DE102010063268A9

DE102010063268A9 - Wärmespeichervorrichtung

Info

Publication number: DE102010063268A9
Application number: DE102010063268A
Authority: DE
Inventors: Andreas Stückle; Andreas Haagen
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: 2010-12-16
Publication date: 2012-02-16
Also published as: DE102010063268A1

Abstract

Um eine Wärmespeichervorrichtung zur Speicherung von Wärme, umfassend ein Speichermedium, welches zur Beladung der Wärmespeichervorrichtung mit Wärme zumindest teilweise von einem festen Aggregatzustand in einen flüssigen Aggregatzustand bringbar ist und welches zur Entladung der Wärmespeichervorrichtung zumindest teilweise von dem flüssigen Aggregatzustand in den festen Aggregatzustand bringbar ist, einen Aufnahmebehälter für das Speichermedium und einen Wärmeüberträger zum Übertragen von Wärme von einem Wärmeübertragungsmedium auf das Speichermedium beim Beladen der Wärmespeichervorrichtung und/oder zum Übertragen von Wärme von dem Speichermedium auf das Wärmeübertragungsmedium beim Entladen der Wärmespeichervorrichtung, zu schaffen, mittels welcher eine im Wesentlichen gleichmäßige Entladung zuverlässig durchführbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium von dem Wärmeüberträger umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung zur Speicherung von Wärme, welche ein Speichermedium umfasst, das zur Beladung der Wärmespeichervorrichtung mit Wärme zumindest teilweise von einem festen Aggregatzustand in einen flüssigen Aggregatzustand bringbar ist und das zur Entladung der Wärmespeichervorrichtung zumindest teilweise von dem flüssigen Aggregatzustand in den festen Aggregatzustand bringbar ist. Weiterhin umfasst die Wärmespeichervorrichtung einen Aufnahmebehälter für das Speichermedium und einen Wärmeüberträger zum Übertragen von Wärme von einem Wärmeübertragungsmedium auf das Speichermedium beim Beladen der Wärmespeichervorrichtung und/oder zum Übertragen von Wärme von dem Speichermedium auf das Wärmeübertragungsmedium beim Entladen der Wärmespeichervorrichtung.
Derartige Wärmespeichervorrichtungen werden beispielsweise als Latentwärmespeicher oder als PCM-Speicher (Phase Change Material-Speicher) bezeichnet.
Bei solchen Wärmespeichervorrichtungen kann es nachteilig sein, wenn beim Entladen der Wärmespeichervorrichtung ein Speichermedium von dem flüssigen Aggregatzustand in den festen Aggregatzustand übergeht und dabei an dem Wärmeüberträger anhaftet. Das nunmehr im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium bildet dann eine thermisch isolierende Schicht an dem Wärmeüberträger aus, so dass das noch im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium die darin gespeicherte latente Wärme nur erschwert mittels des Wärmeüberträgers an das Wärmeübertragungsmedium abgeben kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeichervorrichtung bereitzustellen, mittels welcher eine im Wesentlichen gleichmäßige Entladung zuverlässig durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Wärmespeichervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium von dem Wärmeüberträger umfasst.
Dadurch, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium von dem Wärmeüberträger umfasst, kann eine beim Entladen der Wärmespeichervorrichtung an dem Wärmeüberträger anhaftende Schicht aus im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium von dem Wärmeüberträger entfernt werden, so dass diese Schicht nicht isolierend wirken kann und somit einer weiteren zügigen Entladung der Wärmespeichervorrichtung nicht im Weg steht.
Das Wärmeübertragungsmedium ist grundsätzlich jedes beliebige Fluid, insbesondere ein Gas oder eine Flüssigkeit, welches, beispielsweise unter Druck, zur Übertragung von Wärme dem Wärmeüberträger zugeführt werden kann.
Das Speichermedium ist ein Phasenwechselmedium (Phase Change Material), beispielsweise Paraffin oder ein Nitratsalz, ein Nitritsalz oder eine Mischung aus einem Nitratsalz und einem Nitritsalz. Wesentlich für die Verwendung eines Materials als Speichermedium für die Wärmespeichervorrichtung ist, dass die mittels des Materials bei einem Phasenwechsel aufgenommene latente Wärmemenge besonders groß ist, so dass auch die Speicherkapazität der Wärmespeichervorrichtung besonders groß ausfällt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Abtrennvorrichtung zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers, vorzugsweise reversibel, verformbar ist. Da das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium vorzugsweise eine besonders geringe Elastizität aufweist, führt eine Verformung des Wärmeüberträgers zu einem Abplatzen einer an dem Wärmeüberträger gebildeten Schicht aus im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium.
Insbesondere kann bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers gebogen und/oder gedehnt wird.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels der Abtrennvorrichtung zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers in Schwingung versetzbar ist. Auch hierdurch kann ein Abplatzen einer aus im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium gebildeten Schicht von dem Wärmeüberträger bewirkt werden.
Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die Abtrennvorrichtung eine Ultraschallerzeugungsvorrichtung umfasst, so dass zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers mit Ultraschall beaufschlagt werden kann, um ein im festen Aggregatzustand vorliegendes, an dem Wärmeüberträger anhaftendes Speichermedium von dem Wärmeüberträger zu entfernen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abtrennvorrichtung zumindest teilweise relativ zu dem Wärmeüberträger beweglich ausgebildet ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Abtrennvorrichtung mindestens ein Abtrennelement umfasst, welches zur Abtrennung von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium von dem Wärmeüberträger entlang einer, inneren und/oder äußeren, Oberfläche des Wärmeüberträgers bewegbar, insbesondere automatisch bewegbar, ist. Auf diese Weise kann das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium besonders einfach von der Oberfläche des Wärmeüberträgers, beispielsweise durch Abkratzen, Reiben, Fräsen oder Abstoßen, entfernt werden.
Die Oberfläche des Wärmeüberträgers, entlang welcher das Abtrennelement der Abtrennvorrichtung bewegbar ist, ist dabei beispielsweise diejenige Oberfläche des Wärmeüberträgers, welche im Betrieb der Wärmespeichervorrichtung mit dem Wärmeübertragungsmedium in Kontakt steht, vorzugsweise jedoch diejenige Oberfläche des Wärmeüberträgers, welche im Betrieb der Wärmespeichervorrichtung mit dem Speichermedium in Kontakt ist.
Günstig ist es, wenn der Wärmeüberträger mindestens ein im Wesentlichen rohrförmig ausgebildetes Wärmeübertragungselement umfasst. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Herstellung eines Wärmeübertragungselements möglich.
Das mindestens eine Wärmeübertragungselement wird vorzugsweise von dem Wärmeübertragungsmedium durchströmt. Günstigerweise ist dabei vorgesehen, dass das mindestens eine Wärmeübertragungselement von dem Speichermedium umgeben ist.
Alternativ hierzu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das mindestens eine Wärmeübertragungselement mit dem Speichermedium gefüllt und von dem Wärmeübertragungsmedium umströmt wird.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere rohrförmige Wärmeübertragungselemente des Wärmeüberträgers vorgesehen sind, welche vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet sind, das heißt, dass deren jeweilige Längsachsen zumindest näherungsweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Grundsätzlich können die im Wesentlichen rohrförmigen Wärmeübertragungselemente beispielsweise hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Alternativ hierzu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Wärmeübertragungselemente nicht rotationssymmetrisch um eine Achse, sondern beispielsweise quaderförmig, ausgebildet sind.
Vorteilhaft ist es, wenn der Wärmeüberträger mindestens ein Wärmeübertragungselement umfasst, welches eine im Wesentlichen glatte und ebene Oberfläche aufweist. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn der Wärmeüberträger keine Rippen zur Vergrößerung einer Oberfläche des Wärmeüberträgers aufweist, weil derartige Rippen ein Abtrennen einer Schicht aus im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium von dem Wärmeüberträger erschweren können.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wärmeüberträger mindestens ein im Wesentlichen plattenförmig ausgebildetes Wärmeübertragungselement umfasst. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung möglich.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine im Wesentlichen plattenförmige Wärmeübertragungselement eine im Wesentlichen glatte und ebene Oberfläche aufweist, so dass die Abtrennung von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium von dem Wärmeüberträger vereinfacht wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Wärmespeichervorrichtung eine Mischungsvorrichtung zur Mischung von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium und im flüssigen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium umfasst. Hierdurch kann eine bessere Beladung und/oder Entladung der Wärmespeichervorrichtung ermöglicht werden. Insbesondere kann hierdurch eine Konvektion in dem Aufnahmebehälter für das Speichermedium erzeugt werden.
Die Mischungsvorrichtung ist beispielsweise als eine Rührvorrichtung und/oder als eine Pumpvorrichtung ausgebildet.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Komprimierungsvorrichtung zur Komprimierung von im festen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium umfasst. Auf diese Weise kann eine Entladung der Wärmespeichervorrichtung beschleunigt werden, insbesondere dann, wenn zugleich eine Entfernung des im festen Aggregatzustand vorliegenden Speichermediums von dem Wärmeüberträger erfolgt.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Phasentrennungsvorrichtung zur Separierung von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium von dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium umfasst, mittels welcher das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium aus dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium entfernt werden kann, so dass sich in dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium eine stärkere Konvektion ausbilden kann.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn die Wärmespeichervorrichtung mindestens zwei Abtrennvorrichtungen umfasst. Auf diese Weise können insbesondere bei Wärmespeichervorrichtungen mit großen Ausmaßen die Wärmeüberträger an mehreren Stellen stets zuverlässig von einer isolierenden Schicht aus im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium befreit werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Speicherung von Wärme in einer Wärmespeichervorrichtung.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, eine gleichmäßige Entladung einer Wärmespeichervorrichtung zuverlässig durchführen zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren Folgendes umfasst:

– Übertragen von Wärme von einem Wärmeübertragungsmedium zu einem Speichermedium der Wärmespeichervorrichtung mittels eines Wärmeüberträgers, wobei das Speichermedium zumindest teilweise von einem festen Aggregatzustand in einen flüssigen Aggregatzustand übergeht;
– Übertragen von Wärme von dem Speichermedium der Wärmespeichervorrichtung zu dem Wärmeübertragungsmedium mittels des Wärmeüberträgers, wobei das Speichermedium zumindest teilweise von dem flüssigen Aggregatzustand in den festen Aggregatzustand übergeht;
– Entfernen von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium, welches beim Erstarren desselben an dem Wärmeüberträger anhaftet, von dem Wärmeüberträger mittels einer Abtrennvorrichtung.

Dadurch, dass das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium, welches beim Erstarren desselben an dem Wärmeüberträger anhaftet, von dem Wärmeüberträger mittels der Abtrennvorrichtung abgetrennt wird, kann gewährleistet werden, dass das im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium stets in zumindest näherungsweise direktem Kontakt mit dem Wärmeüberträger ist und somit ein zuverlässiges Entladen der Wärmespeichervorrichtung möglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass mittels der Abtrennvorrichtung zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers deformiert wird. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass mittels der Abtrennvorrichtung zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers reversibel verformt wird. Der Wärmeüberträger ist hierzu zumindest geringfügig elastisch ausgebildet.
Günstig kann es sein, wenn mittels der Abtrennvorrichtung zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers in Schwingung versetzt wird. Beispielsweise kann hierzu eine Ultraschallerzeugungsvorrichtung vorgesehen sein, mittels welcher der Wärmeüberträger mit Ultraschall beaufschlagt werden kann.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens ein Abtrennelement der Abtrennvorrichtung zur Abtrennung von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium von dem Wärmeüberträger entlang einer Oberfläche des Wärmeüberträgers bewegt wird. Auf diese Weise kann ein besonders einfaches mechanisches Entfernen des im festen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium von dem Wärmeüberträger erfolgen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zur Speicherung von Wärme können vorzugsweise ferner eines oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Als Speichermedium kann beispielsweise Natriumnitrat verwendet werden, welches einen Schmelzpunkt von ungefähr 305°C hat.
Insbesondere bei im Wesentlichen rohrförmigen Wärmeübertragungselementen des Wärmeüberträgers kann vorgesehen sein, dass die rohrförmigen Wärmeübertragungselemente eine Länge von bis zu ungefähr 6 m aufweisen.
Günstig kann es sein, wenn mehrere parallel zueinander angeordnete im Wesentlichen rohrförmige Wärmeübertragungselemente vorgesehen sind, welche vorzugsweise ein Rohrregister bilden.
Weitere Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung mit einer mechanischen Abtrennvorrichtung, bei welcher mehrere Abtrennelemente entlang eines Wärmeüberträgers der Wärmespeichervorrichtung bewegt werden können;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung mit einer Abtrennvorrichtung, mittels welcher ein Wärmeüberträger der Wärmespeichervorrichtung elastisch verformt werden kann; und
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung mit einem im Wesentlichen U-förmigen Wärmeüberträger und einer Mischungsvorrichtung.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in 1 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete erste Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung umfasst einen Aufnahmebehälter 102 zur Aufnahme eines Speichermediums 104 und einen Wärmeüberträger 106 zur Zuführung eines Wärmeübertragungsmediums 108 zu der Wärmespeichervorrichtung 100.
Der Wärmeüberträger 106 ist als ein Rohrregister 110 ausgebildet und umfasst als solches eine Vielzahl von im Wesentlichen rohrförmigen Wärmeübertragungselementen 112, welche vertikal und parallel zueinander ausgerichtet sind und so in dem Aufnahmebehälter 102 angeordnet sind, dass das Wärmeübertragungsmedium 108 in einer vertikal nach oben gerichteten Strömungsrichtung 114 den Aufnahmebehälter 102 der Wärmespeichervorrichtung 100 durchströmen kann.
Das in dem Aufnahmebehälter 102 der Wärmespeichervorrichtung 100 angeordnete Speichermedium 104 umgibt dabei die rohrförmigen Übertragungselemente 112, so dass ein Wärmeübertrag von dem Wärmeübertragungsmedium 108 auf das Speichermedium 104 oder umgekehrt von dem Speichermedium 104 auf das Wärmeübertragungsmedium 108 möglich ist.
Eine jeweilige Wand 116 eines jeden Wärmeübertragungselements 112 ist dabei einerseits mit einer dem Speichermedium 104 zugewandten Oberfläche 118 mit dem Speichermedium 104 in Kontakt und andererseits mit einer dem Wärmeübertragungsmedium 108 zugewandten Oberfläche 120 mit dem Wärmeübertragungsmedium 108 in Kontakt.
Das Speichermedium 104 wird so gewählt, dass eine Speicherung von Wärme in der Wärmespeichervorrichtung 100 nicht nur durch eine Temperaturerhöhung allein möglich ist, sondern dass durch die Umwandlung des Aggregatzustands des Speichermediums 104 latente Wärme gespeichert werden kann.
Als Speichermedium 104 kommt dabei beispielsweise Natriumnitrat in Betracht, welches einen Schmelzpunkt von ungefähr 305°C hat, so dass bei einer Temperatur unter 305°C das Speichermedium 104 in einem festen Aggregatzustand vorliegt. Das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104 wird nachfolgend als im festen Aggregatzustand vorliegendes Speichermedium 104s (s = solid) bezeichnet.
Bei einer Temperatur des Speichermediums 104 über 305°C liegt das Speichermedium 104 in einem flüssigen Aggregatzustand vor. Auf das im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104 wird nachfolgend als im flüssigen Aggregatzustand vorliegendes Speichermedium 104l (l = liquid) Bezug genommen.
Durch die Zuführung von Wärmeübertragungsmedium 108 mit einer Temperatur von mehr als 305°C zu der Wärmespeichervorrichtung 100 kann das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s in dem Aufnahmebehälter 102 der Wärmespeichervorrichtung 100 zum Schmelzen gebracht werden, wodurch in der Wärmespeichervorrichtung 100 Wärme gespeichert wird. Beim Abkühlen des Speichermediums 104, beispielsweise durch die Zuführung von einem Wärmeübertragungsmedium 108, welches eine Temperatur von weniger als 305°C aufweist, erstarrt das im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104l.
Dabei haftet das nunmehr im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s an den Oberflächen 118 der Wände 116 der Wärmeübertragungselemente 112 an.
Da die Wärmeleitfähigkeit des im festen Aggregatzustand vorliegenden Speichermediums 104s üblicherweise sehr klein ist, wirkt die durch das Anhaften an den Wärmeübertragungselementen 112 gebildete Schicht aus im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium 104s als eine Isolationsschicht 122, welche einen direkten Kontakt des im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermediums 104l mit den Oberflächen 118 der Wände 116 der Wärmeübertragungselemente 112 verhindert, so dass eine rasche Entladung der Wärmespeichervorrichtung 100 durch einen Wärmeübertrag auf das Wärmeübertragungsmedium 108 erschwert wird.
Zur Verbesserung der Entladungscharakteristik der Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst die Wärmespeichervorrichtung 100 daher eine Abtrennvorrichtung 124, mittels welcher das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s, welches an den Wänden 116 der Wärmeübertragungselemente 112 anhaftet, von den Wärmeübertragungselementen 112 entfernt werden kann. Hierdurch kommt das im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104l näher an die Wände 116 der Wärmeübertragungselemente 112 heran, insbesondere kommt es dabei in direkten Kontakt mit den Wänden 116 der Wärmeübertragungselemente 112. Hierdurch wird die Wärmeübertragung von dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium 104l auf das Wärmeübertragungsmedium 108 verbessert.
Bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 ist die Abtrennvorrichtung 124 als eine mechanische Abtrennvorrichtung 124 ausgebildet, welche mehrere Abtrennelemente 126 umfasst, die entlang der Oberflächen 118 der Wände 116 der Wärmeübertragungselemente 112 bewegt werden, um die an den Wärmeübertragungselementen 112 gebildete Isolationsschicht 122 aus dem im festen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium 104s zu entfernen, insbesondere abzukratzen.
Die Abtrennvorrichtung 124 gemäß dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel dient ferner als eine Komprimierungsvorrichtung 128, weil durch eine Bewegung der Abtrennelemente 126 das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s komprimiert werden kann und somit ein Aufwirbeln und ein erneutes Anhaften des im festen Aggregatzustand vorliegenden Speichermediums 104s an dem Wärmeüberträger 106 im Bereich des im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermediums 104l verhindert werden.
Ferner dient die Abtrennvorrichtung 124 bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel als eine Phasentrennungsvorrichtung 130, da mittels der Abtrennelemente 126 der Abtrennvorrichtung 124, welche die Phasentrennungsvorrichtung 130 bilden, das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s in einen unteren Bereich 132 des Aufnahmebehälters 102 befördert werden kann, so dass in einem oberen Bereich 134 des Aufnahmebehälters 102 das im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104l angeordnet ist, wodurch ein besserer Wärmeübertrag von dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium 104l auf das Wärmeübertragungsmedium 108 in dem oberen Bereich 134 des Aufnahmebehälters 102 ermöglicht wird.
Die vorstehend beschriebene Wärmespeichervorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Das in dem Aufnahmebehälter 102 der Wärmespeichervorrichtung 100 angeordnete Speichermedium 104 ist beispielsweise Natriumnitrat, welches einen Schmelzpunkt von ungefähr 305°C hat. In einem Ausgangszustand der Wärmespeichervorrichtung 100, welcher vorliegend ein ungeladener Zustand sein soll, liegt das Speichermedium 104 im festen Aggregatzustand vor.
Durch die Wärmeübertragungselemente 112 wird ein Wärmeübertragungsmedium 108, beispielsweise Wasserdampf bei einem Druck von ungefähr 107 bar und einer Temperatur von ungefähr 315°C, geleitet. Mittels der Wärmeübertragungselemente 112 erfolgt dabei eine Übertragung der in dem Wärmeübertragungsmedium 108 vorhandenen Wärme auf das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s. Dabei kondensiert der Wasserdampf aus, so dass die Verdampfungsenthalpie auf das Speichermedium 104 übertragen wird.
Da die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums 108 höher ist als der Schmelzpunkt des Speichermediums 104, geht das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s in den flüssigen Aggregatzustand über und speichert dabei die übertragene Wärme als latente Wärme.
Der Wärmespeichervorrichtung 100 kann mittels des Wärmeübertragungsmediums 108 soviel Wärme zugeführt werden, das heißt in der Wärmespeichervorrichtung 100 kann soviel Wärme gespeichert werden, wie durch die Umwandlung des im festen Aggregatzustand vorliegenden Speichermediums 104s in den flüssigen Aggregatzustand benötigt wird. Die Speicherkapazität der Wärmespeichervorrichtung 100 wird folglich durch die Kapazität des Speichermediums 104 und die Menge an vorhandenem Speichermedium 104 bestimmt.
Die geladene Wärmespeichervorrichtung 100 kann anschließend dadurch entladen werden, dass als Wärmeübertragungsmedium 108 beispielsweise Wasser mit einem Druck von beispielsweise ungefähr 81 bar und einer Temperatur von deutlich unter 305°C zugeführt wird, so dass Wärme mittels der Wärmeübertragungselemente 112 des Wärmeüberträgers 106 von dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium 104l auf das Wärmeübertragungsmedium 108 übertragen werden kann. Dabei verdampft das Wasser und die von dem Speichermedium 104 abgegebene Wärme wird in dem Wärmeübertragungsmedium 108, welches dann als Wasserdampf vorliegt, als Verdampfungsenthalpie aufgenommen.
Hierdurch wird das im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104l in den festen Aggregatzustand überführt und haftet dabei an den Oberflächen 118 der Wände 116 der Wärmeübertragungselemente 112 an.
Da die üblicherweise in der Wärmespeichervorrichtung 100 verwendeten Speichermedien 104 eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, bildet diese Schicht aus im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium 104s an den Wänden 116 der Wärmeübertragungselemente 112 eine Isolationsschicht 122, welche eine weitere Übertragung von Wärme von dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium 104l auf das Wärmeübertragungsmedium 108 behindert.
Mittels der Abtrennvorrichtung 124 der Wärmespeichervorrichtung 100 kann jedoch die Isolationsschicht 122 entfernt werden, so dass das im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104l erneut in Kontakt mit den Wärmeübertragungselementen 112 kommt und somit die darin gespeicherte Wärme im Wesentlichen ungehindert auf das Wärmeübertragungsmedium 108 übertragen werden kann.
Die Abtrennvorrichtung 124, welche mehrere Abtrennelemente 126 umfasst, dient ferner als Komprimierungsvorrichtung 128 und als Phasentrennungsvorrichtung 130, da mittels der Abtrennelemente 126 das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s nicht nur von den Wärmeübertragungselementen 112 entfernt wird, sondern auch in den unteren Bereich 132 des Aufnahmebehälters 102 befördert und dort komprimiert werden kann, so dass in dem oberen Bereich 134 des Aufnahmebehälters 102 der Wärmespeichervorrichtung 100 das im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104l angeordnet ist und zumindest in diesem oberen Bereich 134 des Aufnahmebehälters 102 eine möglichst ungehinderte Wärmeübertragung von dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium 104l auf das Wärmeübertragungsmedium 108 erfolgen kann.
Eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Abtrennvorrichtung 124 keine Abtrennelemente 126 umfasst, sondern dass die Abtrennvorrichtung 124 eine Biegevorrichtung 136 ist, mittels welcher die Wärmeübertragungselemente 112 des Wärmeüberträgers 106 der Wärmespeichervorrichtung 100 gebogen werden können, so dass die Oberflächen 118 der Wände 116 der Wärmeübertragungselemente 112 nicht mehr vertikal verlaufen, sondern leicht gekrümmt sind.
Die Wärmeübertragungselemente 112 sind hierzu bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform zumindest geringfügig elastisch ausgebildet.
Das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s weist eine solche Elastizität hingegen nicht auf, so dass bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform durch die Biegung der Wärmeübertragungselemente 112 das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s, welches an den Wänden 116 der Wärmeübertragungselemente 112 anhaftet, nicht entsprechend der Biegung der Wärmeübertragungselemente 112 selbst gebogen werden kann, sondern durch die Biegung von den Wärmeübertragungselementen 112 abplatzt.
Aufgrund der höheren Dichte des im festen Aggregatzustand vorliegenden Speichermediums 104s im Vergleich zu dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium 104l sinkt die abgeplatzte Isolationsschicht 122 aus im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium 104s bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 in den unteren Bereich 132 des Aufnahmebehälters 102 ab, wodurch sich eine Trennung des im festen Aggregatzustand vorliegenden Speichermediums 104s von dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium 104l ergibt, was eine zuverlässigere und gleichmäßigere Entladung der Wärmespeichervorrichtung 100 ermöglicht.
Die Abtrennvorrichtung 124 gemäß der zweiten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 ist somit keine Phasentrennungsvorrichtung 130 und auch keine Komprimierungsvorrichtung 128.
Derartige Vorrichtungen können bedarfsweise jedoch zusätzlich vorgesehen sein.
Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 3 dargestellte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass beispielsweise nur ein Wärmeübertragungselement 112 vorgesehen ist, welches nicht vertikal ausgerichtet ist, sondern U-förmig von oben in den Aufnahmebehälter 102 hineinragt.
Aufgrund der U-förmigen Ausgestaltung des Wärmeübertragungselements 112 ist gemäß der dritten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 eine einfache Abtrennung des im festen Aggregatzustand vorliegenden Speichermediums 104s, welches bei einer Entladung der Wärmespeichervorrichtung 100 an der Oberfläche 118 der Wand 116 des Wärmeübertragungselements 112 anhaftet, dadurch möglich, dass die beiden Enden 138 des Wärmeübertragungselements 112 in einer Biegerichtung 140 aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden.
Durch das Biegen des Wärmeübertragungselements 112 platzt auch bei der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 das im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104s von dem Wärmeübertragungselement 112 ab und sinkt anschließend aufgrund der höheren Dichte in den unteren Bereich 132 des Aufnahmebehälters 102.
Bei der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 ist ferner zur Verbesserung der Entladung der Wärmespeichervorrichtung 100 eine Mischungsvorrichtung 142 vorgesehen, welche als Rührer ausgebildet ist und einen Propeller 144 umfasst.
Mittels der Mischungsvorrichtung 142 kann das im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium 104l innerhalb des Aufnahmebehälters 102 in Bewegung versetzt werden, so dass ein verbesserter Wärmeübertrag von dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium 104l auf das Wärmeübertragungsmedium 108 ermöglicht wird. Insbesondere kann mittels der Mischungsvorrichtung 142 eine Konvektionsströmung in dem Aufnahmebehälter 102 der Wärmespeichervorrichtung 100 erzeugt werden.
Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Dadurch, dass die Wärmespeichervorrichtung 100 eine Abtrennvorrichtung 124 zum Abtrennen von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium 104s von dem Wärmeüberträger 106 umfasst, ist eine gleichmäßige Entladung der Wärmespeichervorrichtung 100 zuverlässig durchführbar.
Bezugszeichenliste

100: Wärmespeichervorrichtung
102: Aufnahmebehälter
104: Speichermedium
104s: im festen Aggregatzustand vorliegendes Speichermedium
104l: im flüssigen Aggregatzustand vorliegendes Speichermedium
106: Wärmeüberträger
108: Wärmeübertragungsmedium
110: Rohrregister
112: Wärmeübertragungselement
114: Strömungsrichtung
116: Wand
118: Oberfläche
120: Oberfläche
122: Isolationsschicht
124: Abtrennvorrichtung
126: Abtrennelement
128: Komprimierungsvorrichtung
130: Phasentrennungsvorrichtung
132: unterer Bereich
134: oberer Bereich
136: Biegevorrichtung
138: Ende
140: Biegerichtung
142: Mischungsvorrichtung
144: Propeller

Claims

Wärmespeichervorrichtung zur Speicherung von Wärme, umfassend – ein Speichermedium (104), welches zur Beladung der Wärmespeichervorrichtung (100) mit Wärme zumindest teilweise von einem festen Aggregatzustand in einen flüssigen Aggregatzustand bringbar ist und welches zur Entladung der Wärmespeichervorrichtung (100) zumindest teilweise von dem flüssigen Aggregatzustand in den festen Aggregatzustand bringbar ist, – einen Aufnahmebehälter (102) für das Speichermedium (104) und – einen Wärmeüberträger (106) zum Übertragen von Wärme von einem Wärmeübertragungsmedium (108) auf das Speichermedium (104) beim Beladen der Wärmespeichervorrichtung (100) und/oder zum Übertragen von Wärme von dem Speichermedium (104) auf das Wärmeübertragungsmedium (108) beim Entladen der Wärmespeichervorrichtung (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (100) eine Abtrennvorrichtung (124) zum Abtrennen von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium (104s) von dem Wärmeüberträger (106) umfasst.
Wärmespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Abtrennvorrichtung (124) zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers (106) verformbar ist.
Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Abtrennvorrichtung (124) zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers (106) in Schwingung versetzbar ist.
Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung (124) zumindest teilweise relativ zu dem Wärmeüberträger (106) beweglich ausgebildet ist.
Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung (124) mindestens ein Abtrennelement (126) umfasst, welches zur Abtrennung von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium (104s) von dem Wärmeüberträger (106) entlang einer Oberfläche (118, 120) des Wärmeüberträgers (106) bewegbar ist.
Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeüberträger (106) mindestens ein im Wesentlichen rohrförmig ausgebildetes Wärmeübertragungselement (112) umfasst.
Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeüberträger (106) mindestens ein im Wesentlichen plattenförmig ausgebildetes Wärmeübertragungselement (112) umfasst.
Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (100) eine Mischungsvorrichtung (142) zur Mischung von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium (104s) und im flüssigen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium (104l) umfasst.
Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (100) eine Komprimierungsvorrichtung (128) zur Komprimierung von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium (104s) umfasst.
Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (100) eine Phasentrennungsvorrichtung (130) zur Separierung von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium (104s) von dem im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium (104l) umfasst.
Verfahren zur Speicherung von Wärme in einer Wärmespeichervorrichtung (100), umfassend Folgendes: – Übertragen von Wärme von einem Wärmeübertragungsmedium (108) zu einem Speichermedium (104) der Wärmespeichervorrichtung (100) mittels eines Wärmeüberträgers (106), wobei das Speichermedium (104) zumindest teilweise von einem festen Aggregatzustand in einen flüssigen Aggregatzustand übergeht; – Übertragen von Wärme von dem Speichermedium (104) der Wärmespeichervorrichtung (100) zu dem Wärmeübertragungsmedium (108) mittels des Wärmeüberträgers (106), wobei das Speichermedium (104) zumindest teilweise von dem flüssigen Aggregatzustand in den festen Aggregatzustand übergeht; – Entfernen von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium (104s), welches beim Erstarren desselben an dem Wärmeüberträger (106) anhaftet, von dem Wärmeüberträger (106) mittels einer Abtrennvorrichtung (124).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Abtrennvorrichtung (124) zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers (106) deformiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Abtrennvorrichtung (124) zumindest ein Teil des Wärmeüberträgers (106) in Schwingung versetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abtrennelement (126) der Abtrennvorrichtung (124) zur Abtrennung von im festen Aggregatzustand vorliegendem Speichermedium (104s) von dem Wärmeüberträger (106) entlang einer Oberfläche (118, 120) des Wärmeüberträgers (106) bewegt wird.
Verwendung einer Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 14.