DE102009036550A1

DE102009036550A1 - Vorrichtung und Anlage zum Zwischenspeichern thermischer Energie

Info

Publication number: DE102009036550A1
Application number: DE102009036550A
Authority: DE
Inventors: Carsten Bahl; Stefan Dr. Brosig; Viktor Enoekl; Wolf-Dieter Steinmann; Thomas Dr. Voigt
Original assignee: Ed Zueblin AG; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Ed Zueblin AG; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-11-01
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2010-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zwischenspeichern thermischer Energie mit einem ersten Teilbereich (A), der von mindestens einem Rohrleitungssystem (11, 11') durchzogen ist, in dem ein Arbeitsmedium (14, 14') zur Zu- und Abführung der thermischen Energie strömt und einem zweiten Teilbereich (B), in dem ein thermisch be- und entladbares Speichermedium (6) angeordnet ist. Zur Übertragung der thermischen Energie zwischen dem Rohrleitungssystem (11, 11') und dem Speichermedium (6) während des Be- bzw. Entladens des Speichermediums (6) ist zudem ein Fluid (15) vorgesehen, das sowohl den ersten Teilbereich (A) als auch den zweiten Teilbereich (B) durchströmt, wobei das Speichermedium (6) Strömungsräume (9, 17, 18) zur Durchleitung des Fluids (15) aufweist. Die Erfindung umfasst ferner eine Anlage mit mehreren der zuvor beschriebenen Vorrichtungen. Vorteil der Erfindung ist, dass auch feste Speichermedien mit begrenzter Wärmeleitfähigkeit dennoch gleichmäßig und schnell über ihr gesamtes Volumen mit thermischer Energie be- bzw. entladen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und eine Anordnung zum Zwischenspeichern thermischer Energie gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 35.
Angesichts weltweit schwindender Primärrohstoffe als Ressourcen zur Energieerzeugung gewinnen regenerative und alternative Konzepte immer mehr an Bedeutung. Beispielhaft sei die Nutzung von Sonnenenergie in solarthermischen Kraftwerken oder die Nutzung von Abwärme industrieller Fertigungsprozesse genannt. Da diese alternativen Energieformen jedoch an die Einstrahlung der Sonne oder an bestimmte industrielle Prozesse gekoppelt sind, ist deren jederzeitige Verfügbarkeit nicht gewährleistet. Deren praktische Verwendbarkeit hängt somit in starkem Maße von der Möglichkeit ab, die zu einem bestimmten Zeitpunkt anfallende Energie zwischenspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt bereitstellen zu können. Der Speicherung thermischer Energie kommt somit eine zentrale Bedeutung bei der Entwicklung und Umsetzung alternativer Konzepte zur Energiegewinnung zu.
Bekannte Anlagen zur Speicherung thermischer Energie umfassen im wesentlichen eine Wärmequelle, beispielsweise einen Sonnenkollektor oder eine Verbrennungskraftmaschine, einen Wärmespeicher mit einem thermisch be- und entladbaren Speichermedium, und zumindest einen Wärmekreislauf zum Be- und Entladen des Wärmespeichers, bei dem ein Arbeitsmedium von der Wärmequelle zum Wärmespeicher bzw. vom Wärmespeicher zum Wärmebedarfsort strömt.
Für die Wirksamkeit des ganzen Systems ist das Speichermedium von zentraler Bedeutung. Dieses muss im wesentlichen zwei Anforderungen erfüllen, nämlich einerseits eine hohe thermische Speicherkapazität aufweisen, das heißt eine möglichst große Fähigkeit besitzen, thermische Energie pro Gewichts- und Volumeneinheit aufnehmen zu können, und andererseits sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen, das heißt die Wärme muss sich möglichst schnell im Speichermedium verteilen können.
Als Speichermedium sind bereits Flüssigkeiten bekannt, die die beiden oben genannten Kriterien erfüllen. Für den Niedertemperaturbereich bis etwa 100° eignet sich Wasser als Speichermedium, da es kostengünstig zur Verfügung steht und sich durch seine hohe thermische Speicherkapazität auszeichnet. Als Nachteil erweist sich jedoch das rasche Ansteigen des Dampfdrucks bei Temperaturen nahe 100°C, wodurch aufwändige Druckbehälter notwendig werden. Aus diesem Grund werden für höhere Temperaturbereiche Flüssigkeiten mit einem höheren Siedepunkt verwendet, wie zum Beispiel Wärmeträgeröle oder Salzschmelzen, womit jedoch eine deutliche Erhöhung der Investitionskosten verbunden ist. Durch Zirkulation des flüssigen Speichermediums ergibt sich eine konvektive Wärmeübertragung, die ursächlich ist für eine schnelle und gleichmäßige Be- und Entladung des Speichermediums.
Neben Flüssigspeichern sind auch schon Feststoffspeicher bekannt, die beispielsweise aus mineralischen Schüttstoffen, aber auch aus Stahl, Guss, Schamott oder dergleichen bestehen können. Metalle eignen sich aufgrund ihres hohen spezifischen Gewichts und der hohen Wärmeleitfähigkeit gut als Speichermedium, verursachen jedoch hohe Investitionskosten. Hingegen zeichnen sich die übrigen Materialien zwar durch eine hohes Speichervermögen aus, benötigen jedoch wegen ihrer begrenzten Wärmeleitfähigkeit verhältnismäßig viel Zeit für das Be- bzw. Entladen, so dass deren Verwendung nur bedingt möglich ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher mit einer möglichst hohen thermischen Speicherkapazität und hohen Be- und Entladeleistung anzugeben, der sowohl eine zuverlässige als auch wirtschaftliche Speicherung thermischer Energie erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 35 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass Feststoffe als Speichermedium aufgrund ihrer sich durch deren feste Struktur ergebenden einfachen Handhabung und ihrer hohen thermischen Speicherkapazität grundsätzlich zum Zwischenspeichern thermischer Energie eignen, diese Eignung jedoch wegen deren schlechterer Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Flüssigkeiten eingeschränkt ist.
Um diesen Nachteil fester Speichermedien zu kompensieren, sieht die Erfindung vor, dass das Speichermedium von einer Vielzahl von Strömungsräumen durchzogen ist, durch welche ein mit thermischer Energie beaufschlagtes bzw. beaufschlagbares Fluid strömt. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Speichermedium gleichmäßig über sein gesamtes Volumen mit thermischer Energie beschickt bzw. entladen wird. Das Wärmeleitverhalten des Speichermediums spielt nur noch eine untergeordnete Rolle, da die zurückzulegenden Wärmeleitstrecken zwischen den Strömungsräumen nur kurz sind. Auf diese Weise gelingt es der Erfindung, den sich aus der Forderung nach hoher Wärmeleitfähigkeit und der Verwendung eines festen Speichermediums ergebenden Widerspruch aufzulösen.
Gemäß der Erfindung wird der Wärmetransport ins Innere des Speichermediums von einem Fluid ausgeführt, das in einem Be- oder Entladekreislauf von einem ersten Teilbereich zu einem zweiten Teilbereich der Vorrichtung strömt, wobei im ersten Teilbereich ein Wärmetausch mit einem innerhalb eines Rohrleitungssystems geführten Arbeitsmedium stattfindet und der zweite Teilbereich das Speichermedium aufweist.
Um dabei einen möglichst effizienten Wärmeübergang vom Arbeitsmedium auf das Fluid zu erreichen, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass Arbeitsmedium und Fluid im Gegenstrom fließen.
Um Strömungsverluste im Be- und Entladekreislauf möglichst gering zu halten, sieht die Erfindung vor, durch konstruktive Maßnahmen die Wegstrecke vom ersten Teilbereich zum zweiten Teilbereich möglichst kurz zu gestalten, beispielsweise indem diese Bereiche möglichst unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind.
In diesem Sinne ist es möglich, dass der erste Teilbereich entlang einer Achse angeordnet und vom zweiten Teilbereich umgeben ist. So ergeben sich an den axialen Enden der Vorrichtung radial gerichtete Strömungswege vom ersten Teilbereich zum zweiten Teilbereich bzw. umgekehrt, die für einheitliche Strömungsverhältnisse sorgen. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere für Einzelspeicher interessant.
Eine dazu alternative Möglichkeit der Speicherausbildung sieht vor, den ersten Teilbereich entlang einer Ebene anzuordnen, wobei sich der zweite Teilbereich zumindest entlang einer Seite des ersten Teilbereichs erstreckt, vorzugsweise entlang beider Seiten. Auf diese Weise können Wärmespeicher zur Erreichung vorbestimmter Speicherkapazitäten in beliebiger Länge hergestellt werden. Solche Ausführungsformen der Erfindung eignen sich insbesondere zur Herstellung modular aufgebauter Speicheranlagen, wobei derartige Einzelspeicher sandwichartig in planparalleler Lage nebeneinander angeordnet sein können, zum parallelen Be- bzw. Entladen mit thermischer Energie oder hintereinander zum seriellen Be- bzw. Entladen.
Als Speichermedium wird ein Körper mit fester Außenfläche bevorzugt. Darunter fallen zunächst Feststoffkörper, das heißt Körper, die im Betriebszustand der Vorrichtung durch und durch einen festen Aggregatszustand aufweisen. Dies schließt jedoch nicht Speichermedien aus, bei denen der Körper mit fester Außenhülle lediglich einen Behälter darstellt, der mit einer Flüssigkeit befüllt ist. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass innerhalb der Flüssigkeit durch Konvektion ein effektiver Wärmetransport möglich ist, mit dem Vorteil das Speichermedium äußerst schnell und gleichmäßig Be- bzw. Entladen zu können. Das erlaubt den gegenseitigen Abstand der Strömungsräume größer zu wählen, wodurch sich der konstruktive Aufwand bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Speichers insgesamt verringert.
Als Speichermedium geeignete Feststoffkörper können vielfältiger Natur sein. So kann der Feststoffkörper einstückig ausgebildet sein, also aus einem Monolith bestehen. Vorteilhafterweise wird ein solcher Feststoffkörper im Zuge seiner Herstellung direkt vor Ort in seiner bestimmungsgemäßen Form gegossen. Als bevorzugter Baustoff kann beispielsweise Beton Verwendung finden, bei dem die Strömungsräume durch Einlegen von Hohlprofilen oder dergleichen hergestellt werden. Der Baustoff Beton hat den Vorteil, dass er überall und kostengünstig zur Verfügung steht und sich damit auch komplexe Formen herstellen lassen. Durch Verwendung geeigneter Zuschlagsstoffe, Zemente, Zusatzstoffe, Zusatzmittel und Beimischungen von Additiven besteht ferner die Möglichkeit, den Beton und damit das Speichermedium an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen.
Eine alternative Art, das Speichermedium aus Feststoff herzustellen, besteht in der Aneinanderfügung einer Vielzahl von Formkörpern nebeneinander und/oder übereinander. Formkörper haben den Vorteil, dass die werkseitig vorgefertigt und infolge Lagerhaltung innerhalb kürzester Zeit in großen Stückzahlen zu Verfügung gestellt werden können. Durch die werkseitige Fertigung wird eine gleichbleibend hohe Qualität der Formkörper erreicht, so dass auch ein daraus hergestelltes Speichermedium über sein ganzes Volumen einheitliche Eigenschaften besitzt. Durch das geringere Gewicht und Volumen im Vergleich zu einem einstückigen Feststoffkörper lassen sich Formkörper sowohl bei der Herstellung des Speichermediums als auch bei der Ausführung von Wartungs- und Reparaturarbeiten besser handhaben und erlauben darüber hinaus am Ende der Nutzungszeit des Speichers einen problemlosen Rückbau des Feststoffkörpers. Es ist sogar möglich, die einzelnen Formkörper nach deren Demontage in einem anderen Wärmespeicher wieder zu verwenden.
Zur Schaffung von Strömungsräumen bei einem aus Formkörpern hergestellten Speichermedium ist es gemäß der Erfindung möglich, dass jeder Formkörper durchgehende Strömungskanäle besitzt. Bei entsprechender Aneinanderfügung mehrerer Formkörper fluchten die Strömungskanäle übereinander liegender Formkörper und bilden auf diese Weise einen durchgehenden Strömungsraum.
Es ist auch möglich, die Formkörper mit oder ohne Strömungskanäle derart in eine relative Lage zueinander zu bringen, dass sich die Strömungsräume durch den Abstand zwischen den Formkörpern ergeben. Beispielsweise kann durch wechselseitig in einen Raum ragende Platten eine mäandrierende Strömung des Fluids erreicht werden. Durch die damit erreichte Verlängerung des Durchströmungswegs wird auch die Kontaktdauer zwischen Fluid und Speichermedium verlängert mit dem Ergebnis, dass ein effizienterer Wärmeübergang möglich ist.
Es ist auch denkbar, die einzelnen Formkörper durch Wahl eines geeigneten Längen-Breiten-Verhältnis mit einer ausgeprägten Längserstreckungsrichtung herzustellen. Die Formkörper können dann lagenweise übereinander gestapelt werden, wobei die einzelnen Formkörper einer Lage unter Bildung von Strömungsspalten achsparallel und im seitlichen Abstand zueinander angeordnet sind und die Formkörper zweier benachbarter Lagen über Kreuz gelegt sind. Eine solche Ausführungsform besticht durch die Einfachheit ihrer Herstellung und die Möglichkeit, durch Wahl der gegenseitigen Abstände den Strömungsraum zu vergrößern oder zu verkleinern. Gleichzeitig führt eine derartige Ausbildung des Strömungsraums zu einer Vergleichmäßigung der Fluidströmung, so dass der Feststoffkörper einheitlich mit thermischer Energie be- bzw. entladen wird.
Ganz allgemein kann durch Wahl einer geeigneten Lage der Feststoffkörper zueinander eine strömungstechnische Optimierung derart erfolgen, dass das von den Feststoffkörpern gebildete Speichermedium gleichmäßig von dem Fluid durchströmt wird. Dazu kann es notwendig sein, dass die Feststoffkörper nicht mehr parallel oder im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Eine weitere Möglichkeit der Herstellung des Feststoffkörpers besteht in der Verwendung von Schüttgut, das innerhalb eines Behälters oder als Gabione vorliegen kann. Die Zwischenräume innerhalb des Schüttguts ergeben ein kommunizierendes Leitungssystem und bilden auf diese Weise die Strömungsräume für das Fluid. Durch Wahl von Schüttgut mit geeigneter Form und Größe kann auf die Geometrie der Strömungsräume Einfluss genommen werden. Schüttgut hat zudem den Vorteil, dass ein Feststoffkörper im Wege des Aufschüttens in sehr einfacher Art und Weise hergestellt werden kann und dessen Demontage und Wiederverwertung am Ende der Nutzungsdauer möglich ist.
Als Material für die Feststoffkörper eignen sich alle Stoffe, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen und deren thermische Speicherkapazität bezogen auf das Volumen oder Gewicht möglichst groß ist. Das heißt, das Material für das Speichermedium muss in der Lage sein, möglichst viel thermische Energie aufzunehmen bzw. abzugeben und die thermische Leitfähigkeit muss ausreichen, um die vorhandene thermische Energie möglichst schnell in das Speichermedium ein- bzw. ausleiten zu können.
Dieser Forderung werden vor allem Metalle gerecht, die jedoch bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hohe Investitionskosten verursachen. Ebenfalls geeignet und aus wirtschaftlicher Sicht zu bevorzugen sind daher gemäß der Erfindung natürliche oder künstliche mineralische Stoffe, wie zum Beispiel Beton, Schamott, Gestein, Keramik, Salz und dergleichen. Um die thermische Leitfähigkeit mancher Materialien zu erhöhen, sieht die Erfindung in einer besonderen Ausgestaltung vor, in das Material des Feststoffkörpers Zusätze zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit zu geben. Dazu eignen sich beispielsweise Graphit, Bauxit, Aluminiumoxid, Metalle, Natriumchlorid oder Kaliumchlorid.
Gemäß der Erfindung liegt das Arbeitsmedium gasförmig und/oder flüssig vor und kann beispielsweise von einem Wärmeträgeröl, Wasser, Wasserdampf oder Luft gebildet sein. Das Arbeitsmedium ist innerhalb eines Rohrleitungssystems geführt, das den ersten Teilbereich durchzieht. Zur Verbesserung eines innigen Austauschs thermischer Energie zwischen dem Arbeitsmedium und dem Fluid sehen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung vor, die Oberfläche der Rohrleitungen, über welche der Wärmetausch erfolgt, mit Rippen oder Profilierungen zu versehen, so dass für den Wärmeübergang eine vergrößerte Oberfläche zur Verfügung steht. In diesem Sinne kann das Rohrleitungssystem im ersten Teilbereich in Schlaufen gelegt sein, so dass das Arbeitsmedium den ersten Teilbereich mehrmals durchströmt. Durch die damit erreichte Erhöhung der Aufenthaltsdauer des Arbeitsmediums im ersten Teilbereich ist ein besserer Wärmeaustausch mit dem Fluid möglich.
Zur vereinfachten Montage und Demontage, aber auch zu Reparatur- und Wartungszwecken erweist es sich als vorteilhaft, das Rohrleitungssystem so auszubilden, dass Zulauf und Ablauf auf einer gemeinsamen Seite liegen. Dies ermöglicht das Einschieben des vorgefertigten Rohrleitungssystems von dieser Seite, ohne dass weitere Arbeiten vor Ort notwendig sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung durchströmt das Fluid den ersten Teilbereich im wesentlichen vertikal, um eine natürliche Konvektion des Fluids innerhalb der Vorrichtung zu ermöglichen oder im Falle einer Zwangskonvektion die Kräfte aus der natürlichen Konvektion als Antrieb für den Be- und Entladekreislauf unterstützend zu nutzen.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht den Einsatz von Strömungsleiteinrichtungen zur Lenkung und/oder Regulierung der Fluidströmung vor. Da das Fluid innerhalb der Vorrichtung stets dem Strömungsweg mit geringstem Widerstand folgt, besteht die Gefahr, dass innerhalb des Speichermediums Zonen entstehen, die stärker fluiddurchströmt sind und daher intensiver mit thermischer Energie beladen werden als andere. Die sich daraus ergebende uneinheitlichen Beladung des Speichermediums über das Speichervolumen verhindert eine vollständige Nutzung der vorhandnen Speicherkapazität. Durch Strömungsleiteinrichtungen können konstruktiv bedingte lokale Unterschiede der Strömungswiderstände ausgeglichen werden, so dass auch in Bereichen mit höherem Strömungswiderstand eine ausreichende Durchströmung gewährleistet ist.
Eine andere Zielsetzung verfolgen Strömungsleiteinrichtungen, die dazu dienen, das Speichermedium sukzessive zu be- bzw. entladen, so dass Teilbereiche des Speichermediums nacheinander bis zur maximalen Speicherkapazität genutzt werden. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform besteht darin, dass bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt die volle Energieleistung eines bestimmten Teilbereichs abgerufen werden kann.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das Speichermedium zusätzlich und direkt mit thermischer Energie zu beaufschlagen. Dies geschieht erfindungsgemäß durch Einleitung eines Fluids, das unmittelbar einem industriellen Prozess entstammt, beispielsweise in Form heißer Abgase einer Verbrennungskraftmaschine oder Flüssigkeiten aus einem Kühlprozess, in die Strömungsräume des Speichermediums. Umgekehrt ist es ebenfalls möglich, das Speichermedium direkt zu entladen, indem das Fluid durch das thermisch beladene Speichermedium geführt und im weiteren ohne Zwischenschaltung eines Wärmetauschkreises einem Wärmeverbraucher zugeleitet wird.
Eine wiederum andere Ausführungsform der Erfindung weist zwei voneinander getrennte Rohrleitungssysteme auf, in denen jeweils ein Arbeitsmedium strömt. So kann das erste Rohrleitungssystem zum Beladen des Speichermediums dienen und ein dafür optimiertes Arbeitsmedium besitzen. Das zweite Rohrleitungssystem hingegen ist für den Entladevorgang des Speichermediums bestimmt und dessen Arbeitsmedium für diese Aufgabe optimiert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei zusätzliche Merkmale und Vorteile beschrieben werden. Zur Erleichterung des Verständnisses werden für gleiche oder gleich wirkende Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen des Ausführungsbeispiels gleiche Bezugszeichen verwendet.
Es zeigt
1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung,
2 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Speichermediums einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine Draufsicht auf das in 2 dargestellte Speichermedium,
4 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Speichermediums einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5 eine Draufsicht auf das in 4 dargestellte Speichermedium,
6 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7 einen Querschnitt durch die in 6 dargestellte Vorrichtung,
8 eine Schrägansicht auf eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
9 eine Schrägansicht auf eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
10 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
11 eine Schrägansicht auf eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
12 einen Längsschnitt durch eine siebte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
13 einen Längsschnitt durch eine achte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
14 einen Längsschnitt durch eine neunte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
15 einen Querschnitt durch die in 14 dargestellte Vorrichtung,
16a und b jeweils einen Längsschnitt durch eine zehnte Ausführungsform der Erfindung in unterschiedlichen Betriebszuständen,
17a und b jeweils einen Längsschnitt durch eine elfte Ausführungsform der Erfindung in unterschiedlichen Betriebszuständen,
18 einen Längsschnitt durch eine Anlage aus mehreren in Reihe geschalteten erfindungsgemäßen Vorrichtungen,
19 und 20 jeweils einen Längsschnitt durch eine Anlage aus mehreren parallel geschalteten erfindungsgemäßen Vorrichtungen,
21 eine Draufsicht auf eine Anlage mit einer Vielzahl parallel geschalteter erfindungsgemäßer Vorrichtungen, und
22 in schematischer Darstellung eine zwölfte Ausführungsform der Erfindung mit direkter Beladung des Speichermediums.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung, anhand der das erfindungsgemäße Funktionsprinzip erläutert wird. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 1, dessen Seiten 2, 3, Deckel 4 und Boden 5 einen im wesentlichen gasdichten Raum umschließen. Innerhalb des Gehäuses 1 ist der Raum gegliedert in einen ersten, mittig zwischen den Seiten 2 und 3 gelegenen zentralen Teilbereich A und in einen zweiten sich vom ersten Teilbereich A bis jeweils zu den Seitenwänden 2 und 3 erstreckenden Teilbereich B.
Der zweite Teilbereich B dient zur Aufnahme eines Speichermediums 6, das in Querrichtung unmittelbar an den ersten Teilbereich A anschließt und das in Längsrichtung unter Bildung freier Zonen 7 und 8 im lichten Abstand zum Deckel 4 und Boden 5 endet. Das Speichermedium 6 ist von einer Vielzahl vertikal verlaufender, achsparalleler Strömungsraume in Form von Strömungskanälen 9 durchsetzt.
Im ersten Teilbereich A sieht man mehrere Rohrleitungen 10, die sich achsparallel von der freien Zone 7 zur freien Zone 8 erstrecken. Die Rohrleitungen 10 sind dabei Teil eines Rohrleitungssystems 11, zu dem auch die Zuleitung 12 gehört, die im Bereich der Zone 7 an die Enden der Rohrleitungen 10 anschließt und die Ableitung 13, die im Bereich der Zone 8 einen entsprechenden Anschluss bildet. Das Rohrleitungssystem 11 ist Bestandteil eines Kreislaufs, in den eine Wärmequelle und ein Wärmeverbraucher, beispielsweise eine Dampfturbine, integriert sind. Die Pfeile 14 versinnbildlichen das Arbeitsmedium, das als gasförmiger oder flüssiger Wärmeträger das Rohrleitungssystem 11 durchströmt. Im übrigen ist das Gehäuse 1 und damit der erste Teilbereich A, der zweite Teilbereich B, die Strömungskanäle 9 sowie die freien Zonen 7 und 8 von einem durch die Pfeile 15 versinnbildlichten Fluid ausgefüllt.
Zum Beladen des Speichermediums 6 mit thermischer Energie wird das Arbeitsmedium 14 im Kreislauf an einer Wärmequelle vorbeigeführt. Die Wärmequelle kann beispielsweise von Solarkollektoren gebildet sein, die ein innerhalb des Rohrleitungssystems 11 strömendes Wärmeträgeröl auf etwa 400°C erhitzen. Über die Zuleitung 11 gelangt das auf diese Weise mit thermischer Energie beladene Arbeitsmedium 14 zu den Rohrleitungen 10, die es von der Zone 7 zur Zone 8, also von oben nach unten, durch den ersten Teilbereich A der erfindungsgemäßen Vorrichtung führen, wobei es einen Teil der thermischen Energie abgibt.
Am Ende der Rohrleitungen 10 wird das Arbeitsmedium 14 in der Ableitung 13 gesammelt und zur erneuten Beladung zurück zur Wärmequelle geführt.
Das Fluid 15 strömt innerhalb des Gehäuses 1 ebenfalls im Kreislauf und passiert dabei zunächst den ersten Teilbereich A, wo durch den Kontakt mit den von dem Arbeitsmedium 14 aufgeheizten Rohrleitungen 10 ein Wärmeübergang vom wärmeren Arbeitsmedium 14 zum kälteren Fluid 15 statt findet. So aufgeheizt gelangt das Fluid 15 nach Durchströmen der freien Zone 7 in die Strömungskanäle 9 des Speichermediums 6. Auf diese Weise transportiert das Fluid 15 thermische Energie vom Arbeitsmedium 14 ins Innere des Speichermediums 6 und gibt diese beim Durchströmen der Strömungskanäle 9 an das Speichermedium 6 ab, das dabei nach und nach mit thermischer Energie beladen wird. Nach Austritt aus den Strömungskanälen 9 strömt das Fluid 15 über die freie Zone 8 zum ersten Teilbereich A zurück.
Der Entladevorgang erfolgt auf umgekehrte Weise, wobei in den Kreislauf des Arbeitsmediums 14 ein Verbraucher zwischengeschaltet ist, beispielsweise eine Dampfturbine. Das im Kreislauf geführte Fluid 15 wird vom thermisch beladenen Speichermedium 6 aufgeheizt und transportiert die thermische Energie in den ersten Teilbereich A, wo ein Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium 14 stattfindet. Das Arbeitsmedium 14 bringt dann die thermische Energie zur Verbrauchsstelle.
Dieses Grundprinzip liegt auch den nachfolgend unter den 2 bis 21 beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zugrunde.
Die 2 bis 5 zeigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das von einem Feststoffkörper gebildete Speichermedium 6 aus Formkörpern 16 besteht. Die 2 und 3 zeigen dabei Formkörper 16 in Form von Quadern, die beispielsweise aus zementgebundenen Materialien, Ton, Schamott, Keramik oder Salzen wie zum Beispiel NaCl oder KCl hergestellt sein können. Jeder Formkörper 16 ist in vertikaler Richtung von parallel zueinander verlaufenden Strömungskanälen 17 durchzogen, die im vorliegenden Fall kreisförmigen Querschnitt besitzen, zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche jedoch auch anderen Querschnitt aufweisen oder mit in den Strömungskanal 17 überstehenden Stegen versehen sein können. Bei einem Speichermedium 6 aus Beton können die Strömungskanäle 9 beispielsweise einen Durchmesser von etwa 2 cm aufweisen. Benachbarte Strömungskanäle 9 können dabei im Dreieck im einheitlichen Abstand zwischen 3 cm und 20 cm, vorzugsweise zwischen 6 cm und 8 cm, angeordnet sein.
Zur Herstellung des Speichermediums 6 ist eine Vielzahl von Formkörpern 16 lagenweise nebeneinander und übereinander zusammengefügt, wobei Formkörper 16 benachbarter Lagen mit Versatz der vertikalen Stoßfugen angeordnet sind. Dabei wird eine relative Lage der Formkörper 16 zueinander eingehalten, bei der die Strömungskanäle 17 benachbarter Formkörper 16 fluchten. Auf diese Weise bilden die Strömungskanäle 17 der einzelnen Formkörper 16 durchgehende Strömungsräume, die das Speichermedium 6 vollständig durchsetzen.
Bei der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsform des Speichermediums 6 besitzen die einzelnen Formkörper 16 jeweils eine ausgeprägte Längserstreckungsrichtung, weisen also stab- oder riegelförmige Gestalt auf und können sowohl mit als auch ohne Strömungskanäle 17 hergestellt sein. Diese Formkörper 16 sind innerhalb des Speichermediums 6 in mehreren Lagen übereinander gestapelt, wobei die Formkörper 16 einer jeden Lage parallel und im Abstand zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise ergeben sich zwischen den einzelnen Formkörpern 16 einer Lage Strömungsspalte 18. Die Formkörper 16 zweiervertikal benachbarter Ebenen sind dabei über Kreuz gelegt, so dass auch die Strömungsspalte 18 von einer Ebene zur anderen sich kreuzen.
Der Strömungsraum eines von solchen Formkörpern 16 gebildeten Speichermediums 6 setzt sich zusammen aus einer Vielzahl parallel zueinander verlaufender Strömungsspalte 18, deren Längserstreckungsrichtung von einer Ebene zur nächsten wechselt, vorzugsweise um etwa 90°. Aufgrund der sich dabei ergebenden kreuzenden Anordnung entstehen vom Übergang einer Ebene zur nächsten punktuelle Durchtrittsöffnungen 19, die in die Strömungsspalte 18 der darauffolgenden Ebene münden. Die sich auf diese Weise ergebenden Strömungsräume bewirken eine von Ebene zu Ebene wechselnde Querverteilung des Fluids 15 in den einzelnen Strömungsspalten 18, was zu einer gleichmäßigen Beaufschlagung des Speichermediums 6 mit thermischer Energie insgesamt führt.
Die 6 und 7 offenbaren eine Ausführungsform der Erfindung mit zylindrischem Gehäuse 1, das stirnseitig durch den Deckel 4 und Boden 5 verschlossen ist. Das Gehäuse 1 besitzt Kreisquerschnitt und kann beispielsweise aus einem Betonfertigteil bestehen.
Im Gehäuseinneren dient ein einstückiger Feststoffkörper 20 als Speichermedium 6. Der Feststoffkörper 20 kann dabei vorgefertigt und im Zuge der Herstellung des Wärmespeichers als Fertigteil in das Gehäuse 1 eingesetzt werden. Alternativ ist auch eine Herstellung des Feststoffkörpers 20 vor Ort möglich, beispielsweise durch Betonieren.
Der Feststoffkörper 20 besitzt die Gestalt eines dickwandigen Hohlzylinders, wobei die Zylinderwand dem zweiten Teilbereich B und der von der Zylinderwand umschlossene Hohlraum entlang der Zylinderlängsachse dem ersten Teilbereich A entspricht. Durch Einhalten eines axialen Abstandes zum Deckel 4 und Boden 5 ergeben sich wiederum freie Zonen 7 und 8 innerhalb des Gehäuses 1.
Zur Bildung des Strömungsraums weist der Feststoffkörper 20 eine Vielzahl von achsparallel verlaufenden Strömungskanälen 17 auf, die die freie Zone 7 mit der freien Zone 8 verbinden. Wie aus 7 ersichtlich, liegen die Strömungskanäle 17 strahlenförmig auf Umfangskreisen unterschiedlicher Radien. Daraus ergibt sich zum Inneren des Feststoffkörpers 20 hin eine auf den Querschnitt bezogene größere Dichte an Strömungskanälen 17, als dies im äußeren Umfangsbereich des Feststoffkörpers 20 der Fall ist. Ein solcher Feststoffkörper 20 erreicht daher im Inneren, dem ersten Teilbereich A zugewandten Bereich zuerst seine maximale Speicherkapazität. Will man eine über den Querschnitt des Feststoffkörpers einheitliche Beladung erzielen, so ist es denkbar, den Querschnitt oder die Anzahl bzw. die Dichte der Strömungskanäle 17 in den äußeren Umfangsbereichen zu vergrößern, um dort eine intensivere Durchströmung mit Fluid 15 zu erreichen. Bei einem Speichermedium 6 aus Beton können die Strömungskanäle 17 beispielsweise einen Durchmesser von etwa 2 cm aufweisen.
Eine andere nicht dargestellte Anordnung der Strömungskanäle 17 sieht vor die auf zwei benachbarten Umfangskreisen angeordneten Strömungskanäle 17 mit einem Winkelversatz zueinander anzuordnen, so dass ein Strömungskanal 17 des ersten Umfangskreis in radialer Richtung mittig zwischen zwei Strömungskanälen 17 des zweiten Umfangskreis liegt. Daraus ergibt sich eine im Querschnitt jeweils dreieckförmige Anordnung der Strömungskanäle 17 mit einheitlichen Abständen, die im Falle von Beton als Material für das Speichermedium 6 beispielsweise zwischen 3 cm und 20 cm, vorzugsweise zwischen 6 cm und 8 cm, liegen können.
Der sich entlang der Zylinderlängsachse erstreckende erste Teilbereich A ist von achsparallelen Rohrleitungen 10 durchzogen, in denen das Arbeitsmedium 14 den Teilbereich A mehrmals durchströmt. Beschickt werden die Rohrleitungen 10 über die gemeinsame Zuleitung 12. Die Rückführung des Arbeitsmediums 14 zu einer Wärmequelle oder einem Wärmeverbraucher erfolgt über die Ableitung 13, die bei dieser Ausführungsform der Erfindung auf der gleichen Seite des Speichermediums 6 angeordnet ist wie die Zuleitung 12. So kann das Rohrleitungssystem 11 bei abgenommenem Deckel 4 mit dem von den Rohren 10 gebildeten Teil von dieser Seite in den ersten Teilbereich A axial eingeführt werden, wodurch sich Montage und Demontage der Vorrichtung ganz wesentlich vereinfachen. Die Funktionsweise der in den 6 und 7 dargestellten Ausführungsform entspricht ansonsten der unter 1 beschriebenen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 8 dargestellt. Diese besitzt ein quaderförmiges Gehäuse 1, dessen Außenseite von einer in 8 lediglich partiell angedeuteten Wärmedämmung 21 umgeben ist. Um den inneren Aufbau der Vorrichtung besser darzustellen, ist eine transparente und teilweise aufgebrochene Darstellungsart gewählt.
Das Innere des Gehäuses 1 ist wiederum in einen ersten sich in einer Ebene erstreckenden Teilbereich A und zweiten Teilbereich B gegliedert. Der zweite Teilbereich B ist von zwei plattenförmigen monolithischen Feststoffkörpern 20 gebildet ist, die sich planparallel im seitlichen Abstand gegenüber liegen und den ersten Teilbereich A sandwichartig einschließen. Die obere Stirnseite 22 und untere Stirnseite 23 des Feststoffkörpers 20 verlaufen jedoch nicht parallel zum Deckel 4 bzw. Boden 5 des Gehäuses 1, sondern bilden eine Schräge, wobei der axiale Abstand zum Gehäuse 1 in Richtung zur Mittelebene zunimmt. Auf diese Weise ergeben sich freie Zonen 7 und 8, die einen dreieckförmigen Querschnitt besitzen. Diese Ausführungsform trägt der Tatsache Rechnung, dass der Fluidstrom 15 volumenmäßig zu den Gehäuseseiten 2 und 3 hin geringer wird und durch Verkleinerung der Fließquerschnitte eine gleichmäßige Durchströmung erzeugt wird. Die beiden Feststoffkörper 20 sind wiederum von einer Vielzahl achsparalleler Strömungskanäle 9 durchzogen, die mit ihren Enden in die freie Zone 7 bzw. freie Zone 8 münden. Bei einem Speichermedium 6 aus Beton können die Strömungskanäle 9 beispielsweise einen Durchmesser von etwa 2 cm aufweisen. Benachbarte Strömungskanäle 9 können dabei im Dreieck im einheitlichen Abstand zwischen 3 cm und 20 cm, vorzugsweise zwischen 6 cm und 8 cm, angeordnet sein.
Die Feststoffkörper 20 können alternativ zu einer monolithischen Ausbildung auch von Formkörpern 16 gebildet sein, wie sie beispielsweise unter den 2 bis 5 bereits beschrieben worden sind.
Der Raum zwischen Feststoffkörpern 20 entspricht dem ersten Teilbereich A. Dort sieht man eine Zuleitung 12, die in eine in horizontalen Schleifen gelegte Rohrleitung 10 übergeht und die als Ableitung 13 aus dem Gehäuse 1 führt. Die horizontalen Abschnitte der Rohrleitung 10 besitzen den Außenumfang umlaufende Rippen 24, um durch Vergrößerung der Kontaktfläche mit dem Fluid 15 einen besseren Wärmeaustausch zu ermöglichen.
Auch bei der in 8 dargestellten Vorrichtung ist das unter 1 beschriebene Funktionsprinzip verwirklicht.
Die in 9 gezeigte Ausführungsform der Erfindung entspricht in großen Teilen der unter 8 beschriebenen, so dass das dort Gesagte gilt. Wesentliche Unterschiede ergeben sich aus der aufgelösten Bauweise des Speichermediums 6. Das Speichermedium 6 besteht aus plattenförmigen Formkörpern 16 geringer Dicke, die im zweiten Teilbereich B planparallel und im Abstand zueinander angeordnet sind. Die Strömungsräume für das Fluid 15 sind durch den lichten Abstand der Formkörper 16 gebildet, das heißt das Fluid 15 durchströmt das Speichermedium 6 zwischen den plattenförmigen Formkörpern 16. Bei Formkörpern 16 aus Beton kann die Plattendicke beispielsweise zwischen 2 cm und 10 cm, vorzugsweise zwischen 3 cm und 5 cm, liegen und der gegenseitige Abstand der plattenförmigen Formkörper 16 zwischen 1 cm und 2 cm.
Ein weiterer Unterschied betrifft den ersten Teilbereich A. Das dort verlaufende Rohrleitungssystem 11 umfasst mehrere, in vorbestimmtem Abstand achsparallel zueinander angeordnete Rohrleitungen 10, die an ihrem einen Ende über die gemeinsame als Verteiler wirkende Zuleitung 12 mit dem Arbeitsmedium 14 versorgt werden und am gegenüberliegenden Ende in die als Sammler fungierende Ableitung 13 münden. Jede Rohrleitung 10 besitzt mehrere Längsrippen 25, die vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelabständen axial entlang des Umfangs der Rohrleitungen 10 verlaufen.
10 gibt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform wieder, bei der das Gehäuse 1 und das Speichermedium 6 zylindrische Gestalt ähnlich der Ausführungsformen gemäß 6 und 7 oder aber auch einen sandwichartigen Aufbau entsprechend der Ausführungsformen gemäß 8 und 9 besitzen kann. Die Besonderheit dieser Ausführungsform besteht darin, dass der zweite Teilabschnitt B begrenzt ist von inneren Wänden 26 und den Seiten 2, 3. In dem Raum zwischen den Wänden 26 und den Seiten 2 und 3 ragen in horizontal verlaufenden, axial gestaffelten Ebenen ringscheibenförmige bzw. plattenförmige Formkörper 16, die in vertikaler Richtung wechselweise an den inneren Wänden 26 bzw. den Seiten 2 und 3 befestigt sind, und zwar derart, dass die an der inneren Wand 26 befestigten Formkörper 16 kammartig unter Einhaltung eines allseitigen Abstandes in die Zwischenräume zwischen den Formkörpern 16 der Seiten 2 und 3 hinein ragen. Durch Einhaltung eines lichten Abstandes sowohl in vertikaler Richtung zu benachbarten Formkörpern 16 als auch in dazu lotrechter Richtung zur inneren Wand 26 bzw. zu den Seiten 2 und 3 ergibt sich ein mäandrierender Strömungsraum, den das Fluid 15 bei der Be- bzw. Entladung des Speichermediums 6 durchströmt. Das Rohrleitungssystem 11 entspricht im Falle einer zylindrischen Vorrichtung dem unter den 6 und 7 beschriebenen, so dass auf den dortigen Teil der Beschreibung verwiesen wird. Im Falle einer sandwichförmigen Konstruktionsweise kann auch ein Rohrleitungssystem gemäß der 8 und 9 Verwendung finden.
Während bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung das Speichermedium 6 von einem insgesamt starren Körper gebildet ist, offenbart 11 eine Ausführungsform, bei der Schüttgut 27 zur Speicherung der thermischen Energie Verwendung findet. Zu diesem Zweck verlaufen Körbe 28 entlang der Seiten 2 und 3 und bilden auf diese Weise den zweiten Teilbereich B. Die Unterseite 29 und Oberseite 30 der Körbe 28 verlaufen zur Mitte hin mit zunehmendem Abstand zum Deckel 4 bzw. Boden 5, wodurch die freien Zonen 7 und 8 entstehen. Die Unterseite 29 ist mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen, die den Ein- bzw. Austritt des Fluids 15 ermöglichen. Die Oberseite 30 kann entsprechend ausgebildet sein oder aber auch offen bleiben. Die Körbe 28 sind jeweils mit Schüttgut 27 befüllt, das vielfältiger Natur sein kann. Beispielsweise kommen mineralische oder metallische Materialien in Frage. Die miteinander kommunizierenden Hohlräume zwischen den einzelnen Schüttgutelementen ergeben einen zusammenhängenden Strömungsraum, den das Fluid 15 zur Durchströmung nutzt.
Zur Bildung des ersten Teilbereichs A halten die Körbe 28 einen gegenseitigen Abstand ein, welcher von dem Rohrleitungssystem 11 durchsetzt ist. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs von der Rohrleitung 10 des Rohrleistungssystems 11 auf das Fluid 15 weist die Rohrleitung 10 eine Vielzahl den Rohrumfang umlaufender Rippen 31 auf.
Ein im Hinblick auf die Wärmeverteilung im Speichermedium 6 besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeigt 12 in schematischer Darstellung. Das im zweiten Teilbereich B angeordnete Speichermedium 6 wird von hohlplattenförmigen oder hohlzylindrischen Behältnissen 33 gebildet, beispielsweise von stirnseitig verschlossenen Rohren. Die Behältnisse 33 sind vorteilhafterweise dünnwandig ausgebildet und bestehen aus einem thermisch gut leitenden Material wie zum Beispiel Metall und sind mit einem bei Betriebstemperatur flüssigen Stoff wie zum Beispiel Schwefel, Flüssigsalz oder Thermoöl befüllt. Der Strömungsraum ergibt sich aus den Abständen der Behältnisse 33 untereinander. Das Gehäuse 1 mit dem ersten Teilbereich A und den Zonen 7 und 8 sowie dem Rohrleitungssystem 11 entspricht weitestgehend dem unter 1 Gesagten, so dass auf diesen Teil der Beschreibung Bezug genommen wird.
Bei einem auf diese Weise gebildeten Speichermedium 6 besteht der weitaus größte Volumenanteil aus Flüssigkeit, so dass die Wärmeverteilung innerhalb des Speichermediums 6 durch Konvektion erfolgen kann, was durch die Pfeile 34 angedeutet ist. Eine solche Ausführungsform der Erfindung kann daher sehr schnell die gespeicherte Energie zur Verfügung stellen bzw. damit beladen werden.
Die 13, 14 und 15 betreffen Maßnahmen zur Regelung und Steuerung der Fluidströmung 15 innerhalb des Gehäuses 1. Im Idealfall setzt durch geeignete konstruktive Ausbildung der Teilbereiche A und B eine natürliche Konvektion des Fluids 15 ein.
Falls die natürliche Konvektion als treibende Kraft für die Kreislaufströmung nicht ausreicht, sieht die Ausführungsform gemäß 13 vor, die Druckverhältnisse innerhalb des Gehäuses 1 durch ein oder mehrere Saug- und/oder Druckgebläse 35 zu beeinflussen. Diese können innerhalb der freien Zone 7 und/oder 8 angeordnet sein oder es münden Saug- bzw. Druckleitungen in diese Bereiche. 13 zeigt diese Maßnahme in Verbindung mit einer Ausführungsform gemäß 1, was jedoch nicht ausschließt, dass Saug- und/oder Druckgebläse 35 auch in Kombination mit den übrigen Ausführungsformen eingesetzt werden können.
Die 14 und 15 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung im Längs- und Querschnitt, bei der das Fluid 15 zum Be- und Entladen konzentriert in beliebige Teilbereiche des Speichermediums 6 geleitet werden, während der Restbereich inaktiv ist. Zu diesem Zweck ist eine blendenartige Ringscheibe 36 mit sektorförmiger Öffnung 37 (15) vorgesehen, die die Oberseite oder Unterseite des Speichermediums 6 bedeckt. Durch eine drehbare Lagerung der Ringscheibe 36 ist es möglich, die Öffnung 37 zu verstellen, so dass eine Fluidströmung 15 immer nur in dem von der Öffnung 37 freigegebenen Teilbereich des Speichermediums 6 in Gang kommt, mit dem Ergebnis einer partiellen Be- bzw. Entladung. Durch langsames kontinuierliches oder schrittweises Drehen der Ringscheibe 36 wird auf diese Weise das Speichermedium 6 nach und nach befüllt bzw. entladen, und zwar jeweils mit der maximal möglichen Wärmemenge.
Die 14 und 15 zeigen eine Umsetzung dieses Gedankens in Verbindung mit einem zylindrischen Gehäuse 1 und einer rotierenden Ringscheibe 36. Ebenso könnte bei sandwichartig ausgebildeten Ausführungsformen der Erfindung ein linear verschiebliches Element mit Öffnung zum Einsatz kommen.
Die 16a und b zeigen eine Ausführungsform der Erfindung mit zwei getrennten Wärmekreisläufen für das Arbeitsmedium 14. Man sieht ein erstes Rohrleitungssystem 11', das das mit thermischer Energie beladene Arbeitsmedium 14 zum Speichermedium 6 leitet. Dort findet ein Wärmeaustausch mit dem Fluid 15 statt, das wiederum das Speichermedium 6 belädt. Dieser Betriebszustand ist in 16a dargestellt.
16b gibt den Betriebszustand des Entladens wieder, wozu ein zweites Rohrleitungssystem 11'' mit einem Arbeitsmedium 14' befüllt ist, das sich in seiner Art vom Arbeitsmedium 14 des Beladekreislaufs unterscheiden kann. Beim Entladen des Speichers wird die im Speichermedium 6 vorhandene thermische Energie über das Fluid 15 an das Rohrleitungssystem 11'' und damit das Arbeitsmedium 14' gegeben.
Aus den 17a und b geht hervor, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch direkt mit thermischer Energie be- bzw. entladen werden kann. 17a zeigt den Beladekreislauf, bei dem ein thermisch energiereiches Fluid 15' direkt und ohne Zwischenschaltung eines Rohrleitungssystems bzw. Arbeitsmediums zum Speichermedium 6 geführt wird. Das Fluid 15' besteht beispielsweise aus den Abgasen eines Verbrennungsprozesses oder der Flüssigkeit eines Kühlkreislaufs, deren Restwärme zum Aufheizen des Speichermediums 6 genutzt werden kann. Das Fluid 15' kann auch direkt in einer thermischen Anlage wie zum Beispiel einem Sonnenkollektor erhitzt werden.
Wie die in 22 dargestellte Variante zeigt kann das Fluid 15' auch durch Wärmetausch mit einem in einem primären Wärmekreislauf geführten Arbeitsmedium 14 aufgeheizt werden. Dazu wird das Fluid 15' im Gegenstrom zum Wärmeträgermedium geführt, beispielsweise durch einen Rohr-in-Rohr-Abschnitt als Wärmetauscher 41. Als Wärmequelle im primären Wärmekreislauf kann zum Beispiel ein Sonnenkollektor 42 dienen. Das im Wärmetauscher erhitzte Fluid 15' wird dann in einem weiteren Wärmekreislauf direkt dem Speichermedium 6 aufgegeben.
In 17b ist der Entladevorgang eines solchen Wärmespeichers dargestellt, bei dem das Fluid 15' dazu genutzt wird, die thermische Energie aus dem Speichermedium 6 in das Rohrleitungssystem 11 zur weiteren Verwendung einzuleiten.
Die direkte Einleitung eines Fluids in eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mit den bereits zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, das heißt, das Speichermedium 6 wird in diesen Fällen nicht nur von dem direkt eingeleiteten Fluid 15' mit Wärme beladen, sondern auch über ein Rohrleitungssystem 11, das ein entsprechend heißes Arbeitsmedium 14 führt.
Die 18 bis 21 zeigen Anlagen, die aus zwei oder mehr der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen zusammengesetzt sind. 18 offenbart dabei eine Anordnung zweier erfindungsgemäßer Vorrichtungen, die von dem Arbeitsmedium 14 nacheinander durchflossen werden. Dies wird erreicht, indem der Ablauf 13 der zunächst durchflossenen Vorrichtung in den Zulauf 12 der nachfolgenden Vorrichtung mündet. Bei einer solchen Anordnung werden die zuerst durchströmten einzelnen Vorrichtungen zuerst mit der vollen thermischen Energie beladen, so dass dort zu einem verhältnismäßig frühen Zeitpunkt die maximale Temperatur erreicht wird und daher auch entsprechend früh wieder abgerufen werden kann.
Davon unterscheiden sich die in den 19 und 20 dargestellten Ausführungsformen durch eine Parallelschaltung der einzelnen erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die über eine gemeinsame, als Verteiler wirkende Zuleitung 12 mit Arbeitsmedium 14 versorgt werden. Von der Zuleitung 12 zweigen jeweils Rohrleitungen 10 in den ersten Teilbereich A einer jeden Vorrichtung ab. Auf der gegenüberliegenden Seite des Arbeitsmediums 6 münden die Rohrleitungen 10 in eine gemeinsame, als Sammelleitung wirkende Ableitung 13. Während in 19 die Zuleitung 12 und Ableitung 13 innerhalb des Gehäuses 1 verlaufen, zeigt 20 eine Ausführungsform, bei der die Zuleitung 12 und Ableitung 13 außerhalb des Gehäuses 1 geführt sind.
In 21 ist eine zellenartig aufgebaute Anlage zu sehen, wobei die Zellen jeweils von einer unter den 1 bis 17 beschriebenen Vorrichtung gebildet sind, die zur Bildung der Anlage in Reihen dicht nebeneinander angeordnet sind. Über großvolumige Verteilerleitungen 38, von denen aus Zuleitungen 12 zu den einzelnen ersten Teilbereichen A führen, werden die Zellen in der zuvor beschriebenen Art und Weise mit thermischer Energie beschickt und beladen. Über die Ableitungen 13 und die Sammelleitungen 39 wird das Arbeitsmedium 14 wieder zurück geführt. Auf diese Weise ergibt sich eine Parallelschaltung aller an dieselbe Verteilerleitung 38 bzw. Sammelleitung 39 angeschlossenen Zellen.
Auch eine kombinierte Reihen-/Parallelschaltung der Zellen ist möglich, beispielsweise indem das Arbeitsmedium 14 einer Sammelleitung 39 in eine Verteilerleitung 38 eingeleitet wird. Diese Variante wird durch die in 21 strichlierte Linie 40 angedeutet.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die konkreten Merkmalskombinationen der einzelnen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern auch Kombinationen von in unterschiedlichen Ausführungsformen offenbarten Merkmalen mit umfasst, sofern sie an den Sinn und Zweck der Erfindung anschließen.

Claims

Vorrichtung zum Zwischenspeichern thermischer Energie – mit einem ersten Teilbereich (A), der von mindestens einem Rohrleitungssystem (11, 11') durchzogen ist, in dem ein Arbeitsmedium (14, 14') zur Zu- und Abführung der thermischen Energie strömt, – mit einem zweiten Teilbereich (B), in dem ein thermisch be- und entladbares Speichermedium (6) angeordnet ist und – mit einem Fluid (15) das zur Übertragung der thermischen Energie zwischen Rohrleitungssystem (11, 11') und Speichermedium (6) während des Be- bzw. Entladens des Speichermediums (6) den ersten Teilbereich (A) und den zweiten Teilbereich (B) der Vorrichtung durchströmt, – wobei das Speichermedium (6) Strömungsräume (9, 17, 18) zur Durchleitung des Fluids (15) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (A) und der zweite Teilbereich (B) innerhalb der Vorrichtung unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (A) entlang einer Achse angeordnet ist und über seinen Umfang vom zweiten Teilbereich (B) umschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (A) entlang einer Ebene angeordnet ist und der zweite Teilbereich (B) im wesentlichen planparallel entlang einer Seite des ersten Teilbereichs (A), vorzugsweise entlang beider Seiten des ersten Teilbereichs (A) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Strömungsräume (9, 17, 18) begrenzenden Flächen Rippen (24, 31) oder Profilierungen zur Verbesserung des Wärmeübergangs aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (6) von mindestens einem Körper mit fester Außenfläche gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper als einstückiger Feststoffkörper (20) ausgebildet ist und die Strömungsräume von Strömungskanälen (9) oder Strömungsschlitzen im Feststoffkörper (20) gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper von einer Vielzahl aneinandergereihter Formkörper (16) mit Strömungskanälen (17) gebildet ist, und die Strömungskanäle (17) der einzelnen Formkörper (16) zusammengesetzt die Strömungsräume ergeben.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper von einer Vielzahl von Formkörpern (16) gebildet ist, die durch Anordnung in gegenseitigem Abstand Strömungsspalte (18) bilden, die zusammengesetzt den Strömungsraum ergeben.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsräume einen mäandrierenden Verlauf aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (16) eine ausgeprägte Längserstreckungsrichtung besitzen und lagenweise unter Bildung von Strömungsspalten (18) in seitlichem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Formkörper (16) benachbarter Ebenen über Kreuz gelegt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper aus Beton, Schamott, Gestein, Keramik oder einem festen Salz besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper von Schüttgut (27) gebildet ist und die Zwischenräume im Schüttgut (27) die Strömungsräume bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut (27) aus mineralischem Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mineralische Material eine einheitlichen Körnung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut (27) aus Schlacken, Metallen oder bei Betriebstemperatur festen Salzen besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut (27) in einer oder mehreren fluiddurchströmten Gabionen (28) vorliegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper bei Betriebstemperatur feste Zusätze zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise Graphit, Bauxit, Aluminiumoxid, Metalle, Natriumchlorid, Kaliumchlorid oder andere Stoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 3 W/(m·K).
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper von mindestens einem Behältnis (33) gebildet ist, das bei Betriebtemperatur des Speichermediums (6) mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (33) mit flüssigem Schwefel, Flüssigsalz oder Thermoöl gefüllt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium (14, 14') von Gas und/oder Flüssigkeit gebildet ist, vorzugsweise von Öl, Wasser, Dampf oder feuchter Luft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (10) des Rohrleitungssystems (11, 11') zumindest über einen Teil ihrer Länge in Schlaufen gelegt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (10) des Rohrleitungssystems (11, 11') an ihrer Außenseite Rippen (24, 31) oder Profilierungen zur Verbesserung des Wärmeübergangs aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Zulauf (12) und Ablauf (13) des Rohrleitungssystem (11, 11') an einer Seite des Speichermediums (6) angeordnet sind, vorzugsweise an der oberen Seite, so dass das Rohrleitungssystem (11, 11') nach dieser Seite der Vorrichtung entnehmbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (A) von dem Fluid (15) im wesentlichen vertikal durchströmt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass Fluid (15) und Arbeitsmedium (14, 14') den ersten Teilbereich (A) entgegengesetzt durchströmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, gekennzeichnet durch eine erzwungene Konvektion des Fluids (15) innerhalb der Vorrichtung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, gekennzeichnet durch eine natürliche Konvektion des Fluids (15) innerhalb der Vorrichtung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, gekennzeichnet, durch eine Kreislaufströmung des Fluids (15) zwischen dem ersten Teilbereich (A) und dem zweiten Teilbereich (B).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, gekennzeichnet durch Strömungsleiteinrichtungen zur Lenkung und/oder Regulierung der Fluidströmung (15).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (15) von einer Schwefelschmelze, Salzschmelze, Flüssigsalz, Nitratsalz, Chloriden, Luft, Helium, Wasserstoff, einem Wasserstoff-Heliumgemisch oder Dampf oder einem Wärmeträgeröl gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung neben dem Rohrleitungssystem (11, 11') mit Arbeitsmedium (14, 14') weitere Mittel zur direkten Beschickung oder Entladung des Speichermediums (6) mit thermischer Energie besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Teilbereich (A) ein weiteres Rohrleitungssystem (11') angeordnet ist, wobei das eine Rohrleitungssystem (11) zum Beladen des Speichermediums (6) mit thermischer Energie bestimmt ist und das weitere Rohrleitungssystem (11') zum Entladen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung von einer Wärmedämmung (21) umgeben ist.
Anlage zum Zwischenspeichern thermischer Energie mit mindestens zwei Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 34.
Anlage nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Vorrichtungen zum Be- und/oder Entladen des Speichermediums (6) in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind.