DE102012207087A1

DE102012207087A1 - Strömungsgesteuerter Wärmespeicher

Info

Publication number: DE102012207087A1
Application number: DE201210207087
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-10-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen strömungsgesteuerten Wärmespeicher mit einem in einem isolierten Behälter befindlichen Wärmespeicherkern, in den zumindest ein Heizmodul integriert ist. Der Wärmespeicherkern ist von einem mit einem Arbeitsgas durchströmten Strömungspfad durchsetzt, welcher Bestandteil einer zu einem Wärmeverbraucher führenden Zirkulationsleitung ist, wobei sich im Vorlauf zu dem Wärmeverbraucher ein erstes Ventil und im Rücklauf von dem Wärmeverbraucher ein zweites Ventil befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen strömungsgesteuerten Wärmespeicher, mit welchem sich erneuerbare Energien wie beispielsweise aus dem Sonnenlicht gewonnener Strom in Form von Wärmeenergie effizient zwischenspeichern lässt.
In Zeiten der Energiewende kommt der Verwertung erneuerbarer Energien wie beispielsweise der Sonnenenergie immer größere Bedeutung zu. Beispielsweise kann aus der Sonnenenergie mit Hilfe einer Photovoltaikanlage elektrischer Strom erzeugt werden. Der so erzeugte Strom steht für den Betreiber der Photovoltaikanlage jedoch nur tagsüber zur Verfügung, wenn die Sonne scheint, wohingegen in der Nacht von der Photovoltaikanlage kein Strom erzeugt wird. Dementsprechend wird in aller Regel der mit Hilfe einer Photovoltaikanlage erzeugte Strom in das öffentliche Stromversorgungsnetz eingespeist, wofür der Betreiber der Photovoltaikanlage eine entsprechende Vergütung erhält.
Die Einspeisung in das öffentliche Stromversorgungsnetz wäre jedoch nicht erforderlich, wenn sich der von einer Photovoltaikanlage erzeugte elektrische Strom in geeigneter Form zwischenspeichern ließe, so dass diese Energie bei Bedarf, beispielsweise in der Nacht oder an sonnenarmen Tagen gezielt und dosiert wieder abgegeben werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher anzugeben, mit dem sich aus erneuerbaren Energien gewonnener Strom in geeigneter Form effizient speichern und bedarfsgerecht wieder abgeben lässt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einem strömungsgesteuerten Wärmespeicher gelöst, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher weist einen Wärmespeicherkern auf, welcher dazu dient, die zwischenzuspeichernde Energie in Form von Wärme zu speichern. Um möglichst viel Wärmeenergie in den Wärmespeicherkern einlagern bzw. darin speichern zu können, besteht der Wärmespeicherkern im Wesentlichen aus einem Material, welches sich auf mehrere 100°C, insbesondere auf 850°C und mehr zerstörungsfrei erhitzen lässt. Beispielsweise kann es sich bei diesem Wärmespeichermaterial um einen Speicherstein wie beispielsweise Feolit handeln, da dieses Material erst ab etwa 900°C in flüssigen Zustand übergeht.
Damit die in dem Wärmespeicherkern gespeicherte Wärmeenergie nicht unkontrolliert verloren geht, befindet sich der Wärmespeicherkern in einem beispielsweise mit Vermiculit isolierten Behälter. Um den Wärmespeicherkern aufladen zu können, ist in denselben zumindest ein Heizmodul integriert, bei dem es sich beispielsweise um eine elektrische Heizwendel handeln kann, mit der sich der von einer Photovoltaikanlage erzeugte Strom in Wärme umwandeln lässt. Bei dem Heizmodul könnte es sich jedoch ebenfalls auch beispielsweise um ein von einem Wärmeträgerfluid durchströmtes Rohr handeln, mit dem sich die von einer thermischen Solaranlage gewonnene Energie in Form von Wärme in den Wärmespeicherkern einspeichern lässt.
Um die von dem Wärmespeicherkern zwischengespeicherte Wärmeenergie wieder gezielt abgeben zu können, ist der Wärmespeicherkern vorzugsweise in vertikaler Richtung von einem mit einem Arbeitsgas durchströmten ersten Strömungspfad in Form von beispielsweise zumindest einem Rohr durchsetzt, welcher bzw. welches Bestandteil einer zu einem Wärmeverbraucher wie beispielsweise einem Wärmetauscher und/oder einem Stirlingmotor führenden Zirkulationsleitung ist. Beispielsweise kann sich das durch den Wärmespeicherkern hindurch erstreckende Rohr mit seinen beiden Enden durch in der Behälterwand ausgebildete Öffnungen aus dem Behälterinneren nach außen erstrecken, um an die Zirkulationsleitung angeschlossen zu werden. Da der den Wärmespeicherkern durchsetzende erste Strömungspfad Bestandteil einer Zirkulationsleitung ist, wird das Arbeitsgas, nachdem es den Wärmeverbraucher passiert hat, zurück zu dem Wärmespeicherkern transportiert. Die Restwärme des Arbeitsgases geht somit nicht ungenutzt verloren, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmespeichers verbessert werden kann.
Um nun die von dem Wärmespeicherkern zwischengespeicherte Wärme gezielt und dosiert an den in der Zirkulationsleitung befindlichen Wärmeverbraucher abgeben zu können, befindet sich in dem Vorlauf der Zirkulationsleitung zu dem Wärmeverbraucher ein erstes Ventil, dessen Durchflussquerschnitt sich vorzugsweise stufenlos einstellen lässt. Ebenfalls befindet sich im Rücklauf der Zirkulationsleitung von dem Wärmeverbraucher zurück zu dem Wärmespeicher ein zweites Ventil, dessen Durchflussquerschnitt sich ebenfalls vorzugsweise stufenlos einstellen lässt.
Wenn nun beispielsweise die Temperatur des Wärmespeicherkerns hoch ist, der Wärmespeicherkern also beispielsweise heißer als 800°C ist, kann das erste Ventil im Vorlauf zu dem Wärmeverbraucher weit geöffnet werden, wohingegen das zweite Ventil im Rücklauf von dem Wärmeverbraucher zu dem Wärmespeicherkern nur gering geöffnet wird, um so den Volumenstrom des durch den ersten Strömungspfad hindurchströmenden Arbeitsgases zu begrenzen. Das durch den ersten Strömungspfad hindurchströmende Arbeitsgas wird dabei durch den Wärmespeicherkern erwärmt, wodurch die in dem Wärmespeicherkern zwischengespeicherte Wärmeenergie gezielt durch Konvektion in Form des erwärmten Arbeitsgases zu dem Wärmeverbraucher transportiert werden kann.
Nimmt nun die Temperatur des Wärmespeicherkerns allmählich ab, wird der Durchflussquerschnitt des ersten Ventils sukzessive reduziert, wohingegen der Durchflussquerschnitt des zweiten Ventils zunehmend geöffnet wird – der Durchflussquerschnitt der beiden Ventile wird also gewissermaßen gegensinnig in Abhängigkeit der Temperatur des Wärmespeicherkerns verändert. Der zunehmend kleiner werdende Durchflussquerschnitt des ersten Ventils hat zur Folge, dass in dem den Wärmespeicherkern durchsetzenden ersten Strömungspfad zunehmend ein Staudruck erzeugt wird, durch den die Verweilzeit des Arbeitsgases in dem Rohr zunimmt, so dass sich das Arbeitsgas aufgrund der längeren Verweilzeit innerhalb des Wärmespeicherkerns stärker aufheizen kann. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Wärmeverbraucher bei unterschiedlichen Temperaturen des Wärmespeicherkerns mit einem im Wesentlichen konstant warmen Arbeitsgas beaufschlagt wird. Durch die in Abhängigkeit der Wärmespeicherkerntemperatur gegenläufige Ventilsteuerung kann somit die Wärmeabgabe von dem Wärmespeicher vergleichmäßigt und bedarfsgerecht abgegeben werden.
Dadurch, dass das zweite Ventil bei hohen Speicherkerntemperaturen weniger als das erste Ventil geöffnet ist, stellt das zweite Ventil für das sich in dem ersten Strömungspfad durch die Erwärmung ausdehnende Arbeitsgas einen größeren Strömungswiderstand dar als das erste Ventil, weshalb das Arbeitsgas bei hohen Wärmespeicherkerntemperaturen durch das erste Ventil zu dem Wärmetauscher strömt. Bei geringeren Temperaturen kann es hingegen erforderlich sein, einen Rohrlüfter in die Zirkulationsleitung zu integrieren, um die Arbeitsgasströmung durch den Vorlauf in Richtung des Wärmeverbrauchers aufrechterhalten zu können.
Im Folgenden wird nun auf bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmespeichers eingegangen, wobei sich weitere bevorzugte Ausführungsformen ebenfalls aus den Ansprüchen, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung ergeben können.
So ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass es sich bei dem ersten Strömungspfad um ein Rohr handelt, mit dem der Wärmespeicherkern durchsetzt ist. Das Rohr kann dabei den Wärmespeicherkern stützen bzw. tragen, wodurch die Anzahl unerwünschter Wärmebrücken zwischen dem Behälter bzw. der Behälterwand und dem Wärmespeicherkern reduziert werden kann. Obwohl der Wärmespeicherkern des Wärmespeichers in einem isolierten Behälter angeordnet ist, sollte nämlich darauf geachtet werden, dass keine unnötigen Wärmebrücken zwischen dem Wärmespeicherkern und der Behälterwand existieren, die durch etwaige Befestigungen des Wärmespeicherkerns an der Behälterwand entstehen können.
Gemäß einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass sich der Wärmespeicherkern schichtartig aus mehreren jeweils ein Heizmodul aufweisenden Wärmespeichermodulen zusammensetzt. Durch diesen modulartigen Aufbau des Wärmespeicherkerns lässt sich derselbe nicht nur während des Transports leichter handhaben; vielmehr ermöglicht der schichtartige Aufbau des Wärmespeicherkerns, dass sich zwei benachbarte Wärmespeichermodule derart kombinieren lassen, dass sie durch einen sich in Bezug auf das Rohr in radialer Richtung erstreckenden Zwischenraum zumindest bereichsweise voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise kann die Oberfläche des Wärmespeicherkerns vergrößert werden, wodurch sich in dem Behälter, in dem sich der Wärmespeicherkern befindet, befindliches Arbeitsgas schneller erwärmen lässt. Insofern wird durch die so gebildeten Zwischenräume ein zweiter Strömungspfad gebildet, von dem der Wärmespeicherkern durchsetzt ist und welcher ebenfalls Bestandteil der zu dem Wärmeverbraucher führenden Zirkulationsleitung sein kann, wie dies nachfolgend genauer erläutert wird.
So kann das Rohr dort, wo ein zwischen zwei benachbarten Wärmespeichermodulen gebildeter Zwischenraum in radialer Richtung auf das Rohr trifft, mit Durchströmöffnungen versehen sein, über die der jeweilige Zwischenraum mit dem Rohrinneren in Fluidverbindung steht. In diesem Falle kann das sich in den Zwischenräumen erwärmende Arbeitsgas in das Rohrinnere strömen, so dass auch der durch die Zwischenräume gebildete zweite Strömungspfad Bestandteil der zu dem Wärmeverbraucher führenden Zirkulationsleitung ist. Auf diese Weise kann insbesondere bei geringen Wärmespeicherkerntemperaturen eine ausreichende Erwärmung des über die Zirkulationsleitung zu dem Wärmeverbraucher strömenden Arbeitsgases erreicht werden kann, da die sich in den Zwischenräumen erwärmende Arbeitsgasströmung und das in dem ersten Strömungspfad strömende Arbeitsgas addieren.
Um die Modularität des Speicherkernaufbaus zugunsten der Vereinfachung der Montage weiter zu verbessern, ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass der Wärmespeicherkern mehrere jeweils ein Heizmodul aufweisende Wärmespeichermodule umfasst, die jeweils von einem Rohrabschnitt des Rohrs durchsetzt sind, wobei benachbarte Wärmespeichermodule über die jeweiligen Rohrabschnitte miteinander in Serie koppelbar sind. Bei dieser Ausführungsform sind also das Rohr und der Wärmespeicherkern bzw. das jeweilige Wärmespeichermodul und der zugehörige Rohrabschnitt gemeinsam handhabbar, so dass beim Zusammenbau eines Wärmespeicherkerns aus mehreren Wärmespeichermodulen keine unterschiedlichen Komponenten gehandhabt werden müssen. Vielmehr müssen hierbei lediglich die einzelnen Wärmespeichermodule über ihre Rohrabschnitte zusammengesteckt werden, wodurch sich die Größe des Wärmespeicherkerns zur Erzielung unterschiedlicher Wärmespeicherkapazitäten leicht variieren lässt.
Um die Modularität des Wärmespeicherkernaufbaus zugunsten der Reduzierung der Herstellkosten weiter steigern zu können, ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass sich jedes Wärmespeichermodul aus zwei im Wesentlichen identischen Teilmodulen zusammensetzt, wobei zwischen den Teilmodulen eines Wärmespeichermoduls ein das Rohr umgebendes Heizmodul vorzugsweise in Form einer elektrischen Heizwendel sandwichartig angeordnet ist. Für die Einbettung des Heizmoduls in das Wärmespeichermodul müssen somit keine zwei unterschiedliche Teilmodule vorgehalten werden, was sich positiv auf die Herstellkosten des erfindungsgemäßen Wärmespeichers auswirkt. Bei dieser Ausführungsform kann jedes der Teilmodule von einem Teilabschnitt des Rohrs durchsetzt sein, wobei benachbarte Teilmodule über die jeweiligen Rohrabschnitte miteinander in Serie koppelbar sind.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist jedes Teilmodul des jeweiligen Wärmespeichermoduls ein ein Wärmespeichermaterial wie beispielsweise Feolit aufnehmendes Gehäuse in Form von beispielsweise einer Wanne auf, das bzw. die mit einer Öffnung zur Aufnahme des Rohrs durchsetzt ist. In das in Rede stehende Gehäuse kann das Wärmespeichermaterial während der Herstellung des jeweiligen Teilmoduls in flüssiger Form eingebracht werden. Zur Formgebung des Wärmespeichermaterials muss somit keine separate Form vorgehalten werden, wodurch abermals die Herstellkosten reduziert werden können. Darüber hinaus wird durch das Gehäuse die Anbringung des Wärmespeichermaterials an dem Rohr erleichtert, da hierzu keine separaten Vorkehrungen getroffen werden müssen; vielmehr befindet sich das Wärmespeichermaterial innerhalb des Gehäuses mit dem Rohr in Kontakt und wird dabei durch das an dem Rohr befestigte Gehäuse getragen.
Um die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmespeicherkern bzw. dessen Modulen und dem Rohr zu verbessern, können gemäß einer weiteren Ausführungsform mehrere Wärme leitende Rippen in den Wärmespeicherkern eingebettet sein, die sich ausgehend von dem Rohr in radialer Richtung nach außen erstrecken. Die Wärme leitenden Rippen weisen dabei vorzugsweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Wärmespeichermaterial auf, wodurch die Wärme aus radial außen gelegenen Abschnitten des Wärmespeicherkerns schneller auf das Rohr und von dort auf das darin strömende Arbeitsgas übertragen werden kann.
Um die Wärmeübertragung auf das in dem Rohr strömende Arbeitsgas insbesondere bei geringen Wärmespeicherkerntemperaturen weiter zu verbessern, ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass sich der Rücklauf der Zirkulationsleitung in Strömungsrichtung in eine Hauptleitung, in der sich das zweit Ventil befindet, und zumindest eine Nebenleitung aufzweigt, in der sich ein drittes Ventil mit variabler Öffnung befindet. Hierbei mündet die Hauptleitung in den den Wärmespeicherkern durchsetzenden ersten Strömungspfad bzw. das Rohr, wohingegen die zumindest eine Nebenleitung benachbart zu dem Rohr in den Behälter des Wärmespeichers mündet und mit dem zweiten Strömungspfad in Fluidverbindung steht. Da der Wärmespeicherkern im Behälterinneren gegenüber der Behälterwand beabstandet angeordnet ist, kann somit das über die Nebenleitung in den Behälter strömende Arbeitsgas durch die zwischen den einzelnen Wärmespeichermodulen gebildeten Zwischenräume strömen, wo es aufgrund des Kontakts mit den Wärmespeichermodulen verhältnismäßig rasch erwärmt wird. Aus den Zwischenräumen zwischen den Wärmespeichermodulen kann das so erwärmte Arbeitsgas dann durch die in dem Rohr ausgebildeten Durchströmöffnungen in das Rohrinnere von dem darin strömenden Arbeitsgas gesaugt werden, um dann über die Zirkulationsleitung erneut dem Wärmeverbraucher zugeführt zu werden.
Um die bereits zuvor erläuterte gegenläufige Steuerung der Ventile automatisch vornehmen zu können, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Steuermodul vorgesehen, welches eingerichtet ist, um bei hohen Temperaturen des Speicherkerns das erste Ventil weit zu öffnen, das zweite Ventil gering zu öffnen und das dritte Ventil geschlossen zu halten. Darüber hinaus ist das Steuermodul derart eingerichtet, um bei geringeren Temperaturen des Speicherkerns das erste Ventil gering zu öffnen, das zweite Ventil weit zu öffnen und das dritte Ventil geschlossen zu halten. Ferner ist das Steuermodul derart eingerichtet, um bei noch geringeren Temperaturen des Speicherkerns das erste Ventil gering zu öffnen, das zweite Ventil weit zu öffnen und auch das dritte Ventil zu öffnen, um so über die Nebenleitung des Rücklaufs in der zuvor erläuterten Weise einen zusätzlichen Volumenstrom an Arbeitsgas durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Wärmespeichermodulen zu erzeugen.
Auf das dritte Ventil und somit auf eine entsprechende Ausgestaltung des Steuermoduls kann auch verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können an der Behälterwand innenseitig zumindest bereichsweise Photovoltaikmodule vorgesehen sein, um so beispielsweise in Zeiten, in denen der Wärmeverbraucher keine Wärme von dem Wärmespeicher abzieht, die von dem Wärmespeicherkern erzeugte Infrarotstrahlung in Strom umwandeln zu können. Wenn von dem Wärmeverbraucher also über längere Zeit hinweg einmal keine Wärme benötigt wird, kühlt der Wärmespeicher nicht ungenutzt aus, da die Infrarotstrahlung des Wärmespeicherkerns zumindest teilweise durch die Photovoltaikmodule in Strom umgewandelt werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmespeicher einschließlich einer schematischen Darstellung der zugehörigen Zirkulationsleitung;
2 zeigt einen anderen Längsschnitt des in der 1 dargestellten Wärmespeichers;
3 zeigt das Detail Z der 1 in einer vergrößerten Darstellung; und
4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teilmoduls des Wärmespeicherkerns des erfindungsgemäßen Wärmespeichers.
Die 1 und 2 zeigen ein und denselben Wärmespeicher 10 in unterschiedlichen Querschnittsdarstellungen, auf welche im Folgenden gemeinsam Bezug genommen wird. Der Wärmespeicher 10 weist einen im Grundriss sechseckigen, isolierten Behälter 12 auf, in dem sich ein modular aufgebauter Wärmespeicherkern 14 befindet. Der ebenfalls sechseckige Wärmespeicherkern 14 ist mit einem sich in vertikaler Richtung erstreckenden Rohr 16 durchsetzt, welches sich mit seinen beiden Enden durch in dem Behälterdeckel 18 und in dem Behälterboden 20 ausgebildete Öffnungen hindurch nach außen erstreckt. Das Rohr 16 ist Bestandteil einer hier nur schematisch dargestellten Zirkulationsleitung 24, die zu einem Wärmeverbraucher 22 führt und in deren Vorlauf 26 sich ein erstes Ventil 30 mit variabler Öffnung 30 befindet. Ebenfalls befindet sich ein zweites Ventil 32 mit variabler Öffnung in dem Rücklauf 28 der Zirkulationsleitung 24 zwischen dem Wärmeverbraucher 22 und dem Wärmespeicherkern 14 des Wärmespeichers 10. Bei dem Wärmeverbraucher 22 kann es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher und/oder um einen Stirlingmotor handeln.
Wie insbesondere der 2 entnommen werden kann, verzweigt sich der Rücklauf 28 der Zirkulationsleitung 24 in Strömungsrichtung in eine Hauptleitung 38, in der sich das zweite Ventil 32 befindet, und in eine Nebenleitung 40, in der sich ein drittes Ventil 34 mit variabler Öffnung befindet. Diese Nebenleitung 40 mündet benachbart zu dem Rohr 16 in den Behälter 12 des Wärmespeichers 10.
Im Folgenden wird nun auf den internen Aufbau des Wärmespeichers 10 eingegangen. Wie bereits zuvor erwähnt wurde, beinhaltet der beispielsweise mit Vermiculit gedämmte Behälter 12 den Wärmespeicherkern 14, welcher sich schichtartig aus mehreren Wärmespeichermodulen 42 zusammensetzt, wobei jedes dieser Wärmespeichermodule 42 ein das Rohr 16 umgebendes Heizmodul 44 aufweist. Jedes dieser Wärmespeichermodule 42 setzt sich in der dargestellten Ausführungsform wiederum aus zwei im Wesentlichen identischen Teilmodulen 46 zusammen, von denen eines in perspektivischer Darstellung in der 4 gezeigt ist.
Wie der 4 entnommen werden kann, weist das dargestellte Teilmodul 46 eine im Wesentlichen sechseckige Wanne 48 auf, in deren Boden eine Öffnung ausgebildet ist, in die ein mit dem Boden der Wanne 48 verbundener Teilabschnitt 50 des Rohrs 16 eingepasst und mit dem Wannenboden verbunden ist (siehe auch beispielsweise 3). In dem Teilabschnitt 50 des Rohrs 16 sind mehrere Schlitze 52 ausgebildet, in die sich radial erstreckende Rippen 52 in Form von Winkelprofilen eingehängt und mit dem Rohr 16 verbunden sind. Auf diesen sich radial erstreckenden Rippen 52 liegt eine das Rohr 16 umgebende Halbschale auf, welche eine hier nicht dargestellte Heizwendel des Heizmoduls 44 aufnimmt. Als Wärmespeichermaterial dient bei der dargestellten Ausführungsform Feolit, welches in flüssiger Form in die Wanne 48 eingefüllt wird, was zur Folge hat, dass sowohl die Rippen 52 als auch die Halbschale 54 des Heizmoduls 44 in das Wärmespeichermaterial eingebettet werden, wodurch ein inniger Verbund zwischen den einzelnen Komponenten des Teilmoduls 46 erreicht wird.
Jedes Wärmespeichermodul 44 des Wärmespeicherkerns 14 wird nun dadurch gebildet, dass zwei derartige Teilmodule 46 spiegelsymmetrisch zusammengefügt werden, indem die jeweiligen Teilrohrabschnitte 50 der Teilmodule 46 miteinander gekoppelt werden, was zur Folge hat, dass das Heizmodul 44, insbesondere die von den Halbschalen 54 aufgenommene Heizwendel 55 vollständig in das Wärmespeichermaterial des Wärmespeichermoduls 42 eingebettet ist.
In der dargestellten Ausführungsform setzt sich der Wärmespeicherkern 14 nun aus drei dieser symmetrisch aufgebauten Wärmespeichermodule 42 zusammen, wobei zwei benachbarte Wärmespeichermodule 42 durch einen sich in Bezug auf das Rohr 16 in radialer Richtung erstreckenden Zwischenraum 56 voneinander beabstandet sind. Zur Bildung dieses Zwischenraums 56 weist die jeweilige Wanne 48 mehrere Abstandhalter 58 auf, welche im zusammengebauten Zustand auf die Abstandhalter 58 des angrenzenden Teilmoduls 46 treffen, wodurch der Zwischenraum 56 zwischen den Wärmespeichermodulen 42 gebildet wird.
Wie am besten der 3 entnommen werden kann, weist das sich aus den einzelnen Teilabschnitten 50 zusammengesetzte Rohr 16 dort, wo ein zwischen zwei benachbarten Wärmespeichermodulen 42 gebildeter Zwischenraum in radialer Richtung auf das Rohr 16 trifft, Durchströmöffnungen 50 auf, über die der jeweilige Zwischenraum 56 mit dem Rohrinneren in Fluidverbindung steht.
Im Folgenden wird nun die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wärmespeichers 10 erläutert. Über die in den Wärmespeicherkern 14 eingebetteten Heizwendel 55 kann beispielsweise mit Hilfe einer Photovoltaikanlage erzeugter elektrischer Strom in den Wärmespeicherkern 14 in Form von Wärme eingelagert werden. Wird für den Betrieb des Wärmeverbrauchers 22, bei dem es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher für eine Heizungsanlage und/oder um einen Stirlingmotor handeln kann, keine Wärme benötigt, bleiben die drei Ventile 30, 32, 34 geschlossen, womit die in dem Wärmespeicherkern 14 gespeicherte Wärme innerhalb des isolierten Behälters 12 konserviert wird. Die Infrarotstrahlung des Wärmespeicherkerns 14 kann jedoch bei Bedarf durch hier nicht dargestellte Photovoltaikmodule, die an der Behälterinnenwand vorgesehen sind, in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Wenn der Wärmespeicherkern 14 voll aufgeladen ist und eine durchschnittliche Temperatur von etwa 800°C oder mehr aufweist, kann zur Versorgung des Wärmeverbrauchers 22 mit Wärme das erste Ventil weit geöffnet werden, wohingegen das zweite Ventil nur geringfügig geöffnet wird. Da das zweite Ventil 32 somit für das sich in dem Rohr 16 befindliche Arbeitsgas, das sich infolge der Erwärmung durch den Wärmespeicherkern 14 ausdehnt, einen geringeren Strömungswiderstand als das erste Ventil 30 darstellt, strömt das sich erwärmende und dadurch ausdehnende Arbeitsgas durch den Vorlauf 26 zu dem Wärmeverbraucher 22, welcher dem Arbeitsgas einen Teil seiner Wärmeenergie entzieht. Anschließend strömt das Arbeitsgas über den Rücklauf 28 zurück in das Rohr 16 des Wärmespeichers 10, wo es erneut erhitzt wird, so dass der Kreislauf von Neuem beginnt.
Wenn dem Wärmespeicher 10 auf diese Weise Wärme entzogen wird, