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Die
Erfindung betrifft einen Allzweckwärmespeicher zur Speicherung
von Energie, wobei die Energiespeicherung in wenigstens einem Wärmespeicherblock
erfolgt, in dem durch die Energiespeicherung erhitzbare Verdampferrohre
eingebettet sind, in welche ein flüssiges Kondensat in einer vorgegebenen
Menge einzutropfen imstande ist, wodurch sich in den Verdampferrohren
Dampf bildet, welcher nach außerhalb
des Wärmespeicherblocks leitbar
ist und dessen Wärmeinhalt
für Heizzwecke oder
Sekundärenergieerzeugung
nutzbar ist.
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Seit
langem besteht der Bedarf nach einem Allzweckwärmespeicher, der Energie, die
z. B. aus Wind, Sonne oder Wasserkraft gewonnen wird, dauerhaft
speichert. Die Zuführung
und Speicherung von solar gewonnener Wärmeenergie hoher Temperatur in
Verbindung mit flüssigen
Medien, wie z. B. Flüssigmetallen
ist zwar möglich,
allerdings mangels geeigneter langzeitstabiler und kostengünstiger Übertragungsmedien
heute noch nicht wirtschaftlich darstellbar.
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Da
die zuvor genannten Energiequellen weder zeitlich noch quantitativ
planbar und bedarfsorientiert vorhanden sind, besteht ein großer Bedarf, deren
Energien zu Zeiten des Überflusses
zu speichern und zu Zeiten des Mangels aus einem solchen Allzweckwärmespeicher
kontrolliert zu entnehmen.
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Nur
so lässt
sich eine flächendeckend
kontinuierliche Energieversorgung auf Basis natürlicher Energiequellen aufbauen,
ohne dass permanent enorme Kapazitäten der herkömmlichen
Energieerzeugung bereitgehalten werden müssen, damit im Falle des Ausfalls
der alternativen Energiequellen dennoch die Energieversorgung sichergestellt
ist.
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Es
sind Lösungen
vorgeschlagen worden, Energie in Form von Druckluft in Bergwerken
oder großen
künstlichen
Behältern
zu speichern. Die Wärme speicherung
in Form von erhitztem Wasser ist ebenso bekannt, wie die Wärmespeicherung
in Form von erhitztem und verflüssigtem
Salz. Auch die Speicherung von potentieller Energie, wie sie in
Wasser-Speicherkraftwerken seit fast 100 Jahren praktiziert wird,
gehört
dazu.
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Jede
der vorhandenen Lösungen
bietet aber nur eine geringe Speicherdichte an Energie pro eingesetztem
Volumen. Das bedeutet, das sehr große und somit teure Speicher
installiert werden müssen, um
die Energieversorgung zu sichern. Natürliche oder „recycelte” Speicher,
wie z. B. stillgelegte Bergwerke zur Druckluftspeicherung oder Stauseen
zur Wasserspeicherung, sind zwar prinzipiell geeignet. Es sind aber
viel zu wenig dieser Speicher vorhanden, um den Bedarf nach Speicherkapazität zu decken.
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Vor
diesem Hintergrund nennt die
WO 2006/072185 A1 einen Wärmespeicherblock, der durch
elektrische Heizstäbe
erwärmbar
und von einem Rohrsystem mit einem Auslass und einem Auslass durchzogen
ist. Das Rohrsystem erlaubt, ein Fluid durch den gesamten Wärmespeicherblock
zu strömen
und zu erwärmen.
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Ein
Allzweckwärmespeicher
zur Speicherung vergleichsweise großer Energiemengen pro Volumen,
die bei Bedarf in Form von überhitztem
Dampf entnommen und zum Beispiel mehrstufigen Turbinen zur Stromerzeugung
zugeführt
werden können,
ist in der
WO 2008/135100
A1 vorgeschlagen worden. Dieser Allzweckwärmespeicher
kann auch zur Lieferung von Fernwärme verwendet werden. Der vorgeschlagene
Allzweckwärmespeicher
kann dauerhaft Wärmeenergie
speichern und beispielsweise zur Strom- oder Warmwassererzeugung
abgeben.
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In
der
WO 2008/135100
A1 ist insbesondere vorgeschlagen worden, den Allzweckwärmespeicher mit
einem wasserdurchströmten
Wärmetauscher
zu kombinieren, der in einem Dampfraum positioniert ist. Dabei sind
oberhalb der Verdampferrohre düsenförmige Regelelemente
vorgesehen, welche das Kondensat gleichmäßig auf Verdampferrohre verteilen.
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Der
in den Verdampferrohren entstandene Dampf kondensiert innerhalb
des Dampfraumes an dem Wärmetauscher.
Hierdurch kann die abgegebene Wärme
des Dampfes in Form von erwärmtem Wasser
an eine Heizungsanlage übergeben
werden. Der Wärmetauscher
ist in einem Kondensatsammelbehälter
angeordnet, aus dem das Kondensat in einem Kreislauf wieder in die
Verdampferrohre rückführbar ist.
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Bei
dieser Ausgestaltung ist die kontrollierte Abgabe dauerhaft gespeicherter
Wärme an
eine Heizungsanlage nur unter erheblichem Aufwand regelbar. Die
Dampferzeugung muss so angesteuert werden, dass das Wasser, welches
durch den Wärmetauscher
geführt
wird, definiert erwärmt
wird. Dies hat sich in der Praxis als häufig nur schwer realisierbar erwiesen.
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Vor
diesem Hintergrund zeigt die
DE 2 013 565 A1 zwar einen gattungsbildenden
Allzweckwärmespeicher,
bei dem zwei Wärmetauscher
in einem Wasserbad je eines Wasserbehälters aufgenommen sind und
in welchem das aus dem Dampf entstehende Kondensat ohne Vermischung
mit dem Wasserbad der Tanks abfließt. Jedoch kann sich in dem
Wärmetauscher
ein erheblicher Kondensatpegel ausbilden. Dieser Kondensatpegel
vermindert die Effizienz des Wärmetauschers
erheblich. Zur Vermeidung dieses Problems ist bei dem in der
DE 1778983 A beschriebenen
Wärmespeicher
in der Kondensatrücklaufleitung
unterhalb des Sammelbehälters
eine Umwälzpumpe
angeordnet und die Rücklaufleitung
in einer Stauschleife über
den Sammelbehälter
hochgezogen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher
als Allzweckwärmespeicher
zu schaffen, der eine dauerhafte Speicherung von Wärmeenergie
erlaubt und dessen Wärmeabgabe
derart problemlos regelbar ist, dass Wasser definiert und hocheffizient
erwärmbar
ist.
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Die
Lösung
der Aufgabe besteht bei einem Allzweckwärmespeicher der eingangs genannten Gattung
in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt
worden, dass unterschiedlichste Energiequellen genutzt werden können, um
im Wärmespeicherblock
dauerhaft Wärme
zu speichern und nutzbar zu machen. Beispielsweise kann Strom aus
beliebigen Energiequellen über
Heizelemente in Wärme
umgewandelt und in Wärmespeicherblöcken dauerhaft
gespeichert werden. Ein Wärmespeicherblock
kann insbesondere mit Rohrleitungen durchzogen sein, durch die ein hoch
erhitztes flüssiges
Medium geleitet wird. Der Wärmespeicherblock
kann auch unmittelbar durch die Verbrennung beliebiger Stoffe beheizt
werden. Besonders sinnvoll ist hier die Nutzung regenerativer Energiequellen.
Beispielhaft sei hierzu die Solarwärme genannt, welche durch geeignete
Kollektoren und ein entsprechend hochtemperaturstabiles flüssiges Medium
zu den Wärmespeicherblöcken geleitet
und über
eine entsprechende Rohrleitung im Wärmespeicherblock an diesen
abgegeben wird. Die Photovoltaik erlaubt sogar, den aus Sonnenlicht
direkt erzeugten Strom zur Erhitzung elektrischer Heizstäbe im Wärmespeicherblock
zu nutzen. Durch aus Biomasse gewonnene Biogase kann über Brenner
Wärme erzeugt
werden, die direkt die Wärmespeicherblöcke erwärmt. Auch
Windenergie kann überraschend
genutzt werden. Im Gegensatz zu heutigen Windanlagen können diese
sehr einfach aufgebaut sein, da die elektrischen Heizstäbe unkritisch
gegenüber
Strom- und Frequenzschwankungen sind.
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Insbesondere
ist aber erkannt worden, dass die Erwärmung von Brauchwasser durch
einen Allzweckwärmespeicher
dadurch problemlos geregelt werden kann, dass der vom Wärmespeicherblock
erzeugte Dampf durch den Wärmetauscher
geführt wird.
Der Wärmetauscher
gibt die Wärme
des Dampfes an ein Wasserbad aus Brauchwasser ab, welches den Wärmetauscher
im Wasserbehälter
umgibt. Die Wärme
des Wasserbades ist durch geeignete Zuleitung des Dampfes in den
Wärmetauscher überraschend
einfach regelbar. Die relativ schwierige Kontrollierung der Erwärmung eines
Wärmetauschers, der
Wasser führt
und in einem Dampfbad aufgenommen ist, wird erfindungsgemäß überwunden.
Dadurch, dass statt der Führung
des Brauchwassers durch den Wärmetauscher
der Dampf hindurchgeführt
und das Kondensat vom Brauchwasser getrennt ist, werden insbesondere
auch die Probleme unterschiedlicher Dampfdrücke vermieden, da der Dampfdruck
innerhalb eines Wärmetauschers
in einfacher Weise zu beherrschen ist, wodurch auch eine bessere
Wartung der gesamten Anlage resultiert. Des Weiteren wird durch
die erfindungsgemäße Führung des Dampfes
von oben nach unten nahezu vollständig verhindert, dass sich
im Wärmetauscher
ein Kondensatpegel ausbildet. Das innerhalb des Wärmetauschers
entstehende Kondensat wird erfindungsgemäß aus dem Bereich des Wärmetauschers
abgeführt,
vorzugsweise durch die Schwerkraft, wobei sich der Wärmetauscher
im Wasserbad des Wasserbehälters
befindet. Hierdurch ist eine hocheffiziente Erwärmung von Brauchwasser ermöglicht,
da nahezu ausschließlich
heißer
Dampf zur Erwärmung
des Wasserbades genutzt wird. Folglich ist die genannte Aufgabe
gelöst.
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Somit
ist erfindungsgemäß der Wasserbehälter oberhalb
eines Zwei-Phasen-Behälters positioniert,
wobei der Zwei-Phasen-Behälter
oberhalb eines Wärmespeicherblocks
mit mindestens einem Verdampferrohr angeordnet ist, welches in den Zwei-Phasen-Behälter hineinragt.
Durch diese Ausgestaltung kann Dampf aus den Verdampferrohren in den
Zwei-Phasen-Behälter
einströmen
und von dort nach oben zum Wärmetauscher
gelangen, der im Wasserbehälter
angeordnet ist. Dabei wird die natürliche Ausbreitungsrichtung
des Dampfes ausgenutzt.
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Hierzu
kann der Zwei-Phasen-Behälter durch
eine Rohrverbindung mit dem oberen Ende der wendelförmigen Rohrschlange
strömungsverbunden sein.
Der Dampf ist durch die Rohrverbindung definiert führbar.
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Der
Wärmetauscher
kann als wendelförmige Rohrschlange
mit einem unteren und einem oberen Ende ausgebildet sein, wobei
der Dampf der Rohrschlange an deren oberem Ende zuführbar ist.
Durch die Ausgestaltung des Wärmetauschers
als Rohrschlange wird eine sehr große Wärmeaustauschfläche geschaffen.
Durch die Zuführung
des Dampfes am oberen Ende kann der Dampf in der Rohrschlange von
oben nach unten strömen
und dabei kondensieren. Das entstehende Kondensat hindert den Dampf
bei dieser vorteilhaften Strömungsführung nicht
an dessen Ausbreitung im Wärmetauscher,
das Kondensat fließt
nach unten aus dem Wärmetauscher
ab, bevorzugt somit am unteren Ende desselben.
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Der
Wasserbehälter,
der den Wärmetauscher
aufnimmt, kann an einem unteren Bereich einen Wasserzulauf und an
einem oberen Bereich einen Wasserablauf aufweisen. Durch diese Ausgestaltung
kann am unteren Bereich kaltes Wasser in den Wasserbehälter eingebracht
und am oberen Bereich warmes Wasser entnommen werden. Vorteilhaft
wird das unten eingebrachte kalte Wasser durch den von oben in den
Wärmetauscher
eingeführten heißen Dampf
in einer Gegenströmung
erwärmt.
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Die
Rohrschlange kann am unteren Ende einen Kondensatablauf aufweisen,
welcher eine Trennwand durchgreift, die den Wasserbehälter in
einen wärmetauscherseitigen
Raum und einen Kondensatraum aufteilt. Im wärmetauscherseitigen Raum ist der
Bereich des Wärmetauschers
aufgenommen, der sich im Wasserbad befindet und mit dem Wasserbad in
Wärmekontakt
tritt. Durch diese Ausgestaltung wird verhindert, dass in der Rohrschlange
kondensiertes Wasser die Effizienz des Wärmetauschers vermindert, nämlich mit
dem zu erwärmenden
Wasser im Wasserbehälter
in Wärmekontakt
tritt. Das Kondensat kann überdies
gesammelt werden und dem Zwei-Phasen-Behälter bedarfsweise zugeführt werden.
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Hierzu
kann der Kondensatraum mit einer Ventilsteuerung strömungsverbunden
sein, welche das Kondensat dem Zwei-Phasen-Behälter bedarfsweise zuführt. Die
Ventilsteuerung kann ein Magnetventil umfassen, welches außerhalb
des Wasserbehälters
und des Zwei-Phasen-Behälters
positioniert ist. Durch das Magnetventil kann der Kondensatraum mit
dem Zwei-Phasen-Behälter
strömungsverbunden werden.
Das Kondensat kann im Kreislauf gefördert werden und erneut verdampft
werden.
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Hierfür kann der
Zwei-Phasen-Behälter
eine Verdampferrohrzuleitung aufweisen, welche mit einem Ende in
einer Pegelhöhe
in den Zwei-Phasen-Behälter
hineinragt und mit ihrem anderen Ende mit einem Verdampferrohr im
Wesentlichen axial fluchtet. Dabei kann die Verdampferrohrzuleitung
in das Verdampferrohr hineinragen, um Leckagen und Kondensataustritte
zu vermeiden. Die Verdampferrohrzuleitung erlaubt, Kondensat aus
dem Zwei-Phasen-Behälter
nach Überschreiten
einer Pegelhöhe dem
Verdampferrohr im Wärmespeicherblock
zuzuleiten. Das Kondensat wird dann erneut verdampft und dem Kreislauf
zugeführt.
Die Pegelhöhe
kann durch die Ventilsteuerung beeinflusst werden, indem nämlich Kondensat
aus dem Kondensatraum in den Zwei-Phasen-Behälter
eingeleitet wird.
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Die
Wärmespeicherblöcke sind
quaderförmig,
insbesondere quaderförmiglänglich,
gestaltet, wobei die Verdampferrohre aus Stahl oder aus einem anderen
Werkstoff bestehen sowie das flüssige
Kondensat Wasser ist, so dass beim Verdampfen Wasserdampf entsteht
und das Kondensat in einem Kreislauf geführt ist. Der Wärmespeicher
ist somit dergestalt konzipiert, dass die Wärmespeichermasse in Form eines
Quaders oder Würfels
geformt ist, in dessen Mitte wenigstens ein Rohrstück eingebracht ist,
welches an einem Ende, bevorzugt das untere Ende, verschlossen ist.
Am Rohrstück
sind Blechstücke
seitlich angeschweißt,
um die Wärmeleitung
von der Speichermasse zum Rohr zu vergrößern.
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Die
Wärmespeichermasse
der Wärmespeicherblöcke kann
als feuerfeste Masse aus Schamottmehl und/oder gemahlenen Ziegelsteinen und/oder
zermahlenem Porzellan und/oder Beton und/oder Tonerde bestehen,
wobei innerhalb der Wärmespeicherblöcke jeweils
wenigstens ein Verdampferrohr eingebettet ist, welches an seinem
unteren Ende verschlossen und an seinem oberen Ende zum Einführen des
Kondensats offen ist. Die Wärmespeichermasse
wird aus Schamottmehl und/oder aus gemahlenen Ziegelsteinen und/oder
aus zermahlenem Porzellan und/oder aus üblichem Beton angefertigt,
wobei der Zement, welcher für
die feuerfesten Baustoffe vorgesehen ist, vermischt wird. Durch
die Wasserzugabe wird der feuerfeste Mörtel angefertigt. In einer
speziell geformten Schalung wird der feuerfeste Mörtel eingegossen,
um quaderförmige
Wärmespeicherblöcke herzustellen.
In der Mitte des Quaders wird das Rohrstück, das an einem Ende verschlossen
ist, eingebracht und mit der feuerfesten Masse fest verbunden.
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Die
Verdampferrohre können
mit Stahldraht armiert sein. Hierdurch ist ein guter Wärmekontakt zwischen
den Verdampferrohren und der Wärmespeichermasse
erzielbar.
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Zur
Speicherung von Wind- und/oder Sonnenenergie können die Wärmespeicherblöcke Kanäle aufweisen,
in die je ein elektrischer Heizstab eingebettet ist zur Aufheizung
der Wärmespeicherblöcke auf
eine Temperatur von vorzugsweise zwischen 900°C bis 1.200°C. Falls die Wärmespeichermasse für die Speicherung
der elektrischen Energie benutzt wird, sind seitlich auf bestimmten
Quaderhöhen
Kanäle
für den
Heizstab vorgesehen, in die die Heizstäbe eingebettet werden können.
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Mehrere
Wärmespeicherblöcke können durch
Ventile oder Verrohrungen hintereinander oder parallel geschaltet
sein. In einen ersten Wärmespeicherblock
einer solchen Kette kann Wasser eingeleitet und verdampft werden.
Da die Wärmespeicherblöcke in Reihe
angeordnet sind, kann der Dampf stufenweise weiter erwärmt („überhitzt”) werden.
Da ein aus gängigen
und preisgünstigen
Materialien hergestellter, hier beschriebener Wärmespeicherblock bis mindestens
900°C erhitzt
werden kann, kann auf diese Weise Dampf mit mehr als 400°C hergestellt
werden. Es ist im Wesentlichen eine Frage der Skalierung, d. h.
wie viele solcher Wärmespeicherblock-Einheiten
jeweils zusammengeschaltet werden müssen, um damit sogar Dampfturbinen
beliebiger Größe betreiben
zu können.
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Ein
Wärmespeicherblock
kann zur momentanen Energieerzeugung nutzbar sein, während ein weiterer
Wärmespeicherblock
zur späteren
Energieerzeugung zeitgleich erwärmt
wird. Hierdurch ist ein Allzweckwärmespeicher darstellbar, bei
dem durch entsprechende Steuerung zeitgleich Energie aus geladenen
Bereichen entnommen werden kann, während andere Wärmespeicherblöcke „geladen” werden.
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Der
hier beschriebene Allzweckwärmespeicher
kann vorteilhaft gemeinsam mit einer Windkraftanlage betrieben werden.
Die Windkraftanlage kann vereinfacht werden, da sie keinen netzsynchronen Wechselstrom
erzeugen muss. Bei einer Verwendung des Allzweckwärmespeichers
müssen
lediglich die Wärmespeicherblöcke durch
den aus Windkraft gewonnen Strom erwärmt werden. Da die elektrischen
Heizstäbe
des Allzweckspeichers weitgehend unempfindlich hinsichtlich Strom-
und Frequenzschwankungen sind, reicht einfachst erzeugter, sogenannter „schmutziger” Strom
zum Laden des Allzweckwärmespeichers
völlig
aus. Das hat auch zur Folge, dass der nutzbare Windstärkenbereich
praktisch nur noch durch die mechanische Stabilität der Windkraftanlage
begrenzt wird. Die Windkraftanlage wird folglich billiger in der
Herstellung und im Betrieb wobei zugleich auch noch der Nutzungsgrad
der Windkraftanlage steigt.
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Durch
Nutzung des Allzweckwärmespeichers
kann selbst ein Gezeitenkraftwerk gleichmäßig Strom abgeben, da nur die
Primärenergie
gezeitenabhängig
schwankend erzeugt wird, diese aber durch den Wärmespeicherblock, der hier
als Puffer dient, in eine gleichmäßige und bedarfsabhängig steuerbare
Abgabe, ans Netz umgewandelt werden kann.
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Die
Anwendungsmöglichkeiten
gemäß dieser
Erfindung sind in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht.
Dabei zeigen:
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1 einen
Allzweckwärmespeicher
des Stands der Technik mit einem Wärmespeicherblock, der auch
bei dem Allzweckspeicher gemäß den 2 und 3 zum
Einsatz kommt,
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2 eine
Schnittansicht eines Allzweckwärmespeichers,
der auf den in 1 gezeigten Wärmespeicherblock
aufgesetzt ist,
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3 eine
Schnittansicht eines Allzweckwärmespeichers
gemäß 2,
wobei die Schnittebene gegenüber 2 verändert ist
und
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4 eine
vergrößerte Abbildung
des Zwei-Phasen-Behälters
gemäß 3.
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1 zeigt
einen Allzweckwärmespeicher, wie
er in der
WO 2008/135100
A1 vorgeschlagen ist. Ein Wärmespeicherkessel gemäß der
1 ist
ein rechtwinkliger bzw. quaderförmiger
Behälter
1,
der mit Wärmespeicherblöcken
2,
in Form von Quadern, befüllt
ist, dergestalt, dass die Wärmespeicherblöcke
2 nebeneinander
gestellt sind und praktisch den ganzen Innenraum des Behälters
1 ausfüllen. Die
Wärmespeicherblöcke
2 bilden
eine Wärmespeichermasse,
wobei der Behälter
1 mit
einer Wärmedämmung
19 isoliert
ist.
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Oberhalb
der Wärmespeicherblöcke 2 ist
ein Kondensatsammelbehälter 3 vorgesehen,
in den ein Wärmetauscher 4 eingebaut
ist. Die Verbindung zwischen dem Kondensatsammelbehälter 3 und
einem Dampfraum 5, in dem sich der Kondensatsammelbehälter 3 und
der Wärmetauscher 4 befinden,
erfolgt mittels Rohrleitungen 6. Ein Magnetventil 7 und
ein nachfolgendes Nadelventil 8, die in den Rohrleitungen 6 angeordnet
sind, dienen zur Regelung der Wärmeleistung;
das Nadelventil 8 dient zur Feineinregelung des Kondensatdurchflusses
durch die Rohrleitungen 6.
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Mittels
elektrischen Heizstäben 9 wird
mit elektrischem Strom die Wärmespeichermasse
aufgewärmt,
wobei die elektrische Heizstäbe 9 vorzugsweise
die Wärmespeichermasse
waagrecht durchdringen. Eine Trennplatte 10, die aus rostfreiem
Stahl angefertigt ist, dient zum Trennen des Wärmespeicherraumes vom darüber befindlichen
Dampfraum 5, um die Befeuchtung der Wärmespeichermasse zu verhindern,
die somit dampf- und wasserdicht abgeschottet ist. Der Dampfraum 5 ist
mittels einer Deckhaube 11 luftdicht verschlossen, auf
der im oberen Bereich eine Revisionsöffnung 12 vorgesehen
ist. Eine Verschlussschraube 13 zum Verschließen der Revisionsöffnung 12 dient
bei der ersten Inbetriebnahme des Wärmespeichers oder Wärmespeicherkessels
der Kontrolle der Dampfbildung.
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Der
Dampfraum 5 ist mittels eines U-Rohres 14, in
Form von vertikal stehenden, kommunizierenden Röhren, mit der Atmosphäre verbunden.
Das U-Rohr 14 ist mit Wasser gefüllt, wobei die Wassersäule im U-Rohr 14 die
Dichtigkeit des Dampfraumes 5 sichert. Der Behälter 1 des
Wärmespeichers
ist auf Trägerprofilen 15 aufgestellt,
der Raum zwischen dem Behälter 1 und
dem Boden ist mit einem Wärmedämmstoff
isoliert.
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Die
Trägerprofile 15 dienen
dazu, die heiße Wärmespeichermasse
in einem bestimmten Abstand zum Boden zu halten, wodurch verhindert
wird, dass sich Wärmebrücken bilden
und der Boden beschädigt
wird.
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Die
an ihrem unteren Ende verschlossenen Verdampferrohre 17 sind
mit Stahldraht 17a zur Erzielung eines guten Wärmekontaktes
zwischen den Verdampferrohren 17 und der Wärmespeichermasse armiert.
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Wasserauffangschalen 18 dienen
als Puffer für
eine eventuelle Wasserbildung im Verdampfungsraum 5. Seitlich
an den Segmenten eines Wärmespeicherblocks 2 der
Wärmespeichermasse
sind Kanäle
oder Nuten eingegossen, die dazu dienen, die Heizstäbe 9 einzubetten.
Wenn zwei Wärmespeicherblöcke 2 nebeneinander
aufgestellt sind, bilden die Kanäle
zweier benachbarter Wärmespeicherblöcke 2 jeweils
Kreisquerschnitte zur Aufnahme der Heizstäbe 9.
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Die
in 1 beschriebenen und gezeigten Wärmespeicherblöcke 2 mit
Verdampferrohren 17 sind der Übersichtlichkeit halber in
den 2 und 3 nicht mehr detailliert dargestellt,
sind jedoch ausdrücklich
in allen Ausgestaltungen auch Gegenstand des erfindungsgemäßen Allzweckwärmespeichers.
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Die 2 und 3 zeigen
Schnittansichten eines erfindungsgemäßen Allzweckwärmespeichers
zur Speicherung verschiedener Arten von Energie, wie erneuerbare
Energie, Wind- oder Sonnenenergie, Nachtstrom sowie Stromenergie
im Allgemeinen, als auch Energie aus festen, gasförmigen und/oder
flüssigen
Brennstoffen, von Energie aus Biomasse sowie von Abfallwärme aus
der Industrie, wobei die Energiespeicherung in Wärmespeicherblöcken 2 erfolgt,
in denen durch die Energiespeicherung erhitzbare Verdampferrohre 17 eingebettet
sind, in die ein flüssiges
Kondensat in einer vorgegebenen Menge einzutropfen imstande ist,
wodurch sich in den Verdampferrohren 17 Dampf bildet, dessen
Wärmeinhalt
für Heizzwecke
oder Sekundärenergieerzeugung
nutzbar ist. Es ist ein Wärmetauscher 4 vorgesehen,
durch welchen der Dampf geführt
ist. Der Wärmetauscher 4 ist
in einem Wasserbehälter 20 aufgenommen
und steht mit dem Wasserbad in Kontakt und ist vorzugsweise vollständig von
dem zu erwärmenden
Wasser umgeben. Der Dampf ist derart durch den Wärmetauscher 4 geführt, dass
im Wärmetauscher 4 entstehendes
Kondensat aus dem Wärmetauscher 4 heraus
nach außerhalb
des Wärmetauschers 4 abfließt. Daher
befindet sich nahezu ausschließlich
heißer
Dampf innerhalb des Wärmetauschers 4.
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Zum
Beispiel weist der Wasserbehälter 20 ein
Volumen von 4000 cm3 auf. Der Wasserbehälter 20 nimmt
ein Wasserbad aus Brauchwasser für
den Wärmetauscher 4 auf.
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Der
Wärmetauscher 4 ist
als wendelförmige Rohrschlange
mit einem unteren Ende 21 und einem oberen Ende 22 ausgebildet,
wobei der Dampf der Rohrschlange an deren oberen Ende 22 zuführbar ist und
das Kondensat am unteren Ende 21 ausläuft; vorzugsweise ist somit
die Rohrschlange aufrecht innerhalb des Wärmetauschers 4 gehaltert.
Es können auch
andere Wärmetauscher,
wie zum Beispiel Nadelwärmetauscher,
verwendet werden; es sollte nur in vorteilhafter Weise sicher gestellt
sein, dass bevorzugt der Dampfeinlass oberhalb des Kondensat- oder
Restdampfauslasses liegt.
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Die
Rohrschlange besteht zum Beispiel aus einem 4000 mm langen Rohr
mit einem Innendurchmesser von 3 mm; die Rohrschlange weist ein
Volumen von 28,3 cm3 auf. Durch die Ausgestaltung
des Wärmetauschers 4 als
Rohrschlange wird eine sehr große
Wärmeaustauschfläche geschaffen.
Durch die Zuführung
des Dampfes am oberen Ende 22 kann der Dampf in der Rohrschlange
von oben nach unten strömen
und dabei kondensieren. Das entstehende Kondensat hindert den Dampf
bei dieser vorteilhaften Strömungsführung nicht
an dessen Ausbreitung im Wärmetauscher 4.
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Der
Wasserbehälter 20,
der den Wärmetauscher 4 aufnimmt,
weist an einem unteren Bereich 23 einen Wasserzulauf 24 und
an einem oberen Bereich 25 einen Wasserablauf 26 auf.
Durch diese Ausgestaltung kann am unteren Bereich 23 kaltes
Wasser in den Wasserbehälter 20 eingebracht
und am oberen Bereich 25 warmes Wasser entnommen werden. Vorteilhaft
wird das unten eingebrachte kalte Wasser durch den von oben in den
Wärmetauscher 20 eingeführten heißen Dampf
in einer Gegenströmung
erwärmt.
Der Wasserbehälter 20 ist
als Wasserkessel ausgestaltet und nimmt die Rohrschlange vollständig auf.
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Der
Wasserbehälter 20 ist
oberhalb eines Zwei-Phasen-Behälters 27 positioniert,
wobei der Zwei-Phasen-Behälter 27 oberhalb
des Wärmespeicherblocks 2 mit
Verdampferrohren 17 angeordnet ist, welche in den Zwei-Phasen-Behälter 27 hineinragen.
Der Zwei-Phasen-Behälter 27 hat
ein Volumen von 150 cm3. Im Zwei-Phasen-Behälter 27 können sich
zwei Phasen, nämlich
eine Flüssigphase und
eine Gasphase des Wassers ausbilden. Dampf kann aus den Verdampferrohren 17 in
den Zwei-Phasen-Behälter 27 einströmen und
von dort nach oben zum Wärmetauscher 4 gelangen,
der im Wasserbehälter 20 angeordnet
ist. Dabei wird die natürliche Ausbreitungsrichtung
des Dampfes ausgenutzt.
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Hierzu
ist der Zwei-Phasen-Behälter 27 durch
eine in ihn ragende Rohrverbindung 28 mit dem oberen Ende 22 der
wendelförmigen
Rohrschlange strömungsverbunden.
Der Dampf aus dem Zwei-Phasen-Behälter 27 ist durch
diese Rohrverbindung 28 definiert in den Wärmetauscher 4 führbar.
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Die
Rohrschlange des Wärmetauschers 4 weist
am unteren Ende 21 einen Kondensatablauf 29 auf,
welcher eine Trennwand 30 innerhalb des Wasserbehälters 20 durchgreift,
die den Wasserbehälter 20 in
einen wärmetauscherseitigen,
mit Brauchwasser gefüllten
Raum 31 und einen Kondensatraum 32 aufteilt, in
welchem sich kein Brauchwasser befindet. Im wärmetauscherseitigen Raum 32 ist
der Bereich des Wärmetauschers 4 aufgenommen,
der sich im Wasserbad befindet und mit dem Wasserbad in Wärmekontakt
tritt. Durch diese Ausgestaltung wird verhindert, dass in der Rohrschlange
kondensiertes Wasser die Effizienz des Wärmetauschers 4 vermindert,
nämlich
mit dem zu erwärmenden
Brauchwasser im Wasserbehälter 20 in
Wärmekontakt
tritt. Das Kondensat wird innerhalb des wärmetauscherseitigen Raums 32 gesammelt
und dem Zwei-Phasen-Behälter 27 bedarfsweise
zugeführt.
Der Kondensatraum 32 weist zum Beispiel ein Volumen von 100
cm3 auf.
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Hierzu
ist der Kondensatraum 32 mit Rohren und einer Ventilsteuerung 33 strömungsverbunden, welche
das Kondensat dem Zwei-Phasen-Behälter 27 bedarfsweise
zuführen,
wobei die Ventilsteuerung 33 eine Dosierung des Kondensats
durchzuführen imstande
ist. Die Ventilsteuerung umfasst ein Magnetventil, welches vorzugsweise
außerhalb
des Wasserbehälters 20,
des Kondensatraums 32 und des Zwei-Phasen-Behälters 27 positioniert
ist. Durch das Magnetventil kann der Kondensatraum 32 mit
dem Zwei-Phasen-Behälter 27 strömungsverbunden
werden. Das Kondensat kann dadurch im Kreislauf gefördert werden
und erneut verdampft werden.
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Hierfür weist
der Zwei-Phasen-Behälter 27 eine
Verdampferrohrzuleitung 34 auf, welche mit ihrem oberen
Ende 35, vorzugsweise oberhalb der Pegelhöhe des Kondensats,
in den Zwei-Phasen-Behälter 27 hineinragt
und mit ihrem unteren Ende 36 mit einem Verdampferrohr 17 axial
fluchtet, nämlich in
dieses hineinragt. Dabei ragt die Verdampferrohrzuleitung 34,
vorzugsweise wenigstens teilweise, in das Verdampferrohr 17 hinein,
um Leckagen und Kondensataustritte zu vermeiden. Die Verdampferrohrzuleitung 34 erlaubt,
Kondensat aus dem Zwei-Phasen-Behälter 27 nach Überschreiten
einer Pegelhöhe
dem Verdampferrohr 17 im Wärmespeicherblock 2 zuzuleiten.
Das Kondensat wird dann erneut verdampft und dem Kreislauf zugeführt. Die
Pegelhöhe
des Kondensats kann durch die Ventilsteuerung 33 beeinflusst
werden, indem nämlich Kondensat
aus dem Kondensatraum 32 in den Zwei-Phasen-Behälter 27 über ein
Rohrsystem 37 eingeleitet wird. Das Rohrsystem 37 wirkt
mit der Ventilsteuerung 33 zusammen.
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Innerhalb
des Zwei-Phasen-Behälters 27, der
vorzugsweise rotationssymmetrisch ist, befindet sich mittig ein
nach oben bombierter, vorzugsweise runder, Boden 38, welcher
fest mit der Boden-Innenwandung 39 des Zwei-Phasen-Behälters 27 verbunden
ist und durch welchen von unten ein freies Rohrstück 40 des
Rohrsystems 37 mittig hindurchragt, durch welches das flüssige Kondensat
aus dem Kondensatraum 32 in den Zwei-Phasen-Behälter 27 zurückfließt, wie
es den 2 und 3 zu entnehmen ist. Die Boden-Innenwandung 39 des
Zwei-Phasen-Behälters 27 ist
vorzugsweise nach unten bombiert, so dass sich dort, wo der nach
oben bombierten Boden 38 innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters 27 auf
der nach unten bombierte Boden-Innenwandung 39 aufliegt,
peripher eine ringförmig
umlaufende Fläche 41 ausbildet,
welche die tiefste Fläche 41 innerhalb
des Zwei-Phasen-Behälters 27 darstellt.
Der Boden 38 stellt somit im gezeigten Beispiel einen doppelten
Boden innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters 27 dar. Die
Verdampferrohre 17 durchstoßen die Boden-Innenwandung 39 des
Zwei-Phasen-Behälters 27 innerhalb
dieser tiefsten Fläche 41,
so dass die Verdampferrohre in äquidistanten
Abständen
um den nach oben bombierten Boden 38 herum angeordnet sein
können.
Die freien Enden der Verdampferrohre 17 ragen in den Zwei-Phasen-Behälters 27 hinein und überragen
hinsichtlich ihrer freien Länge
den nach oben bombierten Boden 38, wie es den 2 und 3 zu
entnehmen ist. Die Verdampferrohre 17 weisen direkt im
Bereich oberhalb ihres Durchstoßpunktes
innerhalb der Boden-Innenwandung 39 Löcher 42 auf, durch,
welche das sich auf der tiefsten, umlaufenden Fläche 41 sammelnde Kondensat
innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters 27 zurück in die Verdampferrohre 17 für einen
weiteren Verdampfungsprozess fließen kann.
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Das
Funktionsprinzip des Allzweckwärmespeichers
ist wie folgt:
Beim Starten des Allzweckwärmespeichers werden die elektrischen
Heizstäbe 9 eingeschaltet
und erhitzt, bis die Wärmespeichermasse
der Wärmespeicherblocke 2 eine
vorgegebene Temperatur, beispielsweise weit über der Siedetemperatur des
Wassers, vorzugsweise eine Temperatur von 800 bis 900°C, erreicht
hat. Ein Thermostat kontrolliert die Aufheiztemperatur der Wärmespeichermasse
und schaltet die Heizstäbe 9 mit
Erreichen der vorgegebenen Temperatur aus.
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Bei
Energiebedarf wird den Verdampferrohren 17, die innerhalb
der einzelnen Wärmespeicherblöcke 2 verlaufen
und an ihren unteren Enden verschlossen sind, Kondensat zugeführt. Wenn
das Kondensat, dessen Temperatur beim stationären Betrieb um 100°C beträgt, auf
die Innenfläche
der heißen
Verdampferrohre 17 tropft, verdampft es schlagartig, verlässt die
Verdampferrohre 17 über
die Verdampferrohrzuleitung 34 und das obere Ende 35 der Verdampferrohrzuleitung 34 als
Dampf in den Zwei-Phasenbehälter 27,
steigt von dort in die Rohrverbindung 28, durchläuft abwärts den
Wärmetauscher 4 und
wird anschließend
im Wärmetauscher 4 absteigend
wieder kondensiert, wobei der Dampf seine Wärme an das Wasser im Wasserbehälter 20 abgibt.
Aus dem Wasserbehälter 20 kann
erwärmtes Wasser
entnommen und beispielsweise einer Heizungsanlage zugeführt werden.
Dieser Vorgang wiederholt sich.
-
Der
Gegenstand der Erfindung ist insbesondere zur Energiespeicherung
verschiedener Arten von Energie geeignet.
-
- 1
- Behälter
- 2
- Wärmespeicherblöcke
- 3
- Kondensatsammelbehälter
- 4
- Wärmetauscher
- 5
- Dampfraum
- 6
- Rohrleitungen
- 7
- Magnetventil
- 8
- Nadelventil
- 9
- elektrische
Heizstäbe
- 10
- Trennplatte
- 11
- Deckhaube
- 12
- Revisionsöffnung
- 13
- Verschlussschraube
- 14
- U-Rohr
- 15
- Trägerprofile
- 16
- Düsen
- 17
- Verteiler-
oder Verdampferrohre
- 17a
- Armierdraht
- 18
- Wasserauffangschale
- 19
- isolierende
Mineralwolle
- 20
- Wasserbehälter
- 21
- unteres
Ende der Rohrschlange
- 22
- oberes
Ende der Rohrschlange
- 23
- unterer
Bereich des Wasserbehälters
- 24
- Wasserzulauf
- 25
- oberer
Bereich des Wasserbehälters
- 26
- Wasserablauf
- 27
- Zwei-Phasen-Behälter
- 28
- Rohrverbindung
- 29
- Kondensatablauf
- 30
- Trennwand
- 31
- wärmetauscherseitiger
Raum
- 32
- Kondensatraum
- 33
- Ventilsteuerung
- 34
- Verdampferrohrzuleitung
- 35
- oberes
Ende der Verdampferrohrzuleitung
- 36
- unteres
Ende der Verdampferrohrzuleitung
- 37
- Rohrsystem
- 38
- nach
oben bombierter, vorzugsweise runder, Boden
- 39
- Boden-Innenwandung
des Zwei-Phasen-Behälters
- 40
- Rohrstück
- 41
- tiefste,
umlaufende Fläche
innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters
- 42
- Löcher innerhalb
der Verdampferrohre