SE408955B - Forfarande och anordning for att lagra vermeenergi - Google Patents

Description

- 40 7712829-6 _ z i en salthydrat-smälta, t.ex. glaubersalt, kalciumkloridhydrat, järnkloridhydrat m.m.

Dessa material har relativt högt smältvärme och är relativt billiga. Processen för smältvärmelagring är skenbart mycket enkel. Värmeupptagningen och lagringen sker genom att kristalliniskt material i fast form smälts genom tillförsel av värme, varigenom materialet erhålles i flytande tillstånd. Vid värmeavgivningen sker den omvända pro- cessen.

Problemen härrör framför allt ur a) fasomvandlingsprocessen b) värmeöverföringen mellan det smältbara materialet och en värmebärare, vanli- gen en vätska eller gas, c) systemets livslängd d) det smältbara materialets korrosivitet e) utformningen av inkapslingen och värmeväxlingen f) smälttemperaturen.

Vid fasomvandlingsprocessen (a) kan ogynnsamma effekter såsom fasseparation, sedimentering av kristaller, kemiskt sönderfall och underkylning uppträda.

Värmeöverföringen (b) och utformningen av inkapslingen och värmeväxlingen (e) brukar lösas genom att det värmelagrande materialet inneslutes i ett stort antal små behållare som vardera står i kontakt med värmebäraren. Därvid erhålles god värmeöver- föring men inkapslingen blir lätt dyr och behållarna måste staplas eller låsas på något ändamålsenligt sätt.

Salthydrater uppvisar begränsad livslängd (c). Emellertid är enklare material såsom vatten/is eller paraffiner fria från detta problem.

Vidare har främst salthydrater hög korrosivitet (d), vilket medför problem vid inkapslingeni' Många material med högt smältvärme har alltför hög eller låg smälttemperatur för att vara tekniskt användbara (f). För att undvika detta problem kan man använda en värmepump.

.Enligt föreliggande uppfinning löses ovannämnda problem på följande sätt.

Ett "enkelt" material, såsom paraffin, vatten eller en olja, används såsom värmelag- _ ringsmedium, varigenom problemen med fasomvandlingen (a), systemets livslängd (d), korro- siviteten (d) och smälttemperaturen (f) undvikes. Som exempel diskuteras härefter paraffin utan att uppfinningen är begränsad till detta ämne. Paraffin har nackdelen .att det har betydligt sämre värmeledningsförmåga än exempelvis vatten, speciellt i smält tillstånd, varför problemet med värmeöverföringen måste lösas.

.Föreliggande uppfinning grundar sig pà följande egenskaper.

Två icke-blandningsbara material kan bringas i omedelbar kontakt med varandra utan attblandas, dvs upplösas i varandra. Vidare kan ett flytande materials yta mångdubblas genom sönderdelning i droppar. Slutligen skiktar sig två icke-blandnings- bara vätskor med olika densitet pâ varandra utan att blandas. 40 3 7712829-6 Dessa egenskaper används sålunda att det första materialet, vilket utgör värmebärare och har den lägre smälttemperaturen, exempelvis vatten, sönderdelas i droppar och bringas att passera genom det andra materialet, exempelvis paraffin, i droppform, varvid värmebäraren pä grund av den stora kontaktytan effektivt antager det andra materialets temperatur.

I enlighet därmed àstadkommes enligt föreliggande uppfinning ett förfarande för att vid en hybridvärmelagringsanordning, bestående av ett första och ett andra materia] med olika smälttemperaturer och olika densitet, vilka material i sina vätske- formiga tillstånd ej är blandningsbara, lagra värmeenergi i form avsmältvärme. För- farandet kännetecknas av att vid värmeextraktion ur värmelagringsanordningen det första materialet, vilket har den lägre smälttemperaturen, bringas till direkt värme- växlande kontakt med det andra materialet, som befinner sig väsentligen i flytande tillstànd genom att droppar av det första materialet, som har lägre temperatur än det andra materialets smälttemperatur, bringas att passera genom det andra materialet, varigenom dropparna av det första materialet uppvärmes och kan användas för att avge värmet i ett yttre kretslopp, medan det andra materialet stelnar i väsentligen dropp- form, och att vid värmetillförsel till värmelagringsanordningen vätskeformiga, genom det andra materialet, som befinner sig väsentligen i fast tillstànd, förlöpande ström- ningskanaler bildas, varefter droppar av det första materialet, vilket har en högre temperatur än det andra materialets smälttemperatur, bringas att passera genom ström- ningskanalerna, varigenom genom direkt värmeväxling omkring strömningskanalerna be- fintligt andra material bringas att smälta. Lämpligen har det första materialet högre densitet än det andra materialet, varvid det första materialet sprayas eller duschas på det andra materialet.

