DE9015510U1 - Modular latent heat storage - Google Patents
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Description
Gerd HörmansdörferGerd Hörmansdörfer
Kastanieneck 6 AChestnut Corner 6 A
3167 BURGDORF-BEINHORN3167 BURGDORF-BEINHORN
Mathias KlatteMathias Klatte
Große Barlinge 74Big Barlings 74
3000 HANNOVER 1 04.11.1990 3000 HANOVER 1 04.11.1990
Modularer LatentwärmespeicherModular latent heat storage
Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher in spezieller Modulbauweise.The invention relates to a latent heat storage device in a special modular design.
Derartige Speicher für die Speicherung von Wärme oder Kälte sind für die verschiedensten Anwendungsbereiche, z.B. im Haushalt, in der Industrie, oder auch in Fernwärmeübergabestationen vorgesehen, um thermische Zyklen in Heiz- oder Kühlsystemen zu glätten, bzw. thermische Energie in Zeiten des Energieüberangebots zu speichern und in Zeiten des Energiedefizits zeitlich versetzt zur Verfügung zu stellen. Dazu macht man sich den physikalischen Effekt des Phasenübergangs einer Substanz vom festen in den flüssigen Zustand und umgekehrt zu Nutze, weil bei einem solchen Phasenübergang innerhalb eines sehr kleinen Temperaturhubs vergleichsweise hohe Energiemengen aufgenommen und wieder freigesetzt werden.Such storage systems for storing heat or cold are intended for a wide range of applications, e.g. in the home, in industry, or in district heating transfer stations, in order to smooth out thermal cycles in heating or cooling systems, or to store thermal energy in times of excess energy and to make it available at a later time in times of energy deficit. To do this, the physical effect of the phase transition of a substance from the solid to the liquid state and vice versa is used, because during such a phase transition, comparatively high amounts of energy are absorbed and released again within a very small temperature difference.
Dem heutigen Stand der Technik entsprechende Latentwärmespeicher bestehen aus einem äußeren Gehäuse (Kessel) mit einer thermischen Isolierung, und dem eigentlichen Latentwärmespeichermittel. Gewöhnlich sind die Kessel aus Gründen der Festigkeit, hauptsächlich um ein Ausbeulen unter Druck zu vermeiden, als im wesentlichen zylindrische Hohlkörper mit sogenannten Klöpperböden an den Enden ausgebildet. Für die Einbringung des Latentwarmespeichermittels haben sich zur Zeit zwei wesentliche Gruppen von technischen Möglichkeiten herauskristallisiert. Davon ist die erste die Direkteinbringung (Schüttung) des Latentwarmespeichermittels, und die zweite die Einbringung von mit dem Latentwärmespeichermittel befüllten Behältern in den Kessel. Es ist bekannt, daß derartige Behälter in Plattenform die besten Voraussetzungen für die Schaffung großer Oberflächen und kurzer Fließwege des Wärmestroms innerhalb des eingefüllten Latentwarmespeichermittels zu diesen Oberflächen bieten. Dadurch ist eine hohe Dynamik des Wärmeaustausches erzielbar.Latent heat storage systems that correspond to the current state of the art consist of an outer casing (boiler) with thermal insulation and the actual latent heat storage medium. For reasons of strength, mainly to avoid bulging under pressure, the boilers are usually designed as essentially cylindrical hollow bodies with so-called dished bottoms at the ends. Two main groups of technical options have currently emerged for the introduction of the latent heat storage medium. The first of these is the direct introduction (filling) of the latent heat storage medium and the second is the introduction of containers filled with the latent heat storage medium into the boiler. It is known that such plate-shaped containers offer the best conditions for creating large surfaces and short flow paths of the heat flow within the filled latent heat storage medium to these surfaces. This makes it possible to achieve a high level of dynamic heat exchange.
Die bekannten Bauformen besitzen jedoch den Nachteil, daß sie in einer Vielzahl unterschiedlicher Baugrößen zur Verfügung stehenHowever, the known designs have the disadvantage that they are available in a variety of different sizes
müssen, um jeweils dem individuellen Speicherbedarf zu entsprechen. Diese unterschiedlichen Baugrößen führen zu kleinen Losgrößen in der Fertigung und können schon deshalb nicht sehr eng gestaffelt werden, um die Lagerhaltung nicht unnötig aufzublähen. Auch ist ein einmal installierter Latentwärmespeicher nach diesem Konzept nachträglich in seiner Speicherkapazität nicht mehr anpaßbar. Ein weiterer Nachteil besteht sowohl in der Größe als auch in dem Gewicht derartiger Speicher, wodurch die Installation vor allem bei ungünstigen Einbauverhältnissen erschwert ist.in order to meet the individual storage requirements. These different sizes lead to small batch sizes in production and therefore cannot be staggered very closely in order not to unnecessarily inflate inventory. Once installed, a latent heat storage unit using this concept cannot be subsequently adjusted in terms of its storage capacity. Another disadvantage is both the size and the weight of such storage units, which makes installation difficult, especially in unfavorable installation conditions.
Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung eines Latentwärmespeichers, welcher in seiner Speicherkapazität sehr gut an den Bedarf, möglichst auch nachträglich, anpaßbar sein sollte, und gleichzeitig bei der Fertigung hohe Losgrößen möglichst gleichartiger Elemente und eine geringe Lagerhaltung erlauben sollte. Ein weiterer Teil der Aufgabe bestand darin, den Latentwärmespeicher auch unter den ungünstigsten Verhältnissen am Einbauort (z.B. in einem Keller) installieren zu können.The task was therefore to create a latent heat storage device, the storage capacity of which should be very easily adaptable to requirements, if possible even retrospectively, and at the same time should allow for large batch sizes of elements of the same type and low storage requirements during production. Another part of the task was to be able to install the latent heat storage device even under the most unfavorable conditions at the installation site (e.g. in a basement).
Die beschriebene Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Latentwärmespeicher in spezieller Modulbauweise vorgeschlagen wird. Danach besteht der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher aus einzelnen dicht abgeschlossenen flachen Speichermodulen, welche mit dem Latentwärmespeichermittel befüllt sind, einer außenliegenden thermischen Isolierung und Anschlüssen für den Zu- und Ablauf des flüssigen Wärmetauschermittels, wobei die Oberflächen der Speichermodule die Tauscherflächen für die Einbzw. Auskopplung thermischer Energie zum bzw. vom Latentwärmespeichermittel bilden und die einzelnen Speichermodule an ihrer Oberfläche so gestaltet und nach außen lateral zu ihrer Planebene abgedichtet mit ihren Planflächen so zu einer Batterie aneinander gereiht sind, daß dadurch zwischen ihnen ohne die Notwendigkeit eines Tanks ein definierter Fließweg für das flüssige Wärmetauschermittel gebildet ist. Die durch die einzelnen Speichermodule gebildete Batterie ist an der jeweils endseitigen Planfläche des ersten bzw. letzten Speichermoduls mit jeweils einer Stirnplatte abgeschlossen. Die Anschlüsse für den Zu- bzw. Ablauf des flüssigen Wärmetauschermittels sind vorzugsweise in die Stirnplatten integriert. Die gesamte Batterie aus Speichermodulen und Stirnplatten wird mittels axial wirkender Verbindungselemente zusammengehalten. The described object is achieved according to the invention by proposing a latent heat storage device in a special modular design. The latent heat storage device according to the invention consists of individual, tightly sealed flat storage modules, which are filled with the latent heat storage medium, an external thermal insulation and connections for the inlet and outlet of the liquid heat exchange medium, whereby the surfaces of the storage modules form the exchanger surfaces for the input and output of thermal energy to and from the latent heat storage medium and the individual storage modules are designed on their surface and sealed laterally to their plane with their plane surfaces lined up in a battery in such a way that a defined flow path for the liquid heat exchange medium is formed between them without the need for a tank. The battery formed by the individual storage modules is closed off with a front plate on the end plane surface of the first and last storage module. The connections for the inlet and outlet of the liquid heat exchange medium are preferably integrated into the end plates. The entire battery of storage modules and end plates is held together by means of axially acting connecting elements.
