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Die Erfindung betrifft einen thermischen Speicher mit einer Speichermasse, die bei Arbeitstemperatur Kristallisationswärme freisetzt, indem die Schmelze der Speichermasse kristallisiert, wobei diese Wärme über mindestens einen Wärmeträgerkreislauf die Wärme abgibt.
Kristallisationsspeicher haben trotz ihrer Vorteile, wie hoher Energiedichte und konstanter Temperatur bei Ladung, Speicherung und Entladung, den Nachteil, dass die Ladung und auch die Entladung über die Lade- oder Entladezeit zu stark zunehmendem Wärmewiderstand im Speicherinneren führt, so dass jeweils nur zum Beginn des Wärmeaustausches die volle thermische Leistung erzielbar ist. Ein weiterer Nachteil aller Latentspeicher besteht darin, dass während des Speicherzustandes sich bildende oder beigemischte schwere Komponenten stratifizieren. Hiedurch ändern sich die physikalischen Eigenschaften. Diese Nachteile haben dazu geführt, dass Latentenergiespeicher in der Praxis keinen Eingang gefunden haben.
Die Erfindung bezweckt einen Kristallisationsspeicher, bei dem sich während des Speicherzustandes die einzelnen Komponenten nicht entmischen. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass der mit der Speichermasse nicht mischbare Wärmeträger im Speicher in direktem Kontakt mit der Speichermasse steht, wobei die Dichte des Wärmeträgers von der Dichte der Speichermasse verschieden ist, so dass sich innerhalb des Speichers zwei Schichten bilden.
In der Regel erfolgt die Entladung thermischer Speicher mit höherer Leistung als die Ladung. Ein erfindungsgemässer Speicher besteht aus der festen und der darüberliegenden Schmelze dieser Speichermasse. Oberhalb dieser Speichersubstanz befindet sich ein mit der Schmelze nicht mischbarer Wärmeträger, der umgepumpt wird. An den Trennflächen zwischen der Schmelze und dem kühleren Wärmeträger erfolgt die Kristallbildung. Die entstandenen Kristalle sinken nach unten ab, so dass im Wärmetauschniveau des Behälters stets Schmelze vorliegt. Hiedurch ist gewährleistet, dass die Kristallisationswärme voll umfänglich und ohne sich ändernden Temperatursprung aus dem Speicherbehälter entzogen werden kann, ohne dass sich die Leistung verringern würde.
Besteht die Aufgabe, den Speicher bei konstanter Leistungsaufnahme zu laden, so wird als Wärmeträger eine mit der Schmelze nicht mischbare Flüssigkeit gewählt, deren Dichte höher ist als die Dichte der Schmelze. Damit schwimmt die Speichermasse in diesem schweren Wärmeträger und ist somit in unmittelbarem Kontakt mit diesem Wärmeträger.
Die Wärmeträgerströme werden vorzugsweise vertikal durch das Speichergefäss hindurchgeleitet und in viele Teilströme aufgeteilt. Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, den kristallinen Bereich des Speichers mit vertikalen Kanälen zu durchziehen. Dies kann in der Weise erfolgen, dass Wärmeträgerrohre oder aber auch Widerstandsleiter die Speichermasse vertikal durchsetzen, so dass durch Aufschmelzung anfangs relativ enger Kanäle die Oberfläche des Festkörpers vergrössert wird.
Erfindungsgemäss hat sich auch die Umwälzung einer einzigen Wärmeträgerflüssigkeit als zur Ladung und Entladung des Speichers ausreichende Massnahme erwiesen. In allen Fällen wird durch die Umwälzung des Wärmeträgers gleichzeitig eine Stratifikation sicher verhindert. Insoweit bezieht sich die Erfindung auch auf Speicherbehälter, die nur mit Speichermasse gefüllt sind und bei denen die Schmelze zur Verhinderung von Stratifikation und Entmischungserscheinungen während der Speicherung wenigstens zweitweise umgewälzt wird.
Es hat sich gezeigt, dass viele Wärmeträger dazu neigen, mit den sich bildenden Kristallen der Speichermasse eine Dispersion zu bilden, wodurch ein Absinken der Kristalle verhindert wird.
Erfindungsgemäss wird zur Auflösung der Dispersion der über der Speichermasse liegenden Schicht ein Drall aufgezwungen, wodurch sich die Kristalle aus dem Wärmeträger separieren lassen. Dabei hat sich gezeigt, dass sowohl im schwereren Wärmeträger eine Konzentration der Kristalle zur Mitte hin, als bei leichterem Wärmeträger Zentrifugierung nach aussen hin erreichbar ist. Im letzteren Fall kann der Drall unmittelbar zentral durch den Pumpenläufer erzeugt werden, wobei im Zentrum des Wirbels die Ansaugöffnung des Pumpenlaufrades liegt.
Es hat sich gezeigt, dass auch der Betrieb mit einem einzigen Wärmeträger dann möglich ist. In diesem Fall hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Speichergefäss eine geringe, vertikal sich erweiternde Konizität aufweist, da dann der sich absetzende Festkörper aus Speicherkristallen durch den Druck des Wärmeträgers um einen geringen Betrag angehoben wird.
Die Erfindung soll an Hand von Zeichnungen beschrieben werden. Fig. l zeigt einen erfindungsgemässen isolierten Behälter --1--, in welchen das Laderohr --2-- und das Entladerohr --3-- hineinragen.
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Diese Rohre oder Rohrbatterien, die bei runden Behältern auch in horizontal liegenden Spiralen gewickelt sein können, weisen zur Behältermittelebene gerichtete Düsen --4 und 4'-- auf. Das Laderohr --2-- ist mit einer Axialpumpe --6-- verbunden, die von einem reversierenden Motor --7-- angetrieben wird. Im unteren Teil des Behälters befindet sich die Schwerflüssigkeit --8--, darüber der aus kristalliner Substanz bestehende Speichermassenkörper --9--.
Darüber liegt die etwas leichtere Speichermassenschmelze - und darüber wieder die mit der Speichermasse nicht mischbare Leichtflüssigkeit --11--. Oberhalb der Leichtflüssigkeit --11-- ist eine Membrane --12-- angeordnet, die ein Luftvolumen --13-- einschliesst,
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die über das Rückschlagventil --18-- mit der Wärmepumpe --6/7-- kommunizieren. Die Wärmepumpe fördert bei Sonneneinstrahlung in Richtung des Pfeiles --19--, so dass heisse, aus dem Sumpf --8-- angesaugte Schwerflüssigkeit durch die Düsen entsprechend dem Pfeil --20-- austritt. Diese Schwerflüssigkeit fällt durch die Schmelze --10-- hindurch und schmilzt den kristallinen Teil der Speichermasse --9-- auf und gelangt dann wieder in den Sumpf --8--.
Das Rückschlagventil --18-- ist geschlossen. Beim Entladen wird der Pumpenmotor --7-- in entgegengesetzter Richtung betrieben, die Durchströmung erfolgt nunmehr in Richtung des Pfeiles --23--, das Rückschlagventil --16-- schliesst sich. Aus den Düsen --20-- tritt nunmehr vom Bereich --11-- angesaugte Leichtflüssigkeit aus, steigt auf Grund der geringeren Dichte nach oben, entzieht dadurch der Speichermasse Wärme, wodurch in der Schmelze --10-- Kristalle entstehen, die in den Bereich --9-- absinken. Die aufgewärmte Leichtflüssigkeit gelangt nun in den Kreislauf, dann durch das Heizsystem --17--, wo ihm die Wärme im Gegenstrom entzogen wird, und dann wieder durch das Rückschlagventil --18-- in die Pumpe --6/7--.
Das Verfahren führt zu einer Verwirbelung der Speichermasse in flüssiger Phase, so dass die gefürchtete Sedimentation verschieden schwerer Substanzen vermieden wird.
Fig. 2 zeigt schematisiert den gleichen Speicherbehälter wie in Fig. 1. Aus den Düsen --4 und 4'-der Rohre --2 und 3-- ragen beheizbare Leitungen --29--, die den Behälter vertikal durchdringen, heraus. Diese Leitungen sind vorzugsweise als Widerstandsdrähte ausgebildet, die nur während des Beginnes der Ladeperiode kurzfristig mit Energie versorgt werden. Sie sind alle parallel geschaltet und werden mit einem Niedervolt-Transformator betrieben.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der nur ein Wärmeträger sowohl zur Zuführung als auch zum Entzug der Energie eingesetzt wird. Am Boden befindet sich die feste Speichermasse --30--. Oberhalb dieser Speichermasse befindet sich der fliessbare Wärmeträger --31--, darüber die Schmelze-32-, darüber das Luftvolumen --33--. Die Zuführung des Wärmeträgers erfolgt über das schwenkbare Rohr --34--, welches mit einem Schwimmer --35-- versehen ist, dessen Dichte unter Berücksichtigung des Rohrgewichtes kleiner ist als die des Wärmeträgers --31-- und grösser als die der Schmelze --32--. Hiedurch mündet das Rohr --34-- stets in der Wärmeträgerschicht --31--. In gleicher Weise ist das Austrittsrohr --36-ausgebildet.
Die Pumpe --6/7-- fördert den Wärmeträger wieder je nach Motordrehrichtung entweder durch den Kollektor --15--, dann durch das Rückschlagventil --16-- und dann wieder zurück in das Speichergefäss --1-- oder bei entgegengesetzter Drehrichtung des Motors --7-- durch die Heizkörper --17--, das Rückschlagventil-18-- und wieder in das Innere des Speicherbehälters --1--.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Gemäss dieser Ausführungsform ist der Behälter --40-- konisch ausgebildet und besteht aus den im Keller montierbaren Ringbereichen --41 und 42--. Im oberen Teil befindet sich der Pumpenläufer --43--, der vom Motor --44-- angetrieben wird.
Dieser Pumpenläufer bewirkt die Förderung des leichten Wärmeträgers --45--, der nach Durchströmung des Wärmetauschers oder des Systems durch die am Boden liegende Rohrspirale --47-- eintritt und ein leichtes Anheben des Kernes aus fester Speichermasse --48-- bewirkt. Der gleiche Wärmeträgerstrom wird erfindungsgemäss zum Aufladen und zum Entladen eingesetzt. Die bei der Entladung im oberen Bereich entstehenden Kristalle werden durch den Pumpenläufer --43-- nach aussen separiert und fallen dann zu Boden. Ausserhalb des Gerätes ist ein Wärmetauscher --49-- angeordnet über den der Wärmeträger thermisch mit dem Kreislauf --49a-- kommuniziert.
Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemässe Anordnung, bei welcher der Wärmeträger --50-- schwerer ist als die Speichermasse --51-- bzw. deren Schmelze --52--. Das Gehäuse --53-- von beliebigem Querschnitt in der Horizontalen ist wieder von Leitungen --54-- durchzogen, die von in Bildebene
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verlaufenden Rohren --55-- ausgehen und mit dem Boden --56-- verbunden sind. Das Sammelrohr --57-ist durch eine Isolierdurchführung --58-- von der Behälterwand --53-- isoliert und über ein Kabel --59-- mit einem Transformator --60-- verbunden. Der zweite Strang --61-- ist mit dem Behälterboden --56-- verbunden.
Die Pumpe --62-- fördert parallel zu den Drähten --54-- gemäss den Pfeilen --63--, so dass diese parallelen Ströme die Schmelze --52-- und die Kanäle --64--, die sich parallel zu den Drähten ausbilden, durchsetzen. Je nachdem, ob die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit beim Eintritt gemäss den Pfeilen --63-- wärmer oder kälter ist, bewirkt die Durchströmung durch das Speichergefäss ein Aufschmelzen oder eine Volumenzunahme des festen Teiles des Speichers --51--. Das mit geringerem Federdruck belastete Ventil --65-- ist geöffnet, wenn die Pumpe --62-- fördert, so dass der Solarkollektor - durchströmt wird.
Wird dagegen die Pumpe --67-- eingeschaltet, so überwindet der entstehende Druck die Federbelastung des Rückschlagventils --68--. Der Wärmeträger strömt deshalb vom Boden des Speichergefässes --53-- durch die Heizungsanlage --69-- hindurch zum Rücklaufrohr --57--.
Alle Anlagen können auch unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers, wie in Fig. 4 gezeigt, betrieben werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Thermischer Speicher mit einer Speichermasse, die bei Arbeitstemperatur Kristallisationswärme freisetzt, indem die Schmelze der Speichermasse kristallisiert, wobei diese Wärme über mindestens einen Wärmeträgerkreislauf die Wärme abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Speichermasse (9,10) nicht mischbare Wärmeträger (8) im Speicher in direktem Kontakt mit der Speichermasse (9,10) steht, wobei die Dichte des Wärmeträgers (8) von der Dichte der Speichermasse (9, 10) verschieden ist, so dass sich innerhalb des Speichers zwei Schichten bilden.