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Die Erfindung betrifft ein Wärmespeichermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Wärmespeicher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 31.
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Aus der
WO 2009/144233 A1 ist eine Vorrichtung und Anlage zum Speichern von thermischer Energie zum Beispiel bei solarthermischen Großanlagen bekannt. Die thermische Energie wird dort in einem großen monolithischen Betonblock gespeichert, in welchem ein Rohrsystem eingebettet ist. Durch das Rohrsystem fließt eine wärmeübertragende Flüssigkeit, die es erlaubt, den Betonblock mit thermischer Energie zu be- und entladen. Hierbei sind die Rohre des Rohrsystems vollständig und nicht wieder entnehmbar in dem Betonblock eingegossen, allerdings durch eine Folienumhüllung aus Graphit mechanisch vom Betonblock entkoppelt. Nachteilig hierbei ist, dass nach dem Herstellen der Vorrichtung, sprich dem Vergießen des Betonblocks einschließlich der darin enthaltenen Rohre, keine Änderungen mehr vorgenommen werden können. So muss bei einem defekten Rohr im Betonblock der große und schwere Betonblock komplett ausgetauscht werden. Auch ist eine Reparatur eines defekten Rohres in der Regel kaum möglich, da der Betonblock in diesem Fall zerstört werden müsste. Auch kann der große, schwere und sperrige Betonblock nur mit großem Aufwand transportiert werden. Eine Anpassung an die eine gewünschte Speicherleistung der Vorrichtung ist dort vor allem durch die Vorgabe der Abmessungen des Betonblocks möglich, eine nachträgliche Anpassung kaum möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen eingangs genannten Wärmespeicherblock, ein Wärmespeichermodul und einen Wärmespeicher bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile überwinden und eine einfache Herstellung, Transport, Montage und Wartung des Wärmespeichermoduls und des Wärmespeichers ermöglichen. Weiter soll die Erfindung eine einfache Anpassung des Wärmespeichers an die gewünschte Wärmespeicherkapazität sowie eine effektive und schnelle Be- und Entladung des Wärmespeichermoduls bzw. des Wärmespeichers mit Wärmeenergie ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Wärmespeichermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Wärmespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 31 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Unter dem hier verwendeten Begriff „Wärme”, „Wärmeenergie” etc. ist vorliegend thermische Energie zu verstehen, in den erfindungsgemäßen Wärmespeichermodulen und Wärmespeicher könnte also auch „Kälte” gespeichert werden, um beispielsweise eine Kühlung zu erreichen oder für eine Kühlanwendung Kälte in den Wärmespeichermodulen und Wärmespeicher zu speichern. Die Wärmespeichermodule und der Wärmespeicher sind also nicht auf Heizanwendungen begrenzt, sondern auch bei Kühlanwendungen anwendbar.
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Erfindungsgemäß ist ein eingangs genanntes Wärmespeichermodul dadurch gekennzeichnet, dass es einen ersten Wärmespeicherblock und mindestens einen zweiten Wärmespeicherblock aus betonhaltigem Material aufweist, wobei zumindest der erste Wärmespeicherblock mindestens eine erste längliche Vertiefung zur Aufnahme des Rohres aufweist. Ein eingangs genannter Wärmespeicher ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem oder mehreren aufeinander und/oder in einer Ebene nebeneinander angeordneten Wärmespeichermodulen nach einem der voranstehenden Ansprüche gebildet ist. Hierbei kann dass Rohr vorteilhaft mit einer Umhüllung aus graphithaltigem Material umgeben sein.
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Hierdurch kann ein Wärmespeicher auf einfache Weise in seiner Größe und Wärmespeicherkapazität an unterschiedliche Gegebenheiten vor Ort angepasst werden. Auch können einfach bereits installierte Wärmespeicher vergrößert oder verkleinert werden. Alte oder defekte Wärmespeichermodule oder Rohre können einfach repariert oder ausgetauscht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann in der mindestens ersten länglichen Vertiefung ein an die Form der ersten Vertiefung angepasstes erstes graphithaltiges Formteil zur Aufnahme des Rohres angeordnet sein.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann der erste Wärmespeicherblock des Wärmespeichermoduls auf seiner der ersten länglichen Vertiefung gegenüberliegenden Seite mindestens eine weitere Vertiefung, gegebenenfalls mit einem darin angeordneten, an die Form der weiteren Vertiefung angepassten weiteren graphithaltigen Formteil zur Aufnahme eines weiteren Rohres aufweisen. Hierdurch kann der Wärmespeicher einfach aus übereinander gestapelten Wärmespeichermodulen gebildet werden, wobei zwischen benachbarten Wärmespeichermodulen ebenfalls ein Rohr gelegt werden kann. Hierdurch wird ein sehr kompakter Aufbau eines Wärmespeichers mit sehr schnellem Wärmeenergieeintrag bzw. -austrag in die Wärmespeicherblöcke bereitgestellt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der zweite Wärmespeicherblock mindestens eine der ersten länglichen Vertiefung des ersten Wärmespeicherblocks zugewandte und auf diese ausgerichtete zweite längliche Vertiefung, gegebenenfalls mit einem darin angeordneten, an die Form der zweiten Vertiefung angepassten zweiten graphithaltigen Formteil zur Aufnahme des Rohres aufweisen. Durch Aufeinanderlegen der zueinander gewandten und aufeinander ausgerichteten länglichen Vertiefungen mit den gegebenenfalls darin eingelegten graphithaltigen Formteilen und dazwischen Einlegen des Rohres kann ein guter Übergang und einfaches Zusammenbauen des Wärmespeichermoduls erzielt werden.
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Hierbei können vorteilhaft das oder die in die länglichen Vertiefungen eingelegten graphithaltigen Formteile das das Rohr umgebende graphithaltigem Material bilden, das Rohr weist also keine eigene Umhüllung aus graphithaltigem Material auf. Hierdurch wird die Vorkonfektionierung, Fertigung und Zusammenbau des Wärmespeichermoduls und des Wärmespeichers vereinfacht, da das Rohr nicht mit einer eigenen Umhüllung aus graphithaltigem Material versehen werden muss. Um den Wärmeübergang zusätzlich zu verbessern, kann das Rohr aber auch von einer Umhüllung aus graphithaltigem Material umgeben sein.
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In einem Wärmespeichermodul können auch mehrere nebeneinander liegende Vertiefungen in einem oder beiden Wärmespeicherblöcken zur Aufnahme mehrere Rohre des Wärmespeichers vorgesehen werden.
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Herstellungs-, transport- und montagetechnisch günstig können die Wärmespeicherblöcke aus im wesentlichen quaderförmigen Betonblöcken mit Verbindungsflächen bestehen, in denen die länglichen Vertiefungen verlaufen. Weiter können dabei die Wärmespeicherblöcke senkrecht zu den Verbindungsflächen verlaufende Ausnehmungen und durch diese reichende Verbindungselement aufweisen, um zwei aufeinander liegende Wärmespeicherblöcke nicht nur durch Ihr Gewicht zusammenzuhalten, sondern auch miteinander fest Verbinden zu können. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, dass die zwischen den Wärmespeicherblöcke in den länglichen Vertiefungen angeordneten graphithaltigen Formteile fest an die Verbindungsflächen der Wärmespeicherblöcke, aneinander und an das Rohr gepresst werden, so dass stets ein guter Wärmeübergang über die graphithaltigen Formteile erreicht wird.
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Um die Wärmeübertragung in die Wärmespeicherblöcke und von den Wärmespeicherblöcken weiter zu erhöhen, können die Wärmespeicherblöcke mit graphithaltigen Partikeln versetzt sein. Weiter können hierzu auch in das betonhaltige Material der Wärmespeicherblock graphithaltige Formkörper eingebunden werden. In einer fertigungstechnischen günstigen Fortbildung dieser Ausführung weisen die graphithaltigen Formkörper Durchbrüche zur Aufnahme des betonhaltigen Materials aufweisen, so dass die Formkörper fest in einen aus Beton gegossenen Wärmespeicherblock eingegossen werden können, ohne dessen Stabilität wesentlich zu beinträchtigen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung können die graphithaltigen Formkörper flächige Wärmeleitschichten, insbesondere als Folien und/oder Platten aus Graphitexpandat, sein. Auch die graphithaltigen Formteile und die Wärmeleitelemente bestehen vorzugsweise aus an sich bekannten Folien und/oder Platten aus Graphitexpandat. Dies weist den Vorteil auf, dass das kompressible, in gewissen Bereichen elastische verfestigte und/oder verdichtete Graphitexpandat stets in guter Anlage am Rohr und den anderen Bauteilen der Wärmespeichermodule zu liegen kommt. Weiter können hierdurch beispielsweise durch unterschiedliche Wärmekoeffizienten des Betons und des Materials der Rohre, in der Regel Kunststoff oder Metall, hervorgerufenen unterschiedliche räumliche Ausdehnungen dieser Materialien leicht durch das verfestigte und/oder verdichtete Graphitexpandat ausgeglichen werden.
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In einer fertigungs- und montagetechnisch vorteilhaften Ausführung können die Wärmeleitschichten und mehrere betonhaltige Wärmespeicherschichten mechanisch zu einem Wärmespeicherblock verbunden werden, wobei die Wärmeleitschichten und Wärmespeicherschichten miteinander fluchtenden Ausnehmungen zur Aufnahme von Verbindungselementen, beispielsweise Gewindestangen, aufweisen.
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Um mehrere Wärmespeichermodule einfach aufeinander stapeln zu können, können die Wärmespeicherblöcke Ausrichtelemente zum gegenseitigen Ausrichten aufeinander liegender Wärmespeicherblöcke aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die Wärmespeicherblöcke Mittel zum Verhindern des Verrutschens aufeinander liegender Wärmespeicherblöcke aufweisen, um die Stabilität dadurch gebildeter Wärmespeichermodule und Wärmespeicher zu erhöhen.
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In einer günstigen Ausführung bestehen die graphithaltigen Formteile aus länglichen graphithaltigen Platten, insbesondere aus verdichteten Graphitexpandat, bestehen, wobei die graphithaltigen Formteile auf ihren einander zugewandten Seiten jeweils eine längliche Rinne zur Aufnahme des Rohres aufweisen. In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführung können die länglichen Rinnen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen, dessen Radius vorteilhaft gleich oder geringfügig kleiner als der Außenradius des Rohres ist. Hierdurch werden die graphithaltigen Formteile gut wärmeleitend mit dem Rohr verbunden, da stets eine vollflächige Anlage der Formteile am Rohr gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung können zwischen erstem Wärmespeicherblock und zweitem Wärmespeicherblock bereichsweise ein oder mehrere graphithaltige Wärmeleitelemente angeordnet sein, welche bevorzugt aus graphithaltigen Folien und/oder Platten, insbesondere aus verdichteten Graphitexpandat, bestehen. Hierdurch ergibt sich eine weitere Verbesserung des Wärmeenergieein- bzw. Austrags in die angrenzenden Teile der Wärmespeicherblöcke. Überlappen ein oder mehrere der Wärmeleitelemente zumindest in einem Randbereich der in die Vertiefungen eingelegten graphithaltigen Formteile mit diesen, kann die Wärmeleitung zwischen diesen weiter verbessert werden.
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Werden die graphithaltigen Formteile, die Wärmeleitelemente und/oder die die graphithaltigen Formkörper mit Phosphat mit Phosphat imprägniert, kann der Wärmespeicher vorteilhaft auch mit hohen Temperaturen und Wärmeenergie tragenden heißen Fluiden, beispielsweise mehr als 400°C Fluidtemperatur, betrieben werden. Dies kann vorteilhaft auch mit einer inerten Atmosphäre, z. B. einer Stickstoffatmosphäre, realisiert werden.
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Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine schematische dreidimensionale Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmespeichermoduls;
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2 eine Draufsicht auf die Stirnseite des Wärmespeichermoduls aus 1;
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3 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen unteren Wärmespeicherblocks des Wärmespeichermoduls aus 1;
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4 eine Draufsicht auf miteinander verbundene Wärmeleitschichten des Wärmespeicherblocks aus 3;
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5 eine Draufsicht auf die Stirnseite der Wärmeleitschichten aus 4;
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6 eine schematische dreidimensionale Explosionsdarstellung eines alternativen erfindungsgemäßen Wärmespeichermoduls;
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7 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen unteren Wärmespeicherblocks des Wärmespeichermoduls aus 6;
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8 eine stirnseitige Draufsicht auf eine Wärmeleitschicht des Wärmespeicherblocks aus 7;
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9 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Wärmespeicherelements des Wärmespeicherblocks aus 7;
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10 eine schematische dreidimensionale Explosionsdarstellung eines weiteren alternativen erfindungsgemäßen Wärmespeichermoduls;
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11 eine schematische Draufsicht auf die Stirnseite des Wärmespeichermoduls aus 10 in zusammengesetztem Zustand.
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12 eine schematische Draufsicht auf das Wärmespeichermodul aus 10 und 11 von oben;
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13 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer Stirnseite eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers.
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1 zeigt eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Wärmespeichermoduls 1 mit einem unteren Wärmespeicherblock 2 und einem oberen Wärmespeicherblock 3. Die identisch ausgebildeten quaderförmigen Wärmespeicherblöcke 2, 3 weisen jeweils eine im Querschnitt trapezförmige Längsvertiefung 4, 5 auf, welche über die gesamte Länge der Wärmespeicherblöcke 2, 3 reicht. Die Wärmespeicherblöcke 2, 3 bestehen überwiegend aus Beton oder anderen wärmespeicherfähigen harten Materialien.
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In die Vertiefungen 4 und 5 werden jeweils als graphithaltige längliche Rohrhüllen 6, 7 ausgebildete graphithaltige Formteile eingelegt, die einen an die Form der Vertiefungen 4, 5 angepassten, hier trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Bevorzugt bestehen die Rohrhüllen 6, 7 aus verdichtetem, üblicherweise zu Folien oder Platten gepresstem, expandiertem Graphit, das in gewissem Umfang kompressibel und elastisch ist. Die Rohrhüllen 6, 7 weisen auf ihrer längeren Seite im Querschnitt halbkreisförmige Rinnen 8, 9 auf, welche im eingebauten Zustand einen Kanal für ein Rohr 10 bilden.
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Das Rohr 10 dient zur Führung eines wärmeleitenden und -tragenden Fluids, z. B. Heizwasser, Thermoöl oder Dampf, zum Be- bzw. Entladen des Wärmespeichermoduls 1 mit Wärmeenergie. Es besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, bevorzugt Metall, besonders bevorzugt Kupfer, Aluminium oder Stahl. Es kann aber auch aus anderen, gut wärmeleitenden Materialien bestehen, z. B. mit Graphitpartikeln versetztem Kunststoff.
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Die Rinnen 8, 9 weisen einen etwas kleineren Durchmesser auf als der Außendurchmesser des Rohrs 10, so dass die Rohrhüllen 6, 7 fest an das Rohr 10 gepresst werden. Da die Rohrhüllen 6, 7 kompressibel und elastisch sind, bleiben die Rohrhüllen 6, 7 stets in gut wärmeleitfähigem Kontakt mit dem Rohr 10, unabhängig von durch unterschiedliche Temperaturen des im Rohr 10 befindlichen Fluids hervorgerufene Ausdehnungen des Rohrs 10.
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Die Rohrhüllen 6, 7 stellen sicher, dass Wärmeenergie aus dem durch das Rohr 10 geleiteten Medium schnell auf die Verbindungsflächen der Rohrhüllen 6, 7 mit den Wärmespeicherblöcke 2, 3 geleitet wird, um die Wärmeenergie möglichst schnell in die Wärmespeicherblöcke 2, 3 einzutragen. Entsprechendes gilt auch für die schnelle und effektive Energieentnahme aus den Wärmespeicherblöcken 2, 3.
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Zwischen die Rohrhüllen 6, 7 werden über die gesamte Verbindungsfläche der Wärmespeicherblöcke 2, 3 verlaufende flächige Wärmeleitelemente 11, 12, insbesondere Folien oder Platten aus verdichtetem, expandiertem Graphit gelegt. Diese sind zumindest an Randbereichen mit den Rohrhüllen 6, 7 so verbunden, dass eine gute Wärmeleitung zwischen den Rohrhüllen 6, 7 und den Wärmeleitelementen 11, 12 sichergestellt ist. Bevorzugt können die Wärmeleitelemente 11, 12 durch Zusammenpressen aufgrund des Gewichts des oberen Wärmespeicherblocks 3 gut wärmeleitend mit den Rohrhüllen 6, 7 verbunden werden. Alternativ oder zusätzlich kann diese Verbindung vorteilhaft auch über einen Wärmeleitkleber erfolgen.
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Die Wärmeleitelemente 11, 12 stellen sicher, dass sich Wärmeenergie aus dem durch das Rohr 10 geleiteten Medium schnell über die gesamte Verbindungsfläche der Wärmespeicherblöcke 2, 3 ausbreitet, um die Wärmeenergie möglichst schnell vollflächig in die Wärmespeicherblöcke 2, 3 einzutragen. Entsprechendes gilt auch für die schnelle und effektive Energieentnahme aus den Wärmespeicherblöcken 2, 3.
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Nachfolgen wird der Aufbau der identisch ausgebildeten Wärmespeicherblöcke 2, 3 anhand des Wärmespeicherblocks 2 beschrieben, entsprechende Aussagen gelten analog für den Wärmespeicherblock 3. Um den Eintrag bzw. Austrag von Wärmeenergie in den Wärmespeicherblock 2 noch weiter zu verbessern, weist er Wärmeleitschichten 13 bis 15 zwischen Wärmespeicherschichten 16 bis 19 auf. Die identisch ausgebildeten Wärmeleitschichten 13 bis 15 bestehen vorteilhaft aus gut wärmeleitfähigem Material, beispielsweise Metallen wie Aluminium oder Kupfer oder auch aus graphithaltigem Material, bevorzugt zu Folien oder Platten verdichtetem Graphitexpandat. Bevorzugt werden vorliegend als graphithaltige Formkörper ausgebildete Platten aus Graphitexpandat verwendet, welche eine gewisse Eigenstabilität aufweisen, so dass die in 4 und 5 detailliert gezeigte Ausführung mit vor dem Herstellen des Wärmespeicherblocke 2 verbundenen Wärmeleitschichten 13 bis 15 möglich ist.
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Um die in 3 gezeigte parallele Lage der Wärmeleitschichten 13 bis 15 im Wärmespeicherblock 2 zwischen den Wärmespeicherschichten 16 bis 19 sicherzustellen, werden vor dem Gießen des Wärmespeicherblocks 2 die Wärmeleitschichten 13 bis 15 mit drei identisch ausgebildeten Gewindestangen 20, 20' und 20'' sowie hülsenförmigen Abstandshaltern 21, 21' und 21'' bzw. 22, 22' und 22'' weitgehend zueinander parallel verspannt, wie in 4 und 5 gezeigt. Die so miteinander verbundenen Wärmeleitschichten 13 bis 15 werden dann in die Gussform für den Wärmespeicherblock 2 gelegt, der anschließend in an sich bekannter Weise aus Beton gegossen wird.
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Um einen stabilen Wärmespeicherblock 2 zu erhalten, weisen die Wärmeleitschichten 13 bis 15 eine Vielzahl von Durchbrüchen 23 auf, wie in 5 anhand der Wärmeleitschicht 13 gezeigt. Beim Gießen des Wärmespeicherblocks 2 kann dann der flüssige Beton durch die Durchbrüche 23 fließen und nachfolgend zum Wärmespeicherblock 2 aushärten. Dadurch wird der Wärmespeicherblock 2 durchgehend stabil und die Wärmeleitschichten 13 sinch dennoch fest mit dem Wärmespeicherblock 2 verbunden.
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Vorzugsweise stehen die Wärmeleitschichten 13 bis 15 zum ganz oder zum Teil geringfügig über die angrenzenden Wärmespeicherschichten 16 bis 19 des Wärmespeicherblocks 2 bzw. 3 über, so dass sie beim Aufeinanderlegen der Wärmespeicherblöcke 2 und 3 fest an die Rohrhüllen 6, 7 und die Wärmeleitelemente 11, 12 angepresst werden. Hierdurch kann von im Rohr 10 befindlichem Fluid die Wärmeenergie schnell über die Rohrhüllen 6, 7, die Wärmeleitelemente 11, 12 und die Wärmeleitschichten 13 bis 15 schnell in die Wärmespeicherschichten 16 bis 19 des Wärmeblocks 2 eingetragen werden. Selbstredend kann somit auch schnell gespeicherte Wärmeenergie aus den Wärmespeicherschichten 16 bis 19 zum Fluid im Rohr 10 hingeführt werden.
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Ein in 6 gezeigtes alternatives Wärmespeichermodul 101 unterscheidet sich im wesentlichen durch die Ausbildung von Wärmespeicherblöcken 102, 103 von den Wärmespeicherblöcken 2, 3 des Wärmespeichermoduls 1 aus 1 bis 5. In der Funktion gleiche Teile werden deshalb mit den um 100 erhöhten Bezugszeichen wie in 1 bis 5 bezeichnet, z. B. Wärmespeicherblöcke 102, 103 in 6 statt Wärmespeicherblöcke 2, 3 in 1.
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Im Gegensatz zum Wärmespeichermodul 1 werden beim Wärmespeichermodul 101 Wärmeleitschichten 113 bis 115 und Wärmespeicherschichten 116 bis 119 des Wärmespeicherblocks 102 nicht fest miteinander vergossen. Vielmehr weisen beim Wärmespeichermodul 101 die aus graphithaltigem Material, insbesondere expandierten, gepressten Graphitplatten gebildeten Wärmeleitschichten 113 bis 115 lediglich zwei Ausnehmungen 120 und 121 auf, und keine Durchbrechungen 19 wie bei der in 4 gezeigten Wärmeleitschicht 13, wie in 8 besonders gut zu erkennen.
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Aus Beton gegossene Wärmespeicherelemente 116 bis 119 des Wärmespeicherblocks 102 weisen die in 9 gezeigte Form auf. Insbesondere sind auch diese mit Ausnehmungen 122 und 123 versehen, welche in dem in 7 gezeigten zusammengebauten Zustand des Wärmespeicherblocks 102 mit den Ausnehmungen 120 bzw. 121 der Wärmeleitschichten 113 bis 115 fluchten. Zusammengehalten werden die Wärmeleitschichten 113 bis 115 und die Wärmespeicherschichten 116 bis 119 durch auf gegenüberliegenden Seiten verschraubte Gewindestangen 124 und 125, wobei in 7 lediglich die vorderen Schrauben 126 und 127 auf der sichtbaren Seite des Wärmespeicherblocks 102 voll ausgezogen sind. Entsprechende Schrauben 126' und 127' sind auf der der Wärmespeicherschicht 116 gegenüberliegenden Seite angedeutet. Hierdurch kann auf einfache Weise die Länge des Wärmespeicherblocks 102 entsprechend der gewünschten Wärmespeicherkapazität eines Wärmespeichermoduls 101 auch noch nach dem Gießen angepasst werden, indem eine unterschiedliche Anzahl von Wärmespeicherschichten verwendet wird. Zudem können beschädigte Wärmeleitschichten und/oder Wärmespeicherschichten leicht ausgetauscht werden.
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Auch ermöglicht diese Ausführung des Wärmespeichermoduls 101 einen einfachen Transport und eine einfache Montage vor Ort sowohl des Wärmespeichermoduls 101 als auch eines aus mehreren Wärmespeichermodulen 101 zusammengesetzten Wärmespeichers, da relativ kleine und handliche Einzelteilen geliefert werden können.
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Ein in 10 und 11 gezeigtes weiteres alternatives Wärmespeichermodul 201 unterscheidet sich im wesentlichen durch die Befestigung von Wärmespeicherblöcken 202, 203 von den Wärmespeicherblöcken 2, 3 des Wärmespeichermoduls 1 aus 1 bis 5. In der Funktion gleiche Teile werden deshalb mit den um 200 erhöhten Bezugszeichen wie in 1 bis 5 bezeichnet, z. B. Wärmespeicherblöcke 202, 203 in 10 statt Wärmespeicherblöcke 2, 3 in 1. Es werden deshalb nachfolgend im Wesentlichen die Unterschiede zu den beiden oben beschriebenen Wärmespeichermodulen 1 und 101 beschrieben.
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Wie in 10 und 11 gut erkennbar, werden die Wärmespeicherblöcke 202 und 203 des Wärmespeichermoduls 201 durch Gewindestangen 220, 220' miteinander verbunden. Die Gewindestangen 220, 220' reichen durch gestrichelt angedeutete, senkrecht zu den Plattenebenen der Wärmespeicherblöcke 202, 203 verlaufende, hohlzylindrische Ausnehmungen 221, 221' bzw. 222, 222' in den Wärmespeicherblöcken 202, 203, wobei die Ausnehmungen 221, 221' bzw. 222, 222' im zusammengebauten Zustand des Wärmespeichermoduls 201 miteinander fluchten. Durch die Verspannung der Wärmespeicherblöcke 202, 203 mittels der Gewindestangen 220, 220' kann sichergestellt werden, dass wieder aus expandierten Graphitfolien oder -platten bestehende Rohrhüllen 206, 207 und Wärmeleitelemente 208, 209 fest mit einander zugewandten Oberflächen der Wärmespeicherblöcke 202, 203 verbunden werden. Hierdurch kann eine gute und dauerhafte Anlage der Rohrhüllen 206, 207 und der Wärmeleitelemente 208, 209 an den Wärmespeicherblöcken 202 und 203 und insbesondere den Wärmespeicherschichten 216 bis 219 sichergestellt werden.
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Hierbei sind die Gewindestangen 220, 220' und die Ausnehmungen 221, 221' bzw. 222, 222' durch die Wärmespeicherblöcke 202 und 203 zueinander asymmetrisch angeordnet, wie in 12 dargestellt. Zudem weisen die Wärmespeicherblöcke 2, 3 zusätzliche, in 12 angedeutete zylinderförmige Vertiefungen 223, 223' auf, welche etwas größeren Durchmesser haben als die Beilagscheiben und Mutter, mit denen die Gewindestangen 220, 220' gegeneinander verschraubt werden. Auch sind die Vertiefungen 223, 223' jeweils tiefer als die größten Überstände der Gewindestangen 220, 220' über die einander abgewandten Seiten der Wärmespeicherblöcke 202, 203. Hierdurch kann auf das Wärmespeichermodul 201 ein weiteres, nicht gezeigtes Wärmespeichermodul so um 180° gedreht aufgelegt werden, dass die Schrauben und Überstände der Gewindestangen 220, 220' des einen Wärmespeichermoduls 201 in die entsprechenden Vertiefungen 223, 223' des anderen Wärmespeichermoduls 201 eingreifen. Zwei oder mehr Wärmespeichermodule können somit einfach zu einem erfindungsgemäßen Wärmespeicher zusammengesetzt werden, wobei durch die Überstände der Gewindestangen 220, 220' und die Vertiefungen 223, 223' zugleich Ausrichtelemente und Verrutschsicherungen bereitgestellt werden können. Diese stellen sicher dass die Wärmespeichermodule bündig aufeinander zu liegen kommen und nicht gegeneinander in Flächenrichtung verrutschen können.
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Eine bei den oben beschriebenen Wärmespeichermodulen 1 bzw. 101 möglich, zeichnerisch nicht dargestellte Ausführung von Ausrichtelementen und Verrutschsicherungen sieht vor, dass jeweils der obere Wärmespeicherblock 2, 102 nach oben gerichtet Kegelstümpfe aufweist, während der untere Wärmespeicherblock 3, 103 mit entsprechende ausgebildete kegelförmigen Vertiefungen aufweist. Die Kegelstümpfe und kegelförmigen Vertiefungen sind dabei so aneinander gepasst und aufeinander ausgerichtet, dass sie im zusammengesetzten Zustand des Wärmespeichermoduls 1 bzw. 101 ineinandergreifen. Hierdurch lassen sich zwei oder mehrere aufeinander gesetzte Wärmespeichermoduls 1 bzw. 101 beim Aufeinandersetzen zueinander ausrichten und gegen seitliches Verrutschen in Flächenrichtung sichern. Anstelle von Kegelstümpfen und kegelförmigen Vertiefungen können auch andere aneinander angepasste Formen gewählt werden, z. B. Zylinder und zylindrische Vertiefungen. Kegel und Kegelförmige Vertiefungen weisen den besonderen Vorteil auf, dass sie eine selbstzentrierende Funktion haben, d. h. dass zwei beim Aufeinandersetzen zunächst nicht exakt aufeinander ausgerichteten Wärmespeichermodule während des Aufeinandersetzens in die aufeinander ausgerichtete Position rutschen.
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13 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Wärmespeichermodul 301 mit einer alternativen Ausgestaltung von Wärmespeicherblöcken 302, 303 und 313. Da die Wärmespeicherblöcke 302, 303, 313 identisch ausgebildet sind, wird nachfolgend nur der Wärmespeicherblock 302 beschrieben, entsprechende Aussagen gelten auch für die Wärmespeicherblöcke 303 und 313. Der Wärmespeicherblock 302 besteht wieder aus einem gegossenen Betonblock, der wie bei den oben beschriebenen Wärmespeicherblöcken auch mit nicht gezeigten Wärmeleitschichten aus Graphitexpandatfolien oder -platten ausgerüstet sein kann.
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Der Wärmespeicherblock 302 weist jedoch anstelle nur einer Rinne 4 auf einer Flächenseite auf beiden Flächenseiten mehrer trogförmige obere Längsrinnen 304, 304', 304'' bzw. untere Längsrinnen 305, 305', 305'' auf. Der benachbarte Wärmespeicherblock 303 wird so auf den Wärmespeicherblock 302 ausgerichtet, dass die oberen Längsrinnen 304, 304', 304'' des unteren Wärmespeicherblocks 302 mit den unteren Längsrinnen 305, 305', 305'' des oberen Wärmespeicherblocks 303 fluchten. Da auch die Längsrinnen 304, 304', 304'' bzw. 305, 305', 305'' aller Wärmespeicherblöcke 302, 303 und 313 identisch ausgebildet sind, wird die Erfindung nachfolgend lediglich anhand der einander zugewandten Längsrinnen 304 und 305 der Wärmespeicherblöcke 302, 303 beschrieben.
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In einen durch die zueinander gewandten, miteinander fluchtenden Längsrinnen 304, 305 gebildeten Kanal werden, wie bei den oben beschriebenen Ausführungen der Erfindung, wieder an die Form der Längsrinnen 304, 305 angepasste graphithaltige längliche Rohrhüllen 306, 307 eingelegt. Auch hier werden zwischen die benachbarten Wärmespeicherblöcken 302 und 303 wieder Wärmeleitelemente 311, 312 wie oben beschrieben eingelegt. Ebenso hier wird in Rohren 310, 310', 310'' das Wärmeenergie tragende Fluid geführt, wie oben bereits ausführlich beschrieben.
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Durch die in 13 gezeigte Ausführung kann ein Wärmespeicher 300 bereitgestellt werden, wobei Wärmespeichermodule 301 bzw. 301' hier gedanklich durch jeweils benachbarte Wärmespeicherblöcke verschränkt miteinander gebildet werden können. Beispielsweise bilden Wärmespeicherblöcke 302 und 303 das Wärmespeichermodul 301 und Wärmespeicherblöcke 303 und 313 das Wärmespeichermodul 301'.
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Aus den oben beschriebenen Wärmespeichermodulen 1, 101, 201, 301 bzw. 301' lassen sich durch aufeinander Stapeln und nebeneinander Stellen entsprechender Wärmespeichermodule auf einfache Weise erfindungsgemäße Wärmespeicher zusammensetzen, wobei eine Anpassung der benötigten Wärmespeicherkapazität einfach und auch noch während der Montage vor Ort vorgenommen werden kann.
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In einer alternativen, hier nicht gezeigten Ausführung könnte der Wärmespeicher zusätzlich auch mit elektrischen Heizelementen versehen sein, welche ebenso wie die Rohre der obigen Ausführungen in die graphithaltigen Formteile und ggf. auch alternativ oder zusätzlich in die flächigen Wärmeleitelemente und/oder Wärmeleitschichten eingebettet oder zwischen diese eingelegt werden können. Hierdurch können die Wärmespeichermodule und folgend der Wärmespeicher elektrisch beheizt werden, so dass später die gespeicherte Wärme über die Rohre wie oben beschrieben aus dem Wärmespeichermodul und dem Wärmespeicher abgezogen werden und beispielsweise einer Dampfturbine zugeführt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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