Enligt föreliggande uppfinning âstadkommes även en hybridvärmelagringsanord- ning, som inbegriper en tank, som innehåller det första och det andra materialet, vilka material är belägna i skikt ovanför varandra, och en tilledning, som inbegriper en droppbildare, varigenom det första materialet, som har den lägre smälttemperaturen, fördelas till droppar, samt en frànledning för det första materialet.

Uppfinningen kommer nu att närmare beskrivas med hjälp av en föredragen ut- föringsform under hänvisning till bifogade ritningar. Därvid visar fig. l och fig. 2 uppfinningens princip. Fig. 3 visar en tillämpning i ett solvärmesystem och fig. 4 visar en tillämpning med användning av en värmepump och för beredning av varmt tapp- vatten.

Fig. l visar principen för uttagning av värme ur värmelagringsanordningen.

Anordningen består av ett kärl l med ett inlopp 2 och ett utlopp 3. Kärlet l inrymmer en mängd av det första materialet 5 beläget vid kärlets botten och en mängd av det andra materialet 6, som flyter på det första materialet. Det första materialet består av vatten och det andra materialet består av paraffin. Paraffinet har en smälttempera- tur på ungefär 52°C och befinner sig i smält tillstànd. Inloppsröret 2 är försett med en droppanordning 4, varigenom vatten avges droppvis. Paraffinet 6 och vattnet 5 vid 40 7712829 '-6 4 kärlets l botten har samma temperatur, vilken är högre än 5200, exempelvis 54°C.

Eftersom paraffinet är lättare än vatten flyter det pä vattnet.

Om nu kallt vatten med en tempratur av mindre än 52°C tillföres genom inloppet 2 och får droppa genom droppanordningen 4 händer följande. Droppen när ytan för det smälta paraffinet och börjar sjunka genom paraffinlagret. Vid sjunkningen upptar droppen värme från det varma paraffinet, varvid paraffinet i droppens omedelbara närhet avkyles. När temperaturen hos paraffinet i droppens omedelbara närhet under- stiger 5206 börjar en viss del av paraffinet att stelna pâ droppens undersida.

Paraffinet som stelnat bildar en något skâlformad droppe som följer med vattendroppen nedåt genom praffinet eftersom paraffin i fast tillstånd har högre densitet än smält paraffin. När kombinationen av värmedroppen och paraffindroppen när gränsen mellan vattnet och paraffinet stannar paraffindroppen vid gränsen medan den uppvärmda vatten- droppen passerar gränsen. Allteftersom mer kallt vatten tillföres genom inloppet 2 bildas fler paraffindroppar vid gränsen mellan paraffinet och vattnet. Slutligen har det mesta av det flytande paraffinet övergått till fast form, vilket innebär att det smältvärme, som lagrats i paraffinet, har uttagits vid ungefär paraffinets smälttemperatur, dvs. vid 5200, genom direkt värmeväxling mellan vattendropparna och det omgivande paraffinet. När praktiskt taget allt paraffin har stelnat kan ytterligare vattendroppar ej passera och processen avstannar. I och med att de stelnade paraffindropparna är något skålformade medför detta att en liten vatten- mängd är innestängd i den stelnade paraffinmassan. Denna begränsade vattenmängd bidrar till att förbättra värmeledningen i det fasta paraffinet. Värmelagringsan- ordningen kan nu uppladdas med nytt värme tills allt paraffinet äter har smält.

Under hänvisning till fig. 2 visas hur värmelagringsanordningen uppladdas med värme. Värmelagringsanordningen enligt fig. l har här kompletterats med ett vertikalt rör 7 och en ventil 8. Röret 7 förlöper från inloppet 2 genom lagret med paraffin 6 och mynnar i vattnet 5 under paraffinlagret. Om varmt vatten med en temperatur av över 5206 tillföres genom inloppet 2 tillâtes detta medelst ventilen 8 att passera genom röret 7 till det underliggande vattenlagret 5. Därvid kommer ett område hos paraffinet omkring röret 7 att smälta, varigenom en strömningskanal l0 bildas genom det fasta paraffinlagret 6. Vid detta stadium stänges ventilen 8 och det varma vatt- net tillâts att droppa genom droppanordningen 4. Det neddroppande vattnet kan därvid passera genom strömningskanalen l0. Härvid sker en direkt värmeväxling mellan vatten- dropparna och det smälta paraffinet i strömningskanalen, varigenom värmet överföres frän vattendroppen till paraffinet och strömningskanalen utvidgas. Till slut har hela paraffinlagret 6 smält, varvid Värmelagringsanordningen är fulladdad.

