Способ и устройство для определения загрузки латентного аккумулятора тепла

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРУЗКИ ЛАТЕНТНОГО АККУМУЛЯТОРА ТЕПЛА Предложены простой способ определения степени загрузки латентного аккумулятора тепла, а также латентный аккумулятор тепла с соответствующей индикацией степени загрузки. Во время фазового превращения материала латентного аккумулятора тепла (Phase Change Material, PCM) изменяется плотность материала. Это изменение объема может обнаруживаться, а по нему может определяться доля растаявшего материала латентного аккумулятора тепла и, кроме того, степень загрузки аккумулятора. Согласно изобретению изменение объема косвенно производится через определение объема газового пространства, имеющегося в аккумуляторе для буферирования. Для этого в газовое пространство подается или из него отводится некоторое количество анализируемого газа, и при этом определяется происходящее изменение давления. Оно является мерилом степени загрузки латентного аккумулятора тепла. Сущность изобретения заключается в том, что изменение давления в газовом пространстве осуществляется активно. В результате можно отказаться от абсолютно плотного исполнения бака аккумулятора. Происходящее изменение давления является мерилом степени загрузки латентного аккумулятора тепла. Эта зависимость может быть отградуирована в соответствии с теплосодержанием аккумулятора. Изобретение относится к способу определения степени загрузки латентного аккумулятора тепла согласно п.1 формулы изобретения с соответствующей индикацией степени загрузки согласно п.7 формулы изобретения. В чувствительных аккумуляторах тепла степень загрузки аккумулятора может измеряться просто путем измерения температуры среды аккумулятора, поскольку с увеличением энергоемкости температура среды аккумулятора возрастает. В латентных аккумуляторах тепла температура среды аккумулятора во время фазового перехода не изменяется или изменяется очень незначительно. Поскольку этот фазовый переход представляет собой собственно процесс аккумулирования, а аккумулирование энергии, по существу, происходит в весьма ограниченном интервале температур, измерение температуры не может использоваться для измерения степени загрузки аккумулятора. Измерение температуры может быть использовано лишь для определения состояния полного заряда или полного разряда аккумулятора (DE 102006007863 A1). При льдоаккумулировании, особой форме латентного аккумулятора тепла, измерение степени загрузки по уровню заполнения водой является уровнем техники. Это производится главным образом с помощью датчиков давления, измеряющих гидростатическое давление водяного столба. Для этого измерение давления должно проводиться в жидкой воде и гарантировать, что датчик давления может регистрировать гидростатическую высоту и не будет блокирован твердым льдом. Это, прежде всего,возможно потому, что льдоаккумулятор может аккумулировать холод, и поэтому окружающая температура обычно выше температуры талой воды (0 С). Это приводит к тому, что вода с краю аккумулятора является жидкой. Точно так же вода при таянии испытывает объемное сжатие, вследствие чего твердый лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, и поэтому лед плавает в воде. И то и другое ведет к тому, что датчики давления могут просто встраиваться в стенку бака. У аккумуляторов тепла окружающая температура обычно явно ниже температуры превращения материала латентного аккумулятора тепла. Это приводит к тому, что из-за тепловых потерь в окружающей среде материал аккумулятора плотно прилегает к стенкам бака. Точно так же все материалы латентного аккумулятора тепла в жидком состоянии имеют меньшую плотность, чем в твердом состоянии. Поэтому твердый материал аккумулятора опускается на дно. И то и другое существенно затрудняет измерение гидростатического давления, так что этот метод с большинством латентных аккумуляторов тепла не может быть реализован экономично. Использование газонепроницаемого аккумулятора и измерение повышения давления во время фазового превращения, как это, например, предлагается Лаингом (Laing) (DE 000003227322 A1) или Уилом(Wilo) (DE 000019615506 A1), требует большого объема газового буфера, очень больших затрат на оборудование, или бак с постоянным давлением. Это существенно увеличивает стоимость аккумулятора. Измерение расширения объема путем вытеснения жидкости, стоящей над материалом латентного аккумулятора тепла и не смешивающейся с ним, требует относительно больших затрат на оборудование и соответствующего места для приемного сосуда. Это предлагается Померенке (Pomerenke) (DE 000010108152 A1 и DE 000020020814 U1). Индикация степени загрузки, предлагаемая Рубитермом (Rubitherm) (DE 000010058938 A1), БМВ(BMW) (DE 000010235581 C1) или Хегеле (Hegele) (DE 000019745794 A1), подходит лишь для очень специфичных конструкций аккумуляторов и не может быть просто перенесена на другие аккумуляторные установки. Поэтому задачей настоящего изобретения является создание более простого и более дешевого способа определения степени загрузки латентного аккумулятора тепла. Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание латентного аккумулятора тепла с соответствующей индикацией загрузки. Эта задача решается с помощью признаков п.1 и соответственно п.7 формулы изобретения. Во время фазового превращения материала латентного аккумулятора тепла (Phase Change Material,PCM) изменяется плотность материала. Это изменение объема может обнаруживаться, а по нему определяться доля растаявшего материала латентного аккумулятора тепла и, кроме того, степень загрузки аккумулятора. Согласно изобретению изменение объема косвенно производится через определение объема газового пространства, имеющегося в аккумуляторе для буферирования. Для этого в газовое пространство подается или из него отводится некоторое количество анализируемого газа и при этом определяется происходящее изменение давления. Оно является мерилом степени загрузки латентного аккумулятора тепла. Сущность изобретения заключается в том, что изменение давления в газовом пространстве осуществляется активно. В результате можно отказаться от абсолютно герметичного исполнения бака аккумулятора. Происходящее изменение давления является мерилом степени загрузки латентного аккумулятора тепла. Эта зависимость может быть отградуирована в соответствии с теплосодержанием аккумулятора. Градуировка индикации может быть также автоматически проведена повторно, для чего в аккумуляторе путем измерения температуры определяются состояния "пусто" или "полно". Это возможно, поскольку изменения температуры аккумулятора после завершения фазового перехода снова легко поддаются измерению, а большая часть емкости аккумулятора зиждется на переходной энтальпии фазового превращения в пределах очень узкого температурного интервала. Зная эти экстремальные значения, показание или индикацию теплосодержания аккумулятора можно градуировать между экстремальными значениями"загружено" и "разгружено" (т.е. "полно" и "пусто") путем интерполяции, поскольку характер взаимозависимости между теплосодержанием аккумулятора и свободным газовым пространством в баке аккумулятора может определяться с самого начала. Во многих случаях достаточно линейной интерполяции,поскольку изменение объема с надежным приближением является пропорциональным количеству уже растопившегося материала, Отклонения от этой линейной взаимозависимости между информацией о теплосодержании и результатом измерения давления происходят вследствие утечки или нелинейности характеристики воздушного насоса. Кроме того, влияние различия теплового расширения в жидком и твердом состояниях материала латентного аккумулятора тепла является незначительным. Для функционирования достаточно незначительного избыточного или пониженного давления, например, 10 мбар, так что бак аккумулятора должен удовлетворять самым незначительным дополнительным требованиям со стороны давления. Затем снова происходит выравнивание давления с окружающей средой. Таким образом, аккумулятор может эксплуатироваться практически без давления. При этом бак аккумулятора должен предъявлять лишь незначительные требования в отношении газонепроницаемости. Аккумулятор испытывает лишь кратковременный незначительный перепад давления относительно окружающей среды, причем газовый поток подается при этом в аккумулятор или отводится из него непрерывно. Если аккумулятор обнаруживает утечку газа, то результатом этого является лишь некоторое уменьшение эффективного газового потока, изменяющего давление в аккумуляторе. Пока утечка не станет слишком большой и существенно не изменится, функционирование индикации степени загрузки не меняется. Утечка является для аккумулятора рациональной постольку, поскольку в течение всего процесса расплавления в аккумуляторе не создается никакого избыточного давления. Эта утечка может быть даже управляемой. Тогда течь обычно является открытой, закрывается она лишь при определении степени загрузки. Кроме того, согласно п.2 формулы изобретения возможен вариант закрытия относительно окружающей среды или прекращения газообмена. Для этого газ не подводится снаружи и не отводится, а выкачивается из соединенного с газовым пространством сосуда или закачивается в него. Изменение давления в зависимости от степени загрузки аккумулятора происходит и таким образом. Описанный здесь способ применяется во множестве конструкций латентного аккумулятора тепла. Это предпочтительно прежде всего в комплексных структурах теплообменных устройств. Это устройство может использоваться также в модульных латентных аккумуляторах тепла, т.е. в аккумуляторах, состоящих их нескольких отдельных аккумуляторов. При этом к газоснабжению могут подключаться все или только некоторые репрезентативные аккумуляторы, т.е. индикация степени загрузки может производиться у всех или только у некоторых репрезентативных аккумуляторов. У аккумуляторов, состоящих из множества небольших универсальных модулей, способ согласно п.10 формулы изобретения может применяться в окружающем баке. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов выполнения изобретения согласно п.13 формулы изобретения предусмотрено смесительное устройство, известное из DE 102008029072 А 1. С помощью такого смесительного устройства посредством газового насоса газ закачивается в нижнюю область бака аккумулятора, и этот газ выделяется из выпускного устройства в виде пузырьков и перемешивается по меньшей мере частично с жидким материалом латентного аккумулятора тепла. Таким образом,процессы разделения в материале латентного аккумулятора тепла предотвращаются или по меньшей мере ограничиваются. В отношении дальнейших подробностей делается ссылка на все содержание DE 102008029072 А 1. Предпочтительно, газовый насос, предусмотренный для этого смесительного устройства, одновременно является измерительным газовым насосом устройства подачи и отвода газа, так что один насос экономится. Остальные зависимые пункты формулы изобретения относятся к другим предпочтительным вариантам выполнения изобретения. Другие подробности, признаки и преимущества изобретения вытекают из последующего описания предпочтительных вариантов выполнения со ссылкой на чертежи. При этом фиг. 1 - аккумулятор с теплообменником и измерительным устройством (пример выполнения 1); фиг. 2 - модульный аккумулятор, причем во всех или по меньшей мере в одном репрезентативном частичном аккумуляторе измерение производится с помощью отдельного или центрального насоса (пример выполнения 2); фиг. 3 - модульный аккумулятор, причем в отдельных частичных аккумуляторах измерения производятся с помощью соединительной линии посредством центрального измерительного устройства (пример выполнения 3); фиг. 4 - закрытое исполнение с перекачкой газа в измерительный газгольдер или из него (пример выполнения 4); фиг. 5 - аккумулятор с теплообменником и измерительным устройством, а также с дополнительной активно управляемой или пассивной утечкой (пример выполнения 5); фиг. 6 - аккумулятор с эластичным баком для материала с фазовым переходом (РСМ) или материал стабильной формы с фазовым переходом (подача и отвод во время измерения, возможно, должны на короткое время прекращаться) (пример выполнения 6); фиг. 7 - аккумулятор с густой суспензией (подача и отвод во время измерения, возможно, должны на короткое время прекращаться) (пример выполнения 7); фиг. 8 - комбинация измерения степени загрузки и смесительного устройства для ограничения явлений разделения в материале латентного аккумулятора тепла (пример выполнения 8). На фиг. 1 изображен первый пример выполнения настоящего изобретения. Бак 5 аккумулятора до определенной степени заполнен материалом (РСМ) 3 с фазовым переходом. Над материалом (РСМ) 3 с фазовым переходом в баке 5 аккумулятора образовано газовое пространство 6, в котором может размещаться материал (РСМ) 3 с фазовым переходом при изменении его объема при разных степенях загрузки. В материал (РСМ) 3 с фазовым переходом погружается теплообменное устройство 4, посредством которого тепло снаружи бака 5 аккумулятора может передаваться материалу (РСМ) 3 с фазовым переходом и снова отводиться из него наружу. В газовое пространство 6 заходит измерительный газовый насос 1, посредством которого в газовое пространство 6 может подаваться определенное количество газа,предпочтительно воздуха. Давление в газовом пространстве 6 регистрируется прибором 2 для измерения давления. В качестве измерительного газового насоса 1 используется мембранный насос Томаса(Thomas) с качающимся анкером, создающий максимальный объемный поток 0,95 л/мин. Сначала для установления необходимых градуировочных данных должен быть определен объем газа в газовом пространстве 6 в полностью загруженном и полностью опорожненном состоянии (около 200 и 100 л соответственно). Соответствующее измерение текущей степени загрузки латентного аккумулятора тепла происходит путем подачи в газовое пространство 6 определенного количества измерительного газа. Для этого измерительный газовый насос 1 включается, а измерительный газ закачивается в газовое пространство 6, пока прибор 2 для измерения давления не покажет предопределенное давление. Предопределенное давление составляет, например, 10 мбар, максимум - 270 мбар. Предопределенное давление- это давление, например, приблизительно на 10 мбар выше, чем в газовом пространстве 6 до подачи измерительного газа. На основе промежутка времени, в течение которого работает измерительный газовый насос 1, и характеристики подачи измерительного газового насоса 1 определяется количество измерительного газа, поданного в газовое пространство 6. Это таким образом определенное количество измерительного газа устанавливается при аналогичном измерении в полностью загруженном состоянии и в полностью опорожненном состоянии, и отсюда определяется изменение объема. Это изменение объема зависит от соответствующей степени загрузки и, таким образом, является мерилом текущей степени загрузки латентного аккумулятора тепла. На фиг. 2 изображен второй пример выполнения, отличающийся от примера 1 выполнения тем, что в теплообменное устройство 4 включено множество баков 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 аккумуляторов. Каждый из отдельных баков 5-i аккумуляторов снабжен измерительным газовым насосом 1 и прибором 2 для измерения газа. Благодаря этому каждый отдельный частичный аккумулятор замеряется вышеописанным способом, и таким образом может быть определено состояние загрузки отдельных и тем самым всего аккумулятора. В случае параллельного включения в теплообменное устройство 4 частичных аккумуляторов аналогичной конструкции от замера во всех аккумуляторах можно отказаться, поскольку все аккумуляторы подают и отдают одинаковое количество тепла синхронно. Таким образом, для определения степени загрузки всего аккумулятора достаточно замера в одном репрезентативном частичном аккумуляторе. На фиг. 3 изображен третий пример выполнения, отличающийся от первого примера 1 выполнения тем, что в теплообменное устройство 4 включено множество баков 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 аккумулятора. Отличие от примера 2 выполнения состоит в том, что газовые пространства 6 отдельных частичных аккумуляторов соединены одним газонепроницаемым газопроводом 7 со сжатым газом. Таким образом, получается связное газовое пространство, объем которого измеряется вышеуказанными способами и по которому может быть снова определена степень загрузки всего аккумулятора. На фиг. 4 изображен четвертый пример выполнения, отличающийся от примера 1 выполнения тем,что измерительный газовый насос 1 закачивает газ в аккумулятор не из окружающей среды, а забирает его из газгольдера 8 и тем самым изменяет давление в аккумуляторе. По окончании измерения давление между газовым пространством 6 и газгольдером 8 снова выравнивается. Этот пример выполнения представляет собой систему, герметизированную относительно окружающей среды, так что никакая материя не может быть занесена в систему аккумулятора или вынесена из нее и, таким образом, может быть изменена, например, концентрация составных частей материала (РСМ) с фазовым переходом. Эта герметизация аккумулятора может быть также распространена на другие предложенные примеры выполнения. На фиг. 5 изображен пятый пример выполнения, отличающийся от примера 1 выполнения тем, что между газовым пространством 6 и окружающей средой имеется дополнительная утечка 9. Эта утечка 9 служит для выравнивания давления между газовым пространством 6 и окружающей средой после измерения. Пока утечка 9 по сравнению с газовым потоком, подаваемым измерительным газовым насосом 1,мала, она может являться пассивной. Активное управление утечкой 9 посредством клапана позволяет быстро выравнивать давление с окружающей средой, поскольку утечка в открытом состоянии может быть существенно больше. На фиг. 6 изображен шестой пример выполнения, отличающийся от примера 1 выполнения тем, что материал (РСМ) с фазовым переходом находится в отдельных эластичных баках, т.е. состоит из устойчивых по форме блоков 10 материала (РСМ) с фазовым переходом. Эти эластичные баки или блоки 10 зафиксированы во внешнем баке 5 аккумулятора поддерживающим механизмом 11. Через бак прокачивается текучая среда-теплоноситель (например, воздух) 13, а через поверхность эластичных баков или блоков 10 материала (РСМ) с фазовым переходом, используемых в качестве поверхности теплообменника,тепло подается в материал (РСМ) с фазовым переходом или отводится из него. Для вышеописанного процесса измерения впускные и выпускные отверстия аккумулятора 5 тепла для текучей средытеплоносителя 13, возможно, должны закрываться клапанами. На фиг. 7 изображен седьмой пример выполнения, отличающийся от примера 1 выполнения тем,что материал (РСМ) с фазовым переходом образует густую суспензию 14 (slurry). Эта густая суспензия 14 способна транспортироваться насосом, и она забирает или отдает тепло во внешнем теплообменнике/аппарате 15. Здесь изменение объема также зависит от степени загрузки. Это изменение объема может измеряться вышеуказанным способом, и тем самым может определяться степень загрузки. Для этого либо должен быть замкнут внешний циркуляционный контур 15, либо объем материала (РСМ) с фазовым переходом в виде густой суспензии, находящейся в этом циркуляционном контуре, по сравнению с изменением объема или степени загрузки всего аккумулятора должен изменяться лишь незначительно. Если речь идет о замкнутом циркуляционном контуре 15, то степень загрузки может измеряться непосредственно, в противном случае входы и выходы для густой суспензии материала (РСМ) с фазовым переходом при измерении на короткое время должны закрываться посредством клапанов 12. В порядке альтернативы изменение физического содержимого аккумулятора во время эксплуатации аккумулятора при оценке степени загрузки должно учитываться соответствующим образом. Это означает, что должно измеряться и учитываться количество материала (РСМ) с фазовым переходом, не находящееся в баке 5 аккумулятора. На фиг. 8 изображен очередной вариант выполнения изобретения, в котором индикация степени загрузки скомбинирована со смесительным устройством 1, 16 для материала 3 латентного аккумулятора тепла. Смесительное устройство содержит газовый насос, посредством которого газ, в частности воздух,закачивается в нижнюю область бака 5 аккумулятора. Этот газ выделяется из выпускного устройства 16 в виде пузырьков, и эти пузырьки 17 газа или воздуха перемешивают по меньшей мере частично жидкий материал 3 латентного аккумулятора тепла. Таким образом, процессы разделения в материале 3 латентного аккумулятора тепла предотвращаются или по меньшей мере ограничиваются. В отношении дальнейших подробностей делается ссылка на все содержание DE 102008029072 А 1. Если должна определяться степень загрузки материала 3 латентного аккумулятора тепла, то клапан 12 закрывается, и в бак 5 аккумулятора с помощью газового насоса 1 и выпускного устройства 16 закачивается измерительный газ, собирающийся в газовом пространстве 6. Таким образом, газовый насос 1 и выпускное устройство 16 используются как для перемешивания материала латентного аккумулятора тепла, так и для определения степени загрузки материалом латентного аккумулятора тепла. Предпочтительно газовый насос, предусмотренный для этого смесительного устройства, одновременно является измерительным газовым насосом устройства подачи и отвода газа, так что один газовый насос экономится. Перечень ссылочных позиций 1 - измерительный газовый насос; 2 - прибор для измерения давления; 3 - материал с фазовым переходом (РСМ) латентного аккумулятора тепла; 4 - теплообменное устройство с аккумуляцией или выделением тепла; 5 - бак аккумулятора; 6 - газовое пространство для восприятия изменения объема материала аккумулятора; 7 - газопровод со сжатым газом; 8 - газгольдер; 9 - активно управляемая или пассивная утечка; 10 - эластичный бак с наполнителем из материала (РСМ) с фазовым переходом или материал (РСМ) устойчивой формы с фазовым переходом; 11 - поддерживающий механизм; 12 - клапаны; 13 - текучая среда-теплоноситель (например, воздух); 14 - густая суспензия из материала (РСМ) с фазовым переходом; 15 - внешний циркуляционный контур, теплообменник или аппарат; 16 - выпускное устройство; 17 - воздушные пузырьки. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения степени загрузки латентного аккумулятора тепла, содержащего по меньшей мере один бак (5) аккумулятора, до определенной степени заполненный материалом (3) латентного аккумулятора тепла, так что над материалом (3) латентного аккумулятора тепла остается газовое пространство (6), в котором:a) подают в газовое пространство (6) бака (5) аккумулятора или отводят из газового пространства(6) бака (5) аккумулятора заданное количество анализируемого газа,b) измеряют происходящее на этапе а) в газовом пространстве (6) изменение давления,c) определяют текущий объем газового пространства (6) на основе измеренного на этапе b) изменения давления,d) определяют текущую степень загрузки латентного аккумулятора тепла на основе измеренного на этапе с) текущего объема в зависимости от объемов газового пространства (6) при полностью загруженном или полностью опорожненном латентном аккумуляторе тепла в качестве градуировочных данных. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализируемый газ протекает между баком (8) для анализируемого газа и по меньшей мере одним баком (5) аккумулятора в обе стороны. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на этапе а) количество анализируемого газа задают путем:a1) подачи анализируемого газа в газовое пространство (6) посредством измерительного газового насоса (1) и измерения промежутка времени до достижения в газовом пространстве (6) предопределенного давления; а 2) определения заданного количества газа, поданного в газовое пространство (6) на этапе a1) на основании зарегистрированного промежутка времени и характеристики подачи измерительного газового насоса. 4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что при наличии нескольких баков (5-i) аккумулятора степень загрузки определяют во всех баках (5-i) аккумулятора отдельно. 5. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что при наличии нескольких баков (5-i) аккумулятора степень загрузки определяют лишь в нескольких репрезентативных баках (5-i) аккумулятора. 6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что анализируемым газом является воздух. 7. Латентный аккумулятор тепла с возможностью осуществления способа по одному из пп.1-6, содержащий по меньшей мере один бак (5) аккумулятора, заполненный до определенной степени материалом (3) латентного аккумулятора тепла, так что над материалом (3) латентного аккумулятора тепла остается газовое пространство (6), причем материал (3) латентного аккумулятора тепла переходит из твердой фазы в жидкую с поглощением тепла, а из жидкой фазы в твердую с отдачей тепла, причем материал (3) латентного аккумулятора тепла во время фазовых переходов изменяет свою плотность,одно теплообменное устройство (4) для подачи тепла в латентный аккумулятор тепла и для отвода тепла из латентного аккумулятора тепла и устройство (2) для регистрации давления при измерении давления в газовом пространстве (6) бака аккумулятора (5),отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство (1; 1,8) подачи и отвода газа для подачи или отвода из газового пространства (6) бака аккумулятора (5) заданного количества газа и устройство управления и обработки данных для регулировки подачи анализируемого газа в газовое пространство (6) и оценки повышения давления, измеренного с помощью устройства (2) для регистрации давления. 8. Латентный аккумулятор тепла по п.7, отличающийся тем, что устройство подачи и отвода газа содержит соединительную линию (9) для выравнивания давления с окружающей средой. 9. Латентный аккумулятор тепла по п.7 или 8, отличающийся тем, что устройство подачи и отвода газа содержит бак (8) для анализируемого газа. 10. Латентный аккумулятор тепла по одному из пп.7-9, отличающийся тем, что материал (3) латентного аккумулятора тепла содержится в нескольких эластичных баках. 11. Латентный аккумулятор тепла по одному из пп.7-10, отличающийся тем, что материал (3) латентного аккумулятора тепла пригоден для транспортировки насосом. 12. Латентный аккумулятор тепла по одному из пп.7-11, отличающийся тем, что дополнительно содержит смесительное устройство, имеющее выпускное устройство (16), установленное в нижней области бака (5) аккумулятора, и газовый насос (1), соединенный с этим выпускным устройством (16). 13. Латентный аккумулятор тепла по одному из пп.7-12, отличающийся тем, что устройство подачи и отвода газа содержит газовый насос (1). 14. Латентный аккумулятор тепла по п.13, отличающийся тем, что газовым насосом является измерительный газовый насос (1).