Mit der Erfindung werden neuartige Speichermodule zur Verfügung gestellt, welche durch eine entsprechende Formgebung sowohl der planflächigen Seiten als auch der Berandung beim Aneinanderreihen der Speichermodule einen gegen ungewollten Austritt von flüssigem Wärmetauschermittel abdichtbaren Strömungsweg über die Oberfläche der Speichermodule bilden. Die Gehäuse der Speichermodule sind umlaufend wahlweise entweder mit Dichtflächen und einlegbaren Dichtungen, oder mit einem integrierten Dichtsystem, z.B. bestehend aus Dichtflächen und angespritzten Dichtkanten, versehen. Die planflächigen Seiten der Speichermodule sind vorzugsweise an ihrer Oberfläche strukturiert (z.B. mit Noppen, Sicken, Fischgrätmuster, oder dergleichen), um sowohl eine Beabstandung der Planflächen der Speichermodule, als auch eine kontrollierte Ver-The invention provides novel storage modules which, through appropriate shaping of both the flat sides and the edge when the storage modules are lined up next to one another, form a flow path over the surface of the storage modules that can be sealed against the unwanted leakage of liquid heat exchange medium. The housings of the storage modules are provided all around with either sealing surfaces and insertable seals, or with an integrated sealing system, e.g. consisting of sealing surfaces and molded-on sealing edges. The flat sides of the storage modules are preferably structured on their surface (e.g. with knobs, beads, herringbone pattern, or the like) in order to ensure both a spacing of the flat surfaces of the storage modules and a controlled sealing.
teilung der Strömung und deren Turbulenz sicherzustellen. Dabei ist die effektive Höhe der einzelnen Speichermodule im Tauscherflächenbereich einschließlich der Strukturierung der Oberfläche nicht größer als die effektive Höhe der Berandung einschließlich der Dichtung. In dem erfindungsgemäßen Speichermodul ist mindestens ein axialer Durchbruch für den Durchtritt von flüssigem Wärmetauschermittel vorhanden. Im Gegensatz zu den flexiblen als Tauscherflächen arbeitenden planflächigen Seiten des Speichermoduls ist die Berandung verstärkt ausgeführt. Die erfindungsgemässen Speichermodule sind sowohl in Metall als auch in Kunststoff herstellbar. Nach weiterer Erfindung wird vorgeschlagen, bei einem aus Kunststoff hergestellten Gehäuse des Speichermoduls ausserhalb der umlaufenden Abdichtung einen thermisch isolierenden Kragen direkt anzuspritzen, wobei dieser vorzugsweise mit einer thermisch isolierenden Füllung z.B. aus Schaum versehen ist.distribution of the flow and its turbulence. The effective height of the individual storage modules in the exchanger surface area, including the structuring of the surface, is not greater than the effective height of the edge, including the seal. In the storage module according to the invention, there is at least one axial opening for the passage of liquid heat exchange medium. In contrast to the flexible, flat sides of the storage module that work as exchanger surfaces, the edge is reinforced. The storage modules according to the invention can be made of both metal and plastic. According to a further invention, it is proposed that a thermally insulating collar be directly injected onto a housing of the storage module made of plastic outside the circumferential seal, whereby this is preferably provided with a thermally insulating filling, e.g. made of foam.
Damit ist nach der Erfindung ein modularer Latentwärmespeicher verfügbar, welcher durch das Aneinanderreihen einzelner Speichermodule sehr feinstufig und nahezu unbegrenzt in seiner Kapazität anpaßbar ist. Selbst eine nachträgliche Erweiterung der Speicherkapazität ist durch Hinzufügen zusätzlicher Speichermodule problemlos durchführbar. Die spezielle Konstruktion erübrigt den üblicherweise benötigten Tank (Kessel). Auch ist die Durchströmung des Latentwärmespeichers wahlweise je nach Anordnung der Durchbrüche in den einzelnen Speichermodulen in Reihen- oder Parallelschaltung realisierbar. Durch die Aufgliederung in Speichermodule entstehen kleine Einheiten, welche vorzugsweise in ihrem Maximalgewicht so ausgelegt sind, daß sie ohne weiteres von einer einzelnen Person getragen werden können. Die flache Form der Speichermodule erlaubt den problemlosen Transport auch an schwer zugängliche Aufstellplätze (z.B. im Keller), wenn Engstellen z.B. im Treppenhaus oder durch enge Türen zu überwinden sind. Durch sehr wenige Baugrößen der Speichermodule kann praktisch der gesamte Markt abgedeckt werden, wobei große Stückzahlen eine preiswerte Herstellung erlauben.The invention thus provides a modular latent heat storage system which can be adjusted very finely and almost unlimitedly in terms of capacity by stringing together individual storage modules. Even a subsequent expansion of the storage capacity can be carried out without any problems by adding additional storage modules. The special design eliminates the need for the tank (boiler) that is usually required. The flow through the latent heat storage system can also be implemented in series or parallel, depending on the arrangement of the openings in the individual storage modules. By dividing the system into storage modules, small units are created which are preferably designed in such a way that their maximum weight can be carried easily by a single person. The flat shape of the storage modules allows them to be transported easily even to locations that are difficult to access (e.g. in the basement) when narrow spaces, e.g. in stairwells or through narrow doors, have to be overcome. With very few storage module sizes, practically the entire market can be covered, with large quantities allowing inexpensive production.
Die Erfindung soll im folgenden anhand der fünf Zeichnungsfiguren näher erläutert werden. Fig.l zeigt eine geschnitten und unterbrochen gezeichnete Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen modularen Latentwärmespeichers. In Fig.2 ist das Ausführungsbeispiel eines einzelnen Speichermoduls in Form einer unvollständigen Skizze gezeigt, von welchem in Fig.3 ein Teilschnitt herausgezeichnet ist. In Fig.4 ist mittels einer ebenfalls vereinfachten Skizze ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Speichermoduls dargestellt, wovon in Fig.5 ein Teilschnitt gezeigt wird.The invention will be explained in more detail below using the five drawing figures. Fig. 1 shows a sectioned and interrupted representation of an embodiment of the modular latent heat storage device according to the invention. In Fig. 2, the embodiment of an individual storage module is shown in the form of an incomplete sketch, of which a partial section is shown in Fig. 3. In Fig. 4, another embodiment of a storage module is shown using a simplified sketch, of which a partial section is shown in Fig. 5.
Die Zeichnungsfigur 1 zeigt das Schema eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen modularen Latentwärmespeichers in einer geschnitten und abgebrochen gezeichneten Darstellung. Es wurde für das Beispiel eine Durchströmung in Reihenschaltung gewählt, wobei die Fließrichtung durch eingezeichnete Pfeile angedeutet ist. In der thermisch isolierenden und aus den vier Elementen (1,2,3,4) bestehenden Hülle ist eine Batterie aus fünf Speichermodulen (5, 6,7,8,9) und den beiden Stirnplatten (10,11) angeordnet. Die ein-The drawing figure 1 shows the diagram of an embodiment of the modular latent heat storage device according to the invention in a cut and broken-off representation. For the example, a flow in series was chosen, with the flow direction indicated by arrows. A battery of five storage modules (5, 6,7,8,9) and the two end plates (10,11) is arranged in the thermally insulating casing consisting of the four elements (1,2,3,4). The one-
zelnen Speichermodule sind mit dem Latentwärmespeichermittel (12) befüllt. Die Batterie wird durch die axial wirkenden Zuganker (13,14) zusammengehalten. In die Stirnplatten ist der Zulauf (15) und der Ablauf (16) integriert. Zwischen den einzelnen Speichermodulen bzw. zwischen dem jeweils letzten Speichermodul und der angrenzenden Stirnplatte ist jeweils eine Dichtung (17) eingebaut. The individual storage modules are filled with the latent heat storage medium (12). The battery is held together by the axially acting tie rods (13,14). The inlet (15) and the outlet (16) are integrated into the front plates. A seal (17) is installed between the individual storage modules or between the last storage module and the adjacent front plate.
In Figur 2 ist das Ausführungsbeispiel eines einzelnen Speichermoduls von der Planseite gesehen anhand einer Skizze dargestellt. Aus Gründen der Vereinfachung ist die Strukturierung der Oberfläche (18) nur partiell durch Striche angedeutet. Wegen der besseren Übersichtlichkeit ist die Zeichnung nicht maßstäblich, sondern im Randbereich in der Größe verzerrt angefertigt. Für das Beispiel wurde eine Version mit einer nach dem Zusammenbau mäanderförmigen Durchströmung der Batterie gewählt. Eine der beiden möglichen Strömungsrichtungen des Wärmetauschermittels über die Oberfläche des Speichermoduls ist durch den großen Pfeil (19) verdeutlicht. Im Randbereich sind Vertiefungen (20 A bis 20 I) eingeprägt, um eine Versteifung der Berandung (21) zu bewirken. Zwei größere Vertiefungen (22,23) an der linken Seite sind mit Durchbrüchen (24,25) versehen, welche den Durchtritt des flüssigen Wärmetauschermittels in die nächste Ebene der Batterie gestatten. In die Berandung ist eine umlaufende Nut (26) für eine einlegbare Dichtung eingedrückt. Die Berandung wird nach außen durch einen tiefgezogenen Saum (27) begrenzt. In der Zeichnung ist durch die mit Pfeilen ausgezogene Linie die Lage des Schnittes Ai / Ai eingetragen, welcher Gegenstand der Figur 3 ist.In Figure 2, the embodiment of a single storage module is shown as a sketch, viewed from the plan side. For the sake of simplicity, the structure of the surface (18) is only partially indicated by lines. For the sake of clarity, the drawing is not to scale, but is distorted in size in the edge area. For the example, a version with a meandering flow through the battery after assembly was chosen. One of the two possible flow directions of the heat exchange medium over the surface of the storage module is shown by the large arrow (19). Indentations (20 A to 20 I) are embossed in the edge area to stiffen the edge (21). Two larger indentations (22, 23) on the left side are provided with openings (24, 25) which allow the liquid heat exchange medium to pass into the next level of the battery. A circumferential groove (26) for an insertable seal is pressed into the edge. The edge is limited on the outside by a deep-drawn seam (27). In the drawing, the position of the section Ai / Ai is marked by the line with arrows, which is the subject of Figure 3.
