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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Latentwärmespeichereinrichtung sowie eine Betriebsverfahren für eine Latentwärmespeichereinrichtung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zur temporären Speicherung von Wärmeenergie oder Wärmemengen werden vermehrt so genannte Latentwärmespeichereinrichtungen oder -anordnungen vorgesehen. Das Wärmespeicherprinzip beruht auf dem Umwandeln zugeführter Wärmemenge oder thermischen Energie in Energie reversibler struktureller und/oder materieller Veränderungen eines Wärmespeichermediums.
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Bei bekannten Latentwärmespeichereinrichtungen ist problematisch, dass zwischen Wärme zuführenden und Wärme abführenden Medien gewechselt wird, die dann direkt in Kontakt treten mit dem Latentwärmespeicher oder gar mit dem jeweiligen Speichermedium. Das kann zwar die Effizienz des Wärmeübertrags steigern helfen, führt jedoch andererseits zu Problemen im Zusammenhang mit den thermischen Wechsellasten einerseits, z. B. im Zusammenhang mit so genannten Dampfschlägen, die beim Umschalten zwischen Wärmespeicherung oder einem Ladevorgang und Wärmeentladung auftreten, andererseits aufgrund direkten Kontakts der maßgeblichen Einrichtungen mit Wärme zuführenden und abführenden Medien zu einer möglichen Verschmutzung, z. B. zuführender oder abführender Leitungen, des Latentwärmespeichers selbst oder gar des Wärmespeichermediums.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Latentwärmespeicheranordnung und ein Betriebsverfahren für eine Latentwärmespeicheranordnung anzugeben, bei welchen auf besonders einfache und störungsfreie Art und Weise thermische Energie, oder Wärmemenge temporär gespeichert und wieder abgerufen werden kann.
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Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden bei einer Latentwärmespeicheranordnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Ferner werden die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben bei einem Betriebsverfahren für eine Latentwärmespeicheranordnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Latentwärmespeicheranordnung geschaffen, mit mindestens einer Latentwärmespeichereinrichtung und mit einem Wärmeübertragungsfluidsystem zum Übertragen von Wärmemenge aus und/oder zu der mindestens einen Latentwärmespeichereinrichtung an bzw. aus einem externen System oder einer Umgebung, wobei das Wärmeübertragungsfluidsystem als geschlossener Kreislauf und gegenüber dem externen System oder der Umgebung materiell getrennt, abgeschlossen und entkoppelt, aber steuer- und/oder regelbar thermisch koppelbar oder gekoppelt ausgebildet ist. Eine Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht also darin, das vorgesehene Wärmeübertragungsfluidsystem als einen geschlossenen Kreislauf auszubilden und gegenüber dem externen System oder der Umgebung, in Bezug auf welche Wärme aufgenommen oder abgegeben wird, welche also als Wärmequelle oder Wärmesenke dienen, das Wärmeübertragungsfluidsystem materiell getrennt, abgeschlossen und entkoppelt, wohl aber damit steuer- und/oder regelbar thermisch koppelbar oder gekoppelt auszubilden. Auf diese Art und Weise wird einerseits ein guter Wärmeübertrag zwischen dem externen System oder der Umgebung und dem internen System, nämlich dem Wärmeübertragungsfluidsystem und dem Latentwärmespeicher gewährleistet, wobei jedoch auf der Grundlage des Abschlusses des Wärmeübertragungsfluidsystems nach außen hin und aufgrund der materiellen Entkopplung eine Kontamination im Inneren vermieden wird. Ferner wird aufgrund der Abgeschlossenheit des Wärmeübertragungsfluidsystems auch das Auftreten von Dampfschlägen beim Wechsel zwischen einem Lade- und einem Entladevorgang vermieden.
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Das Wärmeübertragungsfluidsystem kann vorzugsweise ein einziges Wärmeübertragungsfluid zum Laden und zum Entladen von Wärmemenge der mindestens einen Latentwärmespeichereinrichtung aufweisen und mit diesem betrieben werden. Besonders einfach und sicher gestalten sich Aufbau und Betrieb der erfindungsgemäßen Latentwärmespeicheranordnung, wenn nämlich nur ein einziges Wärmeübertragungsfluid vorgesehen wird und zum Einsatz kommt.
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Alternative oder zusätzlich ist es von besonderem Vorteil, wenn das Wärmeübertragungsfluidsystem mit einem einzigen Wärmeübertragungsfluidkreislauf zum Laden und zum Entladen von Wärmemenge der mindestens einen Latentwärmespeichereinrichtung ausgebildet ist. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich also dann, wenn nur ein einziger Wärmeübertragungsfluidkreislauf vorgesehen wird, insbesondere in Kombination mit einem einzigen Wärmeübertragungsfluid. Dabei kann der einzige Wärmeübertragungsfluidkreislauf mehrere Stränge aufweisen, welche aber materiell nicht unbedingt entkoppelt sein müssen; dabei kann es sich einerseits um einen Ladestrang oder auch eine Mehrzahl von Ladesträngen beim Vorsehen einer Mehrzahl von Latentwärmespeichereinrichtungen handeln, andererseits um entsprechend einen Entladestrang oder eine Mehrzahl von Entladesträngen.
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Das Wärmeübertragungsfluidsystem kann einen Ladekreislauf und einen Entladekreislauf zum Laden bzw. Entladen von Wärmemenge der mindestens einen Latentwärmespeichereinrichtung aufweisen.
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Ein jeweiliger Ladekreislauf und ein jeweiliger Entladekreislauf können materiell und/oder strömungsmechanisch miteinander gekoppelt und/oder verschränkt ausgebildet sein.
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Zur thermischen Kopplung des Wärmeübertragungsfluidsystems und insbesondere jeweiliger Wärmeübertragungsfluidkreisläufe, des Ladekreislaufs und/oder des Entladekreislaufs können ein oder mehrere Wärmetauscher oder Wärmeübertrager vorgesehen und an das externe System oder die Umgebung gekoppelt oder koppelbar sein. Zur thermischen Ankopplung, aber materiellen Entkopplung zwischen dem Wärmeübertragungsfluidsystem, also dem inneren System zur Wärmeübertragung, und dem externen System oder der Umgebung können also ein oder mehrere Wärmeübertrager oder Wärmetauscher vorgesehen sein, wodurch ein besonders hohes Maß an Effizienz und Sicherheit gewährleistet wird.
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Zum Laden und zum Entladen mit bzw. von Wärmemenge können jeweils genau ein Wärmetauscher oder Wärmeübertrager ausgebildet sein.
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Es kann eine Mehrzahl, insbesondere von zwei, Latentwärmespeichereinrichtungen vorgesehen sein.
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Bei einer Mehrzahl von Latentwärmespeichereinrichtungen können diese insgesamt oder gruppenweise parallel und/oder alternierend/sequentiell betrieben werden oder betreibbar sind.
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Durch das parallele Betreiben einer Mehrzahl von Latentwärmespeichereinrichtungen oder Latentwärmespeichern wird die Kapazität oder thermische Leistung der Latentwärmespeicheranordnung insgesamt gesteigert, aber auch auf einen temporären Bedarf anpassbar.
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Beim alternierenden oder sequentiellen Betreiben der einzelnen Latentwärmespeichereinrichtungen oder Latentwärmespeicher kann z. B. bei Wartungsarbeiten ein ununterbrochener Betrieb gewährleistet sein oder werden, bei welchem während des Betriebs mit einer einzigen Latentwärmespeichereinrichtung eine jeweils andere Latentwärmespeichereinrichtung gewartet, repariert oder ausgetauscht wird.
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Eine jeweilige Latentwärmespeichereinrichtung kann mit einem oder mit mehreren Phasenwechselmaterialien ausgebildet sein. Grundsätzlich sind dabei sämtliche Latentwärmespeichermaterialien denkbar, die ein temporäres Aufnehmen und gesteuertes und/oder geregeltes Abgeben von thermischer Energie oder von Wärmemenge ermöglichen.
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Es können insbesondere mehrere PCM-HX-Systeme oder Wärmetauscher oder Wärmeübertrager mit gleichen, aber gerade auch mit unterschiedlichen Phasenwechselmaterialien vorgesehen sein, z. B. für einen sequentiellen und/oder parallelen Betrieb, ggf. mit alternativen PCM-Salzen und/oder anderen PCM-Materialien. Dadurch ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, Wärme bei verschiedenen Temperaturniveaus aufzunehmen und/oder abzugeben, so dass erfindungsgemäß das Anwendungs- und Einsatzspektrum erweitert wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Betriebsverfahren für eine Latentwärmespeicheranordnung, welche insbesondere gemäße der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, angegeben, bei welchem ein jeweils vorgesehenes Wärmeübertragungsfluidsystem zum Übertragen von Wärmemenge aus und zu einer Latentwärmespeichereinrichtung zu bzw. aus einem externen System oder der Umgebung als geschlossener Kreislauf und gegenüber dem externen System oder der Umgebung materiell getrennt, abgeschlossen und entkoppelt, jedoch steuer- und/oder regelbar thermisch gekoppelt betrieben wird.
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Zum Laden und Entladen von Wärmemenge kann dabei ein einziges Wärmeübertragungsfluidsystem verwendet werden, insbesondere mit einem einzigen Wärmeübertragungsfluid.
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Diese und weitere Aspekte werden beispielhaft auf der Grundlage der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Latentwärmespeicheranordnung unter Verwendung einer einzelnen Latentwärmespeichereinrichtung.
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2 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Latentwärmespeicheranordnung, bei welcher jedoch eine Mehrzahl von Latentwärmespeichereinrichtungen verwendet wird.
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DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden.
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Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.
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Die Figuren beschreiben die Erfindung exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen und in schematischer Art und Weise und sind nicht maßstabsgetreu, solange nichts anderes gesagt ist.
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Zunächst wird auf die Zeichnungen im allgemeinen Bezug genommen.
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Bei einer häufig vorgesehenen Verschaltung von Latentwärmespeichern 10 wird z. B. für einen Ladevorgang ein heißer Wärmeträger, z. B. ein Dampf oder eine heiße Flüssigkeit, z. B. Wasser, als Wärmeübertragungsfluid durch den Wärmespeicher 10 geleitet, welcher z. B. durch Aufschmelzen von PCM-Material geladen wird und die thermische Energie oder Wärmemenge aufnimmt.
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Beim Entladen wird bisher oft im Allgemeinen ein anderes Medium, z. B. Wasser, durch das gleiche Leitungssystem gefördert, tritt mit dem Latentwärmespeicher 10 in Kontakt und nimmt von diesem Wärme unter eigener Temperaturerhöhung, nämlich unter einem Temperaturanstieg des Entlademediums, auf. Denkbar ist auch der Energieübergang über einen Phasenwechsel im Entlademedium, z. B. ein Phasenwechsel von der flüssigen Form in die Dampfform.
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Eine derartige Verschaltung ist dahingehend nachteilig, dass beim Umschalten vom Laden zum Entladen und umgekehrt so genannte Dampfschläge nicht völlig zu vermeiden sind.
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Ferner können auf Dauer bei einem Betrieb, bei welchem die Lade- und Entlademedien von extern direkt auf den Latentwärmespeicher 10 zugreifen, Verschmutzungen innerhalb der jeweiligen Leitungen oder Rohre auftreten, bei welchen dann zusätzlich auch eine Verunreinigung der Speicher selbst oder sogar das PCM-Materials in nachteiliger Weise auftreten können.
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Ein Wechsel der Wärmeträger zum Entladen und Beladen scheint bei einem solchen Szenario kaum durchführbar zu sein, da sich das Lademedium und das Entlademedium wechselseitig verunreinigen.
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Ein weiteres Problem kann dann auftreten, wenn aufgrund einer derartigen Auslegung die jeweiligen Latentwärmespeicher 10 als Druckbehälter ausgelegt werden müssen, weil dies mit einem erheblichen Auslegungs- und Prüfaufwand einhergeht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf einen Wechsel des Wärmespeichermediums zum Be- und Entladen verzichtet. Der Latentwärmespeicher 10, z. B. als PCM-Speicher wird mit nur einem einzigen Wärmeübertragungsmedium oder Wärmeträgermedium betrieben. Dieses Wärmeträgermedium wird z. B. in Rohren 43, 44 durch einen Rohrbündelwärmeübertrager geleitet. Zweckmäßigerweise wird für die Trennung von Wärmeträgermedium PCM auch ein PWT verwendet.
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Der Betrieb läuft, indem das Wärmeträgermedium in einem Kreislauf durch den Speicher, nämlich der Latentwärmespeichereinrichtung, geleitet wird. Im Unterschied zu dem oben beschriebenen Verfahren wird der Speicher z. B. nicht mit Wasser, sondern mit so genannten PCM-Graphit-Modulen beschickt.
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Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen.
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1 zeigt in schematischer Form und nach Art eines Blockdiagramms eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Latentwärmespeicheranordnung 100.
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Dem Kern nach besteht diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Latentwärmespeicheranordnung 100 aus einer einzigen Latentwärmespeichereinrichtung 10 oder einem einzigen Latentwärmespeicher 10, welcher mit einem entsprechenden Wärmespeichermaterial 13 gefüllt ist und von einer Wärmeaustauschleitung 14 durchmessen wird.
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Des Weiteren ist ein Wärmeübertragungsfluidsystem 50 vorgesehen, welches thermisch mit einem externen System 80 oder der Umgebung 80 wechselwirkt und von diesen thermische Energie oder Wärmemenge heranführt oder an diese abgibt. Das Wärmeübertragungsfluidsystem 50 weist Ladeleitungen 43 und Entladeleitungen 44 auf, die auch als Zuführleitungen 43 und Abführleitungen 44 bezeichnet werden können, ein entsprechendes Wärmeübertragungsfluidsystem 50 zur Übertragung von thermischer Energie oder Wärmemenge führen und an den Latentwärmespeicher 10 und dessen Wärmeübertragungsleitung 14 angeschlossen ist.
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Das Wärmeübertragungsfluidsystem 50 bildet somit über die Zuführleitungen 43 und die Abführleitungen 44 erfindungsgemäß ein gegenüber dem externen System 80 und der Umgebung 80 abgeschlossenen Wärmeübertragungsfluidkreislauf 40.
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Zum Abschluss gegenüber dem externen System 80 oder der Umgebung 80 und zur Wärmeübertragung mit diesem sind bei der Ausführungsform gemäß 1 ein erster Wärmetauscher 21 und ein zweiter Wärmetauscher 22 als Wärmeübertrager 20 der erfindungsgemäßen Latentwärmespeicheranordnung 100 vorgesehen und mit dem Wärmeübertragungsfluidkreislauf 40 und dessen Zuführleitungen 43 und Abführleitungen 44 verbunden, wobei der erste Wärmeübertrager 21 eine Wärmequelle 81 der Umgebung 80 bedient und der zweite Wärmeüberträger 22 den Wärmeaustausch mit der Wärmesenke 82 der Umgebung 80 realisiert.
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Im Bereich der Zuführung und Abführung des Latentwärmespeichers 10, also unmittelbar vor und hinter den Anschlüssen an die Wärmeübertragungsleitung 14 sind Temperaturmesseinrichtungen 47 oder Temperatursensoren 47 ausgebildet, deren Messwerte über entsprechende Mess- und Steuer- und/oder Regelleitungen 48 an eine zentrale Steuerung und/oder Regelung 49 geleitet werden, um dort aufbereitet und ausgewertet zu werden.
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Über die Mess- und Steuer- und/oder Regelleitungen 48 sind des Weiteren Ventile 45, welche in den Zuführleitungen 43 und den Abführleitungen 44 angeordnet sind und dazu dienen, die Zuführleitungen 43 und Abführleitungen 44 und deren Verschaltung so zu gestalten, dass jeweils ein Entladeprozess oder Beladeprozess realisierbar ist, angeschlossen.
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Ferner ist über eine weitere Mess- und Steuer- und/oder Regelleitung 48 eine Pumpe 46 mit der zentralen Steuer- und/oder Regeleinrichtung 49 verbunden.
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Über die Auswertung der Messdaten und gegebenenfalls nach Empfang externer weiterer Steuer- und/oder Regeldaten erfolgt die Steuerung und/oder Regelung der Pumpe 46 einerseits und die Stellung der Ventile 45 je nach Art des Prozesses zum Be- oder Entladen andererseits.
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Vor der Ausführungsform gemäß 2 liegt ein hoher Ähnlichkeitsgrad zu der Ausführungsform der 1 vor, jedoch sind hier zwei Latentwärmespeichereinrichtungen 10, nämlich eine erste Latentwärmespeichereinrichtung 11 und eine zweite Latentwärmespeichereinrichtung 12 in strömungsmechanischer Parallelschaltung zueinander vorgesehen. Auch die zweite Latentwärmespeichereinrichtung 12 ist mit entsprechenden Temperatursensoren 47 im Bereich der Anschlüsse der Zuführleitungen 43 und Abführleitungen 44 zur Wärmeaustauschleitung 14 ausgebildet. Ferner ist auch ein zusätzliches Ventil 45 vorgesehen, über welches sich die Zuführleitung 43 in direktem Anschluss an die zweite Latentwärmespeichereinrichtung öffnen oder sperren lässt.
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Auf diese Art und Weise ist entweder ein gleichzeitiger und paralleler Betrieb der ersten und zweiten Latentwärmespeichereinrichtungen 11 und 12 möglich, oder ein Einzelbetrieb jeweils nur einer der ersten und zweiten Latentwärmespeichereinrichtungen 11 und 12, wobei die jeweils nicht betriebene Latentwärmespeichereinrichtung z. B. gewartet, repariert oder gar ausgetauscht werden kann.
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Durch die Ausführungsformen gemäß den 1 und 2 werden die erfindungsgemäßen Konzepte realisiert, die unter anderem darin bestehen, einen in sich geschlossenen Kreislauf für das Wärmeübertragungsfluidsystem 50 vorzusehen, der zwar thermisch mit der Umgebung 80 gekoppelt ist, von dieser jedoch strömungsmechanisch und damit materiell getrennt ist, so dass es zu keinem materiellen Austausch und damit auch nicht zu Kontaminationen kommen kann.
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Die Verwendung des in sich geschlossenen Systems ist besonders sicher und zuverlässig und verhindert darüber hinaus Komplikationen in Form von Dampfschlägen oder dergleichen beim Umschalten von einem Entlade- zu einem Beladeprozess oder umgekehrt.
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Vorzugsweise wird dabei in dem Leitungssystem, welches aus den Zuführleitungen 43 und den Abführleitungen 44 des Wärmeübertragungsfluidsystems und des Wärmeübertragungsfluidkreislaufs besteht, ausschließlich ein einziges Wärmeübertragungsfluid verwendet, also insbesondere nach Art eines zusammenhängenden Fluidkompartiments, wobei der jeweilige Zusammenhang und die jeweilige Verschaltung zum Beladen und Entladen über das Schalten der einzelnen Ventile 45 mittels der zentrale Steuer- und/oder Regeleinrichtung 49 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Latentwärmespeichereinrichtung, Latentwärmespeicher
- 11
- erste Latentwärmespeichereinrichtung, erster Latentwärmespeicher
- 12
- zweite Latentwärmespeichereinrichtung, zweiter Latentwärmespeicher
- 20
- Wärmetauscher, Wärmeübertrager
- 21
- erster Wärmetauscher, erster Wärmeübertrager
- 22
- zweiter Wärmetauscher, zweiter Wärmeübertrager
- 40
- Wärmeübertragungsfluidkreislauf
- 41
- Ladekreislauf
- 42
- Entladekreislauf
- 43
- Ladeleitung, Zuführleitung
- 44
- Entladeleitung, Abführleitung
- 45
- Ventil
- 46
- Pumpe
- 47
- Temperaturmesseinrichtung, Temperatursensor
- 48
- Mess- und Steuer- und/oder Regelleitung
- 49
- Mess- und Steuer- und/oder Regeleinrichtung
- 50
- Wärmeübertragungsfluidsystem
- 80
- externes System, Umgebung
- 81
- Wärmequelle
- 82
- Wärmesenke
- 100
- Latentwärmespeicheranordnung
