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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmespeichereinrichtung mit einem Festkörperwärmespeicher aus hitzebeständigem Material, welcher Durchtrittskanäle für gasförmige Medien aufweist und aus einer Mehrzahl von einzelnen Steinen aufgebaut ist und an welchen Leitungen für ein gasförmiges Wärmetransportmedium anschliessen. Eine derartige Wärmespeichereinrichtung, beispielsweise eine Wärmespeichereinrichtung gemäss der EP-PS Nr. 1410, soll dazu dienen, überschüssige Energie aus Zeiten geringen Energieverbrauches für Zeiten hohen Energieverbrauches bereit zu halten. So ist beispielsweise in den Sommermonaten elektrische Energie und Sonnenenergie in einem Ausmass vorhanden, welches nicht vollständig ausgenutzt werden kann. Vor allen Dingen Wasserkraftwerke können üblicherweise auf Grund der Wasserführung von Gebirgsbächen bzw.
Flüssen im Sommer mehr Energie erzeugen als im Winter, so dass zwischen den Preisen für elektrische Energie im Sommer und im Winter erhebliche Unterschiede bestehen. Auch bei Kraftwerksenergie aus Öl-oder Kohlekraftwerken, sowie bei der Verwertung von biogenen Abfällen, ist eine Reservenbildung für Zeiten grossen Energieverbrauches wünschenswert.
Die bisherigen Versuche einer Speicherung von Überschussenergie aus Zeiten geringen Energieverbrauches beschränkten sich im wesentlichen auf sogenannte Pumpspeicher, bei welchen Wasser mittels elektrischer Energie in höher gelegene Wasserspeicher gepumpt wird und zu Zeiten erhöhten Energieverbrauches wieder über die Kraftwerksturbinen geleitet werden kann, sowie auf Heisswasserspeicher mit naturgemäss begrenztem Temperaturniveau.
Es sind weiters bereits elektrische Nachtspeicheröfen bekanntgeworden, mittels welcher Festkörper mit billigem Nachtstrom erhitzt werden und die gespeicherte Wärme untertags durch Austausch mit Umgebungsluft wieder abgegeben werden kann. Bei derartigen elektrischen Speicher- öfen ist allerdings nur eine ungünstige Verteilung der elektrischen Energie auf das Speichermedium bedingt durch die unmittelbare Anordnung der Heizelemente in den Speichersteinen möglich. Zum andern werden die Luftkanäle, über die die Umgebungsluft tagsüber erwärmt wird, je nach Umweltbelastung früher oder später stark verschmutzt, wodurch auch hier der Wärmeübergang keineswegs optimal ist.
Es sind weiters direkt geheizte Kachelöfen bzw. offene Kamine bekannt, deren wärmespeicherndes Steinmaterial in unmittelbarem Austausch mit der Umgebungsluft zur Erwärmung der Luft herangezogen wird. Bei diesen Ausbildungen werden die Steine durch die Verbrennungsabgase in hohem Masse beansprucht, und die Wärmeübertragung leidet gleichfalls unter dem Einfluss der Verschmutzung durch die zu erwärmende Luft.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Wärmespeichereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Energie in wirtschaftlicher Weise auf einem hohen Temperaturniveau, insbesondere bei Temperaturen um 1000 C, gespeichert werden kann und bei welcher die Entnahme der gespeicherten Energie in einfacher Weise ohne Gefahr der Verschmutzung des Speichers erfolgen kann. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, dass die Leitungen über wenigstens einen Wärmetauscher unter Zwischenschaltung wenigstens einer Umwälzpumpe in sich geschlossen sind und dass die Steine von einem an sich bekannten gasdicht und druckfest ausgebildeten Mantel umgeben sind.
Durch diese die exakte Trennung des in sich geschlossenen Wärmespeicherkreislaufes von den für die Energiezufuhr und die Energieentnahme erforderlichen weiteren Kreisläufen mittels wenigstens eines Wärmetauschers, über welchen dem Wärmespeicher Energie zugeführt bzw. Energie aus dem Wärmespeicher entnommen werden kann, kann eine Verschmutzung der Durchtrittskanäle des Wärmespeichers vollständig verhindert werden, welche bei einem Wärmespeicher gemäss der EP-PS Nr. 1401 unvermeidlich ist. Die einzelnen Steine des Wärmespeichers können hiebei in an sich bekannter Weise untereinander gleiche geometrische Konfiguration aufweisen, wobei vorzugsweise Kunststeine eingesetzt werden können, welche die Leitungskanäle für das gasförmige Transportmedium zwischen sich ausbilden.
Der Speicher ist mit einem isolierenden Mantel umgeben und dadurch, dass ein gasförmiges Wärmetransportmedium in geschlossenem Kreislauf geführt wird, wird der Speicher selbst von Umwelteinflüssen freigehalten. Als gasförmiges Wärmetransportmedium kann vorzugsweise Luft, aber auch Stickstoff sowie Inertgas, und in besonders vorteilhafter Weise auch Wasserstoff eingesetzt werden, welcher sich durch ein hohes Diffusionsvermögen und sehr gute Wärmeübertragungseigenschaften auszeichnet. Hiebei ist wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen, über welchen das gasförmige Wärmetransport-
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medium erhitzt wird bzw. über welchen die im Wärmespeicher gespeicherte Energie wieder abge- geben werden kann.
Vorzugsweise ist der den Wärmespeicher umgebende Mantel gasdicht und druckfest ausgebil- det, wobei die Leitungen an den Mantel anschliessen. Die druckfeste Ausführung ist deswegen not- wendig, da sich der Druck des in den Leitungen und im Wärmespeicher befindlichen gasförmigen
Mediums, vorzugsweise Luft, bei der Erhitzung auf 1000 C beispielsweise auf das zirka 5fache erhöht. Ohne druckfeste Ausführung würde die in den Leitungen und im Wärmespeicher befindliche
Luft bei der Aufheizung durch die Ausdehnung in unkontrollierter Weise in die Ummantelung und durch diese ins Freie entweichen. Die Folge wären entsprechende Wärmeverluste, die den Wirkungs- grad der Wärmespeichereinrichtung erheblich verschlechtern würden.
Auf diese Weise braucht das gasförmige Wärmetransportmedium lediglich vor der ersten Inbetriebnahme eingefüllt zu werden und müssen in der Folge nur Diffusionsverluste ergänzt werden.
Um Überschussenergie jedesmal dann, wenn sie billig zur Verfügung steht und unabhängig von Energieverbrauchern ist, verwerten zu können, ist die Ausbildung vorzugsweise so getroffen, dass für die Energiezufuhr zum Wärmespeicher und für die Energieentnahme aus dem Speicher gesonderte
Wärmetauscher mit gesonderten Leitungen und Umwälzpumpen vorgesehen sind. Bei dieser Ausbildung kann sich das Wärmetransportmedium des Energiezufuhrkreislaufes mit dem Wärmetransportmedium für die Energieentnahme ohne weiteres im Speicher mischen und da auch der Energieentnahmekreislauf in sich geschlossen ist, kann für Energiezufuhr und Energieentnahme das gleiche gasförmige Wärmetransportmedium gewählt werden.
In andern Fällen müsste die Leitungsführung innerhalb des Festkörperwärmespeichers für die beiden Kreisläufe getrennt voneinander ausgebildet werden, was jedoch bei der erfindungsgemässen, in sich geschlossenen Führung der Kreisläufe nicht erforderlich ist.
Durch die bevorzugte Ausbildung des Wärmespeichers aus untereinander gleiche geometrische Konfigurationen aufweisenden Steinen ergeben sich geringe Baukosten und einfache Serienfertigung. Insbesondere die Verwendung von Kunststeinen, aber auch von Steinen aus Magnesit, Schamotte od. dgl., erlaubt Speichertemperaturen von bis zu 1000 C, wodurch sich eine hohe Wirtschaftlichkeit ergibt. Als Kriterium für die Wahl der Steine ist lediglich eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie ein hohes Speichervermögen der Steine zu beachten.
Bei Aufheizung des Wärmespeichers auf zirka 1000 C kann der Fall eintreten, dass weitere Energie nicht mehr gespeichert werden kann und es ist daher vorzugsweise neben dem Wärmetauscher für die Energiezufuhr ein gesonderter Wärmetauscher innerhalb eines diese beiden Wärmetauscher umgebenden isolierenden Mantels vorgesehen, welcher unmittelbar mit einem Wärmetauscher für die Energieentnahme über Leitungen verbunden ist. Dieser zusätzliche Kreislauf kann die zur Verfügung stehende Energie unmittelbar den Verbrauchern zuleiten, wobei vorzugsweise der zusätzliche Wärmetauscherkreis über steuerbare Ventile mit dem der Energiezufuhr dienenden Wärmetauscherkreis des Wärmespeichers in Verbindung setzbar ist. Auch in diesem Hilfskreislauf, welcher in sich geschlossen ist, kann das gleiche Wärmetransportmedium Verwendung finden.
Durch die vollständige Isolierung des Wärmespeichers, welche vorzugsweise als mehrschalige Stahlmantel ausgebildet ist, können die Wärmeverluste gering gehalten werden. Die Oberflächentemperatur eines derartigen isolierenden Mantels ist in jedem Fall bedeutend geringer als die Temperatur der Speichersteine. Die Wärmeverluste durch den Mantel können aber unter Verwendung einer Wärmepumpe nutzbar gemacht werden, wobei vorzugsweise der von der äussersten Schale des Mantels umschlossene Mantelraum mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium gefüllt ist, welches über einen Wärmetauscher, insbesondere die Verdampferseite einer Wärmepumpe, im Kreislauf geführt ist, und die durch die Wärmepumpe gewonnene Wärme über einen weiteren Wärmetauscher in den Verbraucherkreislauf einspeisbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In diesen zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer einfachen Anlage ohne Energierückgewinnung aus dem Isolationsmantel, und Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform mit zusätzlicher Energiegewinnung aus dem isolierenden Mantel des Wärmespeichers.
In Fig. 1 ist mit--1--ein Wärmespeicher bezeichnet, welcher zweckmässigerweise zylindrische Form aufweist und mit Wärmespeichersteinen --2-- gefüllt ist. Der Wärmespeicher --1-- weist
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einen doppelschaligen isolierenden Mantel --3-- auf, an welchen Leitungen --4-- für die Energiezuführung und --5-- für die Energieentnahme anschliessen. Die Speichersteine --2-- sind hiebei so geschlichtet, dass eine vollständige Durchströmung der Speichersteine sichergestellt ist.
Die jeweiligen Rücklaufleitungen sind mit --6 bzw. 7-- bezeichnet.
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--8-- umgewälzt- vorgesehen, welchem Wärme durch elektrische Beheizung, Verbrennung von biogenen Abfallstoffen, Sonnenspiegel, oder andere Energiequellen zugeführt wird, wobei die Energiezufuhr schematisch durch die Pfeile 10 angedeutet ist.
Die Entnahme der Wärme aus dem Wärmespeicher erfolgt über die Leitung --5-- und einen Ventilator --11--, wobei die Enrgie über einen Wärmetauscher --12-- an die Verbraucher, welche schematisch mit --13-- angedeutet sind, abgegeben wird. Als Verbraucher kommt beispielsweise das Fernwärmeversorgungsnetz von Ballungszentren in Frage. Die Wärmetauscher --9 und 12-weisen jeweils einen isolierenden Mantel --14 und 15-- auf. Für den Fall, dass an Stelle des Wärmetauschers --9-- eine Wirbelschichtfeuerung benutzt wird, kann die über die Leitungen --4-dem Wärmespeicher zugeführte Luft durch die Feuerungsgase in mehreren Stufen erwärmt werden.
Wenn das Wärmeangebot am Wärmetauscher --9-- zu gross ist und nicht mehr gespeichert werden kann, kann über einen zusätzlichen Wärmetauscherkreis, bestehend aus einem Wärmetauscher --16--, den Leitungen --17 und 18--, sowie einem verbraucherseitigen Wärmetauscher - -19--, überschüssige Energie unmittelbar dem Wärmetauscher --12-- und damit den Verbrauchern - zugeleitet werden. Die Umwälzung des Wärmetransportmediums im geschlossenen Kreislauf erfolgt in diesem Hilfskreislauf über einen Ventilator --20--. Der Kreislauf des Wärmetransportmediums kann in beliebiger Weise mit dem Wärmespeicher --1-- kombiniert werden, und es sind zu diesem Zweck Ventile --21, 22 und 23-- vorgesehen, über welche die Kreisläufe des Wärmetransportmediums miteinander gekoppelt oder entkoppelt werden können.
In jedem Fall ist das den Wärmetauscher-l-durchströmende Medium im geschlossenen Kreislauf geführt, so dass eine Verunreinigung des Wärmetauschers-l-vermieden wird.
Bei der Ausbildung nach Fig. 2 wurden die Bezugszeichen der Fig. 1 beibehalten. Der mehrschalige Isolationsmantel --3-- weist hiebei abweichend von der Ausbildung nach Fig. 1 einen äussersten Mantelraum --24-- auf, an welchen Leitungen --25 und 26-- angeschlossen sind. Das aus diesem äussersten Mantelraum --24-- abgeführte gasförmige oder flüssige Medium wird über eine Pumpe bzw. einen Ventilator --27-- einem Verdampfer --28-- zugeführt, und über die Leitung - wieder in den Mantelraum rückgeführt. Der Verdampfer --28-- bildet einen Teil einer Wärmepumpe --29--, deren Kompressor mit --30-- bezeichnet ist. Die vom Arbeitsmedium der Wärmepumpe aufgenommene Wärme wird durch den Kompressor --30-- einem Verflüssiger --31-- zugeführt und an einen Verbraucherkreislauf --32-- abgegeben.
In diesem Verbraucherkreislauf --32-sind eine Umwälzpumpe --33-- und schaltbare Ventile --34, 35 und 36-- eingeschaltet. Das Arbeitsmedium der Wärmepumpe --29-- wird aus dem Verflüssiger --31-- über ein Expansionsorgan
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mässigerweise in die Wärmegewinnung mittels Wärmepumpe einbezogen werden.
Mit --38-- ist eine Umwälzpumpe im Verbraucherkreislauf bezeichnet.
Die Ventile --21, 22,23 sowie 34,35 und 36-- können je nach Energieanfall bzw. Energiebedarf, sowie in Abhängigkeit von der Temperatur des Isolationsmantels programmgesteuert zuoder abgeschaltet werden.
Bei entsprechender Adaptierung und Dimensionierung lässt sich mit der Wärmespeichereinrichtung die ganzjährige Versorgung von Wohnungseinheiten bei geringstem Platzbedarf für den Wärmespeicher realisieren. Durch die vollständige Trennung von Energiezufuhr und Verbraucherkreislauf lässt sich auch die Ausnutzung der angebotenen Energie, wie beispielsweise der Feuerungswirkungsgrad, optimieren, so dass auch auf dieser Seite Energieeinsparungen möglich sind.