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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum langzeitigen Speichern von Wärme mittels Kristalli- sationswärmespeichern, nach dem das in eine Mehrzahl von einzelnen Speicherelementen aufge- teilte Speichermedium, vorzugsweise ein Salzhydrat, während eines günstigen Energieangebotes geschmolzen und dann die beim Schmelzen verbrauchte Schmelzwärme, die latente Wärme, durch
Kristallisation der aktivierten Schmelze als Kristallisationswärme freigesetzt wird, sowie eine
Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Es ist bereits bekannt, Kristallisationsenthalpieen geeigneter Medien zur Wärmespeicherung heranzuziehen, indem die für das Schmelzen des Speichermediums zugeführte Energie bei der
Phasenänderung durch Kristallisation der Schmelze wieder freigesetzt wird. Diese Kristallisations- wärmespeicher oder Latentspeicher nutzen also den physikalischen Effekt der mit einem Wärme- umsatz verbundenen Phasenänderung geeigneter kristalliner Medien aus, wobei zur Verbesserung des Wärmeaustausches auch schon vorgeschlagen wurde, das Speichermedium in eine Mehrzahl von Speicherelementen aufzuteilen.
Bisher ist es allerdings nur gelungen, diese Speicher zur kurzzeitigen, etwa stunden- oder tagelangen Wärmespeicherung zu verwenden, da durch die stete, unkontrollierte Abkühlung der geladenen Speicherelemente, die wegen der Temperaturun- terschiede zur Umgebung unvermeidbar ist, bald der Schmelzpunkt wieder erreicht und unterschrit- ten wird, was die meist nur unvollständig durchschmolzene Schmelze aktiviert, so dass die auftre- tende Kristallisation die weitere Wärmespeicherung unterbindet.
Diesen Wärmeverlusten auf Grund der unterschiedlichen Temperaturen von Speichermedium und Umgebung lässt sich dadurch ent- gegenwirken, dass die Eigenschaft einer Unterkühlbarkeit der Schmelze bestimmter Medien bewusst herangezogen und solche Schmelzen eben bis auf Umgebungstemperatur unterkühlt werden, womit praktisch beliebig lang, beispielsweise von Sommer bis Winter eine verlustfreie Wärmespeicherung ermöglicht ist.
Als Speichermedien haben sich verschiedenste Salzhydrate, vor allem Na2S03.5 H2O, K3P04. 7 H20, NazC03. 10 H20, Ca (N03) 2. 4 H20 u. dgl., bewährt, da sie nicht nur die für die
Speicherfähigkeit massgebenden Bedingungen hinsichtlich Schmelzpunkt Unterkühlbarkeit, Umwand- lungsenthalpieen, Selbst- und Fremdaktivierung u. dgl. erfüllen, sondern darüber hinaus auch noch den für den praktischen Anwendungsbereich massgebenden Bedingungen hinsichtlich Verträg- lichkeit, Unschädlichkeit, Anschaffungskosten u. dgl. genügen.
Diese theoretisch bekannte Möglichkeit einer langzeitigen, also monate-und auch jahrelangen verlustfreien Wärmespeicherung mit Hilfe von Kristallisationswärmespeichern scheitert allerdings bisher an der praktischen Verwirklichung, da es noch nicht gelang, die Schwierigkeiten beim Unterkühlen, beim Lagern und beim Aktivieren der Schmelze durch die stets vorhandene Gefahr einer ungewollten frühzeitigen Selbstaktivierung einerseits und einer ungenügenden bewussten Aktivierung zum gewünschten Zeitpunkt anderseits zu beherrschen.
Ausserdem muss bisher die Gesamtmenge des zur Verfügung stehenden Speichermediums auf einmal aufgeheizt, abgekühlt und auch aktiviert werden, was einen unwirtschaftlichen Energieaufwand für den Schmelzvorgang mit sich bringt, eine dosierte Abgabe der gespeicherten Latentwärme unmöglich macht, bedingt durch die zu berücksichtigenden Temperatur- und Kristallisationsverhältnisse von vornherein nur eine beschränkte Speicherkapazität erlaubt und wegen der ungünstigen Wärmeabfuhrbedingungen einen schlechten Wirkungsgrad für die Nutzbarmachung der gespeicherten Wärme ergibt. Ausserdem wird bei einer eventuell eintretenden Selbstaktivierung der gesamte Speicher sinnlos entladen und damit wertlos.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, das sich ohne Schwierigkeiten in der Praxis verwirklichen lässt, eine Wärmespeicherung mit beliebiger Kapazität und dosierbarer Wärmeabgabe erlaubt, einen verhältnismässig hohen Wirkungsgrad für den Lade- und Entladevorgang gewährleistet und die gewollte Aktivierung zu jedem gewünschten Zeitpunkt ohne Gefahr einer Selbstaktivierung des Gesamtspeichers sicherstellt. Ausserdem soll eine Vorrichtung zur einfachen Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe im wesentlichen dadurch, dass die Speicherelemente gruppenweise zu voneinander getrennten Speichereinheiten zusammengefasst werden und das Speichermedium je nach verfügbarer Energiemenge entsprechend den durch diese Speichereinheiten bestimmten Teilmengen teilmengenweise vollständig geschmolzen wird, worauf die Schmelze, wie an sich
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bekannt, durch Abkühlen unter ihren Schmelzpunkt auf ein der Umgebungstemperatur angegliche- nes Temperaturniveau gebracht und im so unterkühlten Zustand ruhen gelassen wird, bis zum gewünschten Zeitpunkt die lagernde Schmelze je nach Energiebedarf wieder teilmengenweise mittels Eigenkeimen aktiviert und zum Kristallisieren angeregt wird.
