und daß
die Rückströmrohre, die an dem einen Verschlußdeckel enden, durch eine Sammelleitung
mit einem Kältemittelabscheider verbunden sind.
[0013] Ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb des Eisspeichers, wobei die Speicherrohre auf
der Außenseite durch den Kälteträger beaufschlagt werden, besteht darin, daß der Eisspeicher
durch Anfrieren von zylindrischen Eisschichten an den Außenflächen der Speicherrohre
aufgeladen wird, daß der Ladezustand des Eisspeichers entweder durch die von der Eisbildung
bewirkte Wasserverdrängung und/oder durch die Messung des Durchflußwiderstandes des
Speicherraums erfaßt wird, daß beim Erreichen eines vorgesetzten Grenzwertes der
Wasserverdrängung bzw. des Durchflußwiderstandes die Zufuhr von Kältemittel zu den
Speicherrohren unterbrochen wird, und daß zum Entladen des Eisspeichers die Eisschichten
durch den durch den Speicherraum zirkulierenden Kälteträger abgeschmolzen werden,
wobei der Massenstrom des Kälteträgers so gewählt ist, daß der Kälteträger eine Abkühlung
um höchstens 3, vorzugsweise 2 K erfährt.
[0014] Durch die angegebenen Maßnahmen zur Messung des Ladezustandes wird mit Sicherheit
ein Zusammenwachsen der Eisschichten einzelner Speicherrohre vermieden und im Falle
der Speicherentladung eine effektive Umströmung der Eisschichten durch den Kälteträger
gewährleistet. Für eine gleichmäßige Um- und Durchströmung ist es besonders vorteilhaft,
wenn der Massenstrom des Kälteträgers groß ist, und zwar so groß daß der Kälteträger
höchstens die angegebene Abkühlung erfährt.
[0015] Die durch die Eisbildung bewirkte Wasserverdrängung kann zweckmäßig am Wasserspiegelanstieg
eines Ausdehnungsgefäßes erfaßt werden, das an den Kälteträgerkreislauf angeschlossen
ist. Im Falle eines geschlossenen Kälteträgersystems ist es jedoch zweckmäßig, die
Wasserverdrängung durch den hierdurch bewirkten Druckanstieg im Kälteträgersystem
zu erfassen.
[0016] Da beim Fluß Kälteträgers durch den Speicherraum mit zunehmender Eisbildung der Durchflußwiderstand
ansteigt, empfiehlt es sich, daß zur Erfassung des Durchflußwiderstandes die Kälteträgerzirkulation
kurzzeitig, z.B. eine Minute, in Betrieb genommen wird. Hierbei ist von der üblichen
Betriebsweise ausgegangen worden, wonach während des Ladevorganges des Eisspeichers
die Zirkulation des Kälteträgers durch den Speicherraum unterbunden ist.
[0017] Die Erfindung wird dim folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den schematischen Zeichnungen näher beschrieben.
[0018] Hierbei zeigt:
Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Eisspeichers,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 1 gemäß der Schnittlinie II-II
der Fig. 1,
Fig. 3 den Ausschnitt III der Fig. 2 als Einzelheit und in größerer Darstellung,
Fig. 4 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Eisspeichers im vertikalen
Längsschnitt,
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 4 gemäß der Schnittlinie V-V,
Fig. 6 eine mit einem Eisspeicher gemäß Fig. 1 versehene Kälteanlage in schematischer
Darstellung und
Fig. 7 eine mit einem Eisspeicher gemäß Fig. 4 versehene Kälteanlage in schematischer
Darstellung.
[0019] Gemäß Fig. 1 weist die erste Ausführungsform des Eisspeichers einen zweckmäßig liegenden
Speicherbehälter 8 mit einem druckfesten, zylindrishchen Mantel 10 auf, in dem der
Speicherraum 12 ausgebildet ist. Der Speicherraum ist an dem in der Zeichnung rechten
Ende mit dem ebenen einen Verschlußdeckel 14, an dem anderen Ende mit dem ebenen anderen
Verschlußdeckel 16 verschlossen. Zwischen den beiden Verschlußdeckeln erstreckt sich
eine Vielzahl von Speicherrohren 18, die über den Querschnitt des Speicherraums gleichmäßig
verteilt angeordnet sind. In Fig. 1 sind der Übersicht wegen lediglich vier Speicherrohre
eingezeichnet, obwohl, wie aus dem Querschnitt gemäß Fig. 2 zu erkennen ist, eine
Vielzahl von Speicherrohren vorgesehen ist. Die unterhalb einer horizontalen Mittenebene
des Speichers verlaufenden Speicherrohre werden als Vorströmrohre 20, die oberhalb
der Mittenebene verlaufende Speicherrrohre werden als Rückströmrohre 22 bezeichnet.
Die horizontale Mittenebene enthält vorzugsweise die zentrale Längsachse 24 des Speicherraumes
12. In manchen Fällen, insbesondere wenn die Anzahl der Vorströmrohre verschieden
ist von der Anzahl der Rückströmrohre, ist es zweckmäßig, daß die Mittenebene oberhalb
oder unterhalb der Längsachse ver läuft und ebenfalls die Richtung der Längsachse
24 aufweist. In den Vorströmrohren 20 strömt das Kältemittel vom einen Verschlußdeckel
14 in Richtung zum anderen Verschlußdeckel 16, in den Rückströmrohren ist die Strömungsrichtung
des Kältemittels umgekehrt. Sämtliche Speicherrohre 18 haben zweckmäßig den gleichen
Durchmesser.
[0020] Außerhalb des Speicherraums ist eine an den einen Verschlußdeckel 14 grenzende Verteilkammer
26 vorgesehen, die mit einem Anschluß 28 für eine Kältemittelzufuhrleitung versehen
ist. An diese Verteilkammer 26 sind die Vorströmrohre 20 angeschlossen. Oberhalb der
Verteilkammer 26 befindet sich eine auf die gleiche Weise angeordnete Sammelkammer
30, in die die Rückströmrohre 22 münden und die einen Anschluß 32 für eine Kältemittelabfuhrleitung
aufweist. Die Verteilkammer 26 und die Sammelkammer 30 sind durch eine horizontale
Wand 34 voneinander getrennt, die ungefähr in der Mittenebene verläuft, wobei bezüglich
der Mittenebene das weiter oben gesagte gilt. Zum Außenraum hin ist die Verteilkammer
26 und die Sammelkammer 30 durch einen mit Abstand zum ebenen Verschlußdeckel 14
verlaufenden kuppelförmigen Deckel 36 begrenzt. Die Verteilkammer 26 und die Sammelkammer
30 haben, in Richtung der Längsachse 24 gesehen, jeweils die Form eines Halbkreises.
[0021] Die Speicherrohre 18 münden in Bereich des ebenen, anderen Verschlußdeckels 16 in
eine Wendekammer 38, die sich außerhalb des Speicherraums 12 befindet und an den anderen
Verschlußdeckel 16 grenzt. Diese Wendekammer wird, ähnlich wie die Verteilkammer 26
und Sammelkammer 30, zum Außenraum hin durch einen kuppelförmigen Deckel 40 verschlossen,
der an dem anderen Verschlußdeckel 16 befestigt ist.
[0022] Im höchsten Bereich des liegenden Speicherraums 12 ist ein Verteilkanal 42, im tiefsten
Bereich dagegen ein Sammelkanal 44 für den Kälteträger vorgesehen (vergl. auch Fig.
2). Der Verteilkanal und der Sammelkanal erstrecken sich jeweils über die gesamte
Länge des Speicherraums 12. Der Verteilkanal 42 und der Sammelkanal 44 ist zum Außenraum
46 hin jeweils durch einen Bereich des Mantels 10 begrenzt. Die Begrenzung des Verteilkanals
42 zum Speicherraum 12 hin erfolgt durch eine horizontal verlaufende Verteilplatte
48, die Begrenzung des Sammelkanals 44 zum Speicherraum hin geschieht durch eine
horizontal verlaufende Sammelplatte 50.
[0023] Der Verteilkanal 42 ist mit drei Stück Kälteträgerrück laufanschlüssen 52 versehen,
die über die Länge des Verteilkanals 42 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die
Kälteträgerrücklaufanschlüsse 52 sind jeweils im höchsten Bereich des Verteilkanals
42 angeordnet, der die Form eines Kreisabschnittes aufweist. Der Querschnitt des Verteilkanals
42 beträgt mindestens das dreifache des Querschnitts eines der Kälteträgerrücklaufanschlüsse
52. In der Verteilplatte 48 ist eine Vielzahl von Öffnungen 54 vorgesehen, deren
Querschnitte jeweils sehr klein sind im Verhältnis zum Querschnitt des Verteilkanals
42.
[0024] Der Sammelkanal 44 und die Sammelplatte 50 ist auf die gleiche Weise wie der Verteilkanal
42 und die Verteilplatte 48 ausgebildet und im tiefsten Bereich des Speicherraums
12 angeordnet. Die am Sammelkanal 44 vorgesehenen drei Kälteträgervorlaufanschlüsse
56 sind bezüglich der durch die Längsachse24 angedeuteten Mittenebene spiegelbildlich
zu den Kälteträgerrücklaufanschlüssen 52 angeordnet.
[0025] In Fig. 2 sind besonders die gleichmäßige Verteilung der Vielzahl von Speicherrohren
über den Querschnitt sowie die identischen Profile des Verteilkanals 42 und des Sammelkanals
44 zu erkennen. Die Anzahl der Vorströmrohre ist vorzugsweise gleich der Anzahl der
Rückströmrohre.
[0026] Der eine Verschlußdeckel 14 und der andere Verschlußdeckel 16 ist jeweils auf seiner
Außenseite, mit welcher er an die Verteilkammer 26 bzw. Sammelkammer 30 bzw. Wendekammer
38 grenzt, mit einer thermischen Isolierschicht 58 versehen. Diese Isolierschicht
besitzt eine Dicke von ungefähr 5mm und sie besteht vorzugsweise aus Silikongummi.
[0027] Fig. 3 zeigt den Ausschnitt III der Fig. 2 als Einzelheit und in größerer Darstellung.
Man erkennt drei Speicherrohre 18, die im vorliegenden Fall Vorströmrohre 20 sind.
Der lichte Abstand a zwischen den einzelnen Speicherrohren 18 beträgt 7 bis 8 cm,
der Abstand b zwischen den Speicherrorhren 18 und dem Mantel 10 beträgt mindestens
6 cm, vorzugsweise 8 cm. Der Außendurchmesser der Speicherrohre 18 beträgt im vorliegenden
Ausführungsbeispiel ungefähr 2, 5 cm. In Fig. 3 sind noch die kreiszylindrische
Eisschichten 60 eingezeichnet, die sich während des Betriebs an den Speicherrohren
18 bilden. Die Eisschichten dürfen bei aufgeladenem Kältespeicher maximal den durch
die gestrichelten Linien 62 angedeuteten Durchmesser erreichen, der so gewählt ist,
daß zwischen den Eisschichten 60 benachbarter Speicherrohre 18 ein freier Spalt 64
verbleibt, der an seiner engsten Stelle eine Größe von mindestens 1cm nicht unterschreitet.
[0028] Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform des Eisspeichers im zentralen Längsschnitt.
Man erkennt den zweck mäßig liegenden Speicherbehälter 89 mit einem zylindrischen
Mantel 66, der den Speicherraum 68 umschließt. Der eine axiale Verschlußdeckel 70
befindet sich an dem in der Zeichnung rechten Ende des Speicherraumes, der ande re
axiale Verschlußdeckel 72 verschließt das gegenüberliegende Ende. Beide Verschlußdeckel
sind am Mantel 66 befestigt. Zwischen den Verschlußdeckeln 70, 72 erstrecken sich
die geraden Speicherrohre 74, von denen in Fig. 4 nur einige dargestellt sind. Jene
Speicherrohre, die sich unterhalb einer horizontalen Mittenebene befinden, werden
als Vorströmrohre 76, die sich oberhalb der Mittenebene befindenden Speicherrohre
werden als Rückströmrohre 78 bezeichnet. Die horizontale Mittenebene ist in den Figuren
4 und 5 durch die zentrale Längsachse 80 angedeutet. Im übrigen gilt auch hier das
weiter oben über die Mittenebene gesagte. Wie aus dem Querschnitt gemäß Fig. 5 au
erkennen ist, ist eine Vielzahl von Speicherrohren 74 über den Querschnitt des Speciherraums
68 gleichmäßig verteilt angeordnet. Bezüglich des gegenseitigen Abstandes der Speicherrohre
sowie des Abstandes zwischen Speicherrohren und an deren festen Bauteilen, z.B. dem
Mantel 66, gelten auch hier die im Zusammenhang mit Fig. 3 gegebenen Erläuterungen.
[0029] Die Speicherrohre 74 sind durch den anderen Verschlußdeckel 72 in den Außenraum
geführt und durch jeweils einen Rohrbogen oder durch einn L-förmiges Rohrteil miteinander
verbunden, und zwar derart, daß jeweils ein Vorströmrohr 76 mit einem Rückströmrohr
78 verbunden ist. Die Verbindung ist hierbei so gewählt, daß jeweils jene Vorström-
und Rückströmrohre miteinander verbunden sind, die bezüglich der horizontalen Mittenebene
spiegelbildlich angeordnet sind, wie dies deutlich aus Fig. 4 zu erkennen ist.
[0030] Die Vorströmrohre 76 und die Rückströmrohre 78 enden an dem einen Verschlußdeckel
70. Die Enden der Vorströmrohre 76 sind jeweils durch eine Verteilleitung 84 mit
einer Verteilspinne 86 verbunden, durch die das Kältemittel den Vorströmrohren zugeführt
wird. Die Enden der Rückströmrohre 78 sind durch jeweils eine Sammelleitung 88 mit
einem Kältemittelsammelbehälter 90 verbunden.
[0031] In der horizontalen Mittenebene des Speicherraums (Längsachse 80) ist eine Trennwand
92 angeordnet, die sich vom einen Verschlußdeckel 70 in Richtung zum anderen Verschlußdeckel
72 erstreckt. Die Trennwand 92 teilt in diesem Bereich den Speicherraum 68 in einen
oberen Teil 94 und einen unteren Teil 96. Da die Trennwand 92 in axialer Richtung
mit einem Abstand, der ungefähr 1/4 bis 1/3 der Länge des Speicherraums beträgt, vor
dem anderen Verschlußdeckel 72 endet, ist der obere Teil 94 und der untere Teil 96
des Speicherraums durch einen Umlenkraum 98 miteinander verbunden, der sich zwischen
dem anderen Verschlußdeckel 72 und der Trennwand 92 befindet.
[0032] In der Nähe des einen Verschlußdeckels 70 ist im höchsten Bereich des Teiles 94
ein radialer Kälteträgerrücklaufanschluß 100 am Mantel 66 angeordnet, am tiefsten
Punkt des Teiles 96 des Speicherraums dagegen ein radialer Kälteträgervorlaufanschluß
102 vorgesehen.
[0033] Im Querschnitt gemäß Fig. 5 erkennt man deutlich die Vielzahl der Speicherrohre 74,
die gleichmäßig über den Querschnitt des Speicherraumes verteilt angeordnet ist. Der
Übersicht wegen sind in Fig. 4 dagegen lediglich vier Speicherrohre 74 eingezeichnet.
[0034] Fig. 6 zeigt den Eisspeicher gemäß Fig. 1 als Bestandteil einer Kälteanlage, die
schematisch dargestellt ist.
[0035] Die Kälteanlage umfaßt einen Kältemittelverdichter 104, dessen Ausgang mit einem
Kältemittelunterkühler/-überhitzer 108 verbunden ist, wobei in die Verbindungsleitung
110 ein Kältemittelkondensator 106 eingeschaltet ist. Der Kältemittelkondensator ist
im vorliegenden Ausführungsbeispiel luftgekühlt. Vom Kältemittelunterkühler/-überhitzer
108 führt eine Leitung 112 mit eingefügtem Expansionsventil 114 zum Anschluß 28 der
Verteilkammer 26 des Eisspeichers. Vom Anschluß 38 der Sammelkammer 30 des Eisspeichers
führt eine Leitung 116 über den Kältemittelunterkühler/überhitzer zur Saugseite des
Kältemittelverdichters 104.
[0036] Das Kälteträgersystem mit Wasser als Kälteträger weist eine Kälteträgervorlaufleitung
118 auf, welche die Kälteträgervorlaufanschlüsse 56 mit dem Eingang eines Wärmetauschers
120 verbinden, der beispielsweise in einem Luftkanal 122 angeordnet ist und der als
Kälteverbraucher dient. Eine Kälteträgerrücklaufleitung 124, in die eine Umwälzpumpe
126 eingefügt ist, führt vom Ausgang des Wärmetauschers 120 zu den Kälteträgerrücklaufanschlüssen
52 des Eisspeichers.
[0037] Im höchsten Bereich der Kälteträgerrücklaufleitung 124 ist ein offenes Ausdehnungsgefäß
128 angeschlossen, das mit einem Schauglas 130 versehen ist. Dieses Schauglas dient
zur Beobachtung des Wasserstandes im Ausdehnungsgefäß 128.
[0038] Für die Aufladung des Eisspecihers, d.h. für Kältespeicherung wird der Kältemittelverdichter
104 in Betrieb genommen, das verdichtete, gasförmige Kältemittel im Kondensator 106
kondensiert und das flüssige Kältemittel dem Kältemittelunterkühler/-überhitzer 108
zugeführt. Hier wird das flüssige Kältemittel unterkühlt, dann durch das Expansionsventil
114 entspannt und durch die Rohrleitung 112 der Verteilkammer 26 zugeführt. Von hier
strömt das flüssige Kältemittel in die Vorströmrohre 20 und durch die Wendekammer
38 in die Rückströmrohre 22. In den Vor- und Rückströmrohren, welche die Speicherrohre
18 bilden, verdampft das flüssige Kältemittel, so daß sich im wassergefüllten Speicherraum
Eisschichten um die Speicherrohre 18 bilden.
[0039] Der Kältemitteldampf strömt in den Speicherrohren 18 zur Sammelkammer 30 und von
hier durch die Leitung 116 zum Kältemittelunterkühler/-überhitzer 108. In diesem wird
das gasförmige Kältemittel überhitzt und dann durch die Rohrleitung 116 weitergeführt
zur Saugseite des Kältemittelverdichters 104, so daß Kältemittelkreislauf geschlossen
ist.
[0040] Während dieses Vorganges ist die Umwälzpumpe 126 des Kälteträgerkreislaufes außer
Betrieb, das im Speicherraum 12 befindliche Wasser ist daher in Ruhe und friert an
den Speicherrohren 18 in kreisringförmigen Schichten an. Da die Verschlußdeckel 14
und d16 jeweils mit einer thermischen Isolierschicht 58 versehen sind, bilden sich
an diesen Verschlußdeckeln keine Eisschichten.
[0041] Da Eis gegenüber Wasser ein um ungefähr 10% größeres Volumen aufweist, steigt der
Wasserstand im Ausdehnungsgefäß 128 während des Anfrierens der Eisschichten und somit
während des Ladevorganges des Eisspeichers an. Dieser Anstieg kann durch das Schauglas
130 kontrolliert werden. Der Wasserstand im Ausdehnungsgefäß 128 ist somit ein Maß
für den Ladezustand des Eisspeichers. Durch Berechnungen und/oder Versuche wird nun
festgestellt, welcher Höhe des Wasserstandes im Ausdehnungsgefäß 128 der volle Ladezustand
des Eisspeichers zugeordnet ist.
[0042] Beim Erreichen dieses vollen Ladezustandes wird dann der Kältemittelverdichter 106
außer Betrieb genommen und eine weitere Ladung des Speichers unterbunden. Der volle
Ladezustand des Eisspeichers ist dann gegeben, wenn zwischen den Eisschichten benachbarter
Rohre ein Spalt von ungefähr 1cm lichter Weite freibleibt (vergl. Fig. 3). Dieser
freie Spalt ist erforderlich, damit der Kälterträger während des Entladevorganges
des Eisspeichers das an den Speicherrohren angefrorene Eis gut umströmen und abschmelzen
kann.
[0043] Für die Entladung des Eisspeichers wird im Falle des Kältebedarfs des Kälteverbrauchers
die Umwälzpumpe 126 in Betrieb genommen, so daß Kälteträger durch die Kälteträgervorlaufleitung
den drei Kälteträgerrücklaufanschlüssen 52 zugeführt wird. Von hier strömt der Kälteträger
in den Verteilkanal 42. Da der Verteilkanal 42 durch eine Vielzahl von Öffnungen 54
mit dem Speicherraum 12 verbunden ist, wird der Kälteträger gleichmäßig über die
Länge des Speicherraums verteilt in den Speicherraum 12 eingeführt. Zur gleichmäßigen
Verteilung des Kälteträgers trägt auch der Umstand bei, daß der Kälteträgerrücklauf
durch drei gleichmäßig verteilte Kälteträgerrücklaufanschlüsse 52 in den Verteilkanal
42 eingeführt wird.
[0044] Im Speicherraum 12 fließt der Kälteträger unter Umströmung und Abschmelzung der
Eisschichten, d.h. unter Abkühlung, nach unten zum Samelkanal 44, in den der Kälteträger
durch die Vielzahl von Öffnungen 54 der Sammelplatte 50 eintritt. Durch diese Maßnahme
im Zusammenwirken mit den drei gleichmäßig am Sammelkanal 44 angeordneten Kälteträgervorlaufanschlüssen
56 wird eine über die Länge des Speicherraums 12 gleichmäßige Abfuhr des Kälteträgers
aus dem Speicherraum erreicht. Hierdurch ist im Zusammenwirken mit der gleichgestalteten
Zufuhr des Wärmeträgers zum Speicherraum eine praktisch gleichmäßige Durchströmung
des Speicherraums und somit eine gleichmäßige Abschmelzung der Eisschichten gewährleistet.
Durch die Kälteträgervorlaufleitung 118 wird der Kälteträger dann dem Wärmetauscher
120 zugeführt, der Nutzkälte an die im Luftkanal 122 strömende Luft abgibt. Der erwärmte
Wärmeträger tritt dann in die Kälteträgerrücklaufleitung 124 ein und wird durch die
Umwälzpumpe 126 zu neuem Kreislauf dem Eisspeicher zugeleitet.
[0045] Fig. 7 zeigt den Eisspeicher gemäß Fig. 4 im Zusammenhang mit einer Kälteanlage.
Die Kälteanlage weist, genau wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, einen Verdichter
132, einen Kondensator 134, einen Kältemittelunterkühler/-überhitzer 136 sowie ein
Expansionsventil 138 auf. Vom Expansionsventil 138 führt eine Leitung 140 zur Verteilspinne
86, die das zugeführte flüssige Kältemittel aufteilt und durch die Verteilleitungen
84 den Vorströmrohren 76 zuführt. Von den Enden der Rückströmrohre führen Sammeleitungen
88 zu einem Kältemittelabscheider 90, der durch eine Leitung 142 mit dem Kältemittelunterkühler/-überhitzer
136 verbunden ist. Von hier führt eine Leitung 144 zur Saugseite des Kältemittelverdichters
132 zurück.
[0046] Das Kälteträgersystem, das ebenfalls Wasser als Kälteträger aufweist, besitzt eine
Kälteträgervorlaufleitung 146, die den Kälteträgervorlaufanschluß 102 mit dem Wärmetauscher
148 verbindet. Vom Wärmetauscher 148, der z.B. in einem Luftkanal 150 angeordnet ist,
führt eine Kälteträgerrücklaufleitung 152 mit eingefügter Umwälzpumpe 154 zum Kälteträgerrücklaufanschluß
100 zurück.
[0047] Der den Kälteträger führende Kreislauf ist als geschlossenes System ausgebildet,
er besitzt daher eine Mem bran-Ausdehnungsgefäß 156, das an die Kälteträgerrücklaufleitung
152 angeschlossen ist. Um nun die Volumenausdehnung des Kälteträgerkreislaufes, die
durch die Eisbildung bewirkt wird, zu erfassen, ist an die Kälteträgerrücklaufleitung
152 ein Druckmeßgerät 158, z.B. ein Manometer, angeschlossen. Dieses zeigt die Drucksteigerung
im Kälteträgersystem an. Durch Berechnung und/oder Versuche wird vorab festgestellt,
welcher Drucksteigerung einer zulässigen Aufladung des Eisspeichers entspricht. Nach
dem Erreichen dieser Drucksteigerung wird dann der Kältemittelverdichter 132 abgestellt,
und die weitere Aufladung unterbunden. Selbstverständlich wird man diese Drucksteigerung
und das Ausschalten des Kältemittelverdichters 132 mit Hilfe von Pressostaten selbsttätig
durchführen. Auch hier wird der Eisspeicher solange aufgeladen, bis die weiter oben
genannten Grenzwerte der Eisschichtdicken bzw. Abstände erreicht sind.
[0048] Der Ladezustand des Eisspeichers kann alternativ auch durch Messung des Durchflußwiderstandes,
d.h. durch Messung des Druckverlustes bestimmt werden, den der Kälteträger beim
Durchströmen des Speicherraums 68 erleidet. Hierzu ist ein Differenzdruckmesser 160
mit dem Kälteträgervorlaufanschluß 102 und dem Kälteträgerrücklaufanschluß 100 durch
Meßleitungen 162 verbunden. Die Meßleitungen können alternativ auch an die Kälteträgervorlaufleitung
und die Kälteträgerrücklaufleitung jeweils in der Nähe der zugehörigen Anschlüsse
100,102 angeschlossen sein. Da mit zunehmender Eisbildung im Eisspeicher der freie
Durchflußquerschnitt des Wärmeträgers durch den Speicherraum gedrosselt wird, steigt
der Durchflußwiderstand des Speicherraums 68 an, d.h. der Differenzdruck zwischen
dem Kälteträgerrücklaufanschluß 102 und dem Kälteträgervorlaufanschluß 100 wird größer.
Durch Berechnung oder Versuche läßt sich nun feststellen, welcher Differenzdruck
dem voll aufgeladenen Eisspeicher entspricht. Beim Erreichen dieses Differenzdruckes
wird dann der Kältemittelverdichter 132 selbsttätig abgestellt. Für die Erfassung
des Differenzdruckes wird zweckmäßig ein Differenzdruckwächter eingesetzt, der den
Kältemittelverdichter 132 selbsttätig abschaltet.
[0049] Selbstverständlich wird man sich für eine einzige Anordnung zur Bestimmung des Ladezustandes
des Eisspeichers entscheiden. Hierbei ist zu bemerken, daß die im Zusammenhang mit
Fig. 7 gezeigten Anordnungen auch bei einer Anlage gemäß Fig. 6 zweckmäßig sind und
umgekehrt.
[0050] Zur Aufladung des Kältespeichers wird der Kältemittelverdichter in üblicher Weise
in Betrieb genommen und das im Expansionsventil 138 entspannte flüssige Kältemittel
durch die Leitung 140 der Verteilspinne 86 zugeführt. An diese Kältespinne 86 sind
die Verteilleitungen 84 angeschlossen, die jeweils zu einem Vorströmrohr 86 führen
und jedem dieser Vorströmrohre Kältemittel zuführen. Dieses Kältemittel strömt von
den Vorströmrohren 76 durch die Rohrbogen 82 zu den Rückströmrohren 78. Durch die
Verdampfung des Kältemittels in den Vorströmrohren und Rückströmrohren bilden sich
im Speicherraum Eisschichten an diesen Rohren. Das verdampfte Kältemittel strömt
dann durch die Sammelleitungen 88 zu dem Kältemittelabscheider 90 und von hier weiter
durch den Kältemittelunterkühler/-überhitzer zum Eingang des Kältemittelverdichters
132.
[0051] Damit die Ausbildung der Eisschichten an den Speicherrohren 74 gleichmäßig erfolgt,
findet während des Ladevorganges keine Zirkulation des Kälteträgers durch den Speicherraum
68 statt, das heißt die Umwälzpumpe 154 ist abgestellt. Der Ladezustand des Eisspeichers
wird, wie weiter oben beschrieben, durch das Druckmeßgerät 158 erfaßt. Alternativ
hierzu läßt sich hierzu auch der ebenfalls weiter oben beschriebene Differenzdruckmesser
160 einsetzen. Für den Meßvorgang ist es in diesem Falle jedoch erforderlich, die
Zirkulation des Kälteträgers kurzzeitig, z.B. während einer Zeitspanne von einer Minute,
einzuschalten, um den Druckabfall des Kälteträgers im Speicherraum 68 und damit den
Ladezustand des Eisspeichers erfassen zu können.
[0052] Nach aufgeladenem Eisspeicher wird bei Kältebedarf des Kälteverbrauchers die Umwälzpumpe
154 in Betrieb genommen und der Kälteträger durch die Kälteträgerrücklaufleitung
152 und den Kälteträgerrücklaufanschluß 150 in den oberen Teil 94 des Speicherraums
68 eingeführt. Da im Speicherraum 68 die Trennwand 92 vorgesehen ist, strömt der Kälteträger
im oberen Teil 94 in Richtung zum anderen Verschlußdeckel 72 tritt in den Umlenkraum
98 ein und fließt dann im unteren Teil 96 des Speicherraums zum Kälteträgervorlaufanschluß
102 zurück. Von hier wird der Kälteträger durch die Kälteträgervorlaufleitung 146
dem Wärmetauscher 158 zugeführt, der Kälte an den z.B. im Luftkanal 150 strömenden
Luftstrom abgibt. Der erwärmte Kälteträger wird dann der Umwälzpumpe zugeführt, die
Kälteträger zum weiteren Kreislauf wiederum dem Kälteträgervorlaufanschluß 100 zuführt.
Während der Durchströmung des Speicherraumes 68 schmilzt der Kälteträger die Eisschichten
der Speicherrohre 74 ab, wobei der Kälteträger abgekühlt wird.
[0053] Um Kälteverluste zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die im Außenraum sich befindenden
Rohrbogen 82 sowie die gesamte äußere Oberfläche des Kältespeichers mit einer in
den Figuren nicht dargestellten thermischen Isolierschicht zu versehen.
1. Eisspeicher für die Kälteversorgung von Kälteverbrauchern, mit einem zylindrischen
Speicherbehälter (8;89), in dessen Speicherraum (12;68) von einem Kältemittel durchströmbare
und mit gegenseitigem Abstand verlaufende Speicherrohre (18;74) angeordnet sind,
sowie mit am Speicherraum (12;68) vorgesehenen Anschlüssen für die Zufuhr und Abfuhr
von als Kälteträger dienendem Wasser, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- die Speicherrohre (18;74) erstrecken sich in gerader Richtung durch den Speicherraum
(12;68) von einem axialen Verschlußdeckel (14;70) zum anderen axialen Verschlußdeckel
(16;72) des Speicherraums,
- die Speicherrohre (18;74), die an dem einen Verschlußdeckel (14,70) unterhalb der
in Längsrichtung verlaufenden Mittenebene des Speicherraumes (12;68) enden (Vorströmrohre
(20;76)), sind außerhalb des Speicherraums mit einer Zufuhrleitung für das Kältemittel
verbindbar,
- die Speicherrohre (18;74), die an dem einen Verschlußdeckel (14;70) oberhalb der
Mittenebene des Speicherraums (12;68) enden (Rückströmrohre (22;78)), sind außerhalb
des Speicherraums (12;68) mit einer Abfuhrleitung für das Kältemittel verbindbar,
- die Vorströmrohre (20;70) sind im Bereich des anderen Verschlußdeckels (16;72) außerhalb
des Speicherraums (12,68) mit den Rückströmrohren (22,78) in Verbindung,
- im Speicherraum (12;68) ist zwischen benachbarten Speicherrohren (18;74) ein lichter
Abstand von 6 bis 9cm, vorzugsweise 7 bis 8 cm, zwischen den Speicherrohren (18;78)
und festen Wänden (10;92) dagegen ein lichter Abstand von mindestens 6cm, vorzugsweise
8cm, vorgesehen (Figuren 1 und 4).
2. Eisspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorströmrohre (20)
an eine, an den einen Verschlußdeckel (14) grenzende und außerhalb des Speicherraums
(12) angeordnete Verteilkammer (26) angeschlossen sind, die einen Anschluß (28) für
eine Kältemittelzufuhrleitung aufweist, daß die Rückströmrohre (22) an eine, an den
einen Verschlußdeckel (14) grenzende und außerhalb des Speicherraums (12) angeordnete
Sammelkammer (30) angeschlossen sind, die einen Anschluß (32) für eine Kältemittelabfuhrleitung
aufweist, daß die anderen Enden der Vorström- und Rückströmrohre (20 bzw. 22) durch
eine an den anderen Verschlußdeckel (16) grenzende und außerhalb des Speicherraums
(12) angeorndete Wendekammer miteinander verbunden sind (Fig. 1).
3. Eisspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der
Rückströmrohre (22) ein Verteilkanal (42) mit größtmöglichem Abstand zur Mittenebene,
diametral hierzu ein Sammelkanal (44) für den Kälteträger im Speicherbehälter angeordnet
ist, die beide in Richtung der Längsachse (24) des Speicherraumes (12) verlaufen
und die jeweils mit mindestens einem Kälteträgerrücklaufanschluß (52) bzw. Kälteträgervorlaufanschluß
(56) versehen sind, und daß der Verteilkanal (42) und der Sammelkanal (44) jeweils
durch gleichmäßig verteilte Öffnungen (54), deren Querschnitte klein sind im Verhältnis
zum zugehörigen Kanalquerschnitt, mit dem Speicherraum (12) verbunden sind (Figuren
1 und 2).
4. Eisspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilkanal (42)
und der Sammelkanal (44) jeweils einen Querschnitt aufweist, der mindestens das dreifache
des Querschnittes des zugehörigen Kälteträgerrücklauf- bzw. -vorlaufanschlusses (52
bzw. 56) beträgt.
5. Eisspeicher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Kälteträgerrücklaufanschlüsse
(52) und drei Kälteträgervorlaufanschlüsse (56) jeweils über die Länge des Verteilkanals
(42) bzw. Sammelkanals (44) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
6. Eisspeicher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß in jenen Bereichen, in denen die Verteilkammer (26), die Sammelkammer (30) und
die Wendekammer (38) an den einen bzw. anderen Verschlußdeckel (14 bzw. 16) grenzen,
zwischen die Kammern (26 bzw. 30 bzw. 38) und die zugeordneten Verschlußdeckel (14
bzw. 16) jeweils eine thermische Isolierschicht (58) eingefügt ist (Fig. 1).
7. Eisspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Vorströmrohren
(76) und den Rückströmrohren (78) eine gerade Trennwand (92) im Speicherraum (68)
angeordnet ist, die sich von dem einen Verschlußdeckel (70) in Richtung zum anderen
Verschlußdeckel (72) erstreckt und die mit einem Abstand, der 1/4 bis 1/3 der Länge
des Speicherraums (68) beträgt, vor dem anderen Verschlußdeckel (72) endet, und daß
in der Nähe des einen Verschlußdeckels (70) im Bereich der Rückströmrohre (78) ein
Kälteträgerrücklaufanschluß (100) und im Bereich der Vorströmrohre (76) ein Kälteträgervorlaufanschluß
(102) am Mantel des Speicherraumes (68) angeordnet ist (Fig. 4).
8. Eisspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorströmrohre (76),
die an dem einen Verschlußdeckel (70) enden, durch jeweils eine Verteilleitung (84)
mit einer Verteilspinne (86) für das Kältemittel verbunden sind, an die eine Kältemittelzufuhrleitung
anschließbar ist, daß die Vorströmrohre (76) an dem anderen Verschlußdeckel (72) durch
Rohre (82), die außerhalb des Speicherraums (68) angeordnet sind, mit den Rückströmrohren
(78) verbunden sind, und daß die Rückströmrohre (78), die an dem einen Verschlußdeckel
(70) enden, durch jeweils eine Sammelleitung (88) mit einem Kältemittelabscheider
(90) verbunden sind (Fig. 4).
9. Verfahren zum Betrieb des Eisspeichers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
die Speicherrohre (18;74) auf der Außenseite durch Wasser als Kälteträger beaufschlagt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisspeicher durch Anfrieren von zylindrishchen
Eisschichten (60) an den Außenflächen der Speicherrohre (18,74) aufgeladen wird,
daß der Ladezustand des Eisspeichers entweder durch die von der Eisbildung bewirkte
Wasserverdrängung und/oder durch die Messung des Durchflußwiderstandes des Speicherraums
(12;68) erfaßt wird, daß beim Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes der Wasserverdrängung
bzw. des Durchflußwiderstandes die Zufuhr von Kältemittel zu den Speicherrohren (18;74)
unterbrochen wird, und daß zum Entladen des Eisspeichers die Eisschichten (60) durch
den durch den Speicherraum (12;68) zirkulierenden Kälteträger abgeschmolzen werden,
wobei der Massenstrom des Kälteträgers so gewählt ist, daß der Kälteträger eine Abkühlung
um höchstens 3, vorzugsweise 2 K erfährt (Figuren 6 und 7).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserverdrängung
durch den hierdurch bewirkten Druckanstieg im geschlossenen Kälteträgersystem erfaßt
wird (Fig. 7).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Durchflußwiderstandes
die Kälteträgerzirkulation durch den Speicherraum (68) kurzzeitig, vorzugsweise eine
Minute, in Betrieb genommen wird (Fig. 7).