TU-Prüfung

Ausgangssituation

Die Fa. Demmerer erteilte dem IWT den Auftrag die von Ihnen konstruierte Schichtladeeinheit zu prüfen um die Funktionstauglichkeit nachzuweisen.

Bearbeiter
Ing. Klaus Heiling
A.o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Wolfgang Streicher

Bearbeitungszeitraum
Februar 2000 - März 2000

Aufbau des Speichers

Die Ladeeinheit besteht aus einem durchgehenden Kunststoffrohr in welches in gleichmäßigen Abständen Lochkreise eingebaut sind. Von unten her kann der Heizungsrücklauf und von oben her der Solaranlagen-Vorlauf (sekundärseitig eines externen Wärmetauschers) eingebracht werden. Um den Durchmischungseffekt durch die offenen Lochkreise zu vermeiden wird zum einen ein großer Rohrquerschnitt der Ladelanze gewählt und zum anderen der Kollektorvorlauf über ein konzentrisches Rohr immer unterhalb des oberen Drittels in die Ladelanze eingebracht.

Technische Daten des untersuchten Speichers:

Inhalt: 1000 l
Höhe: 2000 mm
Durchmesser: 780 mm
Anschlüsse: 6/4 "

Durchführung der Messungen

Der zu prüfende Prototyp wurde an eine kombinierte Wärmequellen- und Senkenanlage angeschlossen. Diese besteht aus einem Heizungspuffer, Luft- und Wasserkühlern und einer Regeleinheit zur stufenlosen Regelung der Vorlauftemperatur und des Durchflusses.

Bei den Messungen wurden der Ausgangszustand (Temperaturspreizung im Speicher) und der (Beladungsmassenfluß variiert um die Einsatzgrenzen des Schichtladers auszuloten. Da diese mit der Dichtedifferenz von Wasser arbeiten, funktionieren sie nur ab einer gewissen Temperaturdifferenz zwischen Speicher unten und oben bzw. der Temperatur des eintretenden Mediums. Sind die Temperaturdifferenzen zu gering, so fließt das Wasser weiter, als bis zur optimalen Austrittsstelle. Allerdings sind in diesem Fall auch die exergetischen Verluste gering. Übersteigt der Massenfluss im Schichtlader eine bestimmte Grenze wird der Impuls des im Rohr strömenden so groß, dass es an der optimalen Öffnung vorbei fließt und an anderer Stelle austritt. Die für die Beurteilung wichtigen Daten sind Vor- und Rücklauftemperatur, Massenstrom und die Temperaturverteilung im Speicher.

Auswertung

Wie aus den nachfolgenden Diagrammen ersichtlich ist wird die vorhandene Temperaturschichtung im Speicher nicht negativ beeinflusst.

Abb. 2 und Abb. 3 zeigen die Temperaturverläufe im Speicher über Ort und Zeit bei einen zweistufigen Entladeversuch mit einem Massenfluß von 1040 l/h (Entnahme oben, rückfließendes Wasser von unten in die Ladeeinheit eingebracht). Die ersten 24 Minuten wurde dem Speicher oben heißes Wasser entnommen und mit einer Temperatur zwischen 45 und 43¡C rückgespeist. Man erkennt in Abb. 3, dass die geringeren Speichertemperaturen vom rückfließenden Wasser annähernd unbeeinflusst bleiben und sich eine definiert Grenzschicht zwischen heißem Speicherwasser oben und einfließendem Wasser ergibt. Anschließend wurde das rückfließende Wasser auf ca. 15¡C abgesenkt. Der Speicher wird weiterhin gut geschichtet entladen und das einströmende Wasser tritt unten am untersten Auslass der Schichtladeeinheit aus. Abb. 2 zeigt die örtlichen Temperaturen zum Start, vor Änderung der Rücklauftemperatur und am Ende des Versuchs.

 

Abb. 2 Temperaturprofil über die Höhe bei bei zweistufigem Entladeversuch mit und ohne Rückeinschichtung: Durchfluss 1040 l/h
Abb. 2 Temperaturprofil über die Höhe bei bei zweistufigem Entladeversuch mit und ohne Rückeinschichtung: Durchfluss 1040 l/h
Abb. 3 Temperaturschichtung über die Entladezeit bei zweistufigem Entladeversuch mit und ohne Rückeinschichtung: Durchfluss 1040 l/h
Abb. 3 Temperaturschichtung über die Entladezeit bei zweistufigem Entladeversuch mit und ohne Rückeinschichtung: Durchfluss 1040 l/h

Abb. 3 und 4 zeigen einen zweistufigen Ladeversuch (Einströmen von oben in den Schichtlader, Austritt unten) mit einem Volumensfluß 1125 l/h. Ein solcher Volumensfluß entspricht unter der Annahme einer Low-Flow Solaranlagen-Konzeption einer Kollektorfläche von ca. 90 m². In der ersten Stufe wurde mit 59¡C eingeschichtet. Dies war eine höhere Temperatur als im Speicher vorhanden. Anschließend wurde eine mittlere Temperatur zum Beladen eingestellt. Wiederum zeigt sich ein gutes Einschichtverhalten. Zu Beginn des Versuches wird an höchster Stelle eingeschichtet, allerdings wird die Einströmtemperatur nicht ganz erreicht, was auf eine gewisse Durchmischung hindeutet. Bei der abgesenkten Einströmtemperatur zeigt sich dagegen ein sehr gutes Schichtungsverhalten.

Abb. 4 Temperaturprofil über die Speicherhöhe bei einem zweistufigen Lade- und Einschichtversuch: Durchfluss 1125 l/h
Abb. 4 Temperaturprofil über die Speicherhöhe bei einem zweistufigen Lade- und Einschichtversuch: Durchfluss 1125 l/h
Abb. 4 Temperaturschichtung über die Ladezeit bei einem zweistufigen Lade- und Einschichtversuch: Durchfluss 1125 l/h
Abb. 4 Temperaturschichtung über die Ladezeit bei einem zweistufigen Lade- und Einschichtversuch: Durchfluss 1125 l/h

Schlussfolgerung

Die vermessene Schichtladeinheit zeigt auch bei hohen Volumensflüssen ein gutes Schichtverhalten. Daher ist sie gut für den Einsatz in Schichtspeichern geeignet. Das Büro Demmerer bietet die Schichtladeeinheit seit Herbst 2000 am Markt an.

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