Figur 3 zeigt eine Schnittzeichnung durch den Randbereich eines Stapels aus Speichermodulen gemäß Fig.2, wobei die einzelnen Speichermodule jeweils um 180° verdreht aneinandergereiht wurden, um die in diesem Fall gewünschte mäanderformige Durchströmung der Batterie mit dem flüssigen Wärmetauschermittel nach dem Prinzip der Reihenschaltung zu realisieren. Das mittlere Speichermodul entspricht dem in Fig.2 mit Ai / Ai bezeichneten Schnitt. Das Gehäuse des Speichermoduls aus dünnwandigem Material besteht aus den zwei Halbschalen (28,29). Die Strukturierung (18) der Oberfläche ist durch den wellenförmigen Schnitt angedeutet. In der gegenüber der Oberfläche zurückspringenden Vertiefung (22) ist ein Durchbruch (24) angebracht. In die Berandung (21) ist die Nut (26) eingeprägt, in welche eine Dichtung (30) eingelegt ist. Die Speichermodule werden außen von dem tiefgezogenen Saum (27) begrenzt. Aufgrund des Abstandes zwischen den Oberflächen der jeweils benachbarten Speichermodule ist ein Fließweg (31,32) für das flüssige Wärmetauschermittel gebildet. Eine der möglichen Fließrichtungen ist durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet.Figure 3 shows a sectional drawing through the edge area of a stack of storage modules according to Figure 2, where the individual storage modules were each lined up, rotated by 180°, in order to achieve the meandering flow of the liquid heat exchange medium through the battery, as desired in this case, according to the principle of series connection. The middle storage module corresponds to the section marked Ai / Ai in Figure 2. The housing of the storage module made of thin-walled material consists of the two half-shells (28, 29). The structuring (18) of the surface is indicated by the wave-shaped cut. An opening (24) is made in the recess (22) that is set back from the surface. The groove (26) is embossed into the edge (21), into which a seal (30) is inserted. The storage modules are bordered on the outside by the deep-drawn seam (27). Due to the distance between the surfaces of the adjacent storage modules, a flow path (31, 32) is formed for the liquid heat exchange medium. One of the possible flow directions is indicated by the arrows shown.
In Figur 4 wird ein gegenüber der Figur 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Speichermoduls gezeigt. Auch hier wurde die Darstellung stark vereinfacht und deshalb Details nur partiell angedeutet. Es sind in der Oberfläche sowohl zwei tiefgezogene Einprägungen (33,34) als auch zwei runde Durchlässe (35,36) angebracht. Die Aufkantung der Berandung (37) ist aus der Zeichnung nicht ohne weiteres zu ersehen. Die Lage des SchnittesFigure 4 shows an embodiment of the storage module according to the invention that is modified from Figure 2. Here too, the illustration has been greatly simplified and details have therefore only been partially indicated. There are two deep-drawn impressions (33, 34) and two round openings (35, 36) in the surface. The raised edge of the edge (37) cannot be seen easily from the drawing. The position of the section
Ai &igr; / Ai &igr; ist eingetragen.Ai &igr; / Ai &igr; is registered.
In Figur 5 ist ein Schnitt durch einen aus Speichermodulen gemäß der Fig.4 gebildeten Stapel dargestellt. Auch für die gezeigte Variante wurde eine mänderförmige Durchströmung der gesamten Batterie gewählt und durch in Planebene um jeweils 180° verdrehte Anordnung der einzelnen Speichermodule realisiert. Das Gehäuse der jeweiligen Speichermodule aus dünnwandigem Material ist aus den beiden Halbschalen (38,39) hergestellt, welche außen eine Aufkantung (40,41) besitzen und dort dicht verbunden sind. Durch eine angepaßte Formgebung mit den Rillen (42,43) ist ein Raum für eine einlegbare Dichtung (44) gebildet. Der Durchlaß (35) ist mittels eines eingesetzten Rohrstücks (45) verwirklicht. Eine der möglichen Fließrichtungen ist durch kleine Pfeile eingetragen.Figure 5 shows a section through a stack made up of storage modules as shown in Figure 4. For the variant shown, a meandering flow through the entire battery was also chosen and implemented by arranging the individual storage modules rotated by 180° in the plane. The housing of the respective storage modules made of thin-walled material is made from the two half-shells (38, 39), which have an upstand (40, 41) on the outside and are tightly connected there. A space for an insertable seal (44) is formed by an adapted shape with the grooves (42, 43). The passage (35) is implemented by means of an inserted pipe section (45). One of the possible flow directions is indicated by small arrows.
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