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Die
Erfindung betrifft einen Energiecontainer hoher Speicherdichte und
ein Verfahren zu dessen Betreibung für die kurzzeitlig -periodische
Speicherung von Nutzwärme
und -kälte.
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Energiecontainer
speichern ungenutzt anfallende Wärme
und Kälte
mit Hilfe eines Arbeitsmittels gezielt und nutzerfreundlich in einem
sorptionsaktiven mikroporösen
Speichermaterial. Bevorzugte Anwendungsbereiche des Energiecontainers
betreffen vor allem wärmenutzende
mittelständische
Betriebe, die in Spitzenlastzeiten über keine kostengünstige Versorgung
mit Wärme
verfügen.
Günstige
Möglichkeiten
für einen
Einsatz ergeben sich für
die kurzzeitige Speicherung von Wärme für die Gebäude – und Haustechnik, wie zur
Heizung und Klimatisierung von Räumen,
zur Brauchwassererwärmung
oder für
die Durchführung
anderer zeitlich begrenzter und wärmeverbrauchender technischer
Prozesse vor dem Ort ihres Abrufs. Andererseits kann durch Verdampfung
eine Verdunstungskälte
erzeugt und zweckentsprechend genutzt werden.
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Systeme
zur Sorptionsspeicherung bestehen mindestens aus einem wärmeisolierten
Behälter,
der in vorbestimmter Folge mit Wärme
beladen und gezielt wieder entladen wird. Zu diesem Zweck wird das
Arbeitsmittel zyklisch mittels Verdampfern und Kondensatoren in
einen gasförmigen
Zustand übergeführt und
wieder verflüssigt.
Bevorzugtes Arbeitsmittel ist Wasserdampf, aber für die industrielle
Kälteerzeugung
auch Arbeitsmittel wie herkömmliche
Kohlenwasserstoffe.
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Im
Entladevorgang des Speichers wird das Arbeitsmittel durch Adsorption
gebunden, so an Silicagel oder Zeolithen. Die freigesetzte Sorptionswärme wird über angeschlossene
Nutzwärmekreisläufe an hinzukommende
Wärmeträger abgegeben.
Im Beladevorgang der Speicher wird das Arbeitsmittel von den Sorbentien
zyklisch durch Desorption entfernt. Das erfolgt bei stationären Speichervorrichtungen
durch Zuführung
von Wärme
aus Energienetzwerken oder aus Einrichtungen zur Gewinnung von Solarenergie.
In einem gleichlaufenden Betrieb wird das Arbeitsmittel in Kondensatoren
wieder verflüssigt.
In Schwachlastperioden kann als thermische Energie so Abwärme gespeichert
werden, die beispielsweise bei energieintensiven Prozessen anfällt, wie
bei der Metall- und Zementherstellung, der metallverarbeitenden
Industrie in Schmelzereien und Härtereien,
aber auch in Lebensmittelbetrieben (Bäckereien) oder bei der Getränkeherstellung
(Brauereien). In Perioden gesteigerten Energiebedarfs werden so
zusätzliche
Anteile an Nutzwärme
verfügbar,
die bisher rundweg unwirtschaftlich verschwendet werden.
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Die
Energiedichten von Sorptionsspeichern überschreiten diejenigen bekannter Latentwärmespeicher mindestens
um das Doppelte sowie die herkömmlicher
Wasserspeicher je nach Tiefe und Spanne des Ladezustandes um das
Vierfache.
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Zweckdienlich
werden bisher der Verdampfer und Kondensator unterhalb des Sorbensraumes
angeordnet und von jeweils einem Kreislauf von Wärmeträgern durchströmt. Das
aktive Volumen des Speichers soll verschließbar und evakuierbar sein,
um das zyklische Spiel zwischen Beladung und Entladung maximal auszunutzen.
Die Größe des Beladungsspiels
wird abhängig
vom Druck und von der Temperatur durch Sorptionsgleichgewichte bestimmt.
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Probleme
sind mit den Transportvorgängen
für Stoff
und Wärme
für die
Heiz-, Kühl- und Arbeitsmittel im
Inneren des Containers und über
dessen Oberflächen
verbunden, die den Wärmetransport
vermitteln.
- – Bei Sorptionsspeichern sollen
die Porensysteme für
hohe Speicherdichten vom Arbeitsmittel vollends ausgefüllt werden.
- – Die
Sorbentien weisen ein beschränktes
eigenes Wärmeleitvermögen auf.
Ein angestrebt guter Wärmeausgleich
in allen Raumrichtungen im Behälter
wird durch an sich wärmevermittelnde
Einbauten behindert. Hohe Füllungsanteile
an Partikeln innerhalb von Einbauten erhöhen hingegen die Speicherdichte.
- – Die
freien Wege für
den Stofftransport des Arbeitsmittels werden anderenteils infolge
höherer
Füllungsanteile
verringert. Die Maßstabsvergrößerung der
Speicher ist eingeschränkt,
weil das feste Sorbens nicht wie ein Fluid bewegt werden kann und
unübersichtlicheren
Transportprozessen unterliegt.
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Es
ist ein ständiges
Anliegen, die Energiespeicherdichten und den thermischen Wirkungsgrad
der Speicher anzuheben. Neuere Vorschläge sehen zu diesem Zweck vor,
in einem eingeschränkten
Raum eines gemeinsamen Behälters
die getrennten Bereiche Sorptionsbereich, Verdampfer- und/oder Kondensationsbereich
sowie ein Bereich für
die Bevorratung mit dem Arbeitsmittel zu vereinigen. Derartige sogenannte „Tank-in Tank"-Lösungen,
wie in
DE 40 19 669 ,
DE 198 11 302 und
EP 0 897 094 , sind relativ
einfach herstellbar und ortsgebunden wirtschaftlich zu betreiben.
Eine stationäre
Anordnung ist jedoch unvorteilhaft, wenn keine großen Mengen
von Abwärme
für die
Ladung des Speichers am Ort ihres Einsatzes anfallen.
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Es
sind auch containerähnliche
Warmespeicher bekannt, die den gewünschten Anforderungen an eine Mobilität bereits
nahekommen. In den Schriften
GB
2 235 975 , WO 99/09365 und
DE
199 63 322 sind auch diese als tankartig runde Behälter gestaltet.
Sie sind hierdurch den eingeführten
und genormten Technologien und Logistiken für einen Transport quaderförmiger Container
noch mangelhaft angepaßt.
Mit einer größeren Anzahl
von Wärmeträgerrohren
in einer bevorzugten Längsrichtung
sind diese für
eine schnelle Verteilung des Arbeitsmittels auch in den Querrichtungen
der Container bei gleichzeitig hoher Raumausfüllung mit Einbauten und Sorbentien
kaum geeignet. Außerdem
sind nicht nur wesentliche Bauteile wie Kondensatoren und Vorratstanks,
sondern auch Flüssigkeits-
und Vakuumpumpen oder Verteilereinrichtungen mit dem eigentlichen Wärmespeicher
ständig
zusammengeschlossen und müssen
funktionsbedingt gemeinsam mit diesem transportiert werden, so per
Tieflader auf Straßen
oder per Bahn. Das vermindert bei vorgesehener Mobilität die räumlich bezogene
Speicherleistung als ein Kriterium für die Effektivität des Speichers.
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Es
ist weiterhin Stand des Wissens, dass für den Betrieb eines Wärmespeichers
mit einer vorgegebenen Masse eines Zeolithen unter autonomen Bedingungen,
d.h. für
einen geschlossenen Kreisprozess einer Beladung und einer Entladung
etwa ein Viertel bis ein Drittel dieser Masse zusätzlich für das Arbeitsmittel
Wasser bereitzustellen ist. Beträgt
beispielsweise die Masse des Sorbens im mobilen Energiecontainer
10 t, so sind rund 2,5 bis 3 t Wasser für die Realisierung eines geschlossenen
Kreisprozesses zwecks Transport zum Wärmenutzer auf Fahrzeugen mitzuführen. Hiermit
wird die räumlich
bezogene Speicherleistung und die Wirtschaftlichkeit des Energiecontainers
beschnitten. Es versteht sich von selbst, dass mit einem halboffenen
Speichersystem eine höhere
Speicherleistung erreichbar ist, nämlich dann, wenn beim Nutzer
der benötigten
Wärme selbst
das Arbeitsmittel für
die Entladung verfügbar
ist, beispielsweise durch die Bereitstellung entionisierten Wassers.
Der Wasserdampf kann auch beim Nutzer kondensiert und als ein geeignet
aufbereitetes Kondensat gespeichert werden. Andererseits kann es
sinnvoll sein, das Sorbens gemeinsam mit dem flüssigen Arbeitsmittel Wasser
dann zu transportieren, wenn andere Faktoren als eine reine Wirtschaftlichkeit
hinzutreten, etwa auf Baustellen in unerschlossenen Gebieten, in
Notstandsgebieten oder für
provisorische Ansiedlungen sowie für die militärische Nutzung.
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Aufgabe
der Erfindung ist deshalb die Schaffung eines mobilen Energiecontainers
- – der über einen
gehobenen Raumaufüllungsgrad
seiner wärme-
und strömungsführenden
Bauteilen verfügt
- – damit
hohe Füllungsanteile
für Sorbentien
zum Zweck einer hohen Speicherdichte für Wärme aufweist
- – bevorzugt
einen nichtgeschlossenen Kreisprozeß bezüglich des Arbeitsmittels bei
mobilem Betrieb nutzt
- – der
Kondensatorteil gleichzeitig die tankartige Bevorratung des Speichers
mit Wasser darstellt und bei Bedarf getrennt betreibbar ist
- – der
bezüglich
Ausgestaltung auf bewährte
Lösungen
zu Transportcontainern zurückgreift
und Vorrausetzungen für
eine Standardisierung in Herstellung und Betrieb besitzt.
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Erfindungsgemäß wird das
dadurch erreicht, dass der eigentliche Energiecontainer als Bausystem modulartig
voneinander getrennter, jedoch kompatibler und zweckgerichtet zusammensetzbarer
bzw. andockbarer Baueinheiten besteht. Es werden handelsübliche und
standardisierte Containerhüllen
(z. B. nach DIN EN 12 079) eingesetzt, die rechtkantförmig begrenzt
sind und die einer entwickelten Transportlogistik (z. B. nach DIN
6346) genügen.
Es werden genormte Wärmeübertrager
verwendet, z. B. nach DIN 28 008, DIN 28182 und DIN 28185, aber
etwa auch für
gebäudetechnische
Zwecke geeignete Heizkörper,
Wasserrohrkesseln von Dampferzeugern oder Röhrenöfen ähnliche Vorrichtungen der chemischen
Industrie. Eine Überlegung
sieht vor, dass bevorzugt Rohrbündelwärmeübertrager
mit ihren Rohrböden
der Rechtkantgeometrie der Container angepaßt sind. Der Rohrkörper bildet
von sich aus eine Tragstruktur und wird als ein sich selbst tragender Grundkörper im
Energiecontainer mit einer Containerhülle geeigneter Beplankung verwendet.
Die Wärmeübertrager
sind von dieser getrennt und vorzugsweise hermethisch verschließbar sowie
evakuierbar. Außerdem sind
sie von einer Wärmeisolation
umgeben. Mindestens zwischen zwei Rohrböden sind Wärmeträgerrohre befestigt, die entsprechend
der vorgegebenen Rohrbodenteilung die Sorbensschüttung durchdringen. Die Rohre
erzielen eine ausreichende Längsstabilität des Energiecontainers,
die Rohrböden
eine hohe Querstabilität, ähnlich einer
sich selbst tragenden Karosserie, ohne dass die relativ hohe Masse
der Sorbentien eine Containerhülle
verstärkter
Stabilität
erfordert.
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Der
gemeinsame containerförmige
Außenmantel
umschließt
bevorzugt an der Unterseite oder auch an den übrigen Seiten Hohlräume, die
der Bevorratung und der Verdampfung bzw. Kondensation von Wasser dienen.
Diese werden kostengünstig
und raumsparend aus Materialien gebildet, die abdichtend unterhalb
der mäanderbildenden
Struktur der Containerhülle
eingebracht sind und miteinander verbundene Kanäle zur Führung des Arbeitsmittels bilden.
Als Arbeitsmittel kommen bekannte leichtverdampfbare Stoffe mit
einer niedrigen Wärmekapazität, aber
bevorzugt schwerer verdampfbare mit hoher Wärmekapazität wie Wasser in Frage.
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Ein
weitere Überlegung
ist, daß die
Wärmeträgerrohre
durch die Öffnungen
der ebenfalls standardisierten und quergerichteten Tragböden für das Sorbens
mit entsprechenden Teilungsverhältnissen
der Öffnungen
nur lose hindurchgeführt
sind. Die Öffnungen
in Rechtkantgeometrie entsprechen denjenigen der Wärmeträgerrohre.
Zwischen den Rohren und den durch Stauchung aufgebördelten
Rändern
der Öffnungen
bestehen geringe Abstände
innerhalb genormter zulässiger
Toleranzen. Diese Abstände
bilden zwischen den entsprechenden Peripherien der Rohre und den Öffnungen
in den Tragböden
die kreisringförmigen
Durchtrittsöffnungen
für das
dampfförmige
Arbeitsmittel. Es versteht sich von selbst, daß diese im Millimeterbereich
liegenden Toleranzabstände
unterhalb der kleinsten Abmessungen der Sorbenspartikel der Schüttung liegen.
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Der
Transport des flüssigen
oder bereits dampfförmigen
Arbeitsmittels in den Querrichtungen des Wärmeübertragers wird durch temperaturbeständige Fließschichten
zwischen den Rohrböden
und Tragböden übernommen.
Die Fließschichten
bestehen bevorzugt aus einem Faservliesstoff, der saugfähig ist,
das noch flüssige
oder auch anteilig verdampfte Arbeitsmittel Wasser aufnimmt und
einen direkten, das Sorbens schädigenden
Eintritt von Tropfen in die Schüttung
abwenden. Die aufgebördelten
Ränder
der Tragböden
verhindern, dass etwa die Tragböden
bedeckende Strähnen
noch nicht verdampften Arbeitsmittels in die Sorbensschüttung eindringen.
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Die
Fließschichten
können
auch aus einem eingefügten
flüssigkeitsaufnehmenden
und temperaturstabilen Material bestehen, wie aus temperaturbeständigen Polymerpartikeln
oder porösen
mineralischen Granulaten. Ebenso können sie aus saugfähigen Fasergelegen,
Gewöllen
oder Gestricken bestehen. Die Bestandteile der Fießschichten
können
durch das Arbeitsmittel Wasser naturgemäß benetzbar oder extra für dieses hydrophilisiert
sein. Innerhalb der Fließschicht
können
auch Hilfsheizungen angeordnet sein, in Form von zusätzlichen
Wärmeaustauschern,
wärmeleitenden
Metallteilen oder auch als elektrische Heizwicklungen. Alle diese
unterstützen
bevorzugt die Verdampfung des Wassers in der Starphase des Speichers,
besonders in kalten Jahresperioden.
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Der
Entladevorgang des Speichers erfolgt vorteilhaft autotherm. Mit Öffnen mindestens
eines der Ventile für
das Arbeitsmittel im Bereich eines Rohrbodens innerhalb des Sorbens
entsteht sprungartig eine Temperaturerhöhung im Verdampferteil: Die
Einleitung des Verdampfungsvorganges beginnt selbständig aufgrund des
stetigen Vorhandenseins geringer Restdampfdrücke des Arbeitsmittels bei
noch niedrigen Temperaturen der Fließschichten und der Tragböden. Das
Flüssigkeitsniveau
im Arbeitsmitteltank sinkt von einem Bereitschaftszustand auf ein
verringertes Niveau ab, den Startzustand, der durch den bereits
in die Fließschicht
gelangten Anteil der Flüssigkeit
ausgelöst
wird. Erst mit steigender Erhöhung
der Temperatur im Wärmespeicher beginnt
das Arbeitsmittel auch im Tank zu verdampfen und tritt mithin dann
dampfförmig über die
geöffnete Arbeitsmittelführung in
die Fließschicht
ein. So besitzt der Sorptionswärmespeicher
ein stabiles Betriebsverhalten oder auch gewisse "Notstarteigenschaften", ohne daß es zum
unerwünschten
Eindringen von Anteilen des noch flüssigem Arbeitsmittel in die
Sorbensschicht kommt.
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Der
zweckmäßig völlig gleichartig
gestaltete Tragboden in Nähe
des zweiten Rohrbodens kann eine Fließschicht mit dem gleichen Faservliesstoff
enthalten, über
den beim Beladevorgang des Sorptionswärmespeichers auch die Desorption
des Arbeitsmittels erfolgt. Die zugehörige Arbeitsmittelführung wird
innerhalb einer Tauchung im Tank geführt, die einerseits über ein
Ventil in Richtung Tank und andererseits gegen das sich im Speicher
ausbildende Kondensat geöffnet
ist. Die Tauchung weist in ihrem unteren Bereich eine Öffnung für das flüssig-dampfförmige Zweiphasengemisch
auf, das durch das sich aufstauende flüssige Kondensat hindurchgeleitet
wird. Innerhalb des Kondensators befindet sich mindestens ein Kälteträgerrohr,
das als Rohrschleife oder Rohrschlange ausgebildet ist. Durch Zuführung einer
Kühlflüssigkeit
durch das Kälteträgerrohr
kann eine teilweise Kondensation des Arbeitsmitteldampfes zuerst
innerhalb der Tauchung erfolgen, dann nachfolgend eine vollständigere
Kondensation an der äußeren Wand
der tankbildenden Containerhülle,
die günstig
die große
luftgekühlte
Außenfläche darstellt.
Im Falle einer entleerten äußeren Containerhülle stellt diese
eine zusätzliche
Lufthülle
als Wärmeisolation
dar.
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Die
Ladung des Wärmespeichers
wird durch Ausheizen, eventuell mittels zusätzlichen Evakuierens durch
einen ortsfesten Vakuumerzeuger eingeleitet. Die Tauchung wirkt
als ein Mischkondensator. Eventuell nicht kondensierte Bestandteile
des Arbeitsmittels werden gegebenenfalls in einem ortsfesten Nachkondensator
abgeschieden, der zweckmäßig gleichfalls
als ein Brauchwasser- Luft- Kühlsystem
gestaltet ist. Bei Energiecontainern mit beträchtlichen Längsabmessungen können zur
wirksamen Kondensation mindestens zwei Arbeitsmittelführungen
von Vorteil sein, die in einzelnen Tauchtassen enden.
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Da
sowohl beim Lade- wie auch beim Entladevorgang prozeßbedingt
Wärmeanteile
für die
Verdampfung des Arbeitsmittels in den Wärmespeicher eingetragen werden
müssen,
können
an den Wärmeträgerrohren
oder im Tank Zusatzheizungen kleiner Kapazität angebracht sein, beispielsweise
als Heizschlangen oder elektrische Heizwicklungen.
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Es
ist weiterhin möglich,
mit Hilfe eines zusätzlichen
Wärmeaustauschers
eine Kühlvorrichtung
zur Abführung
von Wärme
zwecks Kälteerzeugung
auszubilden. Diese Wärmeaustauscher
sind bewirkt durch eine geeignete Gestaltung und Verschaltung der
Hilfsheizungen nutzbar, den Wärmeaustauschprozeß vom Nutzer zum
Kondensator und zum Energiecontainer teilweise umkehrend. Durch
Verdampfungskühlung
bei der Überführung des
Arbeitsmittels in den gasförmigen
Zustand gelingt es so, in den Arbeitsmitteltanks Temperaturabsenkungen
zu erzeugen, die beim ursprünglichen
Nutzer der Sorptionswärme
in einem begleitenden Wärmeaustauschprozess
als Kälte
abgeführt
werden.
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Durch
das Einbringen verschiedener Vorkehrungen zum Wärmeaustausch, im Verdampfer-
wie im Kondensatorteil, durch Wärmepumpeneffekte,
durch Strömungskonvektion
und durch Wärmeleitung,
kann fallweise ein intensiver Wärmeverbund
auch in unterschiedlichen Teilen und somit örtlich getrennten Bereichen des
erfindungsgemäßen Energiecontainers
verwirklicht werden. Diese werden über geeignete Verschaltungen elektronisch
gesteuert und geregelt, die aufgrund ihrer untergeordneten Kleinheit
die Speicherdichte nicht einschränken.
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Ein
weiterer Gedanke besteht darin, modifizierte Wärmeträgerrohre in einer ausgewählten rechtkantförmigen Teilungsanordnung
der Rohr- und Tragbödenböden selbst
für Verdampfungs-
und Kondensationsvorgänge
zu nutzen, um in einer Vorzugsrichtung des Apparates, der Längsachse
des Wärmespeichers,
eine strömungsgünstige Führung bei
günstiger
Verteilung des Arbeitsmittels in Längsrichtung zu bewirken. Das
ist besonders dann sinnvoll, wenn ein großes Längen-Querflächen- Verhältnis des Energiecontainers
eingestellt wird und die Gefahr eines unvollkommenen Längsausgleiches
der Strömung
des Arbeitsmittels im Sorbens ausgeschlossen werden soll. Zweckmäßig werden
Rippenrohre als Wärmeträgerrohre
eingesetzt, die als Verdampferrohre an ihrem Umfang mit perforiertem
Netzwerk umgeben sind und so einen zusätzlichen Strömungskanal
bilden sowie Öffnungen
für den
Durchtritt des Arbeitsmittels in die Sorbensschüttung aufweisen. Auch diese Öffnungen
besitzen Abmessungen, die wesentlich kleiner als die Korngrößen des
Sorbens sind. Werden die Rippen quer zur hauptsächlichen Strömung des
Arbeitsmittels orientiert, beispielsweise in Form einer spiralförmigen Aufwicklung
auf das Wärmeträgerrohr,
so kann im Vorteil das Arbeitsmittel in axialer Richtung über größere Wegstecken
innerhalb einer Sorbensschüttung
strömen
und unterschiedliche Höhenschichtungen
erreichen.
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Es
ist besonders von Vorzug, daß die
Fließschichten
für die
Verdampfer- und Kondensatorteile wegen der auf das Arbeitsmittel
ausgeübten
Kapillarkräfte
in gewisser Unabhängigkeit
von der Erdschwere wirken. Es sind auch vertikale bzw. schräge Anordnungen
der Containerhülle
zwecks erwünschter
Anpassung an örtliche
Verhältnisse
möglich,
wie bei eingeschränkten
Stellflächen
oder in bergigem Gelände.
Es hat sich ferner erwiesen, daß die
als Verdampfer ausgebildeten Elemente auch als Kondensatorteile
bzw. letztere auch als Verdampferteile wirken und einander sich
ersetzen können.
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Erfindungsgemäß werden
mindestens ein Modul eines Energiecontainers und mindestens eines
Kondensators zusammengeschaltet. Es werden so Wärmespeicher geschaffen, die
in angemessenen Größenreihen
und Speicherleistungen für
eine gewerbliche oder industrielle Nutzung zur Verfügung stehen.
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Es
ist selbstverständlich,
daß auch
weitere Containerelemente modulartig zusammengeschaltet werden können. Damit
kann fallweise der gemeinsame Transport miteinander verbundenen
Module erfolgen, aber auch ein getrennter Transport vorgesehen werden.
Entsprechend sind das mindestens zwei Wärmespeicher, die zyklisch – abwechselnd
im Lade- und Entladezustand – unter
einem Wärmeverbund
betrieben werden.
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Die
Erfindung wird beispielhaft näher
erläutert.
In den zugehörigen
Figuren zeigen:
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1:
Den mobilen Energiecontainer im Längsschnitt AA' in Seitenansicht
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2:
Ein Schema des abgeänderten
Energiecontainers im Schnitt in einer Aufsicht, zugleich auch in einem
Seitenschnitt, mit einer Containerhülle im Detail
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3:
Den Energiecontainer nach 1 mit unterhalb
angedocktem Kondensator
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4:
Den Energiecontainer nach 2 mit seitlich
angedocktem Kondensator
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5: Hilfsheizungen im Energiecontainer
dazu:
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Tab.1:
Frachtcontainer und Binnencontainer geschlossener Bauart nach DIN
15 190
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Beispiel 1
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Unter
Bezug auf 1 ist der Energiecontainer 1 innerhalb
der Containerhülle 2 mit
zwei Rohrböden 3; 3' versehen, die
durch die Rippen 11 tragenden Wärmeträgerrohre 4 miteinander
verbunden sind. Die Wärmeträgerrohre 4 durchdringen
die Sorbensschüttung 5,
die sich ihrerseits zwischen den beiden Tragböden 6; 6' befindet. Der
Rohrboden 3 ist parallel zur Vorderwand 7, der
Rohrboden 3' entsprechend
zur Rückwand 7' so angeordnet,
so dass zwischen ihnen die Vorkammer 23 und die Kammer 23' liegen, an
denen sich jeweils die Wärmeträgerstutzen 18; 18' entsprechend
mit dem Einlaßventil 22 und
dem Auslaßventil 22' für den Wärmeträger anschließen. Zwischen
den Rohrböden 3; 3' und den Tragböden 6; 6' sind Vliesschichten 19; 19' eingebracht.
Die Tragböden 6; 6' sind mit Öffnungen 10 versehen.
Oberhalb der Wärmeträgerrohre 3; 3' befindet sich
das Evakuierungsventil 50. Der Arbeitsmitteltank 20' befindet sich
unterhalb der Sorbensschüttung 5.
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Die
Containerhülle 2 umschließt wesentlich
den unteren Arbeitsmitteltank 20', der gleichzeitig der Kondensator
ist. Dieser weist im oberen Teil die Arbeitsmittelführungen
mit den Arbeitsmittelventilen 24; 24' auf, die ihrerseits
zu den oberhalb gelegenen Vliesschichten 19; 19' führen. Im
Arbeitsmitteltank befindet sich das mit Rippen 11' versehene Kälteträgerrohr 31 mit
dem Einströmventil 32 und
dem Ausströmventil 32'. Das Arbeitsmittelventil 24 ist
nach unten in eine Tauchung 26 gerichtet und endet innerhalb
einer Tasse 25.
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An
der Innenseite der Containerhülle 2 befindet
sich die Isolation 40, die parallel zur Deckfläche und auch
zur Bodenfläche
des Energiecontainers verläuft
und auch den Arbeitsmitteltank 20' einbezieht.
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Im
Bereitschaftszustand a des Energiecontainers befindet sich das flüssige Arbeitsmittel
auf einem Niveau, das sich dicht unterhalb des Arbeitsmittelventils 24 befindet.
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Bei
der Entladung sinkt nach Öffnung
des Arbeitsmittelventils 24 der Flüssigkeitsspiegel vom Bereitschaftszustand
a des flüssigen
Arbeitsmittels bis auf den Startzustand b ab.
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Über die
Vliesschicht 19 wird das Arbeitsmittel angesaugt. Infolge
der einsetzenden teilweisen Verdampfung des Arbeitsmittels wird
aus dem entladenen Sorbens in Nähe
des Tragbodens 6 Wärme
freigesetzt, die eine weitere Verdampfung bewirkt. Als Folge wird
der Energiecontainer autotherm beim Nutzer in Betrieb gesetzt und
entladen.
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Bei
der Ladung des Speichers werden zuerst das Einlaßventil 22 und das
Auslaßventil 22' geöffnet und
der Wärmeträgerzulauf 21 mit
dem Wärmeträgerrücklauf 21' verbunden.
Durch Öffnung
des Evakuierungsventils 50 wird eine Verbindung nicht notwendig
zu einer stationären
Vakuumpumpe hergestellt. Eine Tiefenentladung der Sorbensschicht 5 im
Energiecontainer 1 durch vakuumunterstützte Desorption ist lediglich nach
einigen Dutzend Betriebszyklen erforderlich. Nach Schließen des
Einlaßventils 22 und
des Auslaßventils 22' stellt sich
ein Betriebszustand infolge der Kondensation des Arbeitsmittels
ein, der wiederum mit dem Bereitschaftszustand a abgeschlossen wird.
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Durch
die gewählte
Rohrbündelanordnung
in Rechtkantgeometrie wird bereits eine hohe räumlich bezogene Speicherdichte
des Energiecontainers 1 eingestellt, die lediglich durch
den mit einbezogenen Raum des Arbeitsmitteltanks 20' während des
Transports zum Nutzer der Wärme
noch eingeschränkt
bleibt.
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Beispiel 2
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Unter
Bezug auf 2 ist der Energiecontainer 1 ähnlich wie
in 1 innerhalb der Containerhülle 2 mit Rohrböden 3; 3', Wärmeträgerrohren 4,
der Sorbensschüttung 5,
den Tragböden 6; 6', den Wärmeträgerstutzen 18; 18', den Vliesschichten 19; 19,
dem Einlaßventil 22,
dem Auslaßventil 22', der Vorkammer 23,
der Kammer 23' und
den Arbeitsmittelventilen 24; 24' versehen.
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Die
Arbeitsmitteltanks 20; 20; 20'' befinden sich an den längsverlaufenden
Seitenflächen
der Containerhülle 2 außerhalb
der Isolation 40. Die Seitenteile 8; 8' werden von
der mäanderartigen
Struktur der Containerhülle 2 gebildet.
Die Trennschichten 9; 9' schließen die Isolation 40 jedoch
nach innen ab. Es werden vertikale Kanäle 14 mit trapezförmigem Querschnitt
geformt, die in seitlicher Verbindung miteinander über horizontalen
Kanäle 13 stehen.
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Beide
Arbeitsmitteltanks 20; 20; 20'' kommunizieren auch seitlich innerhalb
der Containerhülle 2 über längsverlaufende
Kanäle
in den Deck- und Bodenschichten des Energiecontainers und sind ihrerseits über die Arbeitsmittelventile 24; 24' mit beiden
Vliesschichten 19; 19' verbunden. Die flächigen Seitenteile 8; 8' des Energiecontainers
sorgen für
eine ausgezeichneten Wärmeabgabe
zur Umgebung der Containerhülle 2 während der
Kondensation des Arbeitsmittels durch Wärmeübergang an die umgebende Luft.
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Im
Startzustand b nach Beispiel 1 befindet sich lediglich eine Mindestmenge
des flüssigen
Arbeitsmittels Wasser im Tank. Weiteres aufbereitetes Wasser für die vollständige Entladung
des Energiecontainers 1 wird vom Wärmenutzer bereitgestellt. Es
wird eine deutlich höhere
räumliche
Energiespeicherdichte eingestellt, da der durch den Arbeitsmitteltanks 20' umschlossene
Raum bezüglich
dem Speicherraum optimiert und gegenüber Beispiel 1 weiter eingeschränkt wird.
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Beispiel 3
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Analog 2 fügt sich
die Deckfläche
bzw. die Bodenfläche
des Energiekontainers 1 so in die Containerstruktur ein,
dass die Seitenteile 8; 8' der Struktur mit der gleichartig
strukturierten Deckschicht und der strukturierten Bodenschicht in
direkter, jedoch teilweise geöffneter
Verbindung stehen. Zwischen den Stellen dieser teilweise offenen
Verbindung werden horizontale Kanäle 13' trapezförmigen Querschnitts ausgebildet, die
zusätzlich
zu den horizontalen Kanälen 13 und
vertikalen Kanälen 14 verfügbar sind.
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Jeweils
zwei horizontal und jeweils zwei vertikal angeordnete Systeme von
Kanälen 13; 13', 14; 14' in Unterteiliung
der Arbeitsmitteltanks 20; 20' kommunizieren miteinander über längsverlaufende
Kanäle
in den Deck- und Bodenschichten des Energiecontainers 1.
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Die
Energiedichte im umschlossenen Raum wird als ein höchstmöglicher
Betrag durch räumlich
räumlich
optimal klein und schmal gestaltete Arbeitsmitteltanks 20; 20' eingestellt.
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Beispiel 4
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Unter
Bezug auf 3 ist der Energiecontainer 1 vom
darunter angeordneten Kondensator 30 modulartig abgetrennt.
Analog zu den 1 und 2 enthalten
die Module als zusätzliche
Bauteile zur Arbeitsmittelführung
mit den Arbeitsmittelventilen 24; 24' die Adapter 33, 33' und die Adapterventile 34; 34'. Es bestehen zwei
separate Arbeitsmitteltanks 20; 20'. Transportiert zum Nutzer wird
lediglich der Energiecontainer 1. Die auf den Transportweg
und die Wärmeraumdichte
bezogene Speicherleistung ist optimal. Beim Nutzer wird eine gestapelte
Anordnung von Energiecontainer 1 und Kondensator 30 bevorzugt.
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Beispiel 5
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Unter
Bezug auf 4 ist dem Energiekontainer 1 der
Kondensator 30 modulartig nebengeordnet. Die Rückfront 7' des Energiecontainers 1 ist
der Vorderfront 7 des Kondensators 30 angepaßt. Den
Adaptern 33 und 33' sind
jeweils die Adapterventile 34; 34' beigeordnet. Wie in Beispiel 4
wird zum Nutzer lediglich der Energiecontainer 1 transportiert.
Beim Nutzer ist eine beigeordnete Anordnung von Energiecontainer 1 und
Kondensator 30 vorgesehen.
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Beispiel 6
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Gemäß 5a besitzt
der Kondensator 30 eine Hilfsheizung, die wesentlich aus
dem Hilfsheizungsrohr 37 besteht. Die beiden Hilfsheizungsventile 36; 36' vermitteln
den Wärmeverbund
zwischen dem Wärmeträgerrücklauf 21' und dem Kondensator 30 über die
Vorkammer 23 und die Kammer 23' unter Vermittlung des Adapters 33''.
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Beispiel 7
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Unter
Bezug auf 5b sind die Wärmeträgerrohre 4 in
Nähe der
Rohrböden 3; 3' mit einer elektrischen
Zusatzheizung in Form einer Heizungswicklung 38 versehen.
Das Arbeitsmittelventil 24 wird elektronisch und wie alle übrigen Ventile über eine
Steckverbindung mit Hilfe des Adapters 33'' an
entsprechende Regelkreise angeschlossen. Auch befinden sich die
Wärmeträgerstutzen 18; 18' im gleichen
Adapter 33''.
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Beispiel 8
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Eine
besondere Ausgestaltung der Führung
für das
Arbeitsmittel erfolgt durch mit spiralförmigen Rippen versehenen Wärmeträgerrohre,
die durch Öffnungen
nur eines der Tragböden 6 oder 6' und nur eine
der Vliesschichten 19 oder 19' lose hindurchgeführt, jedoch
in die Rohrböden 3 oder 3' fest eingefügt sind.
Die Rippen 11'' werden von
einem feinperforierten Netzwerk umschlossen. Die Sorbensschüttung 5 befindet
sich zwischen den Rippen 11''. Zweckmäßig dienen
Kappen auf den Wärmeträgerrohren
als endständiger
Verschluß des
Netzwerkes.
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Diese
Ausführung
mit dem massesparendem Materialeinsatz nur eines Rohrbodens 3 oder 3' ist für kleinere
Energiecontainer 1 zweckdienlich.
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Beispiel 9
-
Die
Sorbensschüttung 5 wird
portionsweise in aus Metalldraht bestehende sackartige Gebinde aufgeteilt
und in den Energiecontainer 1 zwischen einer verminderten
Anzahl von Warmeträgerrohren 4; 4' eingebracht.
Der Füllungsanteil
an Sorbens erhöht
sich innerhalb eines zusätzlichen
Freiraumes. Die Wärmeleitung innerhalb
des Energiecontainer wird infolge Bildung von Wärmebrücken durch besseren Wärmekontakt
zwischen den Gebinden erhöht.
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Beispiel 10
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Gemäß Tabelle
1 werden nach DIN 15 190-102 ausgewählte Größen standardisierter Container
unterschiedlicher Höhe
aufgeführt.
Gestaffelt sind das Bruttogewicht und das nutzbare Volumen für Einbauten
und Sorbensschüttung 5.
Mit den vergleichbar großen
Querschnittsabmessungen Breite und Länge sind diese über die
Vorderfront 7 und die Rückfront 7' einander beigeordnet
und über
Adapter 34; 34' gemäß 4 miteinander
verbindbar.
-
Die
Container besitzen im Falle einer Nutzung als Energiespeicher eine
einheitliche auf die Abmessungen bezogene Speicherdichte von ca.
100 KWh/m3, wenn ein Füllungsanteil des nutzbaren
Volumens mit dem Zeolithen von 60 % mit einer Speicherdichte dessen
von 300 KWh/m3 vorausgesetzt wird.
-
Im
Falle einer Kopplung eines Energiespeichers 1 mit einem
Kondensator 30 wird hier die Größe 1 C mit der Größe 1 F vorgesehen.
-
- 1
- Energiecontainer
- 2
- Containerhülle
- 3;
3'
- Rohrboden
- 4
- Wärmeträgerrohr
- 5
- Sorbensschüttung
- 6;
6'
- Tragboden
- 7
- Vorderfront
- 7'
- Rückfront
- 8;
8'
- Seitenteil
- 9;
9'
- Trennschicht
- 10
- Öffnung
- 11;
11'; 11''
- Rippe
- 12;
12'
- Leiteinrichtung
- 13;
13
- Kanal,
horizontal
- 14;
14'
- Kanal,
vertikal
- 18;
18'
- Wärmeträgerstutzten
- 19;
19'
- Vliesschicht
- 20;
20; 20''
- Arbeitsmitteltank
- 21
- Wärmeträgerzulauf
- 21'
- Wärmeträgerrücklauf
- 22
- Einlaßventil
- 22'
- Auslaßventil
- 23
- Vorkammer
- 23'
- Kammer
- 24;
24'
- Arbeitsmittelventil
- 25
- Tasse
- 26
- Tauchung
- 30
- Kondensator
- 31
- Kälteträgerrohr
- 32
- Einströmventil
- 32'
- Ausströmventil
- 33;
33; 33''
- Adapter
- 34;
34'
- Adapterventile
- 36;
36'
- Hilfsheizungsventil
- 37
- Hilfsheizungsrohr
- 38
- Heizungswicklung
- 40
- Isolation
- 50
- Evakuierungsventil
- a,
b
- Betriebszustände
-