DE2846230A1

DE2846230A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von kanalfoermigen hohlraeumen in sich verfestigenden substanzen

Info

Publication number: DE2846230A1
Application number: DE19782846230
Authority: DE
Inventors: Frank Mehlhorn
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1978-10-24
Filing date: 1978-10-24
Publication date: 1980-05-08
Also published as: DE2846230C2

Description

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A 43 036 m Anmelder: Deutsche Forschungs- und

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Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von kanalförmigen Hohlräumen in sich verfestigenden Substanzen

vt Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von kanalförmigen Hohlräumen in sich verfestigenden Substanzen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es besteht oft die Notwendigkeit, daß man in einer sich verfestigenden Substanz kanalförmige Hohlräume einbringen muß. Dieses Problem stellt sich beispielsweise in Latentwärmespeichern, in denen ein Wärmespeichermedium beim Abkühlen von dem flüssigen in den festen Zustand übergeht und beim darauf folgenden Erwärmen wieder aufgeschmolzen wird. Ab- und Zufuhr der Wärmemenge erfolgt dabei mittels eines flüssigen oder gasförmigen Wärmetauschermediums. Normalerweise wird dieses Wärmetauschermedium beispielsweise über ein mit öffnungen versehenes Düsenrohr in das Wärmespeichermedium eingeführt und steigt dann infolge eines niedrigeren spezifischen Gewichtes an die Oberfläche des Wärmespeichermediums, von wo es wieder abgezogen wird. Wenn das Wärmetauschermedium in ein verfestigtes Wärmespeichermedium eingeleitet wird, sind jedoch in der Regel das Rohr und seine Auslässe durch das verfestigte Wärmespeichermedium verstopft, so daß das Wärmetauschermedium zunächst im Innern des Düsenrohres das Wärmespeichermedium aufschmelzen muß, um in das angrenzende Wärmespeichermedium eintreten zu können. Auch hier kann das Wärmetauschermedium nicht in der erwünschten Weise durch das Wärmespeichermedium fließen, sondern es kann die-

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ses'nur im unmittelbaren Bereich des Düsenrohres aufschmelzen. Dadurch wird der Wärmeaustausch zwischen Wärmetauschermedium und Wärmespeichermedium stark behindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem in ein sich verfestigendes Medium kanalförmige Hohlräume eingebracht werden können, die insbesondere dem Zweck dienen, ein gasförmiges oder flüssiges Medium in die verfestigte Substanz ein- und gegebenenfalls durch diese hindurchzuleiten.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man spätestens beim übergang der Substanz von der flüssigen in die feste Phase einen kanalförmigen Verdrängungskörper in die Substanz einbringt, so daß sich die Substanz unter Ausbildung eines Kanals um den Verdrängungskörper herum verfestigt, und daß man das Volumen dieses Verdrängungskörpers nach der Verfestigung derart verkleinert, daß er nur noch einen Teil de§ Kanalquerschnittes ausfüllt.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung einen im wesentlichen kanalförmigen Verdrängungskörper umfaßt, dessen Volumen willkürlich veränderlich ist.

Günstig ist es dabei, wenn der Verdrängungskörper ein Schlauch ist, dessen Volumen durch den Füllungsgrad mit einem Füllmedium variierbar ist.

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Dem Verdrängungskörper kann mindestens ein starres Stabilisierungselement zugeordnet sein, das beispielsweise durch einen im Innern des Schlauches angeordneten Stab gebildet wird.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verdrängungskörper teilweise im Innern eines Düsenrohres angeordnet ist, welches der Zufuhr eines flüssigen oder gasförmigen Wärmetauschermediums zu der ein Wärmespeichermedium bildenden, sich verfestigenden Substanz dient, und daß der Verdrängungskörper beim Austritt aus dem Düsenrohr im gefüllten Zustand dichtend an einer Austrittsöffnung anliegt,diese dadurch verschließt und das Wärmetauschermedium dadurch zwingt, durch die Auslaßöffnungen in das Wärmespeichermedium einzutreten,

während er die Austrittsöffnung bei verringertem Volumen freigibt, so daß das Wärmetauschermedium aus dem Düsenrohr in den Kanal in der verfestigten Substanz eintreten kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines

Wärmespeichermediums mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines kanalförmigen Hohlraumes;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht des Auslaßbereiches des in Fig. 1 dargestellten Düsenrohres, bei welchem der Verdrängungskörper ein großes Volumen einnimmt; 030019/0113

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Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 mit einem Verdrängungskörper, der ein geringes Volumen einnimmt

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Ver-.drängungskörpers und eines ihn umgebenden, durchbrochenen Mantels, wobei der Verdrängungskörper ein großes Volumen einnimmt und die umgebende Substanz flüssig ist;

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 4, wobei die umgebende Substanz fest ist;

Fig. 6 eine Ansicht ähnlich Fig. 5, wobei der Verdrängungskörper ein geringes Volumen einnimmt und

Fig. 7 eine Ansicht ähnlich Fig. 6, wobei der kanalförmige Hohlraum mit einem Wärmetauschermedium gefüllt ist, das durch den durchbrochenen Mantel tropfenförmig in die verfestigte Substanz eintritt.

Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und die zu seiner Durchführung verwendbare Vorrichtung anhand eines Latentwärmespeichers beschrieben, also eines Wärmespeichers mit einem Speichermedium, das bei der Wärmeabgabe vom flüssigen in den festen Zustand übergeht und bei dem der Wärmeaustausch mittels eines gasförmigen oder flüssigen Wärmetaus ehermediums erfolgt, das unmittelbar durch das Wärmespeichermedium geleitet wird, wobei es sich mit diesem nicht vermischt.

Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das erfin-

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dungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung nicht auf diese Anwendung beschränkt sind, sondern daß mit diesem Verfahren auch in andere, sich verfestigende Substanzen Hohlräume und Kanäle eingebracht werden können, beispielsweise in Formmassen aller Art, wie Kunststoffe, Metalle oder Baumaterialien (Beton).

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Wärmespeicher umfaßt einen Behälter 1, der mit einem je nach Wärmeinhalt flüssig oder fest vorliegenden Wärmespeichermedium 2 gefüllt ist, sowie eine Einleitungsvorrichtung für ein gasförmiges oder flüssiges Wärmetauschermedium 3. Das Wärmespeichermedium 2 kann beispielsweise aus Glaubersalz bestehen, als Wärmetauschermedium kann ein mit der Glaubersalzschmelze nicht mischbares öl verwendet werden.

Zur Einleitung des Wärmetauschermediums ist ein mit seitlichen öffnungen 4 versehenes Rohr 5 in das Wärmespeichermedium eingetaucht, in den das Wärmetauschermedium durch eine Einlaßleitung 6 an seiner Oberseite eingeführt wird. Es kann dann normalerweise durch die öffnungen 4 im Mantel des Rohres in das Wärmespeichermedium 2 eintreten und steigt dort nach oben, wobei es sich oberhalb des Wärmespeichermediums in Form einer Schicht 7 sammelt. Aus dieser Schicht kann es mittels einer Leitung 8 abgezogen und nach Erwärmung bzw. Abkühlung erneut in das Rohr 5 eingeleitet werden.

Von oben ist in das Rohr 5 eine Druckmedienleitung 9 eingesetzt, auf die ein schlauchförmiger Verdrängungskörper 10 dichtend aufgeschoben ist. Der schlauchförmige Verdrängungskörper 10 verläuft im Innern des Rohres 5 und tritt an dessen unterem Ende durch einen das Rohr 5 abschließenden Bo-

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den 11 in die Wärmespeichersubstanz 2 aus. Im Inneren des Wärmespeichermediums umgibt der Schlauch das Rohr 5 spiralförmig, wobei die Gänge der Spirale in Achsrichtung des Rohres auseinandergezogen sind, so daß das Ende des Verdrängungskörpers 10 auf einem oberhalb der Wärmespeichersubstanz angeordneten Rohrstutzen 12 aufgeschoben ist, der

in die Druckmedienleitung 9 einmündet. Die Druckmedienleitung 9 ist in aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise mit einer Druckmedienquelle verbunden, beispielsweise mit einer Druckluftquelle oder einer ölfördereinrichtung.

Der Verdrängungskörper 10 besteht aus einem flexiblen Material, so daß der Querschnitt des schlauchförmigen Verdrängungskörpers je nach den unterschiedlichen Druckverhältnissen auf seiner Innen- und seiner Außenseite ein größeres oder kleineres Volumen einnimmt, d.h. seinen Querschnitt verändert.

Damit der flexible Verdrängungskörper in seiner Position in dem Rohr 5 und im Wärmespeichermedium 2 fixiert ist, verläuft in seinem Inneren ein starres Stabilisierungselement 13, beispielsweise ein biegesteifer Draht oder ein starrer Stab (vgl. Figuren 2 bis 7).

In Fig. 2 ist das untere Ende des Rohres 5 vergrößert dargestellt. Man erkennt, daß im Boden 11 des Rohres 5 eine öffnung 14 angeordnet ist, die derart bemessen ist, daß ihie lichte Weite etwas kleiner ist als der Außendurchmesser des schlauchförmigen Verdrängungskörpers 10, wenn dieser aufgrund der Einleitung eines Druckmediums ein großes Volumen einnimmt. In diesem Falle legt sich die Wand des Verdrängungskörpers 10 dichtend an den Rand der öffnung 14 und verschließt diese dicht.

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Wenn dagegen der Verdrängungskörper 10 - wie in Fig. 3 dargestellt - ein geringes Volumen einnimmt, gibt er die öffnung 14 teilweise frei, so daß das Rohr 5 in den Außenraum geöffnet wird.

ImBetrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vor dem Verfestigen des Wärmespeichermediums oder zumindest während der Verfestigung desselben in den schlauchförmigen Verdrängungskörper 10 durch die Druckmedienleitung 9 ein Druckmedium eingeführt, beispielsweise Druckluft oder ein unter Druck stehendes öl, so daß der schlauchförmige Verdrängungskörper ein relativ großes Volumen einnimmt. Dies ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, in welchem der das Stabilisierungselement 13 umgebende Verdrängungskörper 10 unter dem Einfluß eines Druckmediums 15 einen kreisrunden Querschnitt einnimmt. In dieser Figur erkennt man, daß der Verdrängungskörper 10 zusätzlich von einem durchbrochenen Mantel 16 umgeben ist, dessen Ausgestaltung und Wirkung weiter unten erläutert wird.

Beim Abkühlen des Wärmespeichermediums verfestigt sich dieses um den schlauchförmigen Verdrängungskörper 10 herum, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.

Nach dem Verfestigen wird das Druckmedium aus dem schlauchförmigen Verdrängungskörper über die Druckmedienleitung 9 wieder entfernt, wobei gegebenenfalls im Innern des -Verdrängungskörpers auch ein Unterdruck erzeugt werden kann, so daß der schlauchförmige Verdrängungskörper sich eng um das Stabilisierungselement 13 legt und dadurch eine wesentlich geringere Querschnittsfläche einnimmt. Wie aus Fig. ersichtlich, bildet sich dadurch zwischen der Außenwand des

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Verdrängungskörpers 10 und dem verfestigten Wärmespeichermedium ein kanalförmiger Hohlraum 17 aus.

Die Ausbildung eines solchen Kanales erfolgt sowohl im Inneren des Rohres 5 (vgl. Fig. 3) als auch längs des Durchganges des Verdrängungskörpers durch das Wärmespeichermedium. Aus Fig. 3 ist deutlich zu erkennen, daß der kanalförmige Hohlraum 17 in dem Rohr 5 derart angeordnet ist, daß durch die Einlaßleitung 6 eintretendes Wärmetauschermedium längs des Verdrängungskörpers 10 durch das Rohr und durch den anschließenden kanalförmigen Hohlraum 17 fließen kann, bis es an der Oberfläche des Wärmespeichermediums 2 in die Schicht 7 gelangt. Dadurch kann das Wärmetauschermedium längs des gesamten kanalförmigen Hohlraumes mit dem angrenzenden verfestigten Wärmespeichermedium in Kontakt gelangen und dieses aufschmelzen. Ausgehend von dem kanalförmigen Hohlraum erfolgt damit der übergang des Wärmespeichermediums in den flüssigen Zustand. Sobald das Wärmespeichermedium, im Inneren des Rohres 5 aufgeschmolzen ist, kann das Wärmetauschermedium auch durch die öffnungen 4 im Rohr 5 in das Wärmespeichermedium austreten und dieses in der Umgebung des Rohres 5 aufschmelzen.

Wesentlich für die Erfindung ist die Tatsache, daß durch die Verwendung eines querschnittsveränderlichen oder volumenveränderlichen Körpers beim Verfestigen des Wärmespeichermediums dieses gezwungen wird, einen kanalförmigen Bereich auszusparen, der dann nach der Verfestigung durch die Verringerung des Querschnitts oder des Volumens des Verdrängungskörpers freigegeben wird, so daß durch diesen Kanal das Wärmetauschermedium fließen kann.

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Dabei ist weiterhin von Bedeutung, daß der Verdrängungskörper aus einem Material besteht, das sich ohne größere Schwierigkeiten von der verfestigten Substanz ablösen läßt, beispielsweise eignet sich hierzu ein Silikongummi.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, vergrößert das durch den Hohlraum 17 fließende Wärmetauschermedium 3 diesen Hohlraum, indem es das Wärmespeichermedium aufschmilzt. Dabei kommt es vor, daß das Wärmetauschermedium sich in Form von größeren Blasen in das feste Wärmespeichermedium hineinarbeitet; nachteilig ist dabei jedoch, daß auf diese Weise nur der mit dem Wärmespeichermedium unmittelbar in Kontakt stehende Teil des Wärmetauschermediums zum Wärmeaustausch beiträgt, während der innere Bereich einer solchen größeren Blase praktisch thermisch isoliert ist. Um diesem Nachteil abzuhelfen, ist der den Verdrängungskörper 10 umgebende Mantel 16 vorgesehen, der eine Vielzahl von Durchbrechungen 18 aufweist. Dieser Mantel 16 kann beispielsweise aus einem Drahtnetz aufgebaut sein oder einem Lochblech. Sein eines Ende ist auf einem Rohrstutzen 19 aufgeschoben, der an der Unterseite des Bodens 11 an das Rohr 5 angeformt ist (Figuren 2 und 3). Die Wirkung dieses Mantels besteht darin, daß das durch den Hohlraum 17 fließende Wärmetauschermedium beim Durchtritt durch den mit engen öffnungen versehenen Mantel in kleine Tröpfchen verteilt wird, die leicht in die verfestigte Wärmespeichersubstanz eindringen können. Auf diese Weise wird die wirksame Oberfläche des Wärmetauschermediums erheblich vergrößert, so daß der Wärmeübergang effektiver wird.

/ein starrer Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann / Mantel 16 gleichzeitig die Funktion des Stabilisierungselementes 13 für den Verdrängungskörper 10 übernehmen. Es ist

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beispielsweise möglich, den schlauchförmigen Verdrängungskörper einfach im Inneren des Mantels anzuordnen, ohne ein besonderes Stabilisierungselement vorzusehen. Der Mantel
wird dann dafür sorgen, daß der Verdrängungskörper in seiner Position fixiert ist.

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Patentansprüche :

1. Verfahren zum Herstellen von kanalförmigen Hohlräumen in sich verfestigenden Substanzen, dadurch gekennzeichnet , daß man spätestens beim übergang der Substanz von der flüssigen in die feste Phase einen kanalförmigen Verdrängungskörper in die Substanz einbringt, so daß sich die Substanz unter Aus-¹ bildung eines Kanals um den Verdrängungskörper herum verfestigt, und daß man das Volumen dieses Verdrängungskörpers nach der Verfestigung derart verkleinert, daß er nur noch einen Teil des Kanalguerschnittes ausfüllt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Verdrängungskörper bei der Ausbildung des Kanals mit einem unter Druck stehenden Medium füllt und dieses zur Verringerung des Querschnitts des Verdrängungskörpers zumindest teilweise aus dem Verdrängungskörper wieder entfernt.

3. Vorrichtung zum Herstellen von kanalförmigen Hohlräumen in sich verfestigenden Substanzen zur Durchführung des Verfahrens der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen im wesentlichen kanalförmigen Verdrängungskörper (10) umfaßt, dessen Volumen willkürlich veränderlich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (10) ein Schlauch ist, dessen Vo'-lumen durch den Füllungsgrad mit einem Füllmedium (15) variierbar ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdrängungskörper (10) mindestens ein starres Stabilisierungselement (13, 16) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stabilisierungselement ein im Innern des Verdrängungskörpers (10) angeordneter Stab (13) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (10) teilweise im Innern eines Rohres (5) angeordnet ist, welches der Zufuhr eines flüssigen oder gasförmigen Wärmetauschermediums (3) zu der ein Wärmespeichermedium (2) bildenden, sich verfestigenden Substanz dient, und daß der Verdrängungskörper (10) beim Austritt aus dem Rohr (5) im gefüllten Zustand dichtend an einer Austrittsöffnung (14) anliegt und diese dadurch verschließt, während er die Austrittsöffnung (14) bei verringertem Volumen freigibt, so daß das Wärmetauschermedium (3) aus dem Rohr (5) in den kanalförmigen Hohlraum (17) in dem verfestigten Wärmetauschermedium (2) eintreten kann.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (10) im Abstand zumindest teilweise von einem durchbrochenen Mantel (16) umgeben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (16) als Stabilisieruhgselement für den Verdrängungskörper (10) dient.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (10) in einem die Substanz (2) aufnehmenden Behälter (1) spiralförmig angeordnet ist.

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