DE102008033635A1

DE102008033635A1 - Schichtwärmespeicher mit Naturumlauf

Info

Publication number: DE102008033635A1
Application number: DE102008033635A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hanschke; Reinhard Leithner; Christian Schlitzberger
Original assignee: Hanschke Andreas Dipl-Ing; Leithner Reinhard Prof Dr techn; Schlitzberger Christian Dipl-Ing
Current assignee: Hanschke Andreas Dipl-Ing; Leithner Reinhard Prof Dr techn; Schlitzberger Christian Dipl-Ing
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2010-01-21

Abstract

Wärme fällt unter Umständen auf verschiedenen Temperaturniveaus an. Dies ist insbesondere auch der Fall, wenn ein strömendes Fluid abgekühlt wird. In solchen Fällen ist es wichtig, die Wärme auf einem etwa gleich hohen Temperaturniveau einzuspeichern, ansonsten treten Energieverluste auf. Bei Wärmespeicherung in flüssigen Speichermedien (z. B. Wasser, Thermoöl, Salzlösungen) kann die Wärmeeinspeicherung und Wärmeausspeicherung mit Hilfe des Auftriebs des wärmeren flüssigen Speichermediums im Naturumlauf erfolgen. Soll allerdings das gesamte Behältervolumen genutzt werden, kann der Auftrieb nur für die Wärmeeinspeicherung oder die Wärmeausspeicherung genutzt werden, je nachdem, ob der Wärmeübertrager unten bzw. oben im Behälter angeordnet ist. Für den jeweils anderen Fall ist eine Umwälzeinrichtung (z. B. Pumpe) vorzusehen oder es muss unten und oben ein Wärmeübertrager eingebaut werden, die entsprechend für die Wärmeeinspeicherung bzw. für die Wärmeausspeicherung genutzt werden.

Description

Aus der deutschen Patentschrift DE 3905874C2 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem das in einem außen liegenden Heizelement aufgewärmte Brauchwasser mit Hilfe einer Ladewechselvorrichtung in einem Warmwasserspeicher in der seiner Temperatur entsprechenden Wasserschicht zugeführt wird, damit nur möglichst geringe Exergieverluste entstehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Wärme nicht über ein außen liegendes Heizelement einem Brauchwasser zuzuführen, das den Warmwasserspeicher durchfließt, sondern durch innen liegende Wärmeübertrager die Wärme in eine im Behälter verbleibende Flüssigkeit, z. B. Wasser, Thermoöl oder Salzlösungen etc., mit möglichst geringen Exergieverlusten, d. h. entsprechend geschichtet, einzuspeichern und auch wieder über den gleichen oder einen anderen Wärmeübertrager auszuspeichern. Dabei soll die Umwälzung des flüssigen Speichermediums möglichst im Naturumlauf erfolgen, d. h. der Auftrieb des wärmeren Speichermediums genutzt werden.
In 1 ist ein beispielhafter Schichtwärmespeicher nach diesem Prinzip bei Einspeicherung dargestellt, wobei das erwärmte, flüssige Speichermedium in dem Ein- und Ausspeicherrohr bis zu jenen Öffnungen mit Rückschlagklappen zufolge Auftrieb aufsteigt, die der Temperatur des aufgewärmten Speichermediums entsprechen. Heißeres Speichermedium bleibt im oberen Teil des Ein- und Ausspeicherrohres und des Mantelraums in Ruhe stehen, kälteres Speichermedium strömt von unten in den Wärmeübertrager nach. Der äußere Mantelraum wird durch den Naturumlauf von oben (ab der Höhe der Einspeicherung) nach unten durchströmt.
Beim Ausspeichern der Wärme (beispielhaft in 2 dargestellt) wird durch das von einem Motor angetriebene Pumpenrad heißes Speichermedium vom oberen „heißen” Behälterteil über den Wärmeübertrager nach unten gesaugt, wodurch die Rückschlagklappen schließen, und abgekühlt im äußeren Mantelraum wieder hochgedrückt.
Der Wärmeübertrager wird sowohl beim Beladen des Wärmespeichers als auch beim Entladen dadurch im Gegenstrom durchströmt, dass sich die Strömungsrichtungen beider Fluide umkehren.
In 3 und 4 ist ein beispielhafter Schichtwärmespeicher mit 2 Wärmeübertragern dargestellt, bei dem zur Einspeicherung der untere Wärmeübertrager vom wärmeabgebenden Fluid und zur Ausspeicherung der obere Wärmeübertrager vom wärmeaufnehmenden Fluid durchströmt wird.
Das Einspeichern erfolgt wie in 1 mit dem unteren Wärmeübertrager. Das Ausspeichern erfolgt mit Hilfe des oberen Wärmeübertragers, der das Speichermedium abkühlt, das durch das Ein- und Ausspeicherrohr abwärts fließt und dort in den Mantelraum übertritt, wo in etwa im Mantelraum die gleiche Temperatur herrscht.
Die Rückschlagklappen können auch durch Ventile ersetzt werden, die bei gleicher Temperatur im Ein- und Ausspeicherrohr und Mantelraum öffnen und bei unterschiedlichen Temperaturen geschlossen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3905874 C2 [0001]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum geschichteten Ein- und Ausspeichern von Wärme in einem und aus einem isolierten Behälter mit einem flüssigen Speichermedium, gekennzeichnet dadurch, dass entweder die Einspeicherung oder die Ausspeicherung von Wärme durch Naturumlauf, d. h. zufolge des Dichteunterschieds zwischen dem Speichermedium im Ein- und Ausspeicherrohr und dem dieses Rohr umgebenden Mantelraums erfolgt. Die Dichteunterschiede werden entweder durch einen Wärmetauscher hervorgerufen, der im Falle der Einspeicherung im Naturumlauf im unteren vorzugsweise erweiterten Ende des Ein- und Ausspeicherrohres sitzt oder im Falle der Ausspeicherung im Naturumlauf im oberen vorzugsweise erweiterten Ende des Ein- und Ausspeicherrohres. Im jeweils anderen Fall muss die Strömung in Gegenrichtung durch eine Fördereinrichtung (z. B. motorbetriebene Pumpe) erzeugt werden. Das Ein- und Ausspeicherrohr besitzt über der Höhe und den Umfang verteilt zahlreiche Öffnungen mit Rückschlagklappen, die nur eine Strömung vom Ein- und Ausspeicherrohr in den Mantelraum zulassen. Im jeweils anderen Fall wird die Umwälzung durch eine Umwälzvorrichtung, z. B. Pumpe, bewerkstelligt.
Verfahren und Vorrichtung zum geschichteten Ein- und Ausspeichern von Wärme in einem und aus einem isolierten Behälter mit einem flüssigen Speichermedium gekennzeichnet dadurch, dass sowohl die Einspeicherung als auch die Ausspeicherung von Wärme im Naturumlauf, d. h. zufolge des Dichteunterschiedes zwischen dem Ein- und Ausspeicherrohr und den umgebenden Mantelraum, erfolgt. Die Dichteunterschiede werden jeweils durch einen Wärmetauscher am oberen und unteren vorzugsweise erweiterten Ende des Ein- und Ausspeicherrohrs hervorgerufen, wobei der untere Wärmetauscher bei Einspeicherung von Wärme vom wärmeabgebenden Fluid durchströmt wird, während der obere Wärmetauscher bei Ausspeicherung von Wärme vom wärmeaufnehmenden Fluid durchströmt wird. Das Ein- und Ausspeicherrohr besitzt über der Höhe und über den Umfang verteilt zahlreiche Öffnungen mit Rückschlagklappen, die nur eine Strömung vom Ein- und Ausspeicherrohr in Richtung Mantelraum zulassen. Für die Umschaltung der Durchströmung des oberen zum unteren Wärmetauscher bzw. umgekehrt genügt ein Dreiwegeventil bevorzugt auf der kalten Seite des wärmeabgebenden bzw. wärmeaufnehmenden Stroms (z. B. der Druckluft) und eine Verzweigung auf der anderen Seite der Wärmetauscher.
Verfahren und Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass die Rückschlagklappen durch Ventile ersetzt sind, die bei gleicher Temperatur im Ein- und Ausspeicherrohr und Mantelraum geöffnet und bei unterschiedlicher Temperatur geschlossen sind.
Verfahren und Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das isolierten Ein- und Ausspeicherrohr außerhalb neben dem isolierten Behälter angeordnet und mit diesem sowohl unterhalb eines unteren im Ein- und Ausspeicherrohr angeordneten Wärmeübertragers als auch oberhalb eines oberen im Ein- und Ausspeicherrohr angeordneten Wärmeübertragers und auch an zahlreichen verschiedenen Höhen dazwischen durch mindestens ein isoliertes Rohr mit Rückschlagklappe bzw. Ventil mit dem gesamten Behälterraum verbunden ist. Dabei kann dieses Rohr vorteilhaft mit einer Verteilvorrichtung bestehend aus mindestens einem Verteilerrohr mit mindestens einer Öffnung verbunden sein.
Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Ein- und Ausspeicherrohr durch ein Einspeicherrohr und ein getrenntes Ausspeicherrohr ersetzt wird. Dabei sitzt im Einspeicherrohr der zugehörige Wärmeübertrager im unteren Ende und im Ausspeicherrohr am oberen Ende oder einer der beiden Wärmeübertrager wird durch eine Fördereinrichtung ersetzt, deren Einbauort sowohl oben als auch unten sein kann.