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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung.
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DE 102 41 364 A1 zeigt
einen Wärmetauscher mit einem nach außen isolierten
Gehäuse und zwei Wärmetauscherkanälen.
Im Bereich zwischen den Wärmetauscherkanälen ist
ein Wärmespeichermedium vorgesehen. Somit erfolgt die Wärmeübertragung
nicht unmittelbar von einem Wärmetauscherkanal zum anderen
Wärmetauscherkanal, sondern mittelbar über das
Wärmespeichermedium. Das Wärmespeichermedium kann
hierbei über eine längere Zeitdauer Wärme
speichern. Somit kann beispielsweise Wärme über
mehrere Stunden bzw. Tage gespeichert werden.
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DE 43 15 492 C2 zeigt
einen Latentwärmespeicher mit einem Speicherbehälter,
welcher einen Zulauf und einen Ablauf für eine Wärmeträgerflüssigkeit
aufweist. In dem Speicher wird ein Speichermedium aus kugelförmigen,
sich frei beweglichen Kapseln vorgesehen. Die Kapseln werden in
Form einer losen Schüttung im Speicherbehälter
verliersicher eingebracht. Dazu weist der Zulauf und Ablauf der Wärmeträgerflüssigkeit
jeweils eine Rückhaltevorrichtung für die Kapseln
auf. In den Kapseln ist jeweils ein Wärmespeichermedium
vorgesehen. Die Kapseln weisen eine geringe Größe
auf, so dass sie sich in der Wärmeträgerflüssigkeit
frei bewegen können. Zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit
und den Kapseln stellen die Wärmeaustauschwandungen eine
große nutzbare Fläche dar, wodurch ein Phasenwechsel
des Speichermediums an allen Stellen innerhalb der Kapsel und für
alle Kapseln etwa gleichzeitig erfolgen kann.
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Die
benötigten Rückhaltevorrichtungen werden als Sieb
ausgeführt und sind in den Anschlussstutzen für
den Zulauf und Ablauf vorgesehen. Somit umfassen die Rückhaltevorrichtungen
lediglich eine Fläche, die dem Querschnitt des Anschlussstutzens entspricht.
Beim Betrieb kann es jedoch vorkommen, dass das Speichermedium mit
den darin frei beweglichen Kugeln einen Durchmesser aufweist, welcher kleiner
als der lichte Durchmesser der Anschlüsse ist, so dass
sich Kapseln aufgrund ihrer geringeren Dichte und aufgrund der vorhandenen
Strömungsverhältnisse dicht vor die Rückhaltevorrichtungen
setzen können. Hierdurch kann der Abfluss des Wärmeträgermediums
stark beeinträchtigt werden. Ferner kann der Druckverlust über
den Latentwärmespeicher enorm ansteigen. Dies kann dazu
führen, dass eine kostenintensive Zusatzinstallation wie
beispielsweise Druckerhöhungsanlagen benötigt
werden, um eine Wasserversorgung an allen Entnahmestellen gewährleisten
zu können.
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Zusätzlich
dazu führt die Anordnung der Rückhaltevorrichtungen
an den Zu- bzw. Abläufen dazu, dass die Wärmeübertragung
vom Speichermedium zum zu erwärmenden Medium nicht gleichmäßig
abläuft. Die Dichte des Speichermediums in den Kapseln
ist kleiner als die Dichte des Wärmeträgermediums.
Dies gilt sowohl im flüssigen als auch im festen Aggregatszustand.
Aufgrund dieses Dichteunterschieds kommt es dazu, dass die Kapseln
vorzugsweise im oberen Bereich des Speicherbehälters schwimmen,
wodurch sich im oberen Behälterbereich eine Masse mit einem
relativ niedrigen Energiegehalt bzw. Temperatur befindet. Andererseits
befindet sich im unteren Behälterbereich eine Masse mit einem
relativ hohen Energiegehalt bzw. einer Temperatur. Daher kommt es
zu einer Schichtung, und das Wärmeträgermedium
muss zunächst durch den Be reich mit hoher Temperatur fließen,
um zu dem Bereich mit niedriger Temperatur zu gelangen. Dies hat somit
zur Folge, dass die Endtemperatur des Wärmeträgermediums
nicht höher sein kann als die mittlere Temperatur im Speicherbehälter.
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Somit
wird ein Vakuum-isolierter Latentwärmespeicher mit gekapselten
PCM in Form einer losen Schüttung vorgesehen. Das Wärmeübertragungsmedium
stellt Wasser oder andere Fluide dar.
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Es
somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Speichervorrichtung
mit einer verbesserten Wärmespeicherfähigkeit
vorzusehen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Speichervorrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Somit
wird eine Wärmespeichervorrichtung mit einem isolierten
Speicherbehälter vorgesehen, welcher ein Speichervolumen
umschließt. Die Wärmespeichervorrichtung weist
eine Vielzahl von Kapseln mit einem Phasenwechselmaterial, einem
Zulauf mit einer ersten Rückhalteeinheit und einen Ablauf
mit einer zweiten Rückhalteeinheit auf. Die erste und zweite
Rückhalteeinheit ist jeweils derart ausgestaltet, dass
die Kapseln nicht durch den Zulauf oder Ablauf gespült
werden können.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls Wärmespeicherkapseln zur Verwendung
in einer Wärmespeichervorrichtung. Die Kapseln weisen ein
Phasenwechselmaterial und eine Wandung aus einem elastischen Material
auf, so dass eine Volumenänderung des Phasenwechselmaterials
ebenfalls zu einer Volumenänderung der Kapsel führt.
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Die
Erfindung betrifft den Gedanken, einen Wärmespeicher, insbesondere
einen Latentwärmespeicher mit einem isolierten Speicherbehälter,
vorzusehen, welcher einen Zulauf und einen Ablauf für Wärmeträgerflüssigkeit
aufweist. In dem Speicherbehälter wird ein Wärmespeichermedium
vorgesehen, welches vorzugswei se als ein Phasenwechselmedium ausgestaltet
ist. Das Speichermedium ist gekapselt ausgeführt und ist
im Speicherbehälter frei beweglich.
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Die
Kapselung kann kugelförmig, aber auch jede andere Volumenform
darstellen. Die Kapseln bzw. die Außenhaut der Kapseln
kann aus einem elastischen Material bestehen, damit bei einer Volumenänderung
des Phasenwechselmaterials beim Phasenübergang zwischen
fest und flüssig kein innerer Druck in der Kapsel aufgebaut
wird, so dass eine Volumenänderung der Kapsel erfolgt,
wenn ein Phasenübergang stattgefunden hat.
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Die
Kapseln können ferner optional eine genau bestimmte zusätzliche
Masse aufweisen. Mittels dieser zusätzlichen Masse kann
erreicht werden, dass die Dichte der Kapseln im festen Aggregatzustand
größer ist als die Dichte des Wärmeträgermediums.
Im flüssigen Aggregatzustand ist die Masse des Phasenwechselmaterials
kleiner als die Masse des Wärmeträgermediums.
An den Zu- und Abläufen kann eine Rückhaltevorrichtung
vorgesehen werden, welche als Überlaufrohr mit Bohrungen
in seinem oberen Bereich ausgestaltet sein kann. Alternativ dazu
kann die Rückhaltevorrichtung als Sieblanze vorgesehen
werden.
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Weitere
Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile
und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Speichervorrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel, und
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Speichervorrichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Speichervorrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel. Die Speichervorrichtung weist
einen Speicherbehälter 100 mit einem Speichervolumen 110 auf,
in welchem Kapseln 180 mit einem Phasenwechselmaterial
vorgesehen sind. Der Speicher weist ferner einen Zulauf 120 und
einen Ablauf 130 auf. Im Bereich des Zulaufs 120 ist
ein Sieb 121 vorgesehen. Im Bereich des Ablaufs 130 ist
ebenfalls ein Sieb 131 vorgesehen. Im Bereich des Ablaufs 131 können
Löcher bzw. Bohrungen 132 vorgesehen werden. In
dem Speicher kann ferner ein weiterer Wärmetauscher 140 mit
einem ersten und zweiten Ende 141, 142 vorgesehen
werden. An diesen Wärmetauscher 140 kann beispielsweise
eine solarthermische Anlage angeschlossen werden.
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Der
Ablauf 130 ist beispielsweise als Überlaufrohr
ausgestaltet. Die Bohrungen in dem Ablaufrohr 130 weisen
einen Durchmesser auf, welcher größer als der
Durchmesser der Kapseln ist. Der Durchmesser der Bohrung ist jedoch
optional kleiner als der lichte Durchmesser des Überlaufrohres 130. Im
Bereich des Endes des Ablaufrohres 130 kann ein gespanntes
zylindrisches Metallgeflecht vorgesehen werden, wobei der Maschendurchmesser
kleiner als der Durchmesser der Kapseln ist. Das Metallgeflecht kann
sich vorzugsweise von innen vor die Bohrungen legen.
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2 zeigt
eine Darstellung einer Speichervorrichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel. Die Speichervorrichtung, insbesondere
die Latentwärmespeichervorrichtung, weist einen Speicherbehälter 200 mit
einem Speichervolumen 210 auf. In dem Speichervolumen 210 sind
eine Vielzahl von Kapseln 280 vorgesehen, welche ein Phasenwechselmaterial
aufweisen. In dem Speicher ist ein Zulauf 220 mit einem
Zulaufsieb 221 sowie ein Ablauf 230 beispielsweise
mit einer Sieblanze 231 vorgesehen. In dem Speicher 200 können
zwei Wärmetauscher 250, 260 vorgesehen
werden. Die Sieblanze 231 wird durch den Anschluss des
Ablaufes in den Speicher eingebracht und kann beispielsweise durch
die Anschlussverschraubung fixiert werden. Die Sieblanze 231 weist
vorzugsweise ein Metallgeflecht auf, dessen Maschendurchmesser kleiner
ist als der Durchmesser der Kapseln.
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Der
Speicherbehälter 100, 200 gemäß dem ersten
oder zweiten Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise isoliert
ausgestaltet. Die Kapseln 180, 280 weisen ein
Phasenwechselmaterial auf und sind vorzugsweise kugelförmig
ausgestaltet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch eine andere
Volumenform verwendet werden kann. Die sich in dem Speicherbehälter
befindlichen Kapseln sind frei beweglich.
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Die
Kapseln können optional aus einem elastischen Material
hergestellt werden und ein Phasenwechselmaterial beinhalten. Durch
das elastische Material der Kapseln kann erreicht werden, dass auch
bei einer Volumenänderung des Phasenwechselmaterials bei
einem Phaseübergang zwischen fest und flüssig
oder flüssig und fest kein sich in dem Inneren der Kapsel
befindlicher Druck aufbauen kann. Durch das elastische Material
der Kapsel kann gewährleistet werden, dass auch eine Volumenänderung
der Kapsel stattfindet bei einem Phasenübergang zwischen
fest und flüssig oder umgekehrt. Optional kann eine zusätzliche
Masse in die Kapsel (zusätzlich zu dem Phasenwechselmaterial)
eingebracht werden. Die zusätzliche Masse kann ebenfalls über
die Stoffeigenschaften des Kapselmaterials realisiert werden. Hierbei
können sich die Stoffeigenschaften insbesondere auf die
Dichte des Kapselmaterials beziehen. Mittels der zusätzlichen
Masse kann erreicht werden, dass die Dichte der Kapsel im festen Aggregatzustand
des Phasenwechselmaterials größer ist als die
Masse des Wärmeträgermediums. Im flüssigen
Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials ist die Dichte der Kapsel
kleiner als die Dichte des Wärmeträgermediums.
Die Kapseln 180, 280 können in Form einer
losen Schüttung in den Speicherbehälter verliersicher
eingebracht werden. Hierzu werden die Anschlüsse des Zulaufs
und des Ablaufs der Wärmeträgerflüssigkeit
mit einer Rückhaltevorrichtung vorgesehen, welche die Kapseln
vor dem Austritt aus dem Speicher zurückhält und
jedoch für die Wärmeträgerflüssigkeit
durchlässig ist.
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Vorzugsweise
wird Parafin, Salzhydrat und/oder eine Mischung aus Salzhydrat und
Parafin als Wärmespeichermaterial verwendet. Dies hat den Vorteil,
dass dieses Material auch beim Auslaufen in das Trinkwasser nicht
zu einer gesundheitsgefährdenden Verunreinigung des Trinkwassers
führen kann.
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Als
PCM sind u. a. Salzhdrydrate verwendbar und deren Mischungen (5...
130°C), insbesondere Natriumacetat. Diese zeichnen sich
durch sogenanntes Kristall wasser aus. Kristallwasser oder auch Hydratwasser
ist die Bezeichnung für Wasser, welches im kristallinen
Festkörper gebunden vorkommt. Kristallwasserhaltige Substanzen
werden oft auch als Hydrate bezeichnet. So gibt es z. B. kristallwasserfreies
Natriumsulfat Na2SO4 und
das Dekahydrat (Glaubersalz) mit 10 (altgr.: deka = zehn) Wassermolekülen
pro Formeleinheit Na2SO4.
Die Bindung wird durch einen hochgestellten Punkt (manchmal auch ein
x) symbolisiert, diese Schreibweise gibt aber keine Auskunft über
die Art der Bindung: Na2SO4 10 H2O. Die Wassermoleküle können
koordinativ an Ionen gebunden sein (Koordinationswasser, z. B. beim Kupfersulfat),
als Strukturwasser über Wasserstoffbrückenbindungen
an Moleküle gebunden vorliegen, oder – wie bei
den Mineralen der Zeolithgruppe – nicht am Kristallgitter
beteiligt sein. Am vielfältigsten sind die Bindungsverhältnisse
des Wassers in Proteinkristallen. Das Kristallwasser ist meist nur
locker gebunden und entweicht beim Erhitzen (technischer Ausdruck:
Calcinieren, Brennen), was beim Kupfersulfat zur Entfärbung,
bei anderen Substanzen sogar zur Auflösung im eigenen Kristallwasser
führen kann. Die kristallwasserfreien Salze werden Anhydrate
genannt (z. B. Natriumsulfat-Anhydrat, Kupfersulfat-Anhydrat, nicht
zu verwechseln mit Anhydrt und Anhydrid). Anhydrate sind meist stark
hygroskopische Substanzen und werden daher zum Trocknen von Lösungsmitteln
und Gasen benutzt. Bei der Bildung der Hydrate wird dann Energie
in Form von Hydratationswärme frei.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10241364
A1 [0002]
- - DE 4315492 C2 [0003]