Eine solche portionsweise
Behandlung des Speichermediums ermöglicht die optimale Ausnutzung der Eigenschaften unterkühl- ter Salzhydratschmelzen, wobei sowohl das wesentliche volle Durchschmelzen als auch der Aktivie- rungsvorgang je nach Energieangebot bzw. Wärmebedarf Schritt für Schritt durchgeführt werden kann und sich eine harmonische Abstimmung zwischen Energiespender, -speicher und -verbrau- cher erzielen lässt. Dabei bringen die relativ kleinen Speicherelemente auf Grund ihres günsti- gen Verhältnisses zwischen Oberfläche und Volumen beste Bedingungen für den notwendigen Wärme- austausch beim Lade- und Entladevorgang mit sich und schaffen darüber hinaus auch für den
Kristallisationsvorgang als solchen geeignetste Voraussetzungen.
Da die einzelnen Speicherele- mente für sich alleine als sinnvoller Wärmespender eine zu geringe Kapazität aufweisen, werden zum gebrauchsfähigen Freisetzen der gespeicherten Wärme jeweils mehrere Elemente kombiniert und, um die Handhabung entsprechend vieler Elemente zu rationalisieren und aufeinander ab- zustimmen, in Speichereinheiten zusammengefasst. Hier können sie jeweils gleichzeitig aber doch jedes für sich behandelt werden und unter Beibehaltung der Vorteile kleiner Elemente ist der
Nutzen aus grösseren Speichereinheiten zu ziehen. Zusätzlich erlaubt die Zusammenfassung der
Elemente zu Einheiten eine kompaktere Bauweise und eine günstigere Abwicklung des Speichervor- ganges.
Der Wärmespeicher selbst kann Einheit für Einheit zu beliebiger Grösse und Kapazität zusammengestellt werden, wobei nie die Gefahr einer Selbstaktivierung für den gesamten Speicher besteht, da im schlechtesten Falle eben nur einzelne Elemente der Einheiten ungewollt aktiviert werden, der grösste Teil der Elemente jeder Einheit aber sicher seine Speicherfunktion erfüllt. Ähnliches gilt auch für die gewollte Aktivierung zu einem gewünschten Zeitpunkt, welche Akti- vierung ebenfalls zumindest für den Grossteil der Elemente gewährleistet ist, und lediglich das
Aktivieren einiger weniger Elemente je Einheit versagen kann, was, für den gesamten Speicher gesehen, eine sehr untergeordnete Rolle spielt. Auch die Energiequelle zum Schmelzen bzw.
Auf- laden der Speichereinheiten ist für das eigentliche Verfahren unwesentlich, noch dazu wo ja die einzelnen Speicherelemente der Einheiten bereits mit geringem Energieüberschuss zum Schmelzen zu bringen sind, und genauso ist das Aktivieren der Speicherelemente an und für sich ohne prinzipielle Bedeutung, nur müssen, um auf Dauer Verunreinigungen u. dgl. des Mediums zu vermeiden, Eigenkeime verwendet werden.
Um für alle Speicherelemente ein einfaches und auch funktionssicheres Aktivieren zu ermöglichen, werden nach einer Weiterbildung der Erfindung zum Aktivieren der Schmelze Eigenkeime in die Speicherelemente eingeblasen. Dieses Einblasen der Keime erfordert keinen besonderen Aufwand, da ohne Schwierigkeiten die Keime von einem Behälter durch einfach installierbare Luftleitungen in die Speicherelemente pneumatisch transportierbar sind und dazu keine aufwendige Mechanik erforderlich ist. Ausserdem lässt sich dieses pneumatische Impfen beliebig oft und mit sicherem Erfolg wiederholen.
Wird erfindungsgemäss zum Schmelzen der Speichermedium-Teilmengen in an sich bekannter Weise eine Sonnenenergieanlage verwendet, wobei die Speichereinheiten in ihrer Kapazität an die auf einen sonnigen Sommertag bezogene Durchschnittsleistung der Sonnenenergieanlage angepasst werden, ergeben sich besonders günstige Verhältnisse, da das Laden der Einheiten an schönen Sommertagen durchgeführt werden kann und diese vorhandene Überschussenergie wegen der verlustlosen Speichermöglichkeit erst bei Bedarf abzurufen ist. Dabei brauchen auch keinerlei Schwierigkeiten mit der Leistungsfähigkeit einer eventuell schon bestehenden Sonnenenergieanlage befürchtet zu werden, da ja die Speichereinheiten auf die jeweilige Anlage abstimmbar sind und sich das Speichermedium je nach vorhandenem Energieanfall Schritt für Schritt in Teilmengen schmelzen lässt.
Durch Berücksichtigung der Tagesleistung der Anlage ist ausserdem sichergestellt, dass immer eine Speichereinheit vollständig geladen werden kann, damit durch eine Unterbrechung des Ladevorganges nicht Energieverluste in Kauf genommen werden müssen.
Eine Verbesserung des Wirkungsgrades für die Wärmespeicherung wird dadurch erreicht, dass die Speichereinheiten einerseits zur Nutzung der beim Aktivieren der Schmelze freigesetzten
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Kristallisationswärme an einen Heizkreislauf, beispielsweise eine Fussbodenheizung, anderseits zur Wärmeabfuhr beim Abkühlen der Schmelze auf den unterkühlten Zustand und/oder zum Ab- kühlen des nach dem Kristallisieren der Schmelze bereits erstarrten Speichermediums an einen
Kurzzeitwärmespeicher, z. B. einen Warmwasserbereiter, angeschlossen werden. Dadurch kann nicht nur die latente Wärme des Speichermediums, sondern auch dessen fühlbare Wärme zweck- mässig genutzt werden, da diese Abwärme eben zum Aufwärmen eines üblichen Kurzzeitwärme- speichers herangezogen wird und nicht einfach als Verlustwärme gilt.
Besonders vorteilhaft zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens ist es, wenn erfindungsgemäss zur Ausbildung einer Speichereinheit eine in einem abdeckbaren Isoliergehäuse eingebettete Wanne mit Zu- und Ableitungen für einen gasförmigen oder flüssigen Wärmeträger dient, in der mehrere die Speicherelemente bildende, mit Speichermedium gefüllte und mit einem eine Aktivierungseinrichtung aufweisenden Verschluss versehene flaschenförmige Behälter aus elastischem Material aufgestellt sind.
Damit ergeben sich kompakte Baugruppen als Speicherein- heiten, die mit einfachen Mitteln an Heiz- bzw. Kühlkreisläufe anschliessbar sind, so dass die eine Einheit bildenden Behälter über entsprechende Wärmeträger gut geladen werden können und beim Entladen die freigesetzte Wärme auch schnell aus diesen Einheiten abzuführen ist.
Dabei lassen sich die flaschenförmigen Behälter leicht handhaben, erlauben auf Grund ihrer
Elastizität die beim Schmelzen, Abkühlen und Erstarren auftretenden Volumsänderungen auszu- gleichen und bieten eine einfache Möglichkeit des dichten Verschlusses, wobei im Verschluss gleichzeitig auch die erforderlichen Einrichtungen zum Aktivieren od. dgl. sitzen.
In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist in der Wanne durch eine als Überfall für einen flüssigen Wärmeträger dienende Zwischenwand ein Behälterraum abgegrenzt, wobei die Mündung der Wärmeträgerzuleitung innerhalb und der Ausgang der Wärmeträgerableitung ausserhalb dieses Behälterraumes liegen. Wird in üblicher Weise ein flüssiger Wärmeträger, beispielsweise Wasser verwendet, entsteht durch diesen Behälterraum sozusagen ein Wasserbad für die Behälter, dessen Füllniveau unabhängig vom Durchfluss des Wärmeträgers durch den Überfall auf gleicher Höhe gehalten wird. Es ergeben sich so stets gleichbleibende Verhältnisse für den Wärmeaustausch zwischen Wärmeträger einerseits und Speichermedium anderseits.
Sind die vorzugsweise rechteckigen Querschnitt aufweisenden Behälter mit gleichmässigem Abstand voneinander und unter Freilassung eines Zwischenraumes zum Wannenboden in der Wanne angeordnet, ergeben sich eine platzsparende, übersichtliche Bauweise und gute Zutrittsmöglichkeiten des Wärmeträgers zu allen Behältern und der Wärmeträger kann auch die Behälterböden für eine allseitige Wärmeträgerbeaufschlagung erreichen.
Die jeweils einer Speichereinheit zugeordneten Isoliergehäuse lassen sich einfach aneinanderreiben und zu beliebig grossen Speichern zusammenstellen. Die Isolierung der Gehäusewände schützt während des Lade- und Entladevorganges vor Wärmeverlusten, wobei insbesondere für eine Isolierung zwischen den Speichereinheiten zu sorgen wäre. Weist dabei erfindungsgemäss von jeweils zwei nebeneinandergereihten Isoliergehäusen nur eine der beiden nebeneinanderliegenden Wände eine Isolierung auf, wird die an und für sich unnötige doppelte Isolierung im Bereich der beiden nebeneinanderliegenden Wände vermieden und ohne Nachteil Platz und Material gespart.
Ist eine pneumatische Impfung zum Aktivieren vorgesehen, weist erfindungsgemäss die Aktivierungseinrichtung des Behälterverschlusses eine ins Behälterinnere ragendes Impfrohr auf, das über eine Impfleitung an ein Eigenkeime enthaltendes, druckluftbeaufschlagbares Impfgefäss angeschlossen ist, wobei vorzugsweise die Austrittsöffnung der in das geschlossene Impfgefäss mündenden Druckluftleitung in dessen Bodenbereich und die Eintrittsöffnung der vom Impfgefäss ausgehenden Impfleitung in dessen Deckenbereich liegen. Damit ergibt sich eine besonders einfache Impfkonstruktion, deren Impfgefäss und-behälter durchaus an voneinander entfernten Orten untergebracht werden können.
Durch Einblasen von Luft in das Impfgefäss, was sowohl mittels Handbalg als auch über eine Pumpe, einen Druckspeicher od. dgl. durchführbar ist, werden die Keime aus dem Impfgefäss durch die Impfleitung und das Impfrohr in den Behälter zum Speichermedium geblasen, wo sie sicher für die Einleitung des Kristallisationsvorganges sorgen. Dieses dazu erforderliche Beaufschlagen des Impfgefässes mit Luft kann beliebig oft
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wiederholt werden und gewährleistet eine sichere Impfung, solange nur Eigenkeime im Impf- gefäss vorrätig sind. Befinden sich dabei ausserdem die Austrittsöffnung der Druckluftleitung innerhalb und die Eintrittsöffnung der Impfleitung oberhalb der Schicht Eigenkeime, werden durch Einblasen von Luft diese Eigenkeime aufgewirbelt und gelangen nur vereinzelt in die
Eintrittsöffnung der Impfleitung.
Dies bewirkt einen dosierten Eigenkeim-Transport, der eine Vielzahl von Impfungen mit nur einer Füllung des Impfgefässes erlaubt.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind den Behältern Ladezustandsanzeigeeinrichtungen zugeordnet, die auf Grund von elektrischen Widerstandsmessungen, Brechungs- und Reflexionsverhältnissen u. dgl. den Phasenzsutand des Speichermediums angeben.
Durch diese Ladezustandsanzeigeeinricntungen ist jederzeit sofort überprüfbar, welche Speicherelemente noch geladen und welche entladen sind, was für den praktischen Gebrauch solcher Speicher grosse Bedeutung besitzt. Da der Phasenzustand des Speichermediums in jedem Behälter auch dessen Ladezustand angibt, der ja davon abhängt, ob das Medium flüssig oder kristallisiert ist, lassen sich mit einfachen bekannten Methoden alle Elemente auf ihren Ladezustand überprüfen.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand rein schematisch in einem Ausführungsbeispiel dargestellt, u. zw. zeigen Fig. 1 ein erfindungsgemässes Speicherelement mit zugehöriger Aktivierungseinrichtung im Vertikalschnitt, Fig. 2 eine erfindungsgemässe Speichereinheit im Vertikalschnitt kleineren Massstabes, Fig. 3 die geöffnete Speichereinheit in Draufsicht und Fig. 4 das Anlageschema eines erfindungsgemässen Wärmespeichers.
Um Kristallisationswärmespeicher praktisch einsetzen und durch die Unterkühlbarkeit bestimmter Speichermedien für eine verlustlose Wärmespeicherung heranziehen zu können, muss das Speichermedium, das unter Energieaufnahme schmilzt, im flüssigen Zustand auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, in diesem unterkühlten, metastabilen Zustand beliebig lang lagerbar ist und erst durch bewusstes Aktivieren zum gewünschten Zeitpunkt mit einem Kristallisationsvorgang die gespeicherte Energie, die Schmelzwärme, freisetzt, in relativ kleine Teilmengen aufgeteilt und portionsweise behandelt werden, wobei eine solche Teilmenge dann ein Speicherelement und eine Mehrzahl von Speicherelementen den ganzen Speicher ergibt.
Wie in Fig. 1 dargestellt, dient nun als Speicherelement --1-- ein mit der entsprechenden Teilmenge an Speichermedium--2--,
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Behälterinnere ragendes Impfrohr --5-- einer pneumatischen Impfeinrichtung, das über eine Impfleitung --6-- an ein Impfgefäss --7-- angeschlossen ist. Das mit Eigenkeimen --8-- gefüllte geschlossene Impfgefäss --7-- ist druckluftbeaufschlagbar, wobei die Austrittsöffnung --9-- der in das Impfgefäss --7-- mündenden Druckluftleitung --10-- in dessen Bodenbereich, also im Bereich der Eigenkeime --8-- liegt und die Eintrittsöffnung --11-- der vom Impfgefäss --7-- ausgehenden Impfleitung --6-- sich im Deckenbereich des Gefässes --7--, also oberhalb der Eigenkeim-Füllung befindet.
Wird nun über die Druckluftleitung --10-- Luft in das Impfgefäss - auf irgendeine Weise geblasen, werden die Keime hochgewirbelt und mehr oder weniger vereinzelt durch die Impfleitung --6-- und das Impfrohr --5-- in den Behälter --3-- geblasen, wo sie die unterkühlte Schmelze des Speichermediums --2-- aktivieren, d. h. einen Kristallisationsvorgang einleiten, der unter Abgabe der gespeicherten Latentwärme die bestehende Unterkühlung bzw. die damit verbundene Übersättigung der Schmelze aufhebt und ins thermodynamische Gleichgewicht zurückführt.
Dieser Kristallisationsvorgang dauert an, bis der gesamte Inhalt des Behälters erstarrt ist, vorausgesetzt es ist für eine ausreichende Wärmeabfuhr gesorgt, was aber bei der Aufteilung des gesamten Speichermediusm in Speicherelemente sicher gewährleistet ist.
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einen Geber ein Lichtsignal aussendet und das über einen Empfänger aufgefangene reflektierte Signal durch Vergleich mit dem Ausgangssignal zur Überprüfung des Phasenzustandes des Speichermediums --2-- auswertet. Für die Energieversorgung und Datenübermittlung gibt es eine Versor- gungsleitung-13--.
Um grössere Speicherkapazitäten zu erreichen, sind die Speicherelemente --1-- gruppenweise
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zu Speichereinheiten zusammengefasst, wobei wunschgemäss Einheiten unterschiedlicher Kapazität, d. h. unterschiedlich vieler Speicherelemente vorhanden sein können. Die Kapazität der Speichereinheiten richtet sich dabei nicht nur nach der gewünschten Wärmeabgabe, sondern vor allem auch nach der Höhe der zu erwartenden Energieüberschüsse, die für das Laden der Speicherelemente massgebend sind. Alle Speicherelemente einer Speichereinheit sollen nämlich gleichzeitig geladen werden können, d. h. mit der zur Verfügung stehenden Energie soll in einem Durchgang das Speichermedium in allen Behältern der Speichereinheit vollständig durchgeschmolzen werden können.
Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3 bestehen die Speichereinheiten --14-jeweils aus einer Wanne --15-- mit Deckel --16--, in der entsprechend viele Behälter --3-nebeneinander aufgestellt sind. Für die erforderliche Wärmezufuhr beim Laden der Speicherelemente sowie für die Wärmeabfuhr beim Entladen ist ein flüssiger Wärmeträger --17-- vorgesehen, der in der Wanne-15-- die Behälter-3-- umspült. Eine Zuleitung --18-- und eine Ableitung - sorgen für den nötigen Durchfluss des Wärmeträgers, wobei eine Überlaufleitung --20-- und ein Leckwasserabfluss --21-- einen störungsfreien Betrieb sicherstellen.
Um einen gleichmässigen Wärmeaustausch zwischen Speicherelementen-l-einerseits und Wärmeträger --17-- anderseits zu gewährleisten, ist in der Wanne --15-- durch eine Zwischen- wand --22-- ein Behälterraum --23-- abgegrenzt, in dem die rechteckigen Grundriss aufweisenden Behälter --3-- mit gleichmässigem Abstand voneinander auf Distanzkörper --24-- aufgesetzt sind.
Bohrungen --25-- in der Zwischenwand --22-- dienen als Überfall für den Wärmeträger
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hingegen ausserhalb dieses Behälterraumes --23-- vorgesehen ist, ergibt sich für die Behälter - im Behälterraum-23-- stets ein Wärmeträgerbad gleichen Pegelstandes, wobei auf Grund des jeweiligen Seitenabstandes zwischen den einzelnen Behälter --3-- und dem durch die Distanz- körper --24-- gegebenen Zwischenraum --28-- zwischen Behälterboden und Wannenboden eine allseitige Beaufschlagung der Behälter --3-- mit dem Wärmeträger gegeben ist. Zur Wärmeisolation nach aussen ist die Wanne --15-- in ein Isoliergehäuse --29-- eingebettet, das ebenfalls zur leichteren Handhabung mit einem Deckel --30-- versehen ist.
Um ein möglichst abgeschlossenes Gehäuse zu erreichen und auch die Installation der Speichereinheiten --14-- selbst zu vereinfachen, sind Sammelleitungen --31,32-- für die jeweils in einer Speichereinheit --14-zusammengefassten Speicherelemente-l-in das Isoliergehäuse --29-- bzw. die Wanne-15geführt, in welche Sammelleitungen die einzelnen Impfleitungen --6-- bzw. Versorgungsleitungen --13--derSpeicherelemente--1--münden.
Wie in Fig. 3 veranschaulicht, können die einzelnen Speichereinheiten --14-- zu Speichern beliebiger Grösse aneinandergereiht werden, wobei beim Aneinandereihen zweier Speichereinheiten - nur eine der beiden längsseits nebeneinanderliegenden Wände eine Isolierung --33-aufweist und Platz sowie Material eingespart werden kann.
Da die Speicherelemente erfindungsgemäss nicht nur portionsweise entladen, sondern auch portionsweise geladen werden können und sich die Speicherelemente zu Speichereinheiten gewünschter Kapazität zusammenstellen lassen, eignet sich ein solcher Wärmespeicher optimal für eine Kombination mit einer Sonnenenergieanlage. Ein Schaltschema einer derartigen Gesamtanlage ist in Fig. 4 angedeutet.
Der beispielsweise aus drei Speichereinheiten --14a,14b,14c-- bestehende Langzeitwärmespeicher --L-- ist in Lade- und Entladekreisläufen mit einer Sonnenenergieanlage - und einem Kurzzeitwärmespeicher --K-- zusammengeschlossen. Dabei sind die einzelnen Speichereinheiten --14a,14b,14c-- so bemessen, dass jede Einheit von der Sonnenenergieanlage - an einem sonnigen Sommertag sicher geladen werden kann, wodurch im Laufe der sonnenenergiereichen Jahreszeit entsprechend der Zahl der Speichereinheiten Wärmeenergie im gewünschten Ausmass gespeichert werden kann.
Zum Laden beispielsweise der Speichereinheit --14a-- wird die Pumpe --34-- in Abhängigkeit von der Solarregelung --35-- eingeschaltet und fördert den in den Sonnenkollektoren --36-- erhitzten flüssigen Wärmeträger über die Leitung --37-- und das Ventil --38-- in die Speichereinheit --14a--, wo er die einzelnen Speicherelemente schmilzt. Der dabei abgekühlte Wärmeträger gelangt durch die Leitung --39-- über das Dreiwegeventil
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- 40-- zurück zur Förderpumpe --34-- und wird durch diese Pumpe über das Dreiwegeventil --41-- wieder in den Sonnenkollektor --36-- zur neuerlichen Aufheizung gepumpt. Der Ladevorgang dauert so lange an, bis das Speichermedium in allen Speicherelementen der Speichereinheit - 14a-- vollständig durchgeschmolzen ist.
Das Laden der andern Speichereinheiten erfolgt in gleicher Weise im Laufe der nächsten schönen Tage.
Um die überschüssige Wärmeenergie der flüssigen Phase, also der Schmelze des Speichermediums ebenfalls ausnutzen zu können, wird das Dreiwegeventil --41-- nach Abschalten der Sonnenkollektoren --36-- umgeschaltet, so dass der nun vom flüssigen Speichermedium erwärmte Wärmeträger über die Pumpe --34-- durch die Leitung --42-- in einen Wärmetauscher --43--
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Speichermediums über den Wärmeträger an das Brauchwasser des Kurzzeitwärmespeichers --K-- übertragen, bis Temperaturgleichgewicht zwischen der Schmelze und dem Brauchwasser erreicht ist. Zur Steuerung dieses Umschaltvorganges sind ein Dämmerungsschalter --45-- und ein Strah- lungs-Intensitätsfühler --46-- vorgesehen, die die Dreiwegeventile --40, 41-- betätigen.
Das geschmolzene und auf Umgebungstemperatur abgekühlte Speichermedium in den aufgeladenen Speichereinheiten --14a,14b,14c-- erlaubt nun eine verlustlose Wärmespeicherung über beliebig lange Zeiträume, da die Latentwärme trotz der Unterkühlung der Schmelze erhalten bleibt und durch einen entsprechenden Kristallisationsvorgang wieder freigesetzt werden kann.
Zum gewollten Entladen einer oder mehrerer Speichereinheiten müssen die einzelnen Speicherelemente dieser Speichereinheiten aktiviert werden, was beispielsweise durch pneumatisches Impfen mit Kristallisationskeimen erfolgt. Ist durch diese Impfung der Kristallisationsvorgang eingeleitet, geben die Speicherelemente bei der Kristallisation des Speichermediums die gespeicherte Latentwärme, die Schmelzwärme, an den Wärmeträger ab, der nun zu Heizzwecken u. dgl. herangezogen werden kann. Der die Speichereinheiten --14a, 14b, 14c-- verlassende aufgewärmte Wärmeträger wird über die Ventile --47-- durch die Leitung --48-- dem Verbraucher, beispielsweise einer Fussbodenheizung --49-- zugeführt und strömt über die Leitung --50-- wieder in die Speichereinheiten zurück.
Selbstverständlich kann die Latentwärme der Speichereinheiten auch zur Warmwasserbereitung genutzt werden, wozu wieder über die Leitungen --39,42,44,37-- der Kreislauf über den Wärmetauscher --43-- geschlossen wird. Das Brauchwasser wird dem Kurzzeitwärmespeicher --K-- über die Leitung --51-- kalt zugeführt und kann als Heisswasser über die Leitung --52-- abgezogen werden.
Zur Automatisierung der ganzen Anlage und zur Überwachung der Lade- und Entladevorgänge gibt es entsprechende Einrichtungen, wie die Ladezustandsanzeigeeinrichtungen für die einzelnen Speichereinheiten, die die Sonnenstrahlung berücksichtigenden Dämmerungsschalter
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--46-Thermometer--60--u. dgl.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.
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The invention relates to a method for long-term storage of heat by means of crystallization heat storage, according to which the storage medium, preferably a salt hydrate, which is divided into a plurality of individual storage elements, is melted during a favorable supply of energy and then the melting heat consumed during melting, the latent heat, by
Crystallization of the activated melt is released as heat of crystallization, as well as a
Device for carrying out this method.
It is already known to use crystallization enthalpies of suitable media for heat storage, by the energy supplied for melting the storage medium at
Phase change is released again by crystallization of the melt. These crystallization heat stores or latent stores therefore take advantage of the physical effect of the phase change associated with a heat conversion of suitable crystalline media, it having also been proposed to improve the heat exchange that the storage medium be divided into a plurality of storage elements.
So far, however, it has only been possible to use this storage for short-term, approximately hour or day-long heat storage, since the constant, uncontrolled cooling of the charged storage elements, which is unavoidable due to the temperature differences to the environment, soon reaches and falls below the melting point - which activates the mostly incompletely melted melt, so that the occurring crystallization prevents further heat storage.
This heat loss due to the different temperatures of the storage medium and the surrounding area can be counteracted by consciously using the property of the melt of certain media being subcoolable and by subcooling such melts to ambient temperature, which means that they last practically any length, for example from summer to winter lossless heat storage is enabled.
A wide variety of salt hydrates, especially Na2S03.5 H2O, K3P04, have been used as storage media. 7 H20, NazC03. 10 H20, Ca (N03) 2. 4 H20 u. Like., Proven, since they are not only for
Storage-relevant conditions with regard to melting point, subcoolability, enthalpy of conversion, self and external activation and the like. The like. But also also meet the conditions relevant for the practical application in terms of compatibility, harmlessness, acquisition costs and the like. Like. suffice.
This theoretically known possibility of long-term, i.e. month-long and year-long, loss-free heat storage with the help of crystallization heat stores has so far failed due to practical implementation, since the difficulties in undercooling, storing and activating the melt due to the always present danger have not yet been achieved an unwanted early self-activation on the one hand and an insufficient conscious activation at the desired time on the other hand.
In addition, the total amount of the available storage medium has to be heated up, cooled down and also activated at once, which entails an uneconomical expenditure of energy for the melting process, making it impossible to dispense the stored latent heat in a metered manner, due to the temperature and crystallization ratios to be taken into account only a limited storage capacity allowed in advance and, due to the unfavorable heat dissipation conditions, results in poor efficiency for utilizing the stored heat. In addition, if self-activation occurs, the entire memory is uselessly discharged and thus worthless.
The invention is therefore based on the object of specifying a method of the type described which can be implemented in practice without difficulty, which allows heat storage with any capacity and metered heat output, ensures a relatively high efficiency for the charging and discharging process and the desired Activation at any desired time without risk of self-activation of the entire memory. In addition, a device for the simple implementation of this method is to be created.
The invention solves this problem essentially in that the storage elements are combined in groups to separate storage units and the storage medium is completely melted depending on the available amount of energy in accordance with the partial quantities determined by these storage units, whereupon the melt, as such
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known, brought to a temperature level approximating the ambient temperature by cooling below its melting point and left to rest in the supercooled state until, at the desired point in time, the stored melt is activated again in part, depending on the energy requirement, by means of its own germs and is stimulated to crystallize.
Such in portions
Treatment of the storage medium enables optimal use of the properties of supercooled salt hydrate melts, whereby both the essential full melting and the activation process can be carried out step by step depending on the energy supply or heat requirement and a harmonious coordination between energy donor, storage and can be achieved by consumers. Due to their favorable ratio between surface and volume, the relatively small storage elements bring the best conditions for the necessary heat exchange during the charging and discharging process and also create for the
Crystallization process as such the most suitable prerequisites.
Since the individual storage elements alone have insufficient capacity as a sensible heat donor, several elements are combined in order to release the stored heat in a usable manner and, in order to rationalize and coordinate the handling of a corresponding number of elements, are combined in storage units. Here they can be treated individually but at the same time and while maintaining the advantages of small elements is the
Take advantage of larger storage units. In addition, the summary of the
Elements to units a more compact design and a cheaper handling of the storage process.
The heat store itself can be put together unit by unit to any size and capacity, whereby there is never any risk of self-activation for the entire storage unit, since in the worst case only individual elements of the units are activated unintentionally, but the majority of the elements of each unit are safe fulfills its storage function. The same applies to the intended activation at a desired point in time, which activation is also guaranteed at least for the majority of the elements, and only that
Activating a few elements per unit can fail, which plays a very minor role for the entire memory. The energy source for melting or
Charging the storage units is insignificant for the actual method, especially since the individual storage elements of the units can be melted with only a slight excess of energy, and the activation of the storage elements in itself is of no fundamental importance, it just has to be done permanent contamination and To avoid the medium, own germs are used.
In order to enable simple and also functionally reliable activation for all memory elements, according to a further development of the invention, self-germs are blown into the memory elements to activate the melt. This blowing in of the germs does not require any special effort, since the germs can be pneumatically transported from a container through easily installed air lines into the storage elements without difficulty and no complex mechanics are required for this. In addition, this pneumatic vaccination can be repeated any number of times and with certainty.
If, according to the invention, a solar energy system is used to melt the partial storage medium in a manner known per se, the capacity of the storage units being adapted to the average output of the solar energy system relating to a sunny summer day, this results in particularly favorable conditions since the units are charged on beautiful summer days can be carried out and this existing excess energy can only be called up when needed because of the lossless storage option. There is no need to fear any difficulties with the performance of a solar energy system that may already exist, since the storage units can be adapted to the respective system and the storage medium can be melted step by step in partial quantities depending on the amount of energy available.
By taking into account the daily output of the system, it is also ensured that a storage unit can always be fully charged, so that energy losses do not have to be accepted due to an interruption in the charging process.
An improvement in the efficiency for heat storage is achieved in that the storage units are used on the one hand for the use of those released when the melt is activated
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Heat of crystallization to a heating circuit, for example underfloor heating, on the other hand to dissipate heat when the melt cools to the supercooled state and / or to cool the storage medium which has already solidified after the melt has crystallized to one
Short-term heat storage, e.g. B. a water heater can be connected. As a result, not only the latent heat of the storage medium, but also its sensible heat can be used appropriately, since this waste heat is used to warm up a conventional short-term heat store and is not simply considered as waste heat.
It is particularly advantageous to carry out the method according to the invention if, according to the invention, a trough embedded in a coverable insulating housing with feed and discharge lines for a gaseous or liquid heat transfer medium is used to form a storage unit, in which a plurality of storage elements are formed, filled with storage medium and with one Bottle-shaped container made of elastic material are provided with the activation device.
This results in compact assemblies as storage units which can be connected to heating or cooling circuits using simple means, so that the containers forming a unit can be easily charged via appropriate heat transfer media and the released heat can also be quickly removed from these units during unloading .
The bottle-shaped containers are easy to handle, because of their allow
Elasticity to compensate for the changes in volume that occur during melting, cooling and solidification and offer a simple possibility for a tight seal, with the necessary devices for activating or the like also being seated in the seal.
In a favorable further development of the invention, a container space is delimited in the tub by an intermediate wall which serves as a hold-up for a liquid heat transfer medium, the mouth of the heat transfer medium supply line being inside and the outlet of the heat transfer medium discharge line being outside of this container space. If a liquid heat transfer medium, for example water, is used in the usual way, this container space creates a water bath for the containers, so to speak, the filling level of which is kept at the same level regardless of the flow of the heat transfer medium due to the attack. The result is always constant conditions for the heat exchange between the heat transfer medium on the one hand and the storage medium on the other.
If the containers, which are preferably rectangular in cross-section, are arranged at a uniform distance from one another and leave a space between them and the floor of the tub in the tub, this results in a space-saving, clear design and good accessibility for the heat transfer medium to all the containers, and the heat transfer medium can also reach the tank bottoms for all-round heat transfer .
The insulating housings assigned to each storage unit can be easily rubbed together and put together to form any size storage device. The insulation of the housing walls protects against heat loss during the charging and discharging process, with insulation between the storage units in particular having to be provided. If, according to the invention, only one of the two adjacent walls has insulation from two adjacent insulating housings, the unnecessary double insulation in the area of the two adjacent walls is avoided and space and material are saved without disadvantage.
If a pneumatic vaccination is provided for activation, the activation device of the container closure has, according to the invention, an inoculation tube protruding into the interior of the container, which is connected via an inoculation line to an inoculation vessel which can contain pressurized air and contains self-germs, the outlet opening of the compressed air line opening into the closed inoculation vessel preferably being in the bottom area thereof and the inlet opening of the inoculation line emanating from the inoculation vessel is located in its ceiling area. This results in a particularly simple inoculation design, the inoculation vessel and container of which can be accommodated at locations that are far apart.
By blowing air into the inoculation vessel, which can be carried out by means of a bellows as well as a pump, a pressure accumulator or the like, the germs from the inoculation vessel are blown through the inoculation line and the inoculation tube into the container to the storage medium, where they are safe for ensure the initiation of the crystallization process. This necessary pressurization of the vaccination vessel with air can occur as often as required
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repeated and ensures a safe vaccination, as long as only germs are available in the vaccination container. If there are also the outlet opening of the compressed air line inside and the inlet opening of the inoculation line above the layer of own germs, these own germs are whirled up by blowing in air and only occasionally get into the
Entry line of the vaccination line.
This results in a metered transport of own germs, which allows a large number of vaccinations with just one filling of the vaccination container.
In a particularly advantageous development of the invention, the containers are assigned charge status indicators which, on the basis of electrical resistance measurements, refraction and reflection conditions, and the like. Specify the state of phase of the storage medium.
These charge status display devices make it possible to immediately check at any time which storage elements are still loaded and which are unloaded, which is of great importance for the practical use of such stores. Since the phase state of the storage medium in each container also indicates its state of charge, which depends on whether the medium is liquid or crystallized, all elements can be checked for their state of charge using simple known methods.
In the drawings, the subject matter of the invention is shown purely schematically in one embodiment, u. 1 shows a storage element according to the invention with associated activation device in vertical section, FIG. 2 shows a storage unit according to the invention in vertical section on a smaller scale, FIG. 3 shows the opened storage unit in plan view and FIG. 4 shows the layout of a heat storage device according to the invention.
In order to be able to use crystallization heat storage in a practical manner and to be able to use heat storage for lossless heat storage due to the subcoolability of certain storage media, the storage medium that melts while absorbing energy must be cooled to ambient temperature in the liquid state, can be stored in this supercooled, metastable state for any length of time and only by conscious activation at the desired point in time, the stored energy, the heat of fusion, is released with a crystallization process, divided into relatively small portions and treated in portions, such a portion then resulting in a storage element and a plurality of storage elements for the entire storage.
As shown in Fig. 1, now serves as the storage element --1-- with the corresponding subset of storage medium - 2--,
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Vaccine tube --5-- projecting inside the container of a pneumatic vaccination device, which is connected to an inoculation vessel --7-- via an inoculation line --6--. The closed inoculation container --7-- filled with its own germs --8-- can be pressurized with compressed air, with the outlet opening --9-- of the compressed air line --10-- opening into the inoculation vessel --7-- in its bottom area, i.e. in the area the own germs are --8-- and the inlet opening --11-- of the inoculation line --6-- coming from the inoculation vessel --7-- is in the ceiling area of the vessel --7--, i.e. above the inoculation filling.
If air is blown in any way via the compressed air line --10-- into the inoculation vessel - the germs are whirled up and more or less isolated through the inoculation line --6-- and the inoculation tube --5-- into the container - 3-- blown where they activate the supercooled melt of the storage medium --2--, d. H. initiate a crystallization process which, while releasing the stored latent heat, cancels the existing hypothermia or the associated supersaturation of the melt and returns it to thermodynamic equilibrium.
This crystallization process continues until the entire contents of the container have solidified, provided that sufficient heat dissipation is ensured, but this is reliably ensured when the entire storage medium is divided into storage elements.
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an encoder sends out a light signal and evaluates the reflected signal received by a receiver by comparing it with the output signal to check the phase status of the storage medium --2--. There is a supply line 13-- for energy supply and data transmission.
In order to achieve larger storage capacities, the storage elements are --1-- in groups
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combined into storage units, where desired units of different capacity, d. H. different number of storage elements can be present. The capacity of the storage units depends not only on the desired heat emission, but above all on the amount of the excess energy to be expected, which are decisive for loading the storage elements. All storage elements of a storage unit should namely be able to be loaded simultaneously, i. H. With the available energy, it should be possible to completely melt the storage medium in all the containers of the storage unit in one pass.
According to the exemplary embodiment according to FIGS. 2 and 3, the storage units --14 each consist of a trough --15-- with a lid --16--, in which a corresponding number of containers --3-are placed next to one another. A liquid heat transfer medium --17-- is provided for the required heat supply when loading the storage elements and for heat dissipation during unloading, which flows around the tank 3-- in the tub-15--. A supply line --18-- and a discharge - ensure the necessary flow of the heat transfer medium, with an overflow line --20-- and a leakage water drain --21-- ensuring trouble-free operation.
In order to ensure an even heat exchange between the storage elements-l-on the one hand and the heat transfer medium --17-- on the other hand, a tank space --23-- is delimited in the tub --15-- by an intermediate wall --22--, in the containers --3--, which have a rectangular plan, are placed on spacers --24-- at an even distance from each other.
Holes --25-- in the partition wall --22-- serve as a hold-up for the heat transfer medium
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on the other hand, if this --23-- is provided outside of this container space, there is always a heat transfer bath of the same level for the containers - in the container space -23--, due to the respective side spacing between the individual containers --3-- and that due to the distance - body --24-- given space --28-- between the tank bottom and the tank bottom, the tank --3-- is exposed to the heat transfer medium on all sides. For thermal insulation from the outside, the tub --15-- is embedded in an insulating housing --29--, which is also provided with a lid --30-- for easier handling.
In order to achieve the most closed housing possible and also to simplify the installation of the storage units --14-- themselves, busbars --31,32-- for the storage elements --14-combined in one storage unit-l-into the insulating housing - -29-- or the tub-15 into which manifolds the individual vaccination lines --6-- or supply lines --13 - of the storage elements - 1 - open.
As illustrated in Fig. 3, the individual storage units --14-- can be strung together for storage of any size, whereby when stringing together two storage units - only one of the two walls lying alongside one another has insulation --33 - and space and material can be saved .
Since, according to the invention, the storage elements can not only be discharged in portions, but can also be loaded in portions and the storage elements can be combined to form storage units of the desired capacity, such a heat store is ideally suited for combination with a solar energy system. A circuit diagram of such an overall system is indicated in Fig. 4.
The long-term heat accumulator --L--, which consists of three storage units --14a, 14b, 14c--, is combined in charging and discharging circuits with a solar energy system - and a short-term heat accumulator --K--. The individual storage units --14a, 14b, 14c-- are dimensioned so that each unit can be safely charged by the solar energy system on a sunny summer day, which means that thermal energy is stored to the desired extent over the course of the solar energy-rich season in accordance with the number of storage units can.
For charging the storage unit --14a--, for example, the pump --34-- is switched on depending on the solar control --35-- and conveys the liquid heat transfer medium heated in the solar collectors --36-- via the line --37- - and the valve --38-- into the storage unit --14a--, where it melts the individual storage elements. The cooled heat transfer medium passes through the line --39-- via the three-way valve
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- 40-- back to the feed pump --34-- and is pumped by this pump via the three-way valve --41-- back into the solar collector --36-- for renewed heating. The loading process continues until the storage medium in all storage elements of the storage unit 14a has completely melted.
The other storage units are loaded in the same way over the next few nice days.
In order to also be able to use the excess thermal energy of the liquid phase, i.e. the melt of the storage medium, the three-way valve --41-- after switching off the solar collectors --36-- is switched over so that the heat transfer medium now heated by the liquid storage medium is pumped - -34-- through the line --42-- into a heat exchanger --43--
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Transfer the storage medium via the heat transfer medium to the process water of the short-term heat store --K-- until the temperature equilibrium is reached between the melt and the process water. To control this switching process, a twilight switch --45-- and a radiation intensity sensor --46-- are provided, which operate the three-way valves --40, 41--.
The melted and cooled to ambient temperature storage medium in the charged storage units --14a, 14b, 14c-- now allows lossless heat storage for any length of time, since the latent heat is retained despite the supercooling of the melt and can be released again by an appropriate crystallization process.
To deliberately unload one or more storage units, the individual storage elements of these storage units must be activated, which is done, for example, by pneumatic seeding with crystallization nuclei. If the crystallization process is initiated by this vaccination, the storage elements give off the stored latent heat, the heat of fusion, to the heat transfer medium during the crystallization of the storage medium, which is now used for heating purposes and the like. Like. Can be used. The heated heat transfer medium leaving the storage units --14a, 14b, 14c-- is fed to the consumer, for example underfloor heating --49-- via the valves --47-- through the line --48-- and flows through the line - -50-- back to the storage units.
Of course, the latent heat of the storage units can also be used for hot water preparation, for which purpose the circuit - 39, 42, 44, 37 - closes the circuit via the heat exchanger - 43. The hot water is fed to the short-term heat storage --K-- via line --51-- cold and can be withdrawn as hot water via line --52--.
For automation of the entire system and for monitoring the charging and discharging processes, there are corresponding devices, such as the charging status display devices for the individual storage units and the twilight switches which take account of the solar radiation
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--46 thermometer - 60 - u. the like
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