DE4020860C2 - Verfahren zum Herstellen eines Wärmespeichers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmespeichers, insbesondere eines Latentwärmespeichers für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahrzeugheizungen, mit einem Gehäuse, das einen Außenbehälter und einen mit Abstand von diesem angeordneten Innenbehälter umfaßt, die ein einen Isolierbereich einschließendes Isoliergefäß bilden, mit einem im Innenbehälter angeordneten Speicherkern, in dem mindestens eine Kammer für ein Speichermedium durch eine Trennwand von mindestens einem Strömungsweg für ein wärmetransportierendes Medium getrennt ist, und mit einer Zuflußleitung und einer Abflußleitung für das wärmetransportierende Medium die mit dem Strömungsweg in Verbindung stehen und durch den Isolierbereich nach außen geführt sind, wobei der Isolierbereich nach der mechanischen Fertigstellung des Gehäuses zur Entgasung ausgeheizt und evakuiert wird.

Ein solches Verfahren ist der DE 36 14 318 A1 zu entnehmen.

Bei der Herstellung und dem Betrieb eines Wärmespeichers sind Temperaturgrenzen zu beachten, die durch die verwendeten Materialien bestimmt sind. Es kann sich dabei gegebenenfalls auch um die für die Bauelemente eingesetzten Werkstoffe handeln, insbesondere aber werden Temperaturgrenzen mit Rücksicht auf das Speichermedium zu beachten sein. So kann das Speichermedium temperaturempfindlich sein und beim Überschreiten einer Grenztemperatur zur Stratifikation neigen. Es ist aber auch die Einwirkung auf den Wärmespeicher, insbesondere unter dem Einfluß des Dampfdrucks und der Wärmedehnung zu beachten.

Diese Probleme werden am Beispiel eines Latentwärmespeichers besonders deutlich. Bei Latentwärmespeichern wird ein Speichermedium verwendet, das im beladenen Zustand des Speichers flüssig und unterhalb einer sog. Umwandlungstemperatur im entleerten Zustand des Speichers fest ist. Die Betriebstemperatur des Wärmespeichers wird von der Temperatur des zur Ladung des Speichers dienenden wärmetransportierenden Mediums und damit vom Einsatzgebiet des Wärmespeichers bestimmt. Wird als Medium beim Einsatz in Kraftfahrzeugen das Motorkühlwasser benutzt, liegt die Betriebstemperatur des Wärmespeichers in der Regel bei 90°C, wobei eine maximale Temperatur von 125°C berücksichtigt werden sollte. Verwendet man als Speichermedium BaOH, dessen Siedepunkt bei 110°C liegt, so ist bei der maximalen Betriebstemperatur etwa ein Dampfdruck von 1,5 bar zu erwarten. Beim Füllen des Speicherbereichs mit dem Speichermedium sollte sich dessen Temperatur etwas oberhalb des Schmelzpunktes befinden, um eine möglichst einfache Manipulierbarkeit im flüssigen Zustand zu ermöglichen. Es besteht somit eine Temperaturdifferenz zwischen Fülltemperatur und maximaler Betriebstemperatur, die Ursache einer nicht zu vernachlässigenden Wärmedehnung des Speichermediums sein kann, die neben dem Dampfdruck zu einer mechanischen Belastung des Speicherkerns führt.

Eine weitere zu beachtende Temperatur ist die bei der Herstellung des Wärmespeichers auftretende Ausheiztemperatur. Nach der mechanischen Fertigstellung eines solchen Speichergehäuses ist die gewünschte Isolierwirkung durch Evakuierung des Isolierbereichs innerhalb weniger Minuten erreichbar. Diese Isolierwirkung ist jedoch nicht von Bestand, weil an den dem Isolierbereich zugewandten Oberflächen des Außen- und des Innenbehälters, an den Oberflächen von gegebenenfalls im Isolierbereich befindlichen Strahlenschilden oder mikroporösen Isolierstoffen, wie auch an den unvermeidlichen Einbauteilen im Isolierbereich, nämlich den Zu- und Abflußleitungen und der Lagerung des Innenbehälters, Stoffe absorbiert sein können, die im Laufe der Zeit abdampfen, dadurch den Druck im Isolierbereich erhöhen und somit die Isolierwirkung des Vakuums abbauen.

Aus diesem Grunde werden vakuumisolierte Gefäße nach der mechanischen Herstellung über längere Zeit entgast, wobei der Isolierbereich ständig ausgepumpt wird. Um die Dauer der Entgasung auf ein wirtschaftlich vertretbares Maß zu reduzieren, beispielsweise auf 24 Stunden, wird das Isoliergefäß bei der Entgasung auf eine erhöhte Temperatur gebracht, was als Ausheizung bezeichnet wird. Erfahrungsgemäß bewirkt hierbei eine Temperaturerhöhung von 10°C eine Halbierung der Entgasungszeit.

Es ist weiterhin bekannt, daß ein Hauptverunreiniger von Vakuumgefäßen an den Wänden abgelagertes Wasser ist. Für die Entfernung des Wassers gibt es drei ausgeprägte Temperaturstufen, nämlich ca. 120°C mit niedrigen Abdampfungsraten, 180°C mit sehr hohen Abdampfungsraten und ca. 360°C mit praktisch hundertprozentiger Abdampfung.

Es ist ebenfalls bekannt, daß bei der Entgasung die Langzeitwirkung von der niedrigsten Temperatur abhängt, die an den Oberflächen im Isolierbereich erzielt wird. Hieraus folgt, daß für eine bestimmte Langzeitwirkung alle dem Isolierraum zugewandten Oberflächen die Mindesttemperatur erreichen oder überschreiten müssen.

Für die großtechnische Anwendung im Kraftfahrzeugbau ist eine Langzeitwirkung des Vakuums erforderlich, die mindestens eine Ausheizung im Bereich der zweiten Stufe von 180°C erfordert, wodurch bei den meisten geeigneten Speichermedien der Siedepunkt überschritten werden muß, so daß also die Ausheiztemperatur noch wesentlich über der maximalen Betriebstemperatur liegt, weshalb - sofern das Speichermedium dieser Temperatur ausgesetzt ist - der Speicherkern den Auswirkungen eines weiter erhöhten Dampfdrucks und einer weiter erhöhten Wärmedehnung ausgesetzt sein würde.

Der bei der maximal auftretenden Temperatur zu erwartende Dampfdruck kann durch entsprechende Dimensionierung und Gestaltung der diesem Dampfdruck ausgesetzten Bauteile des Wärmespeichers bewältigt werden, so daß nur noch die Wärmedehnung des flüssigen Speichermediums Probleme macht.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, das eingangs genannte Verfahren so auszugestalten, daß einerseits der schädliche Einfluß der Wärmedehnung auf den Speicher verhindert wird und andererseits die Befüllung des Wärmespeichers mit dem Speichermedium relativ einfach, d. h. bei niedrigen Temperaturen und Atmosphärendruck durchgeführt werden kann, und die Temperatur des Speichermediums in den nachfolgenden Fertiggungsstufen und während des Betriebs den Siedepunkt überschreiten kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Füllmenge des Speichermediums so bemessen wird, daß bei der maximal auftretenden Temperatur das Volumen des Speichermediums höchstens gleich dem zugeordneten Kammervolumen ist.

Es wird also der Speicherbereich nicht vollständig mit dem Speichermedium aufgefüllt, vielmehr wird aus der vorgesehenen Fülltemperatur und der maximal zu berücksichtigenden Temperatur die zulässige Füllmenge berechnet und nur diese zulässige Füllmenge eingefüllt, wodurch sich aus der Wärmedehnung des Füllmaterials keine die Kammerwandungen zerstörende Beanspruchung ergeben kann. Dadurch besteht auch die Möglichkeit, im Betrieb und bei der Speicherherstellung den Siedepunkt des Speichermediums zu überschreiten.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele eines Latentwärmespeichers näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Wärmespeicher, welcher im Innenbehälter eine einzige, von Strömungskanälen für den Wärmeträger durchzogene Kammer für das Speichermedium enthält,

Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Schnitt durch einen Wärmespeicher, welcher im Innenbehälter einzelne, vom Strömungsbereich für den Wärmeträger voneinander getrennte Kammern für das Speichermedium enthält und

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III durch den Wärmespeicher nach Fig. 3.

In Fig. 1 ist das als Metallkonstruktion ausgeführte Gehäuse eines Latentwärmespeichers allgemein mit 10 bezeichnet. Dieses Gehäuse 10 besteht aus einem zylindrischen Außenbehälter 12 und einem zu diesem koaxial angeordneten, ebenfalls zylindrischen Innenbehälter 14 , wobei der Innenbehälter 14 durch eine geeignete, hier nicht dargestellte Aufhängung oder Abstützung derart gegenüber dem Außenbehälter 12 positioniert ist, daß zwischen dem Außenbehälter 12 und dem Innenbehälter 14 allseits ein Abstand besteht, durch den ein Isolierraum 16 gebildet wird.

Der Innenbehälter 14 ist an seiner einen Stirnseite 18 mit einer Zuleitung 20 und einer parallel zu dieser angeordneten und deshalb in der Zeichnung verdeckten Abflußleitung für ein wärmetransportierendes Medium versehen. Diese Leitungen münden in eine Eintritts- Kammer 22 im Innenbehälter 14, die durch eine vertikale, parallel zur Zeichnungsebene verlaufende Trennwand in einen der Zuleitung 20 zugeordneten Abschnitt und einen der Rückflußleitung zugeordneten Abschnitt unterteilt ist. Im Innenbehälter 14 ist außerdem eine Kammer 24 für ein wärmespeicherndes Medium, z. B. in Form einer Salzmischung oder Salzlösung, angeordnet, die zwischen zwei die Kammer 24 begrenzenden Stirnwänden 46 und 48 von Strömungskanälen 27 für das wärmetransportierende Medium durchzogen wird, wobei der der Stirnwand 48 benachbarte Raum 29 als Umlenkkammer für das Medium dient, das zunächst durch die Zuleitung 20 einströmt und durch die erwähnte vertikale Trennwand vor der Stirnwand 46 von dem bereits durch die Umlenkkammer 29 geflossenen, der Rückflußleitung zuströmenden Medium getrennt ist.

Im Isolierraum 16 wird ein Hochvakuum erzeugt. Um dieses möglichst lang aufrechtzuerhalten, werden durch Beheizung etwa im Bereich von 400°C die dem Isolierraum 16 zugewandten Oberflächen des Gehäuses 10 entgast.

Um Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten, wird die Aufhängung oder Abstützung des Innenbehälters 14 im Außenbehälter derart ausgeführt, daß Wärmebrücken weitgehend vermieden werden. Außerdem sind die Zuleitung 20 und die Abflußleitung bezogen auf die Einbaulage des Wärmespeichers derart angeschlossen, daß sie einen Abschnitt 26 aufweisen, der über eine möglichst große vertikale Länge durch den Isolierraum 16 nach unten verläuft, wo er jeweils durch den Außenbehälter 12 nach außen geführt ist. Bei den gezeigten Beispielen beginnen Zuleitung 20 und Abflußleitung am Innenbehälter 14 mit einem in den vertikalen Abschnitt 26 überleitenden Krümmer 28 . Im vertikalen Abschnitt 26 der Zuleitung 20 und der Rückflußleitung kann sich eine Sperrschicht zwischen dem heißen, wärmetransportierenden Medium innerhalb des Innenbehälters 14 und dem sich nach Unterbrechung der Wärmezufuhr abkühlenden Teil des wärmetransportierenden Mediums außerhalb des Wärmespeichers ausbilden, wodurch die Isolierwirkung weiter verbessert wird.

Die Kammer 24 ist mit einem Füllkanal 40 für das Speichermedium verbunden, der innerhalb der Zuleitung 20 mit Abstand von deren Wandung 47 verläuft und hinter dem Krümmer 28 im Anfangsbereich des geradlinigen Abschnitts 26 endet, wo der Füllkanal 40 mit einem Stopfen 44 verschließbar ist, der durch den geradlinigen Abschnitt der Zuleitung 20 eingeführt werden kann. Der Füllkanal 40 befindet sich dadurch stets innerhalb des vom warmen Teil des wärmetransportierenden Mediums eingenommenen Bereich, wodurch Wärmeverluste besonders gut vermieden werden können.

Eine andere Ausführungsform eines Wärmespeichers zeigen die Fig. 2 und 3, wobei mit der Ausführungsform nach Fig. 1 übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß statt einer einzigen Kammer für das Speichermedium ein Paket von einzelnen, durch flexible Hüllen gebildeten Kammerelementen 124 vorgesehen ist, wobei die einzelnen Kammerelemente 124 durch Abstandshalter 121 auf Distanz gehalten werden, so daß stets ein ausreichender Durchflußquerschniutt für den Wärmeträger zwischen den Kammerelementen 124 freigehalten wird. Insbesondere dann, wenn die Beheizung oder gegebenenfalls eine temperaturbegrenzende Kühlung beim Ausheizvorgang durch die Strömungswege für das wärmetransportierende Medium erfolgt, muß ein ausreichender Durchflußquerschnitt auch bei der der Ausheiztemperatur entsprechenden Volumenzunahme des Speichermediums gewährleistet sein.

Als Abstandshalter 121, die zugleich als Turbulatoren zur Verbesserung des Wärmeübergangs wirksam werden, können - wie in Fig. 3 gezeigt - beispielsweise Drahtgitterelemente dienen.

Das Paket der durch Abstandshalter 121 getrennten Kammerelemente 124 wird von einem Drahtmantel 102 umschlossen und unter Bildung eines Isolierspalts 104 durch zwischen dem Drahtmantel 102 und der Wandung des Innenbehälters 14 angeordnete Abstandshalter 123 in den Innenbehälter 14 eingesetzt.

Allen Kammerelementen 124 ist eine gemeinsame Fülleitung 129 angeordnet, die in der bereits beschriebenen Weise durch den Krümmer 28 der Zuleitung 20 geführt ist und zu Beginn des vertikal nach unten führenden Abschnitts 26 der Zuleitung 20 endet und dort durch eine Verschlußkappe 131 verschlossen ist.

Es ist noch zu erwähnen, daß auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 die Kammerelemente 124 aus starrem Material sein können oder daß jedes Kammerelement 124, z. B. vor dem Einbau, einzeln befüllt werden kann.

Bei einer starren Kammer 24 oder auch im Falle starrer Kammerelemente 124 ergibt sich das für das Speichermedium maximal zur Verfügung stehende Kammervolumen aus den Abmessungen der Kammern. Falls Kammerelemente 124 mit flexiblen Wandungen verwendet werden, kann die durch die Abstandshalter 121 und 123 begrenzte Drehung der Wandungen der Kammerelemente 124 bei der maximal auftretenden Temperatur und die dadurch bedingte Volumenvergrößerung bei der Bemessung der Füllmenge des Speichermedium berücksichtigt werden. Diese Füllmenge wird aufgrund der maximal zu erwartenden Temperatur, des aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten des Wärmespeichers zur Verfügung stehenden Kammervolumens und der Volumenzunahme des Speichermediums bei der Temperaturerhöhung von der Fülltemperatur zu der angenommenen Maximaltemperatur ermittelt, wodurch eine einfache Befüllung der Kammer oder der Kammerelemente ermöglicht und zugleich die Gefahr einer schädlichen Auswirkung der Wärmedehnung des Speichermediums auf die Speicherkonstruktion vermieden wird.

Claims (1)

1. Verfahren zum Herstellen eines Wärmespeichers, insbesondere eines Latentwärmespeichers für durch Motorabwärme gespeiste Kraftfahrzeugheizungen, mit einem Gehäuse, das einen Außenbehälter und einen mit Abstand von diesem angeordneten Innenbehälter umfaßt, die ein einen Isolierbereich einschließendes Isoliergefäß bilden, mit einem im Innenbehälter angeordneten Speicherkern, in dem mindestens eine Kammer für ein Speichermedium durch eine Trennwand von mindestens einem Strömungsweg für ein wärmetransportierendes Medium getrennt ist, mit einer Zuflußleitung und einer Abflußleitung für das wärmetransportierende Medium, die mit dem Strömungsweg in Verbindung stehen und durch den Isolier­ bereich nach außen geführt sind, wobei der Isolierbereich nach der mechanischen Fertigstellung des Gehäuses zur Entgasung ausgeheizt und evakuiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Speichermediums so bemessen wird, daß bei der maximal auftretenden Temperatur das Volumen des Speichermediums höchstens gleich dem zugeordneten Kammervolumen ist.