Vattnet 5 i kärlet l kan användas i en yttre värmekrets för avgivning och/eller upptagning av värme.

Såsom angivits ovan kan andra materialkombinationer användas, såsom vatten/olja.

Om oljan har högre densitet än vattnet kan vattnet utgöra smältvärmelagringsmaterialet l0 40 s ' 7712829-6 vid OOC. Det är även möjligt att använda en olja med lägre densitet än vatten, såsom en lättviskös termoolja. Därvid anordnas inloppet 2 vid kärlets l botten och utloppet 3 vid kärlets övre parti, varvid termooljan, som är belägen ovanpå vattnet/isen, utgör värmebärare, varigenom erhålles ett upp-och-ner-vänt system.

Droppanordningen 4 består företrädesvis av ett munstycke liknande ett dusch- munstycke eller en dusch-stril med ett flertal små hål. Vattnet som passerar mun- stycket finfördelas till en mängd droppar eller till ett strilande flöde. Med droppar avses i föreliggande beskrivning förutom separata droppar även ett flöde med mer eller mindre sammanhängande droppar eller ett flöde bestående av ett flertal tunna strålar, som eventuellt partiellt kan bestå av droppar. Väsentligt för uppfinningen är att den tillförda vattenmängden uppdelas och sönderdelas så att dess kontaktyta med paraffinet kan bli stor.

Det vertikala röret eller strypvärmeröret 7 utför två funktioner, dels en värmeväxlande funktion och dels en strypfunktion. Värmeväxlingen sker mellan rörets 7 yttre yta och det intilliggande paraffinet så att strömningskanaler l0 bildas under initialskedet av uppladdningen. Strypfunktionen kan utföras med en stryp-, back- eller on-off-ventil. Alternativt kan strypvärmeröret 7 bestå av ett kapillärrör såsom närmare förklaras i samband med fig. 4. Strypvärmeröret 7 kan vara väsentligen verti- kalt eller förlöpa nedåt i en axiell spiral eller på annat sätt vara anordnat med en huvudsakligen nedåtgående lutning så att vattnet lätt kan strömma nedåt i röret.

I fig. 3 visas hur värmelagringsanordningen kan infogas i ett värmesystem för husuppvärmning innefattande en solfångare. Värmesystemet inbegriper en tank ll, som är fylld med vatten l5 och paraffin l6. Utrymmet l9 är fyllt med en gas. Systemet inbegriper vidare en solfångare 20, ett inloppsrör l2, ett utloppsrör l3, en dropp- anordning i form av perforerade rörpartier l4 och vertikala rörpartier l7. En cirkula- tionspump 2l pumpar vattnet i ett kretslopp från utloppsröret l3 via stigarröret 22 till solfångaren 20 och vidare genom ett nedledningsrör 23 och en backventil till tankens ll inlopp l2. Ett shuntrör 24 är inkopplat från inloppsrörets l2 ände till utloppsröret 13 och styres av en ventil l8. ventilen kan vara en stryp-, back- eller on-off-ventil. Shuntröret 24 och ventilen l8 kan ersättas av ett kapillärrör. Ett andra utloppsrör 25 leder till värmeförbrukaren 26, varifrån vattnet återföres direkt till tankenll via tillförselröret 27 eller till utloppsröret l3. Ett andra shunt-rör 28 förbinder via en trevägsventil 29 stigarröret 22 med nedledningsröret 232 Systemets funktion kommer nu att förklaras. Vid tillförsel av värme befinner sig trevägsventilen 29 i det läget att shuntröret 28 är avstängt. Till en början är ventilen l8 öppen. Solvärmt vatten drives nu medelst pumpen Zl från solfångaren 20 genom nedledningsröret 23 till inloppsröret l2 och genom rörpartierna l4 och l7 samt vidare genom ventilen l8, shuntröret 24 till utloppsröret l3 och pumpen 2l. Väsentligen inget vatten uttränger genom det perforerade rörpartiet l4, eftersom utträdesmotstån-- det för vattnet genom perforeringshålen är större än flödesmotståndet genom shuntröret.

Paraffinet l6 runt rörpartierna l7 börjar smälta, varigenom strömningskanaler bildas. ss' 40 7712829--6 e Härvid stängs ventilen 18, vilket innebär att vattnet börjar uttränga genom perfore- ringshålen och passera genom paraffinlagret till det underliggande vattenlagret, 1 varigenom vattnets värmeenergi avges till det fasta paraffinet som därvid smälter.

Vattnet strömmar genom utloppet 13 till pumpen 21 och genom stigarröret 22 till sol- fängaren 20. Samtidigt kan en delmängd vatten cirkuleras i ett kretslopp 25, 26, 27 till en värmeförbrukare. b Vid uttag eller urladdning av värme när solfângaren ej producerar värmeenergi, exempelvis på natten, omställes trevägsventilen 29 så att shuntledningen 28 förbinder stigarröret 22 med nedledningsröret 23. Ventilen 18 är stängd. Avkylt vatten från tillförselröret 27 strömmar genom utloppet 13 till pumpen 21 och vidare genom shunt- ledningen 28 till tankens ll inlopp 12. Vattnet får droppa genom paraffinlagret och uppvärms därvid till en temperatur av ca 52°C och får strömma till värmeförbrukaren 26. När allt lagrat värme uttagits kan inget vatten längre passera genom det kompakta paraffinlagret, varvid trycket stiger i utrymmet 19, vilket kan användas som styrsignalg för att avstänga pumpen 21. Alternativt kan pumpen regleras i beroende av temperaturen i paraffinlagret och avstängas när temperaturen understiger ca 50°C (eller någon annan lämplig temperatur).

I fig. 4 visas värmelagringsanordningen i samband med en värmepump 30 i och för uppvärmning av varmt tappvatten i en Varmvattenberedare. Systemet inbegriper en tank 31 med ett inlopp 32, ett externt konventionellt expansionskärl (ej visat) och ett utlopp 33 samt en droppanordning 34. Inbäddad i paraffinlagret 36 finns en varm- vattenberedare 40, till vilken kallt vatten tillföres via ett tilledningsrör 41 och varmt vatten avtappas via avtappningsröret 42. När varmt vatten avtappas stelnar paraf- finet omkring varmvattenberedaren 40 samtidigt som det tillförda kalla vattnet värms.

Droppanordnihgen 34 är belägen omkring varmvattenberedaren 40. Från droppanordningen löper ett kapillärrör 37 i en spiral nedåt genom paraffinlagret 36 och mynnar i det underliggande vattenlagret 35.

Antag att paraffinlagret 36 befinner sig helt i fast tillstånd. Därvid är hålen i droppanordningen 34 tiiltäppta av stelnad paraffin. Om varmt vatten tillföres genom inloppet 32 kan detta ej utströmma genom de tilltäppta hålen utan passerar genom kapil- lärrören 37. Därvid bildas strömningskanaler genom paraffinlagret såsom tidigare.

Strömningen genom kapillärrören blir så liten att den kan negligeras.

Värmelagringsanordningen enligt uppfinningen kan också anordnas med separata inlopp för laddning och urladdning. Därvid kan inloppsröret för tillförsel av värme befinna sig helt inneslutet i paraffinet med perforeringshålen mynnande i paraffin- lagret. Däremot bör inloppsröret för uttag av värme befinna sig i ett utrymme ovanför paraffinlagret eftersom annars perforeringshälen snabbt tilltäppes av stelnad paraffin.

Kapillärrör kan användas även i utföringsformen enligt fig. 3 såsom ersättning för shuntröret 24 och ventilen 18 eller såsom ett värmestryprör som passerar genom paraffinlagret och mynnar i vattenlagret. Vid initialskedet av värmetillförseln till anordningen är därvid flödesmotståndet genom kapillärrören mindre än utträdesmot-

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 40 7 7712829-6 ståndet genom perforeringshålen. Så snart strömningskanaler bildats minskar utträdes- motståndet och vattnet strömmar huvudsakligen den lättare vägen genom perforerings- hålen och paraffinlagret medan flödet genom kapillärröret kan negligeras. Kapillär- rörets dimension avpassas så att denna funktion erhålles. PATENTKRAV

1. l. Förfarande för att vid en hybridvärmelagringsanordning, bestående av ett första och ett andra material med olika smälttemperaturer och olika densitet, vilka material i sina vätskeformiga tillstånd ej är blandningsbara, lagra värmeenergi i form av smältvärme, k ä n n e t e c k n a t av att vid värmeextraktion ur värme- lagret det första materialet (5), vilket har den lägre smälttemperaturen, bringas till direkt värmeväxlande kontakt med det andra materialet (6), som befinner sig väsentligen i flytande tillstånd genom att droppar av det första materialet, som har lägre tempe- ratur än det andra materialets smälttemperatur, bringas att passera genom det andra materialet, varigenom dropparna av det första materialet uppvärmes och kan användas för att avge värmet i ett yttre kretslopp, medan det andra materialet stelnar, och att vid värmetillförsel till värmelagret vätskeformiga, genom det andra materialet, som befinner sig väsentligen i fast tillstånd, förlöpande strömningskanaler (10) bildas, varefter droppar av det första materialet, vilket har en högre temperatur än det andra materialets smälttemperatur, bringas att passera genom strömningskanalerna, varigenom genom direkt värmeväxling omkring strömningskanalerna befintligt andra muefialbfinmsattmfilm. i

2. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att det första materia- let (5) har högre densitet än det andra materialet och att det första materialet spray- as eller duschas direkt i eller via ett ovanför det andra materialet befintligt gas- fyllt utrymme (9) på det andra materialet. _

3. Förfarande enligt krav l eller 2, k ä n ne t e c k n a t av att ström- ningskanalerna (10) bildas genom att en värmeslinga i form av ett eller flera kapillär- rör eller ett eller flera strypbara rör (7) förlöper nedåt genom det andra materialet (6).

4. Förfarande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att värmeslingan (7) uppvärmes genom att det första materialet (5), när detta har en högre temperatur än det - andra materialets (6) smältpunkt, bringas att strömma genom värmeslingan.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att det första materialet (5) är vatten och det andra materialet (6) är paraffin.

6. Hybridvärmelagringsanordning för genomförande av förfarandet enligt krav 1, för att lagra värmeenergi i form av smältvärme, innefattande ett första och ett andra material med olika smälttemperaturer och olika densitet, vilka material i sina vätske- formiga tillstånd ej är blandningsbara, k ä n n e t e c k n a d av en tank (1), som innehåller det första (5) och det andra (6) materialet, vilka material är belägna i - 7712829-6 10 15 20 25 36 skikt ovanför varandra; ett inlopp (2), som inbegriper en droppanordning (4), varigenom det första materialet, som har den lägre smälttemperaturen, fördelas till droppar; ett utlopp (3) för det första materialet; och en värmeslinga (7).

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k na d av att det första materia- let (5) har högre densitet och lägre smälttemperatur än det andra materialet (6); och att inloppet (2) mynnar i tankens (l) övre del direkt i det andra materialet eller i ett gasfyllt utrymme (9) ovanför det andra materialet samt att utloppet (3) mynnar i tankens nedre del, varigenom det via inloppet (2) och droppanordningen (4) tillförda första materialet väsentligen droppvis passerar genom det andra materialet till det därunder befintliga första materialet för att avges via utloppet.

8. Anordning enligt krav 7, k ä nn e t e c k na d avatt det första materialet (5) har lägre densitet och lägre smältpunkt än det andra materialet (6), och att inloppet mynnar i tankens nedre del vid det andra materialets nedre parti samt att utloppet mynnar i tankens övre del.

9. Anordning enligt något av krav 6-8, k ä n n e t e c k n a d av att värme- islingan förlöper nedåt, exempelvis i en spiral, genom det andra materialet, varigenom strömningskanaler i det andra materialet kan bildas. _

10. l0. Anordning enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d av att värmeslingan utgöres av ett värmeväxlande rör som förlöper genom det andra materialet och vars ände medelst ett strypbart rör är förbunden med utloppet.

11. ll. Anordning enligt krav 10, k ä n n e t e c k na d av att det strypbara röret utgöres av ett med en ventil försett rör eller av ett kapillärrör.

12. l2. Anordning enligt krav 9, k'ä n n e t e c k n a d av att värmeslingan utgöres av ett kapillärrör. _

13. l3. Anordning enligt krav 9, k ä n n_e t e c k nafld av att värmeslingan uppvärmes genom att det varma första materialet får passera värmeslingan eller medelst ' elektricitet.

14. l4. Anordning enligt något av krav 6~l3, k ä nn e t e c k n a d av att det första materialet används som värmetransportmedium i ett yttre kretslopp.

15. l5. Anordning enligt något av krav 6-l4, k ä n n e t e c k n a d av att det första materialet (5) är vatten och det andra materialet (6) är paraffin. ÅNFÖRDA PUBLIKATIONER: