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Die nachfolgende Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermodul und einen Hybridwärmespeicher.
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Durch die vermehrte Nutzung regenerativer Wärmequellen, insbesondere der Solarstrahlung, tritt beispielsweise in Wohn- und Bürogebäuden immer häufiger ein zeitlicher Versatz zwischen Wärmeerzeugung und Wärmenutzung auf. Zur Nutzung derartiger nicht kontinuierlich arbeitender Wärmequellen sind demnach Speicher notwendig, die den zeitlichen Versatz ausgleichen können, bei dem es sich sowohl um tageszeitlichen als auch um saisonalen Versatz handeln kann. Die Überbrückung eines tageszeitlichen Versatzes ist eine Kurzzeit- und die Überbrückung eines saisonalen Versatzes eine Langzeitspeicherung.
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Für die Kurzzeitspeicherung sind etwa wasserbasierte Speicher Stand der Technik. Diese Systeme funktionieren sehr zuverlässig und lassen sich vorteilhaft schnell entladen, benötigen aber nachteilig erhebliche Speichervolumina, was einen Verlust an Gebäude-Nettofläche bedeutet.
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Zur Langzeitspeicherung werden auf Grund der vielfach größeren zu speichernden Wärmemenge viel größere Speichervolumina benötigt, die bis dato auch als wasserbasierte Speicher realisiert werden, die entsprechend sehr groß sind und mitunter mehrere Stockwerke überragen, oder alternativ den Erdboden nutzen oder die Gebäudemassen zur Speicherung heranzuziehen.
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Die volumetrische Speicherdichte lässt sich durch den Einsatz eines Speichermediums, das bei einer entsprechenden Temperatur einen Phasenwechsel (PCM) erfährt, deutlich erhöhen. Dabei werden die Schmelz- oder Verdampfungsenthalpien, d. h. die latente Wärme, des Speichermediums genutzt, die um ein Vielfaches größer sind als die Wärme, die bei üblichen Temperaturhüben innerhalb einer Phase mit Wasser speicherbar ist, wobei übliche Temperaturhübe bei Speichern für die Gebäudetechnik etwa 70 K betragen. Solche Latentwärmespeicher an sich sind dem Fachmann seit langem bekannt; der Belade- bzw. Entladevorgang ist allerdings oft nachteilig sehr langsam, was vor Allem auf die vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit des PCM zurückzuführen ist.
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PCM-Speicher sind dann ökonomisch und ökologisch vorteilhaft, wenn im Laufe ihrer Lebensdauer eine möglichst große Anzahl von Be- und Entladezyklen durchgeführt werden, was bei Langzeitwärmespeichern nicht der Fall ist. Der an sich geeignete Einsatz von Latentwärmespeichermodulen zur Kurzzeitwärmespeicherung hingegen ist bis dato auf Grund hoher Zeitkonstanten wegen der vergleichsweise niedrigen Wärmeleitfähigkeit des PCM beim Be- bzw. Entladen nicht zufriedenstellend umsetzbar. Daher wurden Maßnahmen getroffen, die die Zeitkonstanten beim Be- bzw. Entladen dadurch verringern sollen, dass die Wärmeleitung innerhalb des PCM verbessert wird. Dies geschieht durch Wärmeleitstrukturen, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das PCM selbst aufweisen und so dazu beitragen, dass die Phasenwechsel schneller erfolgen können. Häufig sind die Herstellung und die Montage derartiger Wärmeleitstrukturen in einem Latentwärmespeichermodul sehr aufwändig und/oder mit einer starken Reduzierung des Nettospeichervolumens verbunden; z. B. bei gegossenen Wärmeleitstrukturen.
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Aus der
DE 10 2010 009 553 A1 ist ein Latentwärmespeichermodul bekannt, das ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse aufweist und mit PCM gefüllt ist. Das dort beschriebene Latentwärmespeichermodul wird vor allem für den Wärmeaustausch mit Luft eingesetzt, wobei die Wärme durch die Mantelfläche in das Latentwärmespeichermodul eingekoppelt wird. Im Latentwärmespeicher liegt dort eine Wärmeleitstruktur vor, die entweder aus einer Metallstegstruktur, die bevorzugt gegossen sein kann, oder aus einem offenporigen Metallschaum besteht. Mehrere Latentwärmespeichermodule werden dort zur Verwendung in Klimatisierungseinrichtungen in einem Gehäuse angeordnet, wo diese etwa von einem Luftstrom zum Wärmeaustausch umströmt werden. Aufgrund dessen können die einzelnen Module nicht einzeln mit einer Wärmedämm-Hülle versehen werden.
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DE 2704938 A1 betrifft einen Wärmespeicher, bei dem die Wärmespeichermasse aus Erdreich besteht, wobei in die Wärmespeichermasse zwei getrennte Rohrspiralen oder -helices verlegt sind, von denen eine mit einer Wärmequelle und die andere mit einer Wärmesenke verbunden ist.
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US 3 293 871 A beschreibt einen kryogen arbeitenden Verdampfer, bei dem innerhalb eines zylindrischen Gehäuses mehrere Rohre parallel verlaufen, die von einem Fluid durchströmt werden. Mit den Rohren sind gebogene Wärmetauschrippen thermisch leitend verbunden, wobei ein Teil der gebogenen Wärmetauschrippen jeweils auch ein benachbartes Rohr kontaktiert. Dabei haben alle Rippen den gleichen Querschnitt und sind einzeln und nicht lösbar mit den Rohren verbunden.
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In
US 6 250 098 B1 wird ein Eislagerbehälter beschrieben, durch den sich Wärmetauscherrohre erstrecken. Diese sind in mehreren Ebenen jeweils in Spiralen angeordnet, die durch kammartige und radial verlaufende Halterungsmittel gehaltert werden, die im Zentrum einer jeden Spirale mit einem Verbindungsstern untereinander verbunden sind, der insbesondere über eine Einschiebenut verfügt. Die einzelnen Lagen können gestapelt werden, wobei ein Fluideinlass und Fluidauslass der Spiralen jeweils an einen normal zu den Ebenen verlaufenden Sammelkanal angeschlossen ist.
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US 7 367 380 B2 betrifft einen Rippenrohr-Wärmeübertrager, der eine helixförmige Rohrleitung hat, die innen berippt ist. Die Rohrleitung ist zum Wärmeaustausch mit einem Medium vorgesehen, das kontinuierlich an der Rohrleitung vorbei bewegt wird. Die Rohrleitung wird im Gehäuse durch Klammern befestigt, von denen ein ersten Teil von innen an die Rohrleitung angelegt wird und ein zweiter Teil von außen.
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Aus
WO 2011/079936 A2 ist ein Wärmespeicher bekannt, bei dem zwei typunterschiedliche Wärmeleitelemente vorgesehen sind, die ein Fluidführungsrohr in Längsrichtung kontaktieren und die sich in ihrem Querschnitt unterscheiden: Ein unterer Wärmeleitelement-Typ mit einer Aufnahmesicke, in die ein Fluidführungsrohr eingelegt wird, und ein oberer Wärmeleitelement-Typ, der auf das Wärmeleitelement des unteren Typs aufgelegt wird und die Aufnahmesicke abdeckt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Latentwärmespeichermodul zu schaffen, das Wärme mit vergleichsweise geringen Verlusten speichern kann, kurze Zeitkostanten für die Be- bzw. Entladung aufweist und einfach und kostengünstig aus geschickt vorproduzierbaren Komponenten herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Latentwärmespeichermodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen HybridWärmespeicher zu schaffen, der ohne Verzögerung entladbar ist und vorteilhafte Eigenschaften eines Latentwärmespeichers und eines Einphasenspeichers vereint.
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Diese Aufgabe wird durch einen Hybridwärmespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
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Weiterbildungen der Gegenstände werden durch die Unteransprüche beschrieben.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermoduls zur Wärmeübertragung mit einem Fluid weist ein Gehäuse auf, das eine Wärmeleitstruktur und ein Phasenwechselmaterial (PCM) umgibt, die miteinander in Kontakt stehen. Ferner weist das Latentwärmespeichermodul ein Fluidführungsrohr mit zumindest einem Einlass und einem Auslass für das Fluid auf, wobei das Fluidführungsrohr in Windungen verläuft. Die Wärmeleitstruktur, die ihrerseits durch mehrere Wärmeleitbleche gebildet wird, ist eine Steckstruktur, die aus mehreren Steckelementen gebildet wird. Es liegen zumindest zwei Steckelementetypen vor, Steckelemente eines ersten Typs und Steckelemente eines zweiten Typs, die sich zumindest in ihrem Querschnitt unterscheiden.
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„Querschnitt“ meint im Wesentlichen die Querschnittsform oder auch die Form an sich, da die ineinander zu steckenden Elemente so geformt sein sollen, dass die eine Form zumindest mit einem Abschnitt, an sich einem Längsabschnitt, in der anderen Form, bevorzugt entlang deren Länge, aufgenommen werden kann. Eine erste Form, die beispielsweise ein „V“ im Querschnitt zeigt, sollte also ein „V“ mit einem weiteren Öffnungswinkel aufspannen, als die zweite Form, die innerhalb der Schenkel des ersten „V“ aufgenommen werden soll.
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Im Folgenden werden die Steckelemente des ersten Typs mit „erste Steckelemente“ und die Steckelemente des zweiten Typs mit „zweite Steckelemente“ bezeichnet. Die ersten Steckelemente können mit den zweiten so gekoppelt bzw. verbunden werden, dass die ersten und die zweiten Steckelemente lösbar und wärmeleitend zwischen den Windungen des Fluidführungsrohrs eingesteckt sind und dabei die Steckstruktur bilden, die von dem Phasenwechselmaterial umgeben ist.
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Das Fluid kann sowohl eine Flüssigkeit wie etwa Wasser oder aus Frostschutzgründen ein Wasser-Glykol-Gemisch oder auch ein anderes geeignetes Flüssigkeitsgemisch, als auch ein Gas sein. Das Fluid kann aber auch als ein Phasengemisch vorliegen. Wird das erfindungsgemäße Latentwärmespeichermodul etwa mit einer Flüssigkeit betrieben, so kann es einfach in existierende konventionelle Raumheizungs- beziehungsweise Solarthermiesysteme integriert werden, wobei hier der Solarkreis vorteilhaft das Latentwärmespeichermodul direkt bedient.
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Ein PCM im Sinne der Erfindung kann insbesondere ein Paraffin oder ein Paraffingemisch sein, wobei die Schmelztemperaturen je nach Zusammensetzung etwa zwischen -4 °C und 100 °C liegen können. Im erfindungsgemäßen Speicher ist der Einsatz eines PCM mit einer Schmelztemperatur zwischen 20 °C und 100 °C vorteilhaft, da die bei einem solchen Temperaturniveau entnommene Wärme direkt zur Raumheizung bzw. Brauchwasserbereitung verwendet werden kann. Die Wärmeleitfähigkeiten des PCM können dabei zwischen 0,1 und 0,3 W/mK liegen. Grundsätzlich kann ein erfindungsgemäßer Wärmespeicher aber auch als „Kältespeicher“ verwendet werden.
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Da die Steckstruktur lösbar und wärmeleitend zwischen den Windungen des Fluidführungsrohrs eingesteckt ist, können das Fluidführungsrohr und die Steckstruktur vorteilhaft getrennt voneinander hergestellt bzw. vorgefertigt werden und für die Herstellung der Steckelemente können gängige Produktionsverfahren wie Biegen, Schneiden und/oder Stanzen eingesetzt werden. So wird die Fertigung der Komponenten automatisierbar und günstig. Darüber hinaus werden bei dem erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermodul nur Steckelemente einer begrenzten Anzahl von Steckelementetypen eingesetzt, da dies die Anzahl unterschiedlicher Teile effektiv begrenzt, wodurch Fertigung und Montage günstiger werden.
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Die Steckelemente können vorteilhaft so innerhalb des Gehäuses angeordnet werden, dass sie quasi ein Skelett bilden. Es ist anzumerken, dass quasi eine Vielzahl an „Untersteckstrukturen“, die eine kleinere Steckstruktur bilden, in ihrer Gesamtheit ebenfalls wieder eine Steckstruktur bilden; diese kann als „Skelett“ bezeichnet werden. Die „Untersteckstrukturen“ können dabei etwa in gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet sein, um das Skelett zu bilden.
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Die Steckelemente können gemäß einem „Baukastenprinzip“ zusammengesetzt werden, so dass in Abhängigkeit des eingesetzten PCMs, insbesondere der Wärmeleitfähigkeit des eingesetzten PCMs, die genaue Anordnung der Steckstrukturen innerhalb des Gehäuses und deren Anzahl vorbestimmt werden kann, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Beispielsweise sollten bei einem PCM mit vergleichsweise niedriger Wärmeleitfähigkeit die Steckstrukturen in geringeren Abständen eingesetzt werden als bei einem PCM mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit. Generell ist es geeignet, nur so viele Steckstrukturen einzusetzen, wie zur Erreichung vorgegebener Zeitkonstanten für die Be- und Entladung notwendig sind, da durch den Einsatz der Steckstrukturen das Nettospeichervolumen des Latentwärmespeichermoduls reduziert wird.
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Erfindungsgemäß weisen die Steckelemente jeweils ein Rückenteil und zwei Flügel mit Ausnehmungen, die zur Aufnahme der Windungen des Fluidführungsrohrs ausgebildet sind, auf. Zwischen den Ausnehmungen liegen Stege vor, sodass die Flügel jeweils eine „kammartige“ Form aufweisen. Der Rückenteil weist bei den ersten Steckelementen zur Modulinnenseite und weist bei den zweiten Steckelementen zur Modulaußenseite, wobei die Flügel der Steckelemente radial bezüglich einer Gehäuselängsachse verlaufen und die Stege zumindest abschnittsweise über die Windungen des Fluidführungsrohrs hinaus ragen.
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Neben der beschriebenen Querschnittsform ist es auch denkbar, dass die Steckelemente etwa eine U-förmige oder V-förmige Querschnittsform haben können.
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Die Steckelemente sind erfindungsgemäß mit ihren Stegen in die Bereiche, die zwischen den Windungen des Fluidführungsrohrs liegen, eingesteckt, wodurch die Windungen des Fluidführungsrohrs von den Ausnehmungen der Steckelemente aufgenommen werden und sich Kontaktflächen zwischen Steckelementen und Fluidführungsrohr ergeben, die zum Wärmeaustausch dienen. Die Ausnehmungen können vorteilhaft an ihren geschlossenen Enden so gestaltet sein, dass deren Form mit dem Außenquerschnitt des Fluidführungsrohrs korrespondiert, damit die Kontaktfläche maximiert wird.
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Mit derartig gestalteten Steckelementen ist es möglich, Latentwärmespeicher in nahezu beliebiger Länge herzustellen; so können etwa bei einem längeren Latentwärmespeicher einfach zwei oder mehr Steckelemente hintereinander eingesetzt werden oder es können Steckelementetypen mit gleichbleibenden Querschnitten in unterschiedlichen Längen gefertigt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Fluidführungsrohr in Windungen in Form einer Helix oder auf einem oder mehreren Radien mäandrierend innerhalb des Gehäuses verlaufen. Es sind aber sämtliche Rohranordnungen anwendbar, die möglichst viele Volumenbereiche innerhalb des Gehäuses durchlaufen, was vorteilhaft ist, da die Strecke, die die Wärme lediglich durch Wärmeleitung „zurücklegen“ muss, für schnelles Beladen bzw. Entladen auf ein vorbestimmtes Maß zu begrenzen ist.
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Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, dass das Fluidführungsrohr einteilig als eine Helix oder zweiteilig als zwei Helices innen im Gehäuse vorliegt. Bei zwei Helices wird das Latentwärmespeichermodul über eine Helix beladen und über die andere entladen. So können vorteilhaft zwei getrennte Fluidkreise für die Be-/Entladung verwendet werden, wobei in den Fluidkreisen auch unterschiedliche Fluide eingesetzt werden können, etwa ein Glykol-Wassergemisch im Fluidkreis zur Beladung und Wasser im Fluidkreis zur Entladung. Die einteilige Variante des Fluidführungsrohrs ist vorteilhaft, da das innerhalb des Gehäuses für das PCM zur Verfügung stehende Nettovolumen im Gegensatz zur zweiteiligen Variante erhöht ist. Dies trägt zu einer signifikanten Erhöhung der volumetrischen Speicherdichte des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermoduls bei. Es ist allerdings ein gewisser Zusatzaufwand in Form einer externen Schalteinrichtung nötig, die entweder relativ heißes Fluid zum Beladen oder relativ kaltes Fluid zum Entladen in das Fluidführungsrohr einleitet, wobei der Zusatzaufwand für die externe Schalteinrichtung auch bei einer Kaskadierung von mehreren erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermodulen gleich bleibt, so dass sich der Effekt der erhöhten volumetrischen Speicherdichte beim Einsatz von mehreren erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermodulen vergrößert. Zudem ist der Werkstoffeinsatz für die Herstellung des Fluidführungsrohrs bei der einteiligen Ausführungsform geringer, was zudem zu einer Kostensenkung beiträgt.
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Bei dem Fluidführungsrohr kann es sich insbesondere um ein zumindest außen beripptes Rohr handeln. Die Rippen auf dem Rohr verbessern den Wärmeaustausch zwischen Rohr und umgebendem PCM. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von zusätzlich innen berippten Rohren, die beispielsweise einen bestimmten Drall oder eine Turbulenz im Rohr erzeugen können, was den integralen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem das Rohr durchfließenden Fluid und PCM deutlich erhöht. Diese zusätzliche Maßnahme trägt weitergehend dazu bei, dass die Zeitkonstanten für die Bebeziehungsweise Entladung des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermoduls reduziert werden können. Berippte Rohre sind in vielen Ausführungsformen und zu überschaubaren Kosten am Markt erhältlich.
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In einer weiteren Ausführungsform können benachbarte erste Steckelemente an Abschnitten der Stege, die über die Windungen des Fluidführungsrohrs hinaus ragen, mittels Verbindern miteinander verbunden sein, wobei die Verwendung von gewinkelten Verbindungsblechen als Verbinder vorteilhaft ist.
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Die Verbindungsbleche können entlang ihrer Längsachse entsprechend dem Durchmesser des Gehäuses bzw. dem Durchmesser des Fluidführungsrohrs gebogen sein. Ferner können die Verbinder außerhalb des Fluidführungsrohrs angeordnet sein und die radial innen des Fluidführungsrohrs angeordneten ersten Steckelemente an Abschnitten deren Stege, die durch die Windungen des Fluidführungsrohrs hinaus ragen, verbinden. Mit derartigen Verbindern kann eine Vielzahl von Steckelementen so verbunden werden, dass sie sich durch einen Großteil des Gehäuses erstrecken. Die Verbinder sorgen auch dafür, dass die ersten Steckelemente in definierten Abständen innerhalb des Gehäuses angeordnet werden können, wobei eine Anordnung in regelmäßigen Winkelabständen vorteilhaft ist, da für jedes PCM ein von seiner Wärmeleitfähigkeit abhängiges „Abstandsoptimum“ existiert.
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Die Verbinder ermöglichen eine beschleunigte Montage der Steckelemente in das Gehäuse, da die relative Positionierung der Steckelemente zueinander durch Eingriffsmittel und komplementäre Eingriffsöffnungen vorgegeben ist, was eine einfache Positionierung erlaubt. Zudem können die Steckelemente und die Verbinder mit einfachen Fertigungsverfahren, wie Biegen, Bohren, Schneiden und/oder Stanzen hergestellt werden.
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Die Verbindung der ersten Steckelemente durch die Verbinder kann in einer alternativen Ausführungsform so ausgeführt sein, dass die ersten Steckelemente Eingriffsmittel und die Verbinder Eingriffsöffnungen aufweisen, wobei die Eingriffsmittel der ersten Steckelemente in die Eingriffsöffnungen der Verbinder eingreifen.
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Die Eingriffsmittel befinden sich hierbei an den dem Rückenteil abgewandten Enden der Stege der ersten Steckelemente, wobei die Eingriffsmittel an einzelnen Stegen oder an allen Stegen vorliegen können. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Eingriffsmittel nur an einzelnen Stegen vorliegen, da so sowohl der Fertigungsaufwand als auch Montage- bzw. Demontagekräfte begrenzt werden können.
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Darüber hinaus ist es in einer weiteren Ausführungsform möglich, dass die Eingriffsmittel Federklemmen oder Zinken sind und die Eingriffsöffnungen rechteckige geschlossene Aussparungen, die entlang der langen Kanten des Verbinders verlaufen.
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Die Federklemmen können dabei als integraler Bestandteil der ersten Steckelemente vorliegen oder daran gefügte Federklemmen sein. Integrale Federklemmen sind einfach durch Einbringen eines geeigneten Schnittes zur Bereitstellung der geforderten Rückstell-Elastizität und durch die Erzeugung einer „Haltenase“ zum Eingriff in die Eingriffsöffnungen mittels gängiger Fertigungsverfahren herstellbar, wobei es moderne Verfahren wie Wasserstrahl- oder Laserschneiden erlauben, die Steckelemente inklusive der Federklemmen in einem Schritt aus geeigneten Blechen auszuschneiden, wobei diese aber auch mittels Stanzen einfach und günstig hergestellt werden können. Vergleichbares gilt für die geschlossenen rechteckigen Aussparungen der Verbinder, die auch einfach und schnell mittels bekannter Trennverfahren gefertigt werden können.
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In einer noch weiteren Ausführungsform können die ersten und zweiten Steckelemente mittels einer ersten Spannvorrichtung mit dem Fluidführungsrohr lösbar und wärmeleitend verbunden sein. Die erste Spannvorrichtung ist dabei dazu ausgebildet, die ersten Steckelemente radial von innen und die zweiten Steckelemente radial von außen an das Fluidführungsrohr anzupressen, wobei die erste Spannvorrichtung formschlüssig wenigstens an den Rückenteilen der zweiten Steckelemente anliegen kann.
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Dabei kann die erste Spannvorrichtung etwa kraftschlüssig, insbesondere in einem Gewinde, mit den ersten Steckelementen verbunden sein. Es ist aber auch möglich, dass die erste Spannvorrichtung formschlüssig an den ersten Steckelementen anliegt.
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Die erste Spannvorrichtung kann mehrere Befestigungsmittel wie Befestigungsstifte oder Schrauben aufweisen. Wenn Stifte oder Schrauben eingesetzt werden, können diese durch Durchtrittsöffnungen der zweiten Steckelemente geführt und - im Fall von Schrauben - in korrespondierende Gewinde der ersten Steckelemente eingeschraubt werden.
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Es kann dadurch eine Kraft, die bezüglich der Längsachse des helixförmigen Fluidführungsrohrs radial wirkt, auf die ersten und zweiten Steckelemente aufgebracht werden, die diese quasi gegeneinander verspannt, wobei das Fluidführungsrohr dazwischen, d. h. in den jeweiligen Ausnehmungen der Steckelemente, angeordnet ist. Diese Kraft presst die Steckelemente an die Windungen des Fluidführungsrohrs an und sorgt so für einen verbesserten Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem Fluidführungsrohr und den Steckelementen. Dies äußert sich in verringerten Zeitkonstanten bei der Beladung bzw. Entladung. Die Befestigungsmittel können jedoch nicht nur Schrauben sein, sondern jegliche Befestigungsmittel, die geeignet sind eine Kraft in beschriebener Richtung auszuüben.
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Alternativ oder zusätzlich kann im Zentrum des Fluidführungsrohrs eine zweite Spannvorrichtung angeordnet sein, die dazu ausgebildet ist, die ersten Steckelemente von radial innen an das Fluidführungsrohr anzupressen. Die zweite Spannvorrichtung kann dabei bevorzugt ein oder mehrere Klemmbleche und mehrere Führungsbleche aufweisen, wobei die Führungsbleche dazu ausgebildet sind, die ersten Steckelemente definiert zu beabstanden und eine radial nach außen wirkende Kraft auf die ersten Steckelemente zu übertragen.
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Die radial nach außen wirkende Kraft zum Anpressen der ersten Steckelemente wird dabei durch geeignet angeordnete Wirkflächen der Klemm- und Führungsbleche erzeugt. Die Kraft kann etwa durch Wechselwirkungen an keilförmig geformten Flächen entstehen oder mittels jedem anderen, dem Fachmann bekannten Effekt erzeugt werden. Die Klemm- und Führungsbleche sind ferner vorteilhaft so angeordnet, dass diese im Zentrum des Fluidführungsrohrs einen sternförmigen Querschnitt aufweisen, was zusätzlich dazu beiträgt, dass die Wärmeleitung innerhalb des PCM in einem um das Zentrum gelegenen Bereich verbessert wird. Die Klemm- und Führungsbleche sind gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso durch bekannte und gut automatisierbare Fertigungstechniken, wie Schneiden bzw. Stanzen und Biegen herstellbar. Ferner kommt nur eine begrenzte Anzahl von Klemm-/Führungsblech-Typen zum Einsatz, was für eine kostengünstige Serienfertigung vorteilhaft ist.
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Des Weiteren kann das Klemmblech eine sich einenends verjüngende Zunge aufweisen, die in Kontakt mit den Führungsblechen steht und eine radial nach außen wirkende Kraft auf die Führungsbleche ausübt.
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Die radial nach außen wirkende Kraft wird erst durch den Kontakt des Klemmblechs mit den Führungsblechen erzeugt. Die sich einenends verjüngende Zunge wird seitlich von zwei rechteckigen Schlitzen begrenzt, in die jeweils ein Führungsblech eingeführt wird. Beim Einführen der Führungsbleche werden die Führungsbleche dabei durch die sich verjüngende Zunge aufgrund des Keileffekts radial nach außen gedrückt, wobei die Kraft von den Führungsblechen auf die ersten Steckelemente übertragen wird und die ersten Steckelemente bei weiterem Einführen des Klemmblechs am Fluidführungsrohr zum Anliegen kommen und eine Anpressung erzeugt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform können in die freien Volumina innerhalb des Gehäuses Metallschaum-Elemente eingeführt sein, die das Phasenwechselmaterial kontaktieren. Der Metallschaum kann dabei Aluminium, Magnesium, Nickel, Kupfer Silizium, Zink oder ein Gemisch aus zumindest zwei der vorstehenden Metalle aufweisen und der Porenanteil des Metallschaums in einem Bereich zwischen 5 und 25 ppi liegen, wobei 7,5 bis 20 ppi ein günstiges Verhältnis in Bezug auf den Verlust von Nettospeichervolumen zu Wärmeleitfähigkeit bieten und daher vorteilhaft sind.
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Mit „freie Volumina“ werden hierbei all jene Volumina innerhalb des Gehäuses bezeichnet, die nicht von dem Fluidführungsrohr, den Steckelementen oder den Klemm-/Führungsblechen in Anspruch genommen werden, wobei die „freien Volumina“ die Aufnahmebereiche für die Metallschaum-Elemente sind, d. h., die Form der Metallschaum-Elemente hängt also von der Form der Aufnahmebereiche ab. Der Metallschaum kann bei PCMs mit vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeiten zusätzlich zu einer höheren integralen Wärmeleitfähigkeit beitragen, da die Metallbasis eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Poren des (offenporigen) Metallschaums sind hierbei mit dem PCM gefüllt. Bei der Wahl des Porenanteils des Metallschaums muss eine Abwägung zwischen dem Gewinn an Wärmeleitfähigkeit, d. h. beschleunigter Beladung bzw. Entladung des Latentwärmespeichermoduls, und dem Verlust an Nettospeichervolumen durchgeführt werden, der bei gängigen Metallschäumen etwa 8 bis 10 % beträgt. Aufgrund der im Wesentlichen rotationssymmetrischen Anordnung der begrenzten Anzahl von Steckelementetypen, kommt auch nur eine begrenzte Anzahl von Metallschaum-Elemente-Typen zum Einsatz, die sich zudem in beliebigen Längen bereitstellen lassen, um Latentwärmespeichermodule in verschiedenen Längen mit Metallschaum-Elemente-Typen des gleichen Querschnitts herzustellen.
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Darüber hinaus kann das Gehäuse zylindrisch oder prismatisch und zusätzlich oder alternativ mehrteilig ausgeführt sein und einen abnehmbaren Deckel aufweisen, wobei der Deckel bevorzugt an einer Stirnfläche angeordnet ist und am Deckel der Fluideinlass und/oder der Fluidauslass angeordnet ist.
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Eine vorteilhafte Gehäuseform ist beispielsweise der Kreiszylinder, da sich ein kreiszylindrisches Gehäuse sehr einfach, etwa durch Biegen und Schweißen, herstellen lässt. Prismenförmige Gehäuse können vorteilhaft die Form eines geraden Prismas mit einem regelmäßigen Vieleck als Grundfläche aufweisen. Ein regelmäßiges Vieleck als Grundfläche bietet den Vorteil, dass sich mehrere erfindungsgemäße Latentwärmespeichermodule ohne Zwischenräume, quasi in Form einer Wabenstruktur, radial nebeneinander anordnen lassen, was bei stehender Aufstellung zu einer guten Ausnutzung einer zur Verfügung stehenden Grundfläche sorgt.
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Der Deckel kann durch gängige lösbare Befestigungselemente, wie Schrauben, Nieten oder Klammern befestigt sein. Ein mehrteiliges Gehäuse bietet sowohl Vorteile bei der Herstellung als auch während des Betriebes, da Bauteile, die im Inneren des Gehäuses liegen, einfach durch Abnehmen des Deckels gewartet beziehungsweise ausgetauscht werden können.
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Die im Inneren des Gehäuses angeordneten Steckstrukturen und/oder das Klemmblech und die Führungsbleche können vorteilhaft aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 40 bis 450 W/mK bestehen, wobei 140 bis 350 W/mK vorteilhafter sind und 200 bis 290 W/mK noch vorteilhafter sind. Die Dicke der Steckelemente kann etwa im Bereich von 0,2 bis 2,2 mm liegen, wobei 0,4 bis 2,0 mm vorteilhaft sind und der Bereich von 0,6 bis 1,8 mm noch vorteilhafter ist.
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Es kommen hier beispielsweise Aluminium oder Stähle mit einer vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit, die in der Regel keine Edelstähle sind, in Frage. Diese Werkstoffe verbinden eine gute Wärmeleitfähigkeit mit einfacher Bearbeitbarkeit und hoher Verfügbarkeit sowie vergleichsweise geringen Kosten. Es muss bei der Wahl der Dicke der Steckelemente ein Kompromiss gefunden werden, der die intrinsische Wärmeleitung des PCM, den Verlust an Nettospeichervolumen durch die Steckstrukturen und die geforderten Zeitkonstanten für die Be- bzw. Entladung in Betracht zieht. Es können jedoch bei der Verwendung von vergleichsweise dünnen Steckelementen bzw. Klemm-/Führungsblechen akzeptable Zeitkonstanten erreicht werden, indem in die freien Volumina innerhalb des Gehäuses Metallschaum-Elemente eingelegt werden, die die integrale Wärmeleitfähigkeit des PCM erhöhen.
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Das Gehäuse kann ferner zur Minimierung von Wärmeverlusten eine Wärmedämm-Hülle aufweisen, deren Leitfähigkeit nicht über 0,2 W/mK betragen soll, wobei ein Wert nicht über 0,1 W/mK vorteilhaft ist, sowie ein Wert von nicht über 0,05 W/mK als besonders vorteilhaft gilt. Ferner kann das Gehäuse aus einem metallischen Werkstoff, wobei ein Stahl vorteilhaft ist, einem Kunststoff oder einem Faserverbundwerkstoff, etwa GFK oder CFK, oder aus einer Werkstoffkombination, bestehen. Ferner kann das Gehäuse eine Wandstärke im Bereich von 0,5 bis 5 mm aufweisen, wobei der Bereich zwischen 1,5 und 3 mm günstig ist, da die Wandstärke hinreichend stabil und nicht zu dick ist.
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Als Dämmstoffe für die Gehäuseumhüllung kommen sämtliche dem Fachmann bekannte Dämmstoffe in Frage, so etwa petrochemische Dämmstoffe, Dämmstoffe aus Naturfasern oder auch Vakuumdämmungen. Es ist aber auch möglich, insofern mehrere erfindungsgemäße Latentwärmespeichermodule kaskadiert werden sollen, diese nicht einzeln zu dämmen, sondern als Gesamtheit, was den Quotienten Oberfläche zu Speichervolumen stark verkleinern kann.
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Ein metallischer Werkstoff für das Gehäuse bietet den Vorteil, dass dieser in ausreichendem Maße und zu günstigen Kosten verfügbar ist, einfach bearbeitbar und vollständig rezyklierbar ist, während der Kunststoff unter Umständen zu einem leichteren Gehäuse führt und gute chemische Beständigkeit aufweisen kann. Ein Gehäuse aus einem Faserverbundwerkstoff ist vorteilhaft, da bereits kleine Wanddicken zur Erreichung einer notwendigen Mindeststeifigkeit ausreichen und der Werkstoff eine geringe Dichte aufweist, was zu leichten und dadurch einfach montierbaren Gehäusen führt.
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Zur Verringerung des Gesamtgewichts des Gehäuses unter Beibehaltung der Mindeststeifigkeit kann das Gehäuse ferner optional mit Versteifungselementen, wie etwa Ringen oder Reifen, umfasst sein.
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Mit den erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermodulen werden ferner erfindungsgemäße Hybridwärmespeicher gefertigt: Ein solcher weist zumindest ein mit einem Wärmespeichermedium gefülltes Gehäuse und eine Entladeeinrichtung, die in Kontakt mit dem Wärmespeichermedium steht, auf. Im Inneren des Gehäuses ist ein oder sind mehrere der erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermodul(e) angeordnet, und das Wärmespeichermedium ist mit dem bzw. den Latentwärmespeichermodul(en) wärmeleitend verbunden.
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Das Wärmespeichermedium des Hybridwärmespeichers kann ein einphasiges Speichermedium sein, wobei es ein Fluid, ein Feststoff oder ein Gas sein kann und die Verwendung von Wasser aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität vorteilhaft ist. Es ist erfindungsgemäß möglich, dass auch mehrere Latentwärmespeichermodule in einem gemeinsamen Gehäuse des Hybridwärmespeichers angeordnet sein können, die von dem Wärmespeichermedium umgeben sind. Zur Entladung eines derartigen Hybridwärmespeichers kann entweder ein Wärmetauscher im Inneren des Gehäuses angeordnet sein, ein externer Wärmetauscher verwendet werden oder es wird direkt Wärmeträgermedium gezapft, wobei eine Entladung in beiden Fällen vorteilhaft ohne Zeitverzug möglich ist. Erfolgt die Entladung durch Zapfen des Wärmespeichermediums, so muss die gezapfte Menge durch eine Nachfülleinrichtung nachgefüllt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Hybridwärmespeichers kann dieser eine Beladeeinrichtung aufweisen, die vorteilhaft ein Wärmetauscher im Inneren des Gehäuses, der in Kontakt mit dem Wärmespeichermedium steht, ist.
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Die Beladeeinrichtung bedient hierbei das Wärmespeichermedium des Hybridwärmespeichers direkt, was vorteilhaft ist, da bei geringem Wärmeangebot, was etwa bei dem Einsatz einer solaren Wärmequelle an bewölkten Tagen der Fall ist, ein derartiger Hybridwärmespeicher etwa nur bis zu einem Temperaturniveau, das unter der Schmelztemperatur des PCM liegt, beladen werden kann, wodurch schnell vergleichsweise hohe Temperaturen im Hybridwärmespeicher erreichbar sind. Steht Wärme im Überfluss zur Verfügung, wie etwa bei einem solaren Wärmeerzeuger an einem sonnigen Tag, wird der Hybridwärmespeicher auf ein höheres Temperaturniveau beladen, wobei das PCM schmilzt.
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Des Weiteren kann es sich bei dem Wärmespeichermedium um einen Feststoff handeln, wobei eine Feststoffschüttung besonders positive Eigenschaften aufweist, wenn der erfindungsgemäße Wärmespeicher etwa mittels eines Gases, beispielsweise Luft, als Wärmeträger beladen werden soll. In einem Feststoff kann Wärme auch bei Temperaturen gespeichert werden, die mit (drucklosem) Wasser als Speichermedium nicht erreichbar wären.
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In einer weiteren Ausführungsform des Hybridwärmespeichers kann dieser über die Beladeeinrichtung des Latentwärmespeichermoduls beladen werden, wobei Wärme über zumindest die Mantelfläche des Gehäuses des Latentwärmespeichermoduls an das Wärmespeichermedium des Hybridspeichers übertragbar ist.
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Mit einem solchen Hybridwärmespeicher ist es möglich Latentwärmespeichermodule mit nur einem Fluidführungsrohr zu verwenden, da die Beladung des Hybridwärmespeichers über das Fluidführungsrohr des Latentwärmespeichermoduls erfolgt, die Entladung hingegen direkt durch Zapfen von Wärmeträgermedium oder durch eine dem Hybridwärmespeicher zugeordnete Entladeeinrichtung.
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Das Gehäuse des im Inneren angeordneten Latentwärmespeichermoduls soll bei der Anwendung in einem derartigen Hybridwärmespeicher nicht mit einer Wärmedämm-Hülle umhüllt sein, da die Wärme über die Mantelfläche des Latentwärmespeichermoduls eingebracht wird. Ferner ist vorteilhaft, wenn das Gehäuse des Latentwärmespeichermoduls aus einem Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise einem metallischen Werkstoff, besteht.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Latentwärmespeichermoduls,
- 2 eine perspektivische Ansicht der Teile des Latentwärmespeichermoduls, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind,
- 3 eine perspektivische Explosionsansicht der Teile des Latentwärmespeichermoduls, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind,
- 4 eine perspektivische Detailansicht der Steckelemente und eines Verbinders,
- 5 eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten Spannvorrichtung,
- 6 eine Draufsicht der Teile des Latentwärmespeichermoduls, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind,
- 7 eine perspektivische Ansicht der Teile des Latentwärmespeichermoduls, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, mit Metallschaum-Elementen,
- 8 eine Draufsicht der Teile des Latentwärmespeichermoduls, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, mit Metallschaum-Elementen,
- 9 eine perspektivische Ansicht eines Hybridwärmespeichers,
- 10 eine perspektivische Ansicht der Teile des Hybridwärmespeichers, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Latentwärmespeichermodul 1 mit einem kreiszylindrischen Gehäuse 2, das mit dem PCM gefüllt ist, dargestellt. Es verfügt über jeweils einen Einlass 4 zur Beladung und zur Entladung und über jeweils einen zugeordneten Auslass 5, die auf einer Stirnfläche 3 des Gehäuses angeordnet sind. Bei einem derartigen Latentwärmespeichermodul 1 erfolgen die Beladung und die Entladung mittels getrennter Fluidführungsrohre 6, die im Inneren des Gehäuses 2 angeordnet sind und dort die Wärme vom Fluid an das PCM übertragen oder vice versa. Das dargestellte Latentwärmespeichermodul 1 ist dazu ausgebildet, um etwa stehend verwendet zu werden. Es ist aber auch möglich, was nicht dargestellt ist, dass die Anschlüsse 4, 5 für das Fluid an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen 3 des Gehäuses 2 angebracht sind, was unter bestimmten Bedingungen bei einer liegenden Montage vorteilhaft sein kann. Figurativ nicht dargestellt ist jene Ausführungsform, gemäß der es möglich ist, dass das Fluidführungsrohr 6 einteilig als eine Rohrschlange 6 bzw. Helix 6 vorliegt, was vorteilhaft ist, da so ein größerer Anteil des Volumens innerhalb des Gehäuses 2 zum Befüllen mit dem PCM zur Verfügung steht, was die volumetrische Speicherdichte erhöht.
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Das Gehäuse 2 muss nicht unbedingt kreiszylindrisch sein, sondern kann auch die Form eines geraden Prismas mit einem regelmäßigen Vieleck als Grundfläche aufweisen. Ein regelmäßiges Vieleck als Grundfläche bietet den Vorteil, dass sich mehrere erfindungsgemäße Latentwärmespeichermodule 1 ohne Zwischenräume, quasi in Form einer Wabenstruktur, radial nebeneinander anordnen lassen, was bei stehender Aufstellung zu einer guten Ausnutzung einer zur Verfügung stehenden Grundfläche sorgt.
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In 2 sind jene Teile des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermoduls 1 perspektivisch dargestellt, die sich innerhalb des Gehäuses 2, das hier nicht dargestellt ist, befinden. Dabei handelt es sich um das Fluidführungsrohr 6, das hier aus zwei getrennten Helices 6, eine zur Beladung und eine zur Entladung, besteht, die Steckelemente 71, 72, die Verbinder 73, die erste Spannvorrichtung 80 und die zweite Spannvorrichtung 81 (siehe 5), die ein Klemmblech 811 und mehrere Führungsbleche 812 umfasst. Die Steckelemente 71, 72 sind „skelettartig“ innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet, um die integrale Wärmeleitfähigkeit der Volumenbereiche innerhalb des Gehäuses 2, die von dem PCM gefüllt sind, zu erhöhen. Die Steckelemente 71, 72 liegen in zwei Steckelementetypen, den ersten Steckelementen 71 und den zweiten Steckelementen 72, vor.
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Die ersten Steckelemente 71 sind mit Stegen 712 radial von einem Zentrum des Fluidführungsrohrs 6 durch die Bereiche zwischen den Windungen des Fluidführungsrohrs 6 nach außen durchgesteckt, wo jeweils zwei benachbarte erste Steckelemente 71 durch Verbinder 73 verbunden sind. Die Verbinder 73 dienen auch einer gleichmäßigen Beabstandung der ersten Steckelemente 71 und tragen zur gegenseitigen thermischen Kontaktierung bei, wobei eine Anordnung in regelmäßigen Winkelabständen vorteilhaft ist, da für eine vorbestimmte Zeitdauer für die Beladung bzw. Entladung für jedes PCM ein von seiner Wärmeleitfähigkeit abhängiges „Abstandsoptimum“ existiert. Mit derartigen Verbindern 73 kann eine Vielzahl von ersten Steckelementen 71 so verbunden werden, dass sie sich durch einen Großteil des vom Gehäuse 2 umschlossenen Volumens erstrecken. An den dem Rückenteil 713 (siehe 4) abgewandten Enden der Stege 712 der ersten Steckelemente 71 liegen als Eingriffsmittel 715 „Federklemmen“ vor, die in korrespondierende Eingriffsöffnungen 731 in den Verbindern 73 einsteckbar sind, wodurch die ersten Steckelemente 71 und die Verbinder 73 lösbar verbunden sind. Die „Federklemmen“ als Eingriffsmittel 715 liegen dabei nicht an jedem der Stege 712 vor, sondern nur an zwei Stegen 712. Dem Fachmann ist bewusst, dass an einer beliebigen Anzahl von Stegen 712 Eingriffsmittel 715 vorliegen können (was figurativ nicht dargestellt ist).
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Die zweiten Steckelemente 72 sind hingegen mit den Stegen 722 radial von außen zwischen die Windungen des Fluidführungsrohrs 6 eingesteckt, wobei diese in den Bereichen zwischen den ersten Steckelementen 71 in gleichmäßigen Winkelabständen eingesteckt sind. Die Ausnehmungen 711, 721 der ersten und zweiten Steckelemente 71, 72 weisen an ihrem geschlossenen Ende eine Kontur auf, die mit der Außenkontur des Fluidführungsrohrs 6 korrespondiert, damit sich eine möglichst große Kontaktfläche zum Wärmeaustausch ergibt. Die Steckelemente 71, 72 sind ferner mittels der ersten Spannvorrichtung 80 gegeneinander so verspannt, dass die beschriebenen Enden der Ausnehmungen 711, 721 an das Fluidführungsrohr 6 angepresst werden. Die Spannvorrichtung 80 wird hier durch eine Vielzahl von Schrauben gebildet, die von radial außen angezogen werden können.
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Natürlich muss es sich beim Fluidführungsrohr 6 nicht unbedingt um eine Helix handeln, vielmehr sind zahlreiche andere Ausgestaltungen, etwa als eine mäandrierende Anordnung denkbar (nicht in den Figuren dargestellt).
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Die durch die Steckstruktur 7 „dreidimensional“ zur Verfügung gestellte Oberfläche zum Wärmeaustausch ist vergleichweise groß und damit gut geeignet, Be- bzw. Entladevorgänge mit kleinsten Zeitkonstanten durchzuführen.
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3 zeigt eine (Teil-)Explosionsansicht der Teile, die sich innerhalb des Gehäuses 2, das hier nicht dargestellt ist, befinden. Hierbei sind die erste und zweite Spannvorrichtung 80, 81 und die Verbinder 73 nicht dargestellt. Die ersten Steckelemente 71 sind mit ihren Stegen 712 in die Bereiche zwischen den Windungen des Fluidführungsrohrs 6 eingeführt, so dass die Enden der Ausnehmungen 711 (siehe 4) an den Windungen des Fluidführungsrohrs anliegen und die Bereiche der Stege 712, die die Eingriffsmittel 715 bzw. Federklemmen 715 aufweisen, durch die Windungen nach außen hindurch ragen. Die zweiten Steckelemente 72 sind gemäß der Explosionsansicht in einer Montageposition dargestellt. Die zweiten Steckelemente 72 werden folglich von außen an das Fluidführungsrohr 6 heran geführt und mit ihren Stegen 722 zwischen die Windungen des Fluidführungsrohrs 6 eingesteckt, wobei die Ausnehmungen 721 die Windungen aufnehmen. Die ersten und die zweiten Steckelemente 71, 72 können durch eine erste Spannvorrichtung 80 lösbar verbunden werden, was figurativ nicht dargestellt ist, wobei die erste Spannvorrichtung 80 z. B. mehrere Schrauben umfasst. Die Schrauben können dabei durch Durchtrittsöffnungen 725 in den zweiten Steckelementen 72 durchgesteckt werden, wobei in den ersten Steckelementen 71 dazu koaxiale Gewinde 716 angeordnet sind, in die die Schrauben einschraubbar sind. Werden die Schrauben angezogen, so werden die Steckelemente 71, 72 gegeneinander verspannt, wobei eine Anpressung der geschlossenen Enden der Ausnehmungen 711, 721 an die Windungen des Fluidführungsrohrs erreicht wird.
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Experimentell konnte nachgewiesen werden, dass der Einsatz von Spannvorrichtungen dazu beiträgt, dass eine bestimmte Temperaturerhöhung des Speichermediums, im Experiment ein Paraffin, in bis zu 33 % kürzerer Zeit erfolgen kann als in einer vergleichbaren Anordnung ohne Spannvorrichtung.
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In 4 sind jeweils ein erstes Steckelement 71, ein zweites Steckelement 72 und ein Verbinder 73 dargestellt. Die Gewinde 716 im Rückenteil 713 des ersten Steckelements 71 sind dabei gut zu erkennen, die zum Einschrauben der Schrauben der ersten Spannvorrichtung 80 (siehe 2) ausgebildet sind. Ferner sind an den Enden der Stege 712 des ersten Steckelements 71 die Eingriffsmittel 715, die hier Federklemmen sind, dargestellt, die dazu ausgebildet sind, in die Eingriffsöffnungen 731 des Verbinders 73 einzugreifen. Die Verbinder 73 dienen dazu, jeweils zwei erste Steckelemente 71 lösbar zu verbinden und vordefiniert zu beabstanden. Ferner ist anhand der 4 gut zu erkennen, dass sowohl die Steckelemente 71, 72 als auch der Verbinder 73 einfach durch gängige Fertigungsverfahren aus einer Blechtafel herstellbar sind, wobei es moderne Verfahren wie Wasserstrahl- oder Laserschneiden erlauben, die Steckelemente 71, 72 inklusive der Federklemmen in einem Schritt aus geeigneten Blechen auszuschneiden. Ferner ist zu erkennen, dass beide Steckelemente 71, 72 einen analogen Aufbau haben: So weisen beide ein Rückenteil 713, 723 auf, an dem zwei Flügel 714, 724 angrenzen, wobei die Flügel Ausnehmungen 711, 721 aufweisen, in die die Windungen des Fluidführungsrohrs 6 einsteckbar sind. Es ist dem Fachmann bewusst, dass nicht nur die dargestellten Ausführungsformen der Steckelemente 71, 72 möglich sind, sondern jede andere Form, die zur Erfüllung der Aufgabe geeignet sind, etwa V-förmige Steckelemente 71, 72.
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In 5 ist eine weitere Explosionsansicht der Teile, die sich innerhalb des Gehäuses 2, das hier nicht dargestellt ist, befinden, dargestellt. Hier ist zusätzlich eine zweite Spannvorrichtung 81 in Montageposition dargestellt, die aus mehreren Führungsblechen 812 und einem Klemmblech 811 besteht. Die Führungsbleche 812 sind dazu ausgebildet in einer montierten Position an den ersten Steckelementen 71 anzuliegen und eine radial nach außen wirkende Kraft auf diese zu übertragen, was dazu beiträgt die ersten Steckelemente 71 zusätzlich an die Windungen des Fluidführungsrohrs 6 anzupressen. Das Klemmblech 811 weist eine sich einenends verjüngende Zunge 811' auf, wobei dazu benachbart zwei parallel verlaufende Schlitze angeordnet sind. In jeden der Schlitze kann jeweils ein Führungsblech 812 eingeführt werden, wobei die Führungsbleche 812 durch die sich verjüngende Spitze der Zunge 811' beim Einführen radial nach außen gedrückt werden. Das Klemm- 811 und die Führungsbleche 812 befinden sind im montierten Zustand im Zentrum des Fluidführungsrohrs 6 und weisen einen sternförmigen Querschnitt auf, der zudem dazu beiträgt, die integrale Wärmeleitfähigkeit des PCM in diesem Bereich zu erhöhen. Wie die Steckelemente 71, 72 und die Verbinder 73 (siehe 4) sind auch das Klemmblech 811 und die Führungsbleche 812 mittels gängiger und gut automatisierbarer Fertigungstechniken herstellbar.
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6 zeigt eine Draufsicht der Teile, die sich innerhalb des Gehäuses 2, das hier nicht dargestellt ist, befinden. Es ist zu erkennen, dass die von den ersten und zweiten Steckelementen 71, 72, den Verbindern 73 und dem Klemmblech 811 sowie den Führungsblechen 812 geschaffene Wärmeleitstruktur sich durch einen Großteil des Inneren des Gehäuses 2 erstreckt, so dass die Abstände zwischen einzelnen Wärmeleitblechen vergleichsweise gering sind. In dieser 6 sind ferner die Verspannungen der ersten Steckelemente 71 mit den zweiten Steckelementen 72 gut zu erkennen. Es sind Schrauben durch Durchtrittsöffnungen 725 (siehe 3) der zweiten Steckelementen 72 gesteckt und in Gewinde 716 der ersten Steckelemente 71 eingeschraubt, wobei die Schraubenköpfe an den Rückenteilen 723 der zweiten Steckelemente 72 anliegen. Darüber hinaus ist die Verbindung von ersten Steckelementen 71 und Verbindern 73 auch gut zu erkennen, wobei die Federklemmen als Eingriffsmittel 715 der ersten Steckelemente 71 durch Eingriffsöffnungen 731 (siehe 4) der Verbinder gesteckt sind.
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7 zeigt jene Teile des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermoduls 1 perspektivisch, die sich innerhalb des Gehäuses 2, das hier nicht dargestellt ist, befinden. Hier sind die Volumina innerhalb des Gehäuses 2, die nicht von Steckelementen 71, 72, Klemm-/Führungsblechen 811,812, Fluidführungsrohr 6 oder Verbindern 73 eingenommen werden, mit prismenförmigen, länglichen Metallschaum-Elementen 100 „belegt“. Die Metallschaum-Elemente 100 sind dabei entlang einer Längsachse des Fluidführungsrohrs 6 in die freien Volumina eingeführt. Die rotationssymmetrische gleichmäßige Anordnung der Steckelemente 71, 72 und die Ausführung des Fluidführungsrohrs 6 als Helix trägt dazu bei, dass nur eine begrenzte Anzahl unterschiedlicher Metallschaum-Elemente 100 hergestellt werden muss. Der Metallschaum trägt aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Metall-Basis dazu bei, dass die integrale Wärmeleitfähigkeit des vom PCM gefüllten Volumens zunimmt. Dabei ist bei der Wahl des Porenanteils des Metallschaums eine Abwägung zwischen dem Gewinn an Wärmeleitfähigkeit, d. h. beschleunigter Beladung bzw. Entladung des Latentwärmespeichermoduls 1, und dem Verlust an Nettospeichervolumen durchzuführen. Die Verwendung von Metallschaum-Elementen 100 ist vor allem sinnvoll, wenn Wärmeleitbleche mit vergleichsweise kleinen Dicken eingesetzt werden sollen. Die Metallschaum-Elemente 100 können zudem in beliebigen Längen vorgefertigt werden und vor ihrem Einsatz auf eine dem jeweiligen Gehäuse 2 entsprechende Länge zugeschnitten werden.
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Die ersten und zweiten Steckelemente 71, 72 sowie das Klemmblech 811 und die Führungsbleche 812 erlauben es, mit den gleichen Teilen verschieden große Speicher zu bauen, bzw. die durch diese Teile bereitgestellte Wärmeleitstruktur 7 an die vom verwendeten PCM bereitgestellte Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübergangskoeffizienten zwischen PCM und Fluidführungsrohr und/oder die genaue Ausgestaltung des Fluidführungsrohrs 6 anzupassen. Quasi sind die ersten Steckelemente 71 und zweiten Steckelemente 72, das Klemmblech 811 und die Führungsbleche 812 gemäß eines Baukastenprinzips mit möglichst vielen Gleichteilen ausgestaltet. Das bedeutet, dass ein erfindungsgemäßes Latentwärmespeichermodul 1 sehr flexibel an Einsatzumgebungen angepasst werden kann und eine gute Skalierbarkeit (z. B. hinsichtlich Durchmesser, Höhe, Speichervolumen etc.) aufweist, wobei jedoch die gleichen Steckelemente-Typen 71, 72, Klemmbleche 811 und Führungsbleche 812 verwendet werden können.
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In 8 ist eine Draufsicht auf ein Latentwärmespeichermodul 1 mit Metallschaum-Elementen 100 ohne Gehäuse 2 zu sehen. Die Metallschaum-Elemente 100 liegen hierbei mit lediglich zwei unterschiedlichen Querschnitten vor und sind zwischen die Wärmeleitbleche eingeführt. Quasi sind in jedem freien Volumen zwischen ersten und zweiten Steckelementen 71, 72, Verbindern 73, Fluidführungsrohr 6 und zweiter Spannvorrichtung 81, die von dem Klemmblech 811 und den Führungsblechen 812 gebildet wird, Metallschaum-Elemente 100 angeordnet. Es ist aber auch denkbar (nicht figurativ dargestellt), dass die Metallschaum-Elemente 100 eine andere als rechteckige Querschnittsform aufweisen können, beispielsweise dreieckig.
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Die Steckstruktur 7, die ihrerseits durch die ersten und zweiten Steckelemente 71, 72, sowie das Klemmblech 811 und die Führungsbleche 812 gebildet wird, bildet also die „Konstruktionsbasis“ für die Ausgestaltung der Metallschaum-Elemente 100, da sie die Aufnahmebereiche für die Metallschaum-Elemente 100 bereitstellt.
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Darüber hinaus zeigt die 9 einen erfindungsgemäßen Hybridwärmespeicher 10, der über ein Gehäuse 11 mit einer Entladevorrichtung verfügt. Das Gehäuse 11 ist mit einem Wärmespeichermedium gefüllt und es befinden sich drei erfindungsgemäße Latentwärmespeichermodule 1 ohne Wärmedämm-Hülle darin, wobei die Latentwärmespeichermodule 1 in thermischem Kontakt mit dem Wärmespeichermedium stehen. Soll der Hybridwärmespeicher 10 beladen werden, so geschieht dies über die Fluidführungsrohre 6 der Latentwärmespeichermodule 1, wobei das Fluid das Latentwärmespeichermodul 1 vom Einlass 4 zum Auslass 5 durchströmt und dabei Wärme an das PCM abgibt, wodurch es schmilzt. Die eingebrachte Wärme erwärmt ferner auch die Oberflächen, d. h. die Mantel- und Stirnflächen der Latentwärmespeichermodule 1, wobei über diese Oberflächen Wärme an das Wärmeträgermedium des Hybridwärmespeichers 10 übertragen werden kann und sich das Wärmeträgermedium aufheizt. Beim Wärmeträgermedium handelt es sich vorteilhafterweise um ein einphasiges Speichermaterial, beispielsweise um Wasser. Die Entladung des Hybridwärmespeichers kann schnell und einfach durch Zapfen des Wärmespeichermediums oder mittels eines Wärmetauschers geschehen, wobei der Wärmetauscher entweder innerhalb des Gehäuses 11 als Rohrschlange oder extern als Plattenwärmetauscher angeordnet sein kann. In beiden Fällen ist eine sofortige Wärmeentnahme vorteilhaft ohne Wartezeit möglich.
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Die Latentwärmespeichermodule 1 können ferner so innerhalb des Gehäuses 11 des Hybridwärmespeichers 10 angeordnet sein, dass sie gemäß einer dichtesten Packung vorliegen, was in 10 dargestellt ist. Die drei einzelnen Latentwärmespeichermodule 1 sind durch eine Stützvorrichtung 11' gebündelt und können so als eine Einheit in das Gehäuse 11 montiert werden. Ein erfindungsgemäßer Hybridwärmespeicher 10 vereint also die Vorteile eines konventionellen einphasigen Wärmespeichers, etwa eines Wasserspeichers, (schnelle Beladung bzw. Entladung) mit den Vorteilen eines Latentwärmespeichers 1 (hohe volumetrische Speicherdichte bei vergleichsweise kleinen Speichertemperaturen).
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Die Form des Gehäuses 11 des Hybridwärmespeichers 10 kann auch eine andere als ein Kreiszylinder sein, was figurativ nicht dargestellt ist. Besonders Gehäuseformen, die Prismen mit regelmäßigen Vielecken als Grundfläche haben, werden als vorteilhaft angesehen, da sich diese mit vergleichweise einfacher Fertigungstechnik herstellen lassen und gute Anpassbarkeit an die jeweiligen Einbauort bieten.
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Darüber hinaus ist es ebenso möglich, dass mehr oder weniger als drei Latentwärmespeichermodule 1 im Inneren des Gehäuses 11 des Hybridwärmespeichers 10 angeordnet sind. Je nach Zusammenspiel der Gehäuseform des Latentwärmespeichermoduls 1 und der Gehäuseform des Hybridwärmespeichers 10 oder einem gewünschten Verhältnis von speicherbarer sensibler Wärme zu latenter Wärme, ergibt sich eine individuell vorteilhafte einzusetzende Anzahl von Latentwärmespeichermodulen 1.
