DE102010028676A1

DE102010028676A1 - Verfahren zur Aufnahme, Abgabe und Speicherung von Wärme sowie Latentwärmespeicher zur Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102010028676A1
Application number: DE102010028676A
Authority: DE
Inventors: Andreas Haagen; Andreas Stückle
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2011-11-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme, Abgabe und Speicherung von Wärme durch reversible Umwandlung eines Wärmespeichermediums (8, 13) zwischen seiner festen und seiner flüssigen Form als Kreislauf in einem Latentwärmespeicher (1, 20), umfassend die folgenden Schritte: • Speicherung von festem Wärmespeichermedium (8) in einem Feststoffspeicher (2), • Aufschmelzen des festen Wärmespeichermediums (8) mittels einer Heizeinrichtung (7), • Speichern des flüssigen Wärmespeichermediums (13) in einen Flüssigkeitsspeicher (3), • Transportieren des flüssigen Wärmespeichermediums (13) in einen Wärmetauscher (4, 21), • Umwandeln des flüssigen Wärmespeichermediums (13) im Wärmetauscher (4, 21) in seine feste Form, und Übertragen der hierbei frei werdenden Energie auf ein zu erwärmendes Fluid (18), • Überführen des festen Wärmespeichermediums (8) in den Feststoffspeicher (2) zur Schließung des Kreislaufs. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Latentwärmespeicher (1, 20) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme, Abgabe und Speicherung von Wärme durch reversible Umwandlung eines Wärmespeichermediums zwischen seiner festen und seiner flüssigen Form als Kreislauf in einem Latentwärmespeicher, sowie ferner einen Latentwärmespeicher zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Latentwärmespeicher sind aus dem Stand der Technik bekannt und prinzipiell in zwei verschiedene Kategorien einzuteilen, nämlich so genannte statische und so genannte dynamische Latentwärmespeicher. Beide Typen von Latentwärmespeichern arbeiten unter Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums, in der Regel der frei werdenden oder aufgenommenen Erstarrungsenthalpie des Phasenübergangs Fest-Flüssig (Erstarren/Schmelzen). Hierfür werden so genannte Phase-Change-Materials (PCM „Phasenwechselmaterialien”) verwendet, deren latente Schmelzwärme wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität speichern können. Derartige Materialien sind prinzipiell bekannt. So werden in Wärmekissen beispielsweise Salzfüllungen von Natriumacetat-Trihydrat verwendet, aber es kommen auch Glaubersalz, Alaunsalz oder Paraffin bzw. Paraffingemische zum Einsatz.
Bei statischen Latentwärmespeichern wird ein Wärmespeichermedium, beispielsweise Paraffin, in eine Kunststofffolie eingeschlossen. Der Wärmespeicher weist ein mit Wasser gefülltes Speichergefäß auf, in dem sich eine Vielzahl der vorgenannten eingeschweißten Einheiten befinden. Beim Aufschmelzen bzw. Erstarren des Paraffins wird die hierbei frei werdende bzw. aufgenommene Wärmeenergie über die Kunststofffolie in das Wasser des Speichers abgegeben bzw. beim Laden des Speichers aus diesem aufgenommen. Solche statischen Latentwärmespeicher sind beispielsweise aus der DE 12 741 829 A1 , oder der DD 23 68 62 bekannt.
Ein aus der DE 43 07 065 A1 bekannter dynamischer Latentwärmespeicher ist aus einem einzelnen Speicherbehälter mit einer in dessen Bodenbereich angeordneten Heizeinrichtung aufgebaut. Im Bodenbereich befindet sich außerdem ein Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise Wasser. Als Wärmespeichermedium wird beispielsweise Paraffin verwendet, das an kanalartigen Strukturen im oberen Bereich des Speicherbehälters haftet. Die kanalartigen Strukturen im Speicherbehälter dienen der Vergrößerung der Austauschfläche des Wärmespeichermediums.
Zum Speichern von Energie wird das Wasser mittels der Heizeinrichtung bis zum Siedepunkt erhitzt, um durch den dabei entstehenden Wasserdampf das feste Paraffin aufzuschmelzen. In dem Speicherbehälter herrscht zudem ein Unterdruck, so dass das Wasser bereits bei Temperaturen von deutlich unterhalb von 100°C siedet. Die bei dem Aufschmelzen des Paraffins vom gasförmigen Wärmeübertragungsmedium abgegebene Energie führt zu dessen Kondensation, wodurch das Wärmeübertragungsmedium wieder zurück in den Bodenbereich des Speicherbehälters zurückfließt, wo es erneut verdampft wird.
In der EP 0 733 192 B1 ist eine weitere Ausführungsform eines dynamischen Latentwärmespeichers beschrieben, der ebenfalls mit einem einzelnen Speicherbehälter, jedoch ohne Unterdruck arbeitet. Als Wärmeübertragungsmedium wird Wasser und als Wärmespeichermedium Paraffin verwendet. In dem Speicherbehälter sind mehrere, kaskadenartig übereinander angeordnete Netze vorgesehen, deren Maschenweite von oben nach unten abnimmt. Im festen Zustand des Wärmespeichermediums befindet sich das Paraffin verteilt auf diesen Netzen.
Beim Ladevorgang des Latentwärmespeichers wird das Wasser auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, über ein Rohrleitungssystem nach oben gepumpt und dort auf die kaskadenartig übereinander angeordneten Netzebenen und das hierauf befindliche Paraffin gesprüht. Das Paraffin wird dabei aufgeschmolzen und tropft anschließend gemeinsam mit dem Wasser in Bodenbereich des Speicherbehälters.
Zur Entnahme der gespeicherten Wärme wird die Mischung aus flüssigem Paraffin und Wasser vom Bodenbereich des Speicherbehälters durch die zuvor genannte Rohrleitung über kaskadenartig angeordneten Etagen gesprüht, wobei das Paraffin unter seinen Schmelzpunkt abkühlt und dadurch auf den Sieben der kaskadenartigen Etagen erstarrt.
Ein weiterer Latentwärmespeicher ist aus der DE 10 2007 049 385 A1 bekannt. Der hier beschriebene Latentwärmespeicher weist einen Behälter zur Aufnahme eines Wärmespeichermediums, beispielsweise beispielsweise Natriumacetat-Trihydrat auf, welches unmittelbar mit einem Wärmetransportmedium, beispielsweise einem Öl, überschichtet ist.
Im Betrieb wird das spezifisch leichtere Öl an der Oberfläche angesaugt, im Durchlauf erhitzt und in den Bodenbereich des Behälters unterhalb der Natriumacetat-Trihydrat-Schicht befördert. Dort wird das Öl über eine Verteilungseinrichtung in dem Natriumacetat-Trihydrat verteilt, wodurch dieses schmilzt, wodurch Wärmeenergie in dem Latentwärmespeicher gespeichert wird. Das spezifisch leichtere Öl steigt dann in der Natriumacetat-Trihydrat-Schmelze wieder zur Oberfläche und steht damit dem Kreislauf wieder zur Verfügung. Bei der Wärmeentnahme wird dem Öl Wärme entzogen, das abgekühlte Öl durch die Natriumacetat-Trihydrat-Schmelze gepumpt in der es wieder zur Oberfläche aufsteigt. Das Natriumacetat-Trihydrat erstarrt hierbei und die freiwerdende Schmelzenthalpie wird vom Öl aufgenommen.
Nachteilig bei den zuvor genannten Latentwärmetauschern ist zum einen, dass durch die Verwendung von Wasser als Wärmeübertragungsmedium die Latentwärmespeicher verhältnismäßig träge sind. Zum Speichern von Energie muss dieses Wasser zunächst erhitzt werden, bevor es mit dem eigentlichen Wärmespeichermedium interagieren kann.
Durch den direkten Kontakt zwischen Wärmespeichermedium und Wärmeübertragungsmedium ist außerdem die Bandbreite der jeweils einsetzbaren Materialien sehr begrenzt, da sie beispielsweise mit Wasser einphasige Gemische bilden können. Auch bei der Verwendung von Paraffin und Wasser müssen Additive, wie beispielsweise Schauminhibitoren oder Emulsionsbrecher zugesetzt werden, um die Ausbildung von Emulsionen oder das Schäumen zu verhindern.
Als weiterhin nachteilig hat sich bei den bislang bekannten Systemen herausgestellt, dass die Wärmeabgabe schwer steuerbar ist und insbesondere eine zeitlich konstante Wärmeabgabe schwer zu erreichen ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Latentwärmespeicher sowie die Verfahren zum Betreiben solcher Speicher dahingehend zu verbessern, dass die Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers besser steuerbar ist, insbesondere eine zeitlich konstantere Wärmeabgabe gewährleistet werden kann und darüber hinaus eine schnellere Inbetriebnahme und damit spontanere Wärmeabgabe und Aufnahme möglich ist.
Die Aufgabe wird bei der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Aufnahme, Abgabe und Speicherung von Wärme durch reversible Umwandlung eines Wärmespeichermediums zwischen seiner festen und seiner flüssigen Form als Kreislauf in einem Latentwärmespeicher, umfassend die folgenden Schritte:

• Speicherung von festem Wärmespeichermedium in einem Feststoffspeicher,
• Aufschmelzen des festen Wärmespeichermediums mittels einer Heizeinrichtung,
• Speichern des flüssigen Wärmespeichermediums in einen Flüssigkeitsspeicher,
• Transportieren des flüssigen Wärmespeichermediums in einen Wärmetauscher,
• Umwandeln des flüssigen Wärmespeichermediums im Wärmetauscher in seine feste Form, und Übertragen der hierbei frei werdenden Energie auf ein zu erwärmendes Fluid,
• Überführen des festen Wärmespeichermediums in den Feststoffspeicher zur Schließung des Kreislaufs.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch getrennte Lagerung des Wärmespeichermediums in fester bzw. flüssiger Form und der Möglichkeit, auf ein Wärmeübertragungsmedium wie beispielsweise Wasser zum Aufschmelzen des Wärmespeichermediums verzichten zu können, ein Betriebsverfahren für einen Latentwärmespeicher ermöglicht, welches die oben genannten Erfordernisse erfüllt.
Als im Rahmen der Erfindung verwendbare Wärmespeichermedien kommen im Prinzip sämtliche für Latentwärmespeicher einsetzbare Stoffe in Betracht, welche durch reversible thermodynamische Zustandsänderungen, insbesondere beim Phasenübergang Fest-Flüssig (Erstarren/Schmelzen) größere Wärmemengen aufnehmen bzw. abgeben können.
Gleichzeitig von Vorteil ist es hierbei, wenn die verwendeten Substanzen selbst eine geringe spezifische Wärmekapazität aufweisen, damit der Großteil der beim Phasenübergang frei werdenden Energie abgegeben wird und nicht lediglich zur Erwärmung des Wärmespeichermediums aufgebraucht wird. So wird zwar beispielsweise beim Erstarren bzw. Gefrieren von Wasser, also dem Phasenübergang von flüssigem Wasser zu festem Eis bei 0°C ungefähr so viel Wärme frei, wie zum Erwärmen der selben Menge Wasser von 0°C auf 80°C benötigt wird. Um größere Wärmemengen zu speichern, ist jedoch das System Wasser/Eis wegen der niedrigen Schmelztemperatur von 0°C weniger geeignet. Demgegenüber ist die Verwendung von Paraffin, bzw. Paraffingemischen, insbesondere Hartparaffin als Wärmespeichermedium mit einer Schmelztemperatur von etwa 60°C gut geeignet. Zwar liegt die beim Erstarren frei werdende Schmelzenthalpie von etwa 200 bis etwa 240 kJ/kg um etwa 30% niedriger als bei Wasser, jedoch nimmt Paraffin aufgrund seiner niedrigen spezifischen Wärmekapazität von 2,09 kJ/(K·kg) selbst weniger Wärme auf und kann deshalb insgesamt mehr Wärme abgeben als Wasser.
Weitere erfindungsgemäß geeignete Wärmespeichermedien sind Natriumacetat-Trihydrat mit einer Schmelztemperatur von etwa 58°C, Glaubersalz mit einem Schmelzpunkt von 32,5°C oder auch Alaunsalz. Ein besonderer Vorteil von Natriumacetat-Trihydrat besteht darin, dass sich hieraus leicht unterkühlte Schmelzen herstellen lassen, mit anderen Worten lässt sich eine Natriumacetat-Trihydrat-Schmelze deutlich unter seinen Erstarrungspunkt abkühlen. Hierdurch lässt sich Natriumacetat-Trihydrat in flüssiger Form auf bis zu –20°C unter Beibehaltung des flüssigen Aggregatszustandes abkühlen. Dies ist insofern vorteilhaft, da bei Einsatz einer solchen Verbindung als Wärmespeichermedium ein vorzeitiges Erstarren im als Zwischenspeicher dienenden Flüssigkeitsspeicher verhindert werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass beim Überführen eines derart unterkühlten flüssigen Wärmespeichermediums in seine feste Form die Temperatur der entstehenden festen Phase bereits deutlich unterhalb der Schmelztemperatur liegt und sich hierdurch kein Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Form des Wärmespeichermediums einstellen kann. Wird ein solches unterkühltes flüssiges Wärmespeichermedium beispielsweise in einen Wärmetauscher eingesprüht, kann auf diese Weise wirksam verhindert werden, dass die entstehenden Feststoffteilchen stark agglomerieren oder an der Innenwand des Wärmetauschers festkleben und dort endgültig erstarren.
In besonders vorteilhafter Weise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Wärmespeichermedien verwendet, bei denen die oben genannten reversiblen Prozesse im Hochtemperaturbereich stattfinden, also beispielsweise bei bis zu etwa 350°C. Hierfür kommen insbesondere Nitrat- und/oder Nitritsalze als Wärmespeichermedien zum Einsatz. Dies sind beispielsweise Alkali-Nitrate oder -Nitrite, insbesondere solche von Lithium, Natrium oder Kalium. Ebenso können Mischungen dieser Salze verwendet werden. Die Schmelzpunkte dieser Salze liegen zwischen ca. 140°C und 350°C. Derartige Wärmespeichermedien eignen sich insbesondere in Kombination mit Wasser als zu erwärmendes Fluid, welches durch Kontakt mit dem Wärmespeichermedium in Wasserdampf überführt werden kann. Zur Speicherung der Wärme in dem Latentwärmespeicher kann Wasserdampf wieder zu Wasser kondensiert werden. Der Wasserdampf hier hierbei zweckmäßigerweise unter Druck auf die gewünschte Temperatur erhitzt.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Wärmespeichermedium durch eine Ringleitung aus dem Feststoffspeicher in den Flüssigkeitsspeicher, von dort in den Wärmetauscher und dann zurück in den Feststoffspeicher gefördert. Zum Transport des Wärmespeichermediums im Kreislauf bzw. durch die Ringleitung kann wenigstens eine Fördereinrichtung verwendet werden. Als Fördereinrichtung kann prinzipiell jedwede an sich bekannte Fördereinrichtung für Feststoffe oder Flüssigkeiten verwendet werden. Zur Flüssigkeitsförderung ist beispielsweise eine Pumpe oder ein Verdichter geeignet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das flüssige Wärmespeichermedium bei Eintritt in den Wärmetauscher in ein zu erwärmendes gasförmiges Fluid, insbesondere Luft, versprüht, das den Wärmetauscher insbesondere in Gleich- oder Gegenstromrichtung zum zu erwärmenden Fluid durchströmt, wobei die bei der Erstarrung des Wärmespeichermediums freiwerdende Energie durch direkten Kontakt auf das Gas übertragen wird. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da auf diese Weise eine unmittelbare Energieübertragung zwischen Wärmespeichermedium und zu erwärmender Luft ohne Zwischenschaltung eines Übertragungsmediums vorgenommen werden kann. Dies führt zu einem schnellereren Wärmeübergang bei gleichzeitig geringeren Wärmeverlusten.
In weiter bevorzugter Weise wird das flüssige Wärmespeichermedium in Gleich- oder Gegenstromrichtung zu dem zu erwärmenden Fluid in den Wärmetauscher versprüht. Auf diese Weise kann ein besonders intensiver Wärmeübergang zwischen Wärmespeichermedium und zu erwärmendem Fluid erreicht werden. Hierbei erstarrt das Wärmespeichermedium in der Schwebe. Außerdem kann bei dieser Ausführungsform die Feinteiligkeit des Sprühnebels aus flüssigem Wärmespeichermedium während des Erstarrungsvorgangs aufrechterhalten werden, so dass das erstarrte Wärmespeichermedium in Form feinteiliger Partikel anfällt, die sich einfacher in den Feststoffspeicher überführen lassen.
In ebenfalls bevorzugter Weise kann das Wärmespeichermedium innerhalb des Wärmetauschers mit einem um seine Längsachse rotierenden Zylinder in Kontakt gebracht werden, wodurch das flüssige Wärmespeichermedium unter seinen Erstarrungspunkt abgekühlt und dabei freiwerdende Energie auf den Zylinder und von dort auf das zu erwärmende Fluid übertragen wird. Als zu erwärmendes Fluid wird zweckmäßigerweise ein Gas, insbesondere Umgebungsluft verwendet.
Das flüssige Wärmespeichermedium kann bei dieser Ausführungsform mit der Außenseite des Zylinders in Kontakt gebracht werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Wärmespeichermedium nahezu vollständig auf der Zylinderoberfläche erstarrt wovon es gezielt wieder entfernt werden kann. So wird verhindert, dass größere Mengen flüssigen Wärmespeichermediums sich beispielsweise auf der Innenwand des Wärmetauschers niederschlagen und dort erstarren, von wo sie nur schwer dem Kreislauf wieder zugeführt werden können. Das erstarrte Wärmespeichermedium kann von der Zylinderoberfläche mittels zumindest einer Abtrenneinrichtung, insbesondere mit einem Schaber oder einer Vibrationseinrichtung der Abtrenneinrichtung, entfernt werden.
Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Wärmespeichermediums auf dem Zylinder zu erzielen, kann das flüssige Wärmespeichermedium auf die Zylindermantelfläche gesprüht werden.
Um die beim Phasenübergang Flüssig/Fest des Wärmespeichermediums frei werdende thermische Energie auf das zu erwärmende Fluid zu übertragen, überströmt das zu erwärmende Fluid die Außenseite des Zylinders, wobei das zu erwärmenden Fluids vorzugsweise auf einen anderen Umfangsbereich als das Wärmespeichermedium ausgerichtet wird. Alternativ oder zusätzlich kann das zu erwärmende Fluid den Zylinder von innen durchströmen.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das flüssige Wärmespeichermedium mit der Innenseite des Zylinders in Kontakt gebracht, insbesondere gesprüht. In diesem Fall kann das zu erwärmende Fluid den Zylinder von innen in Gegenrichtung zum Wärmespeichermedium durchströmen und/oder den Zylinder von außen umströmen.
Das erstarrte Wärmespeichermedium kann allein durch die Schwerkraft aus dem Wärmetauscher in den Feststoffspeicher überführt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Zylinder im Wärmetauscher horizontal oder in einem Winkel von bis zu 45° gegenüber der Horizontalen geneigt ist, um seine Längsachse rotiert und das flüssige Wärmespeichermedium in den Zylinder eingefüllt wird, wobei es an der Innenwand des Zylinders zumindest teilweise erstarrt. Um die hierbei auf den Zylinder übertragene Energie auf das zu erwärmende Fluid zu übertragen, kann das zu erwärmende Fluid die Außenseite des Zylinders überströmen. Diese Ausführungsform ist insofern von Vorteil, weil die Verteilung des flüssigen Wärmespeichermediums zum Erstarren auf einen festgelegten Raum begrenzt werden kann, nämlich den Zylinderinnenraum. Aus dem Inneren des Zylinders lässt sich das Wärmespeichermedium leichter wieder entfernen als wenn es über den gesamten Innenraum des Wärmetauschers verteilt wäre.
Bei dieser Ausführungsform ist es weiterhin von Vorteil, wenn der Zylinder zu maximal 75% seines Innenvolumens mit dem flüssigen Wärmespeichermedium gefüllt wird, vorzugsweise zu maximal 50%, weiter bevorzugt zu maximal 40%, insbesondere zu maximal 25%. Beim Einfüllen des flüssigen Wärmespeichermediums in den rotierenden Zylinder erstarrt zumindest ein Teil des Wärmespeichermediums auf der Innenwand und wird durch die Rotationsbewegung nach oben befördert. Das an dem Zylinder, genauer gesagt an der Innenwand des Zylinders haftende, erstarrte Wärmespeichermedium kann nun mittels zumindest einer Abtrenneinrichtung, insbesondere mit einem Schaber oder einer Vibrationseinrichtung der Abtrenneinrichtung, entfernt werden. Auf diese Weise wird die Zylinderinnenwand während der Rotationsbewegung von dem anhaftenden erstarrten Wärmespeichermedium befreit. Ganz besonders bevorzugt wird in den Zylinder nur soviel Wärmespeichermedium eingefüllt, dass dieses praktisch unmittelbar erstarrt.
Eine andere Möglichkeit zur Entfernung des an dem Zylinder haftenden, erstarrten Wärmespeichermediums, welche auch in Kombination mit den zuvor genannten Abtrenneinrichtungen angewendet werden kann, besteht darin, dass zumindest der Mantel des Zylinders aus einem elastischen Material besteht und durch die Abtrenneinrichtung, insbesondere ein Walze der Abtrenneinrichtung, elastisch verformt wird, wodurch an dem Zylinder haftendes erstarrtes Wärmespeichermedium abgelöst wird. Die Walze ist vorzugsweise um ihre Längsachse drehbar gelagert bzw. rotiert um ihre Längsachse. Die Ablösung erfolgt hierbei dadurch, dass das Wärmespeichermedium nach dem Erstarren in der Regel spröde ist und durch die temporäre Deformation des Zylindermantels abgesprengt wird, beispielsweise in dem der Zylindermantel nach innen gedrückt wird.
Damit das von der bzw. den Abtrenneinrichtungen von der Zylinderinnenseite entfernte feste Wärmespeichermedium nicht innerhalb des Zylinders wieder mit dem kontinuierlich eingekühlten flüssigen Wärmespeichermedium in Kontakt tritt, wird das von der Innenseite des Zylinders entfernte erstarrte Wärmespeichermedium als festes Wärmespeichermedium mittels einer innerhalb des Zylinders vorgesehenen Führungseinrichtung, insbesondere in Form einer Rutsche, in den Feststoffspeicher überführt. Zur Reduzierung der Reibung zwischen festem Wärmespeichermedium und der Führungseinrichtung bzw. der Rutsche kann auch eine Rüttel- bzw. Vibrationseinrichtung vorgesehen werden, so dass bereits bei geringer Neigung der Führungseinrichtung bzw. der Rutsche das von der Zylinderinnenwand entfernte erstarrte Wärmespeichermedium mithilfe der Schwerkraft zurück in den Feststoffspeicher transportiert wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher zur Aufnahme, Abgabe und Speicherung von Wärme durch reversible Umwandlung eines Wärmespeichermediums zwischen seiner festen und seiner flüssigen Form, bei dem wenigstens ein Feststoffspeicher zur Aufnahme des Wärmespeichermediums in fester Form, wenigstens ein Flüssigkeitsspeicher zur Aufnahme des Wärmespeichermediums in flüssiger Form und wenigstens ein Wärmetauscher zur Erwärmung eines zu erwärmenden Fluids bei gleichzeitiger Verfestigung des Wärmespeichermediums unter Ausbildung eines Kreislaufs in Reihe geschaltet sind, wobei ferner wenigstens eine Heizeinrichtung zum Aufschmelzen des Wärmespeichermediums und zumindest eine Fördereinrichtung vorgesehen ist, mit der das Wärmespeichermedium im Kreislauf gefördert werden kann.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers ist zur Verbindung von Feststoffspeicher, Flüssigkeitsspeicher und Wärmetauscher eine Ringleitung vorgesehen.
Die Fördereinrichtung des Latentwärmespeichers kann beispielsweise als Flüssigkeitsfördereinrichtung, insbesondere in Form einer Pumpe oder eines Verdichters ausgestaltet sein. In weiter bevorzugter Weise kann der Latentwärmespeicher über wenigstens zwei Fördereinrichtungen verfügen, die zwischen Feststoffspeicher und Flüssigkeitsspeicher einerseits und zwischen Flüssigkeitsspeicher und Wärmetauscher andererseits angeordnet sind. Vorteilhafterweise sind beide als Flüssigkeitsfördereinrichtungen ausgebildet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers ist dem Wärmetauscher ein Sprühkopf zum Versprühen von flüssigem Wärmespeichermedium in den Wärmetauscher zugeordnet, um das Wärmespeichermedium mit einem den Wärmetauscher durchströmenden zu erwärmenden gasförmigen Fluid, insbesondere Luft, in direkten Kontakt zu bringen, wobei der Sprühkopf insbesondere so ausgerichtet ist, dass das flüssige Wärmespeichermedium in Gleich- oder Gegenstromrichtung zum Gas versprüht werden kann. Als Gas kann prinzipiell jedes Gas verwendet werden, beispielsweise Stickstoff, Argon, Kohlendioxid, Ammoniak, halogenierte Kohlenwasserstoffe oder andere technische Gase, die in der Klima- bzw. Kältetechnik zur Anwendung kommen. Die Verwendung von Luft ist dabei besonders vorteilhaft, da hierzu Umgebungsluft verwendet werden kann, die auf diese Weise unmittelbar erwärmt wird, so dass kein zusätzlicher Wärmetauschvorgang erforderlich ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers verfügt der Wärmetauscher über einen um seine Längsachse drehbar gelagerten Zylinder, wobei der Zylinder so ausgerichtet ist, dass das flüssige Wärmespeichermedium zum wenigstens teilweisen Erstarren mit der Zylindermantelfläche in Kontakt kommen kann. Um den Zylinder in Rotation zu versetzen, kann dieser mit einer Antriebseinrichtung, beispielsweise in Form eines Elektromotors, gekoppelt sein. Um das Wärmespeichermedium gleichmäßig auf die Oberfläche des Zylinders aufzubringen, kann dem Wärmetauscher ein Sprühkopf zugeordnet sein, mit dem flüssiges Wärmespeichermedium auf die Zylindermantelfläche gesprüht werden kann.
Um die während der Erstarrung des Wärmespeichermediums frei werdende Energie auf das zu erwärmende Fluid zu übertragen, kann der Strom des zu erwärmenden Fluids auf die Außenseite des Zylinders, insbesondere auf einen anderen Umfangsbereich als das Wärmespeichermedium und/oder auf den Zylinderinnenraum gerichtet sein. Vorzugsweise kann der Strom des zu erwärmenden Fluids auf die zur Einspeisungsrichtung des Wärmespeichermediums gegenüberliegende Zylindermantelfläche gerichtet sein.
Es liegt ebenso im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass das flüssige Wärmespeichermedium mit der Innenseite des Zylinders in Kontakt gebracht werden kann. Zur Gewinnung der frei werdenden Energie kann der Strom des zu erwärmenden Fluids auf die Innenseite des Zylinders entgegen der Richtung des Wärmespeichermediums und/oder auf die Außenseite des Zylinders gerichtet sein.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers kann der Zylinder als Hohlzylinder ausgestaltet und horizontal oder in einem Winkel von bis zu 45° gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet sein wobei in dessen einer Stirnfläche eine Einlassöffnung für flüssiges Wärmespeichermedium und in der gegenüber liegenden Stirnfläche eine Auslassöffnung für erstarrtes Wärmespeichermedium vorgesehen ist. Zur Übertragung der bei der Erstarrung des Wärmespeichermediums frei werdenden Energie auf das zu erwärmende Fluid kann die Außenseite des Zylinders von dem zu erwärmenden Fluid überströmt werden.
Die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers, welche über einen Zylinder verfügen, können in weiter bevorzugter Weise so ausgestaltet sein, dass dem Zylinder zumindest eine Abtrenneinrichtung zum Entfernen von am Zylinder haftenden, erstarrten Wärmespeichermedium zugeordnet ist. Zu diesem Zweck kann die Abtrenneinrichtung einen Schaber oder eine Vibrationseinrichtung umfassen.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher kann in weiterer vorzugsweiser Ausgestaltung in der Weise ausgeführt sein, dass zumindest der Mantel des Zylinders aus einem elastischen Material besteht und die Abtrenneinrichtung derart ausgestaltet und positioniert ist, dass sie den Mantel des Zylinders elastisch verformen, insbesondere eindrücken kann, um auf der Zylinderinnenseite haftendes, erstarrtes Wärmespeichermedium abzulösen. Eine solche Anordnung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Abtrenneinrichtung eine parallel zum Zylinder ausgerichtete und vorzugsweise um ihre Längsachse drehbar gelagerte Walze aufweist. Zweckmäßigerweise wird der Abstand der Längsachsen von Zylinder und Walze zueinander so gewählt, dass er geringer ist als die Summe der Radien des Zylinders und der Walze.
Um von der Innenseite des Zylinders abgelöstes erhärtetes Wärmespeichermedium aus dem Zylinder zu entfernen, kann innerhalb des Zylinders eine Führungseinrichtung, insbesondere in Form einer Rutsche vorgesehen sein, mit der das feste Wärmespeichermedium in den Feststoffspeicher überführt werden kann. In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Feststoffspeicher hierzu unterhalb des Wärmetauschers angeordnet, so dass das vom Wärmetauscher abgelöste feste Speichermedium allein durch die Schwerkraft in den Feststoffspeicher überführbar ist. Die Führungseinrichtung bzw. die Rutsche kann hierzu eine entsprechende Neigung aufweisen. Zur Kompensation der Gleitreibung und zur Erhöhung der Transportgeschwindigkeit des festen Wärmespeichermediums auf der Führungseinrichtung kann diese mit einer Rüttel- oder Vibrationseinrichtung versehen sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers kann der Feststoffspeicher verschlossen werden, insbesondere mit der Führungseinrichtung. Hierzu kann die Führungseinrichtung an einem Scharnier kippbar befestigt sein, so dass sie den Feststoffspeicher wie eine Falltür verschließt. Besonders Zweckmäßig ist dies in Kombination mit der zuvor beschrieben Ausführungsform eines Wärmetauschers, dem ein Sprühkopf zum Versprühen von flüssigem Wärmespeichermedium in den Wärmetauscher zugeordnet ist. Wenn das flüssige Wärmespeichermedium über die Düse in den Wärmetauscher versprüht wird, ist der Feststoffspeicher geöffnet, so dass die erstarrten Partikel des Wärmespeichermediums unmittelbar in den Feststoffspeicher fallen. Während des Speicherbetriebs, bei dem festes Wärmespeichermedium im Feststoffspeicher aufgeschmolzen wird, ist der Feststoffspeicher verschlossen, sodass keine Wärme nach außen entweichen kann.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers verfügt der Feststoffspeicher über eine für das feste Wärmespeichermedium undurchlässige, jedoch das flüssige Wärmespeichermedium durchlässige Rückhalteeinrichtung, die im Anschlussbereich der Verbindung zum Flüssigkeitsspeicher vorzugsweise vertikal angeordnet ist. Hierfür kann an zuvorbezeichneter Stelle beispielsweise ein Sieb angeordnet sein. Die Maschenweite des Siebes wird dabei zweckmäßigerweise so gewählt, dass dieser niedriger ist als der Partikeldurchmesser der im Feststoffspeicher befindlichen Teilchen des Wärmeträgermediums.
Wird nun in einem solchen Feststoffspeicher das feste Wärmespeichermedium durch die Heizeinrichtung aufgeschmolzen, so kann das bereits aufgeschmolzene Wärmespeichermedium durch das Sieb hindurchtreten, dadurch in den Anschlussbereich der Verbindung zum Flüssigkeitsspeicher gelangen und anschließend diesem Speicher zugeführt werden, ohne dass feste Partikel des Wärmeträgermediums mit transportiert werden.
Um ein vorzeitiges Erstarren des flüssigen Wärmespeichermediums im Flüssigkeitsspeicher zu verhindern, ist diesem in weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Heizeinrichtung zugeordnet.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung gesetzte Ringleitung ist zumindest in denjenigen Teilabschnitten, in denen flüssiges Wärmespeichermedium durch die Ringleitung transportiert wird, mit einer Wärmeisolation oder einer Heizeinrichtung ausgerüstet, um ein vorzeitiges Erstarren des flüssigen Wärmespeichermediums innerhalb der Ringleitung zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von in den 1 bis 6 dargestellten Beispielen näher beschrieben.
Hierbei zeigen
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers im Ladezyklus,
2 die erste Ausführungsform des Latentwärmespeichers aus 1 während des Entladezyklus,
3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers im Ladezyklus,
4 die zweite Ausführungsform des Latentwärmespeichers aus 3 im Entladezyklus, sowie
5 eine erste Ausführungsform eines Zylinders des Wärmetauschers und
6 eine zweite Ausführungsform eines Zylinders des Wärmetauschers.
Die in 1 dargestellte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers 1 ist aus einem Feststoffspeicher 2, einem Flüssigkeitsspeicher 3 und einem Wärmetauscher 4 aufgebaut, die über Leitungen 5, 6 unter Ausbildung eines Kreislaufs miteinander verbunden sind.
Der Feststoffspeicher 2 ist in seinem Bodenbereich mit einer Heizeinrichtung 7, beispielsweise einer elektrischen Widerstandsheizung, versehen, mit der das in dem Feststoffspeicher 2 enthaltene feste Wärmespeichermedium 8 aufgeschmolzen werden kann. Der Feststoffspeicher 2 verfügt außerdem über eine Rückhalteeinrichtung in Form eines vertikal angeordneten Siebes 9, dessen Maschenweite so gewählt ist, dass das Sieb 9 für festes Wärmespeichermedium 8 undurchlässig, hingegen durchlässig für geschmolzenes Wärmespeichermedium ist. Zwischen dem Sieb 9 und der Innenwand des Feststoffspeichers 2 ist ein vertikal verlaufender Bereich 10 ausgebildet, in den kein festes Wärmespeichermedium 8 gelangen kann. In dem Bereich 10 ist ein Anschluss für das Leitungsteilstück 5 vorgesehen, welchem eine Flüssigkeitsfördereinrichtung in Form einer Pumpe 11 zugeordnet ist, mit der im Feststoffspeicher 2 mittels der Heizeinrichtung 7 aufgeschmolzenes Wärmespeichermedium 8 in den Flüssigkeitsspeicher 3 überführt werden kann.
Der Flüssigkeitsspeicher 3 ist in seinem Bodenbereich mit einer Heizeinrichtung 12, beispielsweise mit einer elektrischen Widerstandsheizung ausgerüstet, mit der flüssiges Wärmespeichermedium 13 auf einer Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts gehalten werden kann. In der den Flüssigkeitsspeicher 3 und den Wärmetauscher 4 verbindenden Leitung 6 ist eine Flüssigkeitsfördereinrichtung 14 vorgesehen, mit der das flüssige Wärmespeichermedium 13 dem Wärmetauscher 4 zugeführt werden kann. Die Leitung 6 ist an ihrem in dem Wärmespeicher 4 hineinragenden Ende mit einer Düse 15 zum Versprühen des flüssigen Wärmespeichermediums 13 in den Wärmetauscher 4 versehen.
Der Wärmetauscher 4 verfügt über einen Einlass 16 und einen Auslass 17 für ein zu erwärmendes Fluid 18, vorliegend Umgebungsluft. Dem Wärmetauscher 4 ist ferner eine Rutsche 19 als Führungseinrichtung zugeordnet, mit dem innerhalb des Wärmetauschers verfestigtes Wärmespeichermedium 8 dem Feststoffbehälter 2 zugeführt werden kann oder diesen wie in der in 1 abgebildeten Stellung verschließt.
Während des Betriebs der in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers 1 wird mittels der Heizeinrichtung 7 das in dem Feststoffspeicher 2 befindliche Wärmespeichermedium 8 aufgeschmolzen, so dass dieses das Sieb 9 passieren kann und in den abgetrennten Bereich 10 fließt, von wo aus es über die Leitung 5 mittels der Pumpe 11 in den Flüssigkeitsspeicher 3 überführt wird. Die Heizeinrichtung 7 und die Pumpe 11 werden so lange betrieben, bis entweder das gesamte im Feststoffspeicher 2 vorgehaltene feste Wärmespeichermedium 8 aufgeschmolzen und in den Flüssigkeitsspeicher 3 überführt wurde oder bis dem Latentwärmespeicher 1 keine weitere Energie von außen zugeführt werden soll. Zur Kompensation eventueller Wärmeverluste wird der Flüssigkeitsspeicher 3 und das darin befindliche flüssige Wärmespeichermedium 13 über die Heizeinrichtung 12 beheizt und damit an der Erstarrung gehindert.
In 2 ist dargestellt, wie aus dem erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher 1 Wärmeenergie entnommen werden kann. Hierzu wird das in den Flüssigkeitsspeicher 3 vorgehaltene flüssige Wärmespeichermedium 13 über die Leitung 6 mittels der Pumpe 14 in den Wärmetauscher 4 überführt und dort über die Düse 15 versprüht. In Gegenstromrichtung zu dem versprühten Wärmespeichermedium 13 wird über den Einlass 16 in der mit dem Pfeil angedeuteten Richtung Umgebungsluft 18 durch den Wärmetauscher 4 geführt. Durch den direkten Kontakt mit der Umgebungsluft 18 erstarrt das eingesprühte flüssige Wärmespeichermedium 13 unter Erwärmung der Umgebungsluft 18, die den Wärmetauscher 4 über den Auslass 17 verlässt. Das erstarrte Wärmespeichermedium 8 wird über die Rutsche 19 in den geöffneten Feststoffspeicher 2 überführt und steht damit dem Speicherkreislauf wieder zur Verfügung.
Die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers 20 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen nur in der Gestaltung des Wärmetauschers 21. Im Übrigen bezeichnen gleiche Bezugsziffern dieselben Bauteile wie bei der in den 1 und 2 beschriebenen ersten Ausführungsform. Der in dem in 3 dargestellten Latentwärmespeicher 20 verwendete Wärmetauscher 21 verfügt über einen Zylinder 30, 40, der in den 5 und 6 in zwei verschiedenen Ausgestaltungen dargestellt ist.
In 5 ist der Zylinder 30 in Schnittdarstellung abgebildet. Der Zylinder 30 ist um seine Längsachse drehbar gelagert und mit einem aus Vereinfachungsgründen hier nicht dargestellten Antrieb versehen, mit dem der Zylinder 30 in der mit dem Pfeil angedeuteten Richtung in Rotation versetzt werden kann. Der Zylinder 30 verfügt des Weiteren in einer seiner Stirnflächen über einen nicht dargestellten Einlass für flüssiges Wärmespeichermedium 13, das gemäß den 3 und 4 aus dem Flüssigkeitsspeicher 3 über die Leitung 6 in den Zylinder 30 gefördert werden kann.
Der Zylinder 30 wird von dem zu erwärmenden Fluid in Form von Umgebungsluft 18 auf seiner Außenseite umströmt und hierdurch gekühlt. Auf der Innenseite des Zylinders 30 bildet sich eine Schicht aus erstarrtem Wärmespeichermedium 8, die durch die Rotation nach oben befördert wird. Im oberen Bereich des Zylinders 30 befindet sich eine Abtrenneinrichtung, die einen Schaber 31 umfasst, mit dem das auf der Innenseite des Zylinders 30 haftende feste Wärmespeichermedium 8 abgetrennt werden kann.
Damit das auf diese Weise entferne Wärmespeichermedium 8 nicht zurück in das im Zylinder 30 enthaltene flüssige Wärmespeichermedium 13 fällt, ist im Inneren des Zylinders 30 eine Führungseinrichtung in Form einer Rutsche 32 vorgesehen, mit dem das von der Zylinderinnenseite abgelöste Wärmespeichermedium 8 aufgefangen und durch eine der Stirnflächen des Zylinders 30 abgeführt werden kann. Die Rutsche 32 kann gewünschtenfalls mit einer Rütteleinrichtung versehen sein, um die Gleitreibung des festen Wärmeträgermediums 8 auf der Rutsche 32 zu reduzieren.
Beim Betrieb der in 5 dargestellten Ausführungsform wird so verfahren, dass der Zylinder 30 kontinuierlich mit flüssigem Wärmespeichermedium 13 bis zu einer vorgegebenen maximalen Einfüllhöhe befüllt wird. Die Einfüllhöhe wird dabei so gewählt, dass der Flüssigkeitsspiegel des Wärmespeichermediums 13 unterhalb der Rutsche 32 liegt. Durch die Rotation des Zylinders 30 wird kontinuierlich auf der Zylinderinnenseite erstarrendes Wärmespeichermedium 8 mit Hilfe des Schabers 31 abgetrennt und über die Rutsche 32 dem Feststoffspeicher 2 zugeführt.
In der 6 ist eine weitere Ausführungsform des dem Wärmetauscher 21 zugeordneten Zylinders 40 dargestellt. Auch dieser Zylinder 40 ist um seine Längsachse drehbar gelagert und kann über eine vorliegend nicht dargestellten Antriebseinrichtung in der mit dem Pfeil angedeuteten Richtung in Rotation versetzt werden. Der Mantel des Zylinders 40 besteht aus einem deformierbaren Material, vorliegend einem Kunststoff oder dünnem Stahlblech, so dass der Mantel des Zylinders 40 über eine Walze 41 durch Druckeinwirkung reversibel deformiert werden kann. Wie auch der in 5 dargestellte Zylinder 30 ist auch in dem in 6 dargestellten Zylinder 40 eine Rutsche 32 vorgesehen.
Beim Betrieb der in 6 dargestellten Ausführungsform wird wie bei dem in 5 dargestellten Zylinder 30 der Zylinder 40 über einen Einlass mit flüssigem Wärmespeichermedium 13 befüllt, welches an der Zylinderinnenwand teilweise erstarrt und dort eine Schicht festen Wärmespeichermediums 8 bildet. Diese Schicht 8 haftet an der Innenseite des Zylinders 40, wird durch dessen Rotation nach oben befördert und dort durch die mittels der Walze 41 erzeugten Deformation des Mantels des Zylinders 40 abgesprengt. Das feste Wärmespeichermedium 8 fällt auf die Rutsche 32 und wird von dort wieder dem Feststoffspeicher 2 zugeführt, wodurch der Kreislauf geschlossen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 12741829 A1 [0003]
DD 236862 [0003]
DE 4307065 A1 [0004]
EP 0733192 B1 [0006]
DE 102007049385 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Aufnahme, Abgabe und Speicherung von Wärme durch reversible Umwandlung eines Wärmespeichermediums (8, 13) zwischen seiner festen und seiner flüssigen Form als Kreislauf in einem Latentwärmespeicher (1, 20), umfassend die folgenden Schritte: • Speicherung von festem Wärmespeichermedium (8) in einem Feststoffspeicher (2), • Aufschmelzen des festen Wärmespeichermediums (8) mittels einer Heizeinrichtung (7), • Speichern des flüssigen Wärmespeichermediums (13) in einen Flüssigkeitsspeicher (3), • Transportieren des flüssigen Wärmespeichermediums (13) in einen Wärmetauscher (4, 21), • Umwandeln des flüssigen Wärmespeichermediums (13) im Wärmetauscher (4, 21) in seine feste Form, und Übertragen der hierbei frei werdenden Energie auf ein zu erwärmendes Fluid (18), • Überführen des festen Wärmespeichermediums (8) in den Feststoffspeicher (2) zur Schließung des Kreislaufs.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium durch eine Ringleitung aus dem Feststoffspeicher (2) in den Flüssigkeitsspeicher, von dort in den Wärmetauscher (4, 21) und dann zurück in den Feststoffspeicher (2) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Transport des Wärmespeichermediums (8, 13) im Kreislauf wenigstens eine Fördereinrichtung (11) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wärmespeichermedium (13) bei Eintritt in den Wärmetauscher (4, 21) in ein zu erwärmendes gasförmiges Fluid (18), insbesondere Luft, versprüht wird, das den Wärmetauscher (4, 21) insbesondere in Gleich- oder Gegenstromrichtung zum zu erwärmenden Fluid (18) durchströmt, wobei die bei der Erstarrung des Wärmespeichermediums (13) freiwerdende Energie durch direkten Kontakt auf das zu erwärmende Fluid (18) übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (13) innerhalb des Wärmetauschers (4, 21) mit einem um seine Längsachse rotierenden Zylinder (30, 40) in Kontakt gebracht wird, wodurch das flüssige Wärmespeichermedium (13) unter seinen Erstarrungspunkt abgekühlt und dabei freiwerdende Energie auf den Zylinder (30, 40) und von dort auf das zu erwärmende Fluid (18), insbesondere Luft, übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wärmespeichermedium (13) mit der Außenseite des Zylinders (30, 40) in Kontakt gebracht, insbesondere auf die Zylindermantelfläche gesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zu erwärmende Fluid (18) die Außenseite des Zylinders (30, 40), insbesondere in einem anderen Umfangsbereich als das Wärmespeichermedium (8, 13) überströmt und/oder den Zylinder (30, 40) von innen durchströmt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wärmespeichermedium (13) mit der Innenseite des Zylinders (30, 40) in Kontakt gebracht, insbesondere auf diese gesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zu erwärmende Fluid (18) den Zylinder (30, 40) von innen in Gegenrichtung zum Wärmespeichermedium (13) durchströmt und/oder den Zylinder (30, 40) von außen umströmt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Wärmespeichermedium (8) allein durch die Schwerkraft aus dem Wärmetauscher (4, 21) in den Feststoffspeicher (2) überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (30, 40) im Wärmetauscher (4, 21) horizontal oder in einem Winkel von bis zu 45° gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet wird und das flüssige Wärmespeichermedium (13) in den Zylinder (30, 40) eingefüllt wird, wobei es an der Innenwand des Zylinders (30, 40) zumindest teilweise erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zu erwärmende Fluid (18) die Außenseite des Zylinders (30, 40) überströmt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (30, 40) zu maximal 75%, vorzugsweise zu maximal 50%, weiter bevorzugt zu maximal 40%, insbesondere zu maximal 25% seines Innenvolumens, mit dem flüssigen Wärmespeichermedium (13) gefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Zylinder (30, 40) haftendes, erstarrtes Wärmespeichermedium (8) mittels zumindest einer Abtrenneinrichtung, insbesondere mit einem Schaber (31) oder einer Vibrationseinrichtung der Abtrenneinrichtung, entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Mantel des Zylinders (30, 40) aus einem elastischen Material besteht und durch die Abtrenneinrichtung elastisch verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel des Zylinders (30, 40) durch eine parallel zum Zylinder (30, 40) angeordnete und vorzugsweise um ihre Längsachse drehbar gelagerte Walze (41) der Abtrenneinrichtung elastisch verformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Innenseite des Zylinders (30, 40) entfernte erstarrte Wärmespeichermedium als festes Wärmespeichermedium (8) mittels einer innerhalb des Zylinders (30, 40) vorgesehenen Führungseinrichtung (32), insbesondere in Form einer Rutsche, in den Feststoffspeicher (2) überführt wird.
Latentwärmespeicher (1, 20) zur Aufnahme, Abgabe und Speicherung von Wärme durch reversible Umwandlung eines Wärmespeichermediums (8, 13) zwischen seiner festen und seiner flüssigen Form, bei dem wenigstens ein Feststoffspeicher (2) zur Aufnahme des Wärmespeichermediums (8) in fester Form, wenigstens ein Flüssigkeitsspeicher (3) zur Aufnahme des Wärmespeichermediums (13) in flüssiger Form und wenigstens ein Wärmetauscher (4, 21) zur Erwärmung eines zu erwärmenden Fluids (18) bei gleichzeitiger Verfestigung des Wärmespeichermediums (13) unter Ausbildung eines Kreislaufs in Reihe geschaltet sind, wobei ferner wenigstens eine Heizeinrichtung (7) zum Aufschmelzen des Wärmespeichermediums (8) und zumindest eine Fördereinrichtung (11) vorgesehen ist, mit der das Wärmespeichermedium (8, 13) im Kreislauf gefördert werden kann.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung von Feststoffspeicher (2), Flüssigkeitsspeicher (3) und Wärmetauscher (4, 21) eine Ringleitung (5, 6) vorgesehen ist.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (11) eine Flüssigkeitsfördereinrichtung, insbesondere eine Pumpe oder ein Verdichter ist.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Fördereinrichtungen (11, 14) vorgesehen sind, die zwischen Feststoffspeicher (2) und Flüssigkeitsspeicher (3) einerseits und zwischen Flüssigkeitsspeicher (3) und Wärmetauscher (4, 21) andererseits angeordnet sind.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (4, 21) ein Sprühkopf (15) zum Versprühen von flüssigem Wärmespeichermedium (13) in den Wärmetauscher (4, 21) zugeordnet ist, um das Wärmespeichermedium (13) mit einem den Wärmetauscher (4, 21) durchströmenden zu erwärmenden gasförmigen Fluid (18), insbesondere Luft, in direkten Kontakt zu bringen, wobei der Sprühkopf (15) insbesondere so ausgerichtet ist, dass das flüssige Wärmespeichermedium (13) in Gleich- oder Gegenstromrichtung zum Fluid (18) versprüht werden kann.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4, 21) über einen um seine Längsachse drehbar gelagerten Zylinder (30, 40) verfügt, wobei der Zylinder (30, 40) so ausgerichtet ist, dass das flüssige Wärmespeichermedium (13) zum wenigstens teilweisen Erstarren mit dem Zylinder (30, 40) in Kontakt gebracht werden kann.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (4, 21) ein Sprühkopf (15) zugeordnet ist, mit dem flüssiges Wärmespeichermedium (13) auf die Zylindermantelfläche gesprüht werden kann.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wärmespeichermedium (13) mit der Außenseite des Zylinders (30, 40) in Kontakt gebracht werden kann.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom des zu erwärmenden Fluids (18) auf die Außenseite des Zylinders (30, 40), insbesondere auf einen anderen Umfangsbereich als das Wärmespeichermedium (13) und/oder auf den Zylinderinnenraum gerichtet ist.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wärmespeichermedium (13) mit der Innenseite des Zylinders (30, 40) in Kontakt gebracht werden kann.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom des zu erwärmenden Fluids (18) auf die Innenseite des Zylinders (30, 40) entgegen der Richtung des Wärmespeichermediums (13) und/oder auf die Außenseite des Zylinders (30, 40) gerichtet ist.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (30, 40) als Hohlzylinder ausgestaltet und horizontal oder in einem Winkel von bis zu 45° gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet ist und dass in dessen einer Stirnfläche eine Einlassöffnung für flüssiges Wärmespeichermedium (13) und in der gegenüber liegenden Stirnfläche eine Auslassöffnung für erstarrtes Wärmespeichermedium (8) vorgesehen ist.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite des Zylinders (30, 40) von dem zu erwärmenden Fluid (18) überströmt werden kann.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zylinder (30, 40) zumindest eine Abtrenneinrichtung zum Entfernen von am Zylinder (30, 40) haftenden, erstarrten Wärmespeichermedium (8) zugeordnet ist, die insbesondere einen Schaber (31) oder eine Vibrationseinrichtung umfasst.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Mantel des Zylinders (30, 40) aus einem elastischen Material besteht und die Abtrenneinrichtung derart ausgestaltet und positioniert ist, dass sie den Mantel des Zylinders (30, 40) elastisch verformen kann, um auf der Zylinderinnenseite haftendes, erstarrtes Wärmespeichermedium (8) abzulösen.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrenneinrichtung eine parallel zum Zylinder (30, 40) ausgerichtete und vorzugsweise um ihre Längsachse drehbar gelagerte Walze (41) aufweist und der Abstand der Längsachsen von Zylinder (30, 40) und Walze (41) zueinander geringer ist als die Summe der Radien des Zylinders (30, 40) und der Walze.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Zylinders (30, 40) eine Führungseinrichtung (32), insbesondere in Form einer Rutsche, vorgesehen ist, mit der das feste Wärmespeichermedium in den Feststoffspeicher (2) überführt werden kann.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 18 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffspeicher (2) unterhalb des Wärmetauschers (4, 21) angeordnet ist.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 18 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffspeicher (2) gegenüber dem Wärmetauscher (4, 21) verschlossen werden kann, insbesondere mittels der Führungseinrichtung (32).
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 18 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffspeicher (2) über eine für das feste Wärmespeichermedium (8) undurchlässige, jedoch das flüssige Wärmespeichermedium (13) durchlässige Rückhalteeinrichtung (10), insbesondere in Form eines Siebes verfügt, die im Anschlussbereich der Verbindung zum Flüssigkeitsspeicher (3) vorzugsweise vertikal angeordnet ist.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 18 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flüssigkeitsspeicher (3) eine Heizeinrichtung (12) zugeordnet ist.