CN108139169B - 具有热储存材料的尺寸改变的补偿的热交换系统和通过使用热交换系统用于交换热的方法 - Google Patents

Abstract

具有热储存材料的尺寸改变的补偿的热交换系统以及通过使用热交换系统用于交换热的方法。本发明涉及具有带有热交换腔室边界的至少一个热交换腔室的热交换系统，所述热交换腔室边界包围热交换腔室的至少一个热交换腔室内部。热交换腔室边界包括至少一个第一开口，用于引导至少一个热传递流体的入流进入热交换腔室内部，以及至少一个第二开口，用于引导热传递流体的出流离开热交换腔室内部。至少一个热储存材料被布置在热交换腔室内部中，使得热传递流体通过热交换腔室内部的热交换流导致热储存材料和热传递流体之间的热交换。热交换腔室包括至少一个压紧装置，用于补偿热交换腔室内部内的热储存材料的压紧（沉陷）。优选地，热交换腔室边界中的至少一个包括压紧装置。具有压紧装置的热交换腔室边界是热交换腔室的天花板。替代地，具有压紧装置的热交换腔室是热交换腔室的侧部壁。例如，此侧部壁包括板桩壁。

Description

具有热储存材料的尺寸改变的补偿的热交换系统和通过使用 热交换系统用于交换热的方法

背景技术

1.技术领域

本发明涉及具有热交换腔室的热交换系统和通过使用热交换系统用于交换热的方法。

2.背景技术

尽管可再生能量被集成进公共电能系统（电网），目前大份额的电仍然通过化石能源生成。但是全球气候变化需要进一步发展可再生能量。

类似风和太阳的可再生能源的能量输出贯穿一天或贯穿一年不是恒定的。因此，通过利用来自可再生能源而生成的电会波动。

为了管理此波动的电，热（热能）储存系统被开发用于储存和释放热能（热交换系统）。这样的热交换系统包括具有热交换腔室边界的热交换腔室，所述热交换腔室边界包围热交换腔室内部。热交换腔室内部填充有例如石头的热储存材料。热交换腔室边界包括第一开口，用于引导热传递流体（例如空气）的入流流入热交换腔室内部，以及第二开口，用于引导热交换流体的出流流出热交换腔室内部。

对于充能模式，热交换系统附加地包括充能单元，用于借助于过量的电加热热传递流体。产生的热的热传递流体经由热交换腔室边界的开口中的一个（例如，第一开口）被灌输进热交换腔室内部中。此开口限定热交换腔室的“热”终端。热的热传递流体被引导通过热交换腔室内部。通过将热的热传递流体引导通过热交换腔室内部，导致从热传递流体到热储存材料的热交换。热通过热储存材料被储存。

经由热交换腔室的其它开口（第二开口），产生的“冷”的热传递流体被引导出热交换腔室内部。由此，热交换腔室边界的此开口限定热交换腔室的“冷”终端（端部）。当热交换腔室的冷终端处的温度开始上升到预定温度以上时，充能模式停止。

在热交换腔室的放能模式中，此储存的热可以被恢复：“冷”的热传递流体经由热交换腔室边界的第一开口被灌输进热交换腔室内部中。在此情况下，第一开口限定“冷”终端。冷的热传递流体被引导通过热的热交换腔室内部。通过将冷的热传递流体引导通过热交换腔室内部，导致从热储存材料到热传递流体的热交换。热被从热储存材料释放。

经由热交换腔室边界的第二开口，产生的“热”的热传递流体被引导出热交换腔室内部。由此，热交换腔室的第二开口限定热交换腔室的“热”终端。

产生的热的热传递流体可以被用于生成蒸汽，通过所述蒸汽驱动蒸汽涡轮机。所描述的放能模式的结果：热被转换回电。

当热交换储存部的热终端处的温度开始下降到特定温度以下时，放能模式停止。

例如，热储存材料包括石头。由于热诱导的应力，石头在充能模式期间破裂，其导致石头的压紧（packing）（压实（compacting））。另外，循环的热负荷导致石头的扩张和收缩，并且因此导致床的进一步压实。假设热交换腔室的总体积保持不变，这导致用于热传递流体通过热交换腔室内部的附加的路径。通过热交换腔室内部的热传递流体的流难以被控制。

发明内容

本发明的目标是提供具有热交换腔室的热交换系统，热传递流体可以被均匀地引导通过所述热交换腔室。

此目标通过权利要求中具体说明的本发明来实现。

热交换系统设置有至少一个热交换腔室，所述至少一个热交换腔室具有包围热交换腔室的至少一个热交换腔室内部的热交换腔室边界。热交换腔室边界包括至少一个第一开口，用于将至少一个热传递流体的入流引导进热交换腔室内部中，以及至少一个第二开口，用于将热传递流体的出流引导出热交换腔室内部。至少一个热储存材料被布置在热交换腔室内部中，使得热传递流体通过热交换腔室内部的热交换流导致热储存材料和热传递流体之间的热交换。热交换腔室包括至少一个压紧装置，用于补偿热交换腔室内部内的热储存材料的压紧（沉陷（settling））。优选地，热交换腔室边界中的至少一个包括压紧装置。具有压紧装置的热交换腔室边界是热交换腔室的天花板。例如，所述天花板是下沉的天花板。替代地，具有压紧装置的热交换腔室边界是热交换腔室的侧部热交换腔室边界（侧部壁）。腔室的这个侧部壁优选地包括至少一个板桩壁（sheet pile wall）。这个板桩壁是柔性的。

在另外的优选实施例中，压紧装置包括用于热交换流的至少一个柔性的流动障碍物。热交换流被抑制。例如，柔性的流动障碍物包括填充有空气的至少一个袋（空气袋）。

为了阻止旁通流和产生的热损失（例如，在储存部出口处），一个或更多个空气袋可以被安装在热交换腔室的热交换腔室内部中的热储存材料的支撑结构和热交换腔室的下降的、绝缘的天花板之间。安装的空气袋的数目和尺寸取决于热储存材料上方的绝缘部朝向热传递流体的渗透性。空气袋阻挡热传递流体的流，使得其必须流动通过热储存材料以到达第二开口。

空气袋可以由柔性的、弹性的材料制成，所述材料适应由固体热储存材料沉陷导致的间隙的形式。

有利地，其耐受在热交换腔室的（优选地绝缘的）天花板上方发生的温度。空气袋的体积必须在操作期间始终适应间隙的体积（如果空气袋的长度平行于热传递流体的流动方向的话，则尤其是高度和宽度）。这可以通过当热交换腔室的热储存材料被冷却下来（放能）时将流体（例如空气）泵送到空气袋中，并且当储存部被加热（充能）时将流体泵送出空气袋来解决，所述泵送的方式是使空气袋中的压力保持受控制的方式。

此外，提供通过使用热交换系统用于交换热的方法。在热交换系统的操作模式中，热传递流体的热交换流被引导通过热交换腔室内部，其中，导致热储存材料和热传递流体之间的热交换。

热交换腔室是空间、腔体或壳体，热储存材料位于其中。热交换在热交换腔室内侧发生。为了提供有效的热交换，热交换腔室优选地与环境热绝缘。通过热绝缘减少热损失。

热传递流体经由第一开口被引导（指引）到热交换腔室内部中，并且经由第二开口被引导出热交换腔室内部。热交换腔室边界的第一开口是入口开口。热交换腔室边界的第二开口是出口开口。因此，热交换腔室边界存在不同的区域，即具有第一开口的热交换腔室边界的入口区域，和具有第二开口的热交换腔室边界的出口区域。

热交换系统的操作模式从如下的组中选择，所述组包括：具有从热传递流体到热储存材料的热传递的充能模式、和具有从热储存材料到热传递流体的热传递的放能模式。

取决于操作模式，特定的开口可以具有入口开口的功能或出口开口的功能。热交换流的流动方向取决于操作模式。优选地，在充能模式期间，热交换流沿充能模式方向被引导，在放能模式期间，热交换流沿放能模式方向被引导，并且充能模式方向和放能模式方向彼此相反（逆流操作）。但是，热交换流的方向的改变不是必须的。充能模式方向和放能模式方向包括相同的方向（顺流操作）。

在逆流操作中，从充能模式到放能模式的切换时，通过热交换腔室内部的热交换流的方向被颠倒并且因此，开口（入口开口、出口开口）的功能以及在相应开口处的相对温度（冷或热）也被颠倒。通过这样的解决方案，使用相同的热传递流体用于充能模式和用于放能模式是特别有利的。但是当然，也可以使用不同的热传递流体用于充能模式和放能模式。

对于充能模式，热交换系统配备有至少一个充能单元，用于加热热传递流体。此充能单元优选地位于热交换腔室的上游。

优选地，充能单元包括至少一个电加热装置，其从包括电阻加热器、感应加热器、电磁辐射发射器和热泵的组中选择。电磁辐射优选地是红外辐射。不同的电加热装置的组合是可能的。借助于电加热装置，电被转换为热。此热被热传递流体吸收并且被输运至热交换腔室内部中的热储存材料。

例如，电加热装置包括电阻加热器。此加热器位于热交换入流中。电阻加热器包括大的热交换区域，用于从电阻加热器到热传递流体的有效的热交换。例如，大的热交换区域通过电阻加热器的网格形成。蜿蜒形的电阻加热器也是可能的。通过这样的措施，至热传递流体的热传递被增强。另外，电阻加热器内的热点（hot spot）的（不期望的）发生的可能性被减小。

热交换系统优选地配备有至少一个放能单元，用于从出流的热传递流体放出热用于产生电。从热传递流体移除热。移除的热被转换为电。在优选实施例中，热到电的转换通过用于驱动蒸汽电站的涡轮机的水/蒸汽循环实现。

当电价和需求高或者当可再生能量的产生低的时候，放能模式可以被实现。为此并且为了限制与本发明相联系的成本，使用现有的电站是有利的。因此，热交换系统是一种改型系统。例如，非常适合的是CCPP（联合循环电站），因为其热回收蒸汽发生器（HRSG）类似于这里提出的应用。然而，无烟煤（hard coal）、油、气、垃圾焚烧、木头或褐煤火电站可以被使用，因为充能单元可以被设计用于高的温度以匹配蒸汽发生器中使用的温度。在混合模式中，燃料可以被用于将温度从热交换系统的温度水平增加至原始的炉子或锅炉设计的操作温度。

在优选实施例中，热交换系统配备有至少一个流动调节元件，用于调节通过热交换腔室内部的交换流、用于调节进入热交换腔室内部的入流和/或用于调节离开热交换腔室的出流。流动调节元件包括至少一个主动流体运动装置，其从包括鼓风机、风扇和泵的组中选择，并且/或者流动调节元件包括至少一个被动流体控制装置，其从包括可激活旁通管道、喷嘴、翻片（flap）、挡板（damper）和阀的组中选择。多个这些装置以及这些装置的组合是可能的。另外，流动调节元件可以被串联或并联布置。例如，两个翻片被布置在两个开口处，以调节进入热交换腔室内部的热传递流体的入流，并且因此以调节热交换腔室内部中的温度分布。

被动控制装置的优势是其便宜。另外，被动控制装置非常可靠。但是优选地，使用主动运动装置。通过那样，有利的是，主动流体运动装置的驱动单元（类似于电动马达和电动装置）位于具有（可能非常热的）热传递流体的热交换流的外侧。

只是要注意的是：可能有用于流动调节元件的不同的位置。流动调节元件可以被直接布置在热交换腔室内部中、热交换腔室内部下游和/或热交换腔室内部上游。所述位置尤其取决于流动调节元件（主动流体运动装置或被动流体控制装置）的类型。

固体材料优选地包括疏松材料（bulk material）。不同的固体材料的混合物也是可能的。

在优选实施例中，热储存材料包括至少一个化学和/或物理稳定的材料。在热交换系统的操作温度的范围中，热储存材料不改变其物理和/或化学性质。物理稳定的材料在热交换期间不改变其物理性质。例如，热储存材料在操作温度范围中保持固态。

在优选实施例中，热储存材料包括沙子和/或石头。

优选地，石头包括碎石（卵石、松散的碎石）、粗石和/或粗砂（碎片）。例如，玄武岩、花岗岩或辉长岩是合适的。人工材料优选地包括渣块或陶瓷。再次，所提到的材料的混合物也是可能的。

为了提供便宜的能量储存材料，使用废弃材料是有利的。因此，在优选实施例中，人工材料包括工业过程中的至少一个副产品。例如，副产品是硅酸铁。硅酸铁来源于铜生产的渣。

在优选实施例中，热交换通道被嵌入在热储存材料中，用于引导热交换流通过热交换腔室内部。热储存材料形成热交换床。热交换床包括热交换通道。热交换通道被嵌入在热交换床中，使得通过热交换通道的热传递流体的热交换流导致热储存材料和热传递流体之间的热交换。热交换通道可以通过热储存材料的中间空间（间隙）形成。例如，热储存材料包括石头。石头形成具有热交换通道的热交换床。附加地或替代地，热储存材料是多孔的。热储存材料的开口孔形成热交换通道。

热传递流体从包括液体和气体的组中选择。气体从包括无机气体和/或有机气体的组中选择。无机气体优选地是空气。不同的液体的混合物以及不同气体的混合物是可能的。

优选地，热传递流体包括处于环境气体压力的气体。优选地，处于环境压力的气体是空气。环境压力（900hPa至1.100hPa）改变，使得导致通过热交换腔室内部的热交换流。

为了将热传递流体引导进热交换腔室内部中并且为了将热传递流体引导出热交换腔室内部，使用管道系统（或通道系统、导管系统）。此管道系统可以是闭式的（具有闭环）或者可以是开式的（具有开环）。

例如，热传递流体是环境的环境空气。所述环是开环。来自环境的空气被引入热交换系统并且热交换系统的空气被释放至环境。在热交换系统的操作期间有空气交换。

与之相对照，在闭环的操作期间没有空气交换或可选择可调节的空气交换。环境的空气不被增加或少量增加至用作热传递流体的空气。这具有以下特定优势：在具有几乎完全充能的热储存材料的情况下，在开环中，具有剩余的热的热传递流体将被释放至环境。剩余的热被损失。与之相对照，在闭环中，具有剩余的热的此热传递流体停留在热交换系统中。剩余的热不被损失。因此，在优选实施例中，闭环被实施，并且其中，入流包括出流。出流被引导回热交换腔室内部。

热交换腔室可以是竖直热交换腔室和/或水平热交换腔室。优选地，热储存腔室是水平的热交换腔室。

术语“水平热交换腔室”意味着热传递流体通过热交换腔室内部的水平的主（平均）流。水平的主流的流动方向基本平行于地球的平均表面。水平方向是与影响热传递流体的重力的方向基本垂直的方向。垂直在该上下文中意味着从垂直偏离多达20°，并且优选地多达10°的偏离是可能的。

热交换流的水平定向的方向可以通过侧向第一开口和/或侧向第二开口实现。水平热交换腔室包括在其侧部热交换腔室边界的这些开口。另外，借助于类似于鼓风机或泵的主动流体运动装置，导致热交换腔室内部中的热交换流。热传递流体被吹进或泵送进热交换腔室内部中或者被泵送出或者吸出热交换腔室内部。

在水平热交换腔室中，由于自然对流，沿着垂直于热传递流体的流动方向（见下文）的横截面的热储存材料的温度可以不同（倾斜的等温线）。

需要指出的是，术语“水平”（和“竖直”）独立于热交换腔室的尺寸和其取向。决定性的是热传递流体通过热交换腔室内部的流的方向。例如，“水平热交换腔室”可具有小于热交换腔室的腔室高度的腔室长度。

除了纯竖直和水平热交换腔室之外，“竖直热交换腔室”和“水平热交换腔室”的混合物也是可能的。在这样的热交换腔室中，热传递流体的主流是热传递流体通过热交换腔室内部的水平和竖直运动的结果。主流以一角度被引导通过热交换腔室。

在优选实施例中，至少两个第一开口彼此竖直地布置，和/或至少两个第二开口彼此竖直地布置。开口布置在彼此上。通过此措施，可能影响热交换流的竖直分布，以分别改善热储存材料和热交换腔室内部中的温度分布（温度前沿）。垂直于流动方向的等温线被影响。

温度前沿通过热交换腔室内部中的热储存材料的相邻的热和冷区域限定，所述相邻的热和冷区域由通过热交换腔室内部的热传递流体的流导致。温度前沿垂直于通过热交换腔室的热交换流的相应流动方向对准。在充能模式期间，热交换流沿充能模式方向被引导，其中温度前沿沿此充能模式方向运动。与之相对照，在放能模式期间，热交换流沿放能模式方向（例如在逆流操作期间与充能模式方向相反）被引导，其中温度前沿沿放能模式方向运动。在两种情况中，热交换腔室的温度前沿通过热交换腔室迁移至热交换腔室的相应热/冷端部。应指出，在逆流操作的情况下，热（热开口）端部保持为热端部（热开口），而与模式（充能模式或放能模式）无关。

温度前沿是热储存材料中的强温度梯度的区域，即热和冷区域之间的高温度差。在此应用中，其通过热储存材料分开热交换腔室中的热（通过热充能）和冷（未充能）区域。温度前沿在充能模式期间由于从热传递流体到热储存材料的热的传递而发展，并且在放能模式期间由于从热储存材料到热传递流体的热的传递而发展。等温区域/线理想地（例如没有重力的影响）垂直于主流方向发展，即恒定温度的区域/线。

为了最优化热交换系统的效率，有利的是确保均匀的温度前沿。关于垂直于流动方向的温度梯度，仅有小的变化。在具有顶部向下的流动方向的竖直热交换腔室中，由于自然对流，温度前沿是近似均匀的。所以，在此情况中，附加的措施是不必要的。与之相对照，自然对流导致水平热交换腔室中的不均匀的温度前沿。所以，在此情况中，附加的措施可以是有意义的（类似于使用更多开口或使用更多流动调节元件）。

优选地，具有所述开口中的一个的腔室边界包括具有渐缩轮廓的过渡区域，使得开口的开口直径对准至渐缩轮廓的第一渐缩轮廓直径，并且热交换腔室的腔室直径对准至渐缩轮廓的第二渐缩轮廓直径。过渡区域包括从相应开口朝向热交换腔室的增加的横截面。这对于第一开口是特别有利的，用于将热传递流体引导进热交换腔室中。过渡区域的直径从第一开口的开口直径扩展至热交换腔室的直径。借助于渐缩轮廓，热传递流体的入流被引导进热交换腔室内部中。引导的入流被分布至具有热储存材料的宽的区域。通过此措施，热交换单元（位于热交换腔室中的热储存材料）的容量可以被高度开发。另外，热交换的效率可以通过改变热交换流而改善。注意：为了额外地改变热交换流，扩散器可以位于第一开口处，尤其是在过渡区域中。通过扩散器的方式，热传递流体进入热交换腔室内部的来流可以被调节。例如，这样的扩散器由位于具有渐缩轮廓的过渡区域中的石头形成。

对于热交换腔室包括多个第一开口的情况，非常有利的是在该多个第一开口处布置所描述的过渡区域。由此，第一开口可包括共同的过渡区域或独立的过渡区域。

具有用于将热传递流体引导出热交换腔室内部的第二开口的过渡区域也可以是渐缩的。通过此措施，将热流引导出热交换腔室的热交换腔室内部被简化。

在该上下文中，使用短的过渡区域是非常有利的。例如，短的过渡区域包括小于热交换腔室的长度的50%的尺寸。例如，尺寸是热交换腔室的长度的约20%。长度是热交换腔室的平行于通过热交换腔室内部的热传递流体的主流方向的尺寸。但是当然，过渡区域的尺寸取决于完整的热交换系统的多个特征，例如热传递流体的温度、热交换流的质量流、在相关的开口温度处的热交换流的速度等。

为了节约空间并且为了减小表面-体积比率以减小热损失，将过渡区域实施为尽可能短是有利的。结果是短的过渡通道，用于将入流引导进热交换腔室内部。除了热交换腔室的容量的有效使用之外，低的空间需求被联系至此解决方案。

优选地，热交换腔室包括圆柱形的腔室边界。例如，包括第一开口的腔室边界被形成为圆形圆柱并且/或者具有第二开口的腔室边界被形成为圆形圆柱。这样的形状导致最佳的表面-体积比率。

热交换腔室的尺寸可以是不同的。但是，本发明对于具有大的热交换腔室的热交换系统是特别有利的。因此，在优选实施例中，水平的热交换腔室包括如下热交换腔室长度，所述热交换腔室长度是热交换腔室的热交换腔室宽度的至少两倍并且/或者是热交换腔室的热交换腔室高度的至少两倍。优选地，热交换腔室长度从20m和300m之间的范围选择。另外，热交换腔室宽度和/或热交换腔室高度从1m到100m的范围选择。

优选地，热交换系统的热交换腔室被掩埋。更优选地，热交换腔室位于基坑（excavation）中。因此，根据优选实施例，热交换腔室被至少部分地布置在土壤的至少一个土壤基坑中。产生的热交换与建立在地表面上的热交换系统相比更便宜。所以，热交换腔室边界中的至少一个由至少一个土壤边界至少部分地形成。

热交换系统尤其适用于在高于300℃的高温度处操作。因此，在优选实施例中，操作模式的操作温度从300℃和1000℃之间的范围选择，优选地从500℃和1000℃之间的范围选择，更优选地从600℃和1000℃之间的范围、650℃至1000℃之间的范围选择，并且最优选地从700℃和1000℃之间的范围选择。温度范围的偏离是可能的。在该上下文中，非常有利的是900℃的温度范围的上限，并且最优选的是800℃的温度范围的上限。热交换系统是高温度热交换系统。

所提出的发明可以应用于可再生能量的产生以及常规能量的产生。例如，为了增加化石火电站（或核电站等）的蒸汽循环的灵活性，其可以与这里提出的热交换系统组合。在此情况下，当燃料成本低于电的成本时，电站的蒸汽循环的锅炉可以使用燃料操作，并且在当电价低时的时期中，热交换系统被充能。替代地，充能可以在过量产生能量的时期期间发生。

本发明的优势在于避免了由热储存材料的压紧导致的热储存材料内的间隙。这些间隙比具有热储存材料的热交换腔室内部的填充部具有更低的流动阻力。因此，其避免了热交换腔室内部中的区域由于更低的阻力而被热传递流体的流优选地流动通过。由于改进的预融合和热交换，总体系统效率增加。另外，所描述的解决方案既是被动的，并且因此维护不昂贵，并且没有能量消耗，且可以以低成本实施。

附图说明

参考附图，本发明的进一步的特征和优势从示例性实施例的描述产生。附图是示意性的。

图1示出了热交换系统的热交换腔室。

图2示出了处于充能模式的图1的热交换腔室的温度分布。

图3示出了处于充能模式的热交换系统。

图4示出了处于放能模式的热交换系统。

图5示出了具有不受控制的流的热交换腔室。

图6和7示出了用于避免图5中描绘的热传递流体的不受控制的流的解决方案。

图8-11示出了本发明的替代实施例。

具体实施方式

本发明的核心是具有在高温度水平上的热交换腔室11的热交换系统1。

位于热交换腔室11的热交换腔室内部112中的热储存材料121（例如石头或沙子）可以经由热传递流体13通过热被充能和放能。热被热储存材料121储存并且可以从储存材料释放。

储存的热的温度水平与目前为止应用的方法相比显著更高，以增加效率。温度水平处于300℃和1000℃之间，优选地处于500℃和1000℃之间，更优选地处于650℃和1000℃之间，并且最优选地处于700℃和1000℃之间。热交换系统1的热容量处于0.3GWh和100GWh的范围中，其导致50MW的热功率。

热交换系统1包括至少一个热交换腔室11，其具有包围热交换腔室11的至少一个热交换腔室内部112的热交换腔室边界111。热交换腔室11是水平热交换腔室113。

热交换腔室边界111包括至少一个第一开口1111，用于引导至少一个热传递流体131的入流132进入热交换腔室内部112，以及至少一个第二开口1112，用于引导热传递流体131的出流133离开热交换腔室内部112。至少一个热储存材料121被布置在热交换腔室内部112中，使得热传递流体131通过热交换腔室内部112的热交换流13导致热储存材料121和热传递流体131之间的热交换。

另外，热交换腔室11包括至少一个压紧装置123，用于补偿热交换腔室内部112内的热储存材料131的压紧。

示例性地，水平热交换腔室11的热交换腔室长度是约200m，热交换腔室11的热交换腔室高度是约10m，并且热交换腔室的热交换腔室宽度是约50m。

借助于提出的热交换系统1，在充能模式期间热能可以被储存在高的温度水平上。此储存的热能可以在放能模式期间被使用，用于在水蒸汽循环中生产蒸汽用于再转化为电能。

存在热交换腔室11的具有渐缩轮廓1161的过渡区域116。由此开口1111或1112的开口直径1113对准至渐缩轮廓1161的第一渐缩轮廓直径1162，并且热交换腔室11的腔室直径117对准至渐缩轮廓1161的第二渐缩轮廓直径1163。

热传递流体13的入流132被引导进入热交换腔室内部112。引导的入流132被分布至热储存材料121的宽的区域中。通过此措施，热交换单元（位于热交换腔室内部112中的热储存材料121）的容量可以以有利的方式被利用。

过渡区域116是短的。短的过渡区域116突出进入热交换腔室11。结果是短的过渡通道用于将入流132引导进热交换腔室11的热交换腔室内部112中。

热交换系统1附加地配备有至少一个流动调节元件134，用于调节通过热交换腔室内部11的热传递流体131的热交换流13的质量流。流动调节元件134是类似鼓风机或泵的主动流体运动装置1341。这样的装置使得热传递流体131能够通过热交换腔室11的热交换腔室内部112输运。鼓风机或泵可以被安装在热交换腔室11的上游或下游。

在充能模式中，热传递流体131通过扩散器1164进入热交换腔室11。扩散器1164包括石头1165并且被布置在热交换腔室11的过渡区域116处。

热传递流体131的热交换流13沿充能模式方向135被引导。流动调节元件134、1341被有利地安装在充能单元200、201（图3）的上游：相对冷的热传递流体在从充能单元吸收热之前通过流动调节元件134、1341。

对于充能模式，热传递流体131被电加热装置201（充能单元200）从环境条件加热。此充能（加热）的热传递流体被引导进热交换腔室11的热交换腔室内部112中用于热储存材料的充能。由此发生热传递流体和热储存材料之间的热交换。在此充能过程的某个时间处，温度前沿被示出为附图标记2000（图2）。另外，描绘了导致温度前沿的温度梯度2001。

对于放能模式，热交换系统1包括以上提到的一个或数个热交换腔室11、使热传递流体131循环的主动流体运动装置1341、和用于重新充电的热机，其可以是水/蒸汽循环1003。此循环的工作流体是水和蒸汽。水/蒸汽循环1003具有放能单元400的功能。蒸汽涡轮机循环1003的基本部件是蒸汽涡轮机1006和发电机1004。

在放能模式中，热传递流体的热交换流被引导进充能模式方向136中。

借助于热交换系统（热交换器）1002，热传递流体的热被传递至蒸汽循环1003的工作流体。

热交换系统1包括闭环1005。已经通过热交换腔室内部112的热交换流体被引导回热交换腔室内部112中。

图5示出了热储存材料的压紧的问题。热交换腔室的天花板上的用于热传递流体的流的附加路径是可获得的。通过热交换腔室内部的热交换流的控制是重要的。基于本发明，间隙被减小。

关于第一实施例，热交换腔室的天花板恰好位于热储存材料上。由于重力（或者热交换腔室内部通过抽吸气体热传递流体形成的真空），天花板被按压至热储存材料（图6）。通过沿天花板和支撑结构的边界安装引导系统（例如轨道引导部）或边缘结构（例如凹口、缺口、沟槽），确保了天花板的均匀的下降（竖直移动）。天花板的下降和间隙的密封由于天花板的净重量而发生。另外，天花板的引导部以及到壁的连接部被设计为使得在热储存单元中不发生泄漏。另外，可能通过箔覆盖整个储存部以确保密闭（leakage tightness）。此箔被胶粘至外储存容器并且可以由EPDM箔制成。

在替代实施例中，流动翻片被用于补偿热储存材料的压紧。为了关闭间隙，被动流动翻片被安装在整个热交换腔室储存长度上。这些流动翻片安装有柔性支承部，如图7中所示。当储存部的填充高度减小时，由于储存填充材料的更高密度，流动翻片由于其净重量连续地关闭天花板和实际填充高度之间的间隙。

还可能建立天花板（还作为牢固地连接的支撑结构）以关闭间隙，被动流动翻片被安装在整个储存长度上。这些流动翻片安装有柔性支承部，如图7中所示。当热储存材料的填充高度减小时，由于热储存材料的更高总体密度，流动翻片由于其净重量连续地关闭热交换腔室的天花板和实际填充高度之间的间隙。

关于图8的实施例中，柔性的流动障碍物（1232）包括空气袋。为了阻止旁通流和产生的热损失，一个或更多个空气袋可以被安装在热存储部的支撑结构和下降的、绝缘的天花板之间。安装的空气袋的数目和尺寸取决于储存材料上方的绝缘部朝向热传递流体的渗透性。空气袋阻挡热传递流体，使得其必须流动通过储存材料以到达第二开口。空气袋必须由适应间隙的形式的柔性、弹性的材料制成。其还需要耐受在绝缘天花板上方发生的温度。空气袋的体积必须在操作期间始终适应间隙的体积（如果空气袋的长度平行于热传递流体的流动方向的话，则尤其是高度和宽度）。这可以通过当储存部被冷却下来（放能）时将流体（例如空气）泵送到空气袋中，并且当储存部被加热（充能）时将流体泵送出空气袋来解决，所述泵送的方式是使空气袋中的压力保持在恒定的水平。

替代地，多个空气袋也是可能的（见图9）。

增加绝缘的天花板（118）和热储存材料的支撑结构之间的流动阻力的另一个选项是安装覆盖增长的间隙的整个横截面的柔性的流动障碍物（见图10）。这些障碍物连接至上方的支撑结构和下方的位于储存材料顶部上的绝缘的天花板二者。流动障碍物不吸收绝缘天花板的下降导致的任何力，使得绝缘天花板由于重力和/或储存材料的空隙体积内侧的低压力而始终与储存材料直接接触。流动障碍物可以由具有高流动阻力的耐热纤维制成，并且其可以在热存储部的第一操作开始之前被折叠，如图5中所指示的。当绝缘天花板在热存储部的操作期间下降时，折叠的纤维将逐步展开，并且因此其将始终完整地覆盖间隙的横截面。在热存储部的侧部处可以有引导系统，其将流动障碍物连接至内壁以减小流动障碍物的侧部处的泄漏（见图11）。

另外的实施例通过热交换腔室的至少部分地挖掘而引起：为了减小热交换腔室的安装成本并且为了产生体积适应的容器（具有压紧装置的热交换腔室），热交换腔室至少部分地位于基坑中。

热储存材料包括石头。热交换腔室（例如由于热膨胀和重力）的负荷将被周围的土壤和柔性的天花板支撑。

热交换腔室的边界和热交换腔室的基部可以由混凝土、钢铁、多孔混凝土、泡沫粘土或者能够将周围的土壤与储存材料内侧分离的任何其它的建筑材料。尤其对于热交换腔室的冷端部，板桩壁可以是建造储存材料和土壤之间的气密性边界的便宜和简单的方式。

板桩壁的锁定部被焊接，使得板桩壁是气密的。板桩壁和热交换腔室的基部形成固定和限定的形状，使得热传递流体可以被最优地分配和流动通过具有石头的热交换腔室内部。

因为热储存材料与周围的土壤严格地分离，所以具有热储存材料的热交换腔室更为独立于周围土壤的质量。因此，安装热交换系统的热交换腔室的可能的位置的数目增加。

热交换腔室的固定的形状阻止基坑由于热膨胀和收缩而变得平坦，其将由于下降的绝缘和增加的表面而增加热损失。

热绝缘层在内侧或外侧上被附接至热交换边界（例如天花板、侧部壁或瓶部），以减小热损失并且避免周围的土壤过热。绝缘材料从包括陶瓷、熔渣（sinter）、砖块、泡沫粘土、矿物棉、矿物泡沫、矿物纤维、泡沫玻璃、蛭石（vermiculite）、珍珠岩（perlite）、耐火粘土（chamotte）、成形真空部件、硅酸钙和多微孔绝缘材料的组中选择。

替代具有热绝缘部的常规静态天花板，热绝缘部的柔性层覆盖热储存材料。可选地安装内层以保护整个热绝缘层不被磨损。

为了阻止热传递流体离开热交换腔室到侧部，安装气密箔。此箔可以被安装在支撑结构（热交换腔室边界，如热交换腔室壁或热交换腔室的基部）和绝缘层之间。

由于没有静态天花板，所以热交换腔室的顶部上的气密箔直接位于绝缘层的顶部上。箔可以被紧密地连接至热交换腔室的侧部壁的顶部，使得不发生空气间隙。为了避免气密箔的撕裂，其可以安装有褶皱，使得其在热储存材料热膨胀的情况下可以展开。

热绝缘层（或磨损保护层）直接位于热储存材料的顶部上，使得这里不再需要进一步的支撑结构。土壤层位于热绝缘层的顶部上以覆盖其。

热交换腔室的顶部上的土壤优选地是从基坑获取的土壤，以避免昂贵的输运。

位于热储存材料的顶部上的热绝缘层可以是直的或弯曲的，取决于其由于温度改变导致的总的膨胀和/或收缩，以及其顶部上的土壤导致的负荷，以避免空气间隙的形成。

热交换腔室的第一开口（入口开口）和第二开口（出口开口）紧密地连接至支撑结构，使得热传递流体无法泄漏。热交换腔室的热交换腔室边界的限定的形状阻止第一和第二开口移位。这导致第一和第二开口贯穿热交换腔室的整个生命周期的最优的位置，使得热传递流体被理想地分配。

由于连接至热交换腔室的管道系统的部分被安装在地平面以下，昂贵和复杂的管道支撑可以被避免。管道系统的这部分的重量通过周围的土壤支撑。

Claims (16)

1.一种热交换系统（1），具有

-至少一个热交换腔室（11），具有热交换腔室边界（111），所述热交换腔室边界（111）包围所述热交换腔室（11）的至少一个热交换腔室内部（112），其中

-所述热交换腔室边界（111）包括至少一个第一开口（1111），用于引导至少一个热传递流体（131）的入流（132）进入所述热交换腔室内部（112），以及至少一个第二开口（1112），用于引导所述热传递流体（131）的出流（133）离开所述热交换腔室内部（112）；

-至少一个热储存材料（121）被布置在所述热交换腔室内部（112）中，使得所述热传递流体（131）通过所述热交换腔室内部（112）的热交换流（13）导致所述热储存材料（121）和所述热传递流体（131）之间的热交换；以及其中

-所述热交换腔室（11）包括至少一个压紧装置（123），在所述热交换腔室内部（112）的加热期间，所述至少一个压紧装置（123）通过占据在所述热交换腔室内部（112）中的填充有所述至少一个热储存材料（121）的空间的体积来用于补偿所述热交换腔室内部（112）内的所述热储存材料（131）的压紧。

2.如权利要求1所述的热交换系统，其中，所述热交换腔室边界中的至少一个包括所述压紧装置。

3.如权利要求2所述的热交换系统，其中，具有所述压紧装置的所述热交换腔室边界是所述热交换腔室的天花板（118）和/或所述热交换腔室的侧部热交换腔室边界（1115）。

4.如权利要求3所述的热交换系统，其中，所述天花板是所述热交换腔室的竖直滑动的天花板。

5.如权利要求3所述的热交换系统，其中，所述腔室的所述侧部壁包括至少一个板桩壁。

6.如权利要求1-5中任一项所述的热交换系统，其中，所述压紧装置包括用于所述热交换流（13）的至少一个柔性的流动障碍物（1232）。

7.如权利要求6所述的热交换系统，其中，所述柔性的流动障碍物（1232）包括填充有空气的至少一个袋。

8.如权利要求3-7中任一项所述的热交换系统，其中，所述天花板通过所述热储存材料支撑。

9.如权利要求3-8中任一项所述的热交换系统，其中，所述天花板和侧部热交换腔室边界（1115）密闭密封地连接在一起。

10.如权利要求1-9中任一项所述的热交换系统，其中，所述压紧装置布置在所述热交换腔室的至少一个热交换边界和所述热储存材料之间。

11.如权利要求1-10中任一项所述的热交换系统，其中，所述压紧装置包括流动翻片。

12.如权利要求11所述的热交换系统，其中，所述流动翻片是布置在所述热交换腔室的所述天花板处的被动流动翻片。

13.如权利要求1-12中任一项所述的热交换系统，其中，所述热传递流体包括处于环境气体压力的气体。

14.如权利要求1-13中任一项所述的热交换系统，其中，所述热交换腔室（11）被至少部分地布置在土壤（161）的至少一个土壤基坑（160）中。

15.如权利要求14所述的热交换系统，其中，至少一个所述热交换腔室边界（111）通过至少一个土壤边界（1601）至少部分地形成。

16.一种通过使用如权利要求1-15中任一项所述的热交换系统的用于交换热的方法，其中，在所述热交换系统的操作模式中，所述热传递流体的所述热交换流被引导通过所述热交换腔室内部，其中，导致所述热储存材料和所述热传递流体之间的热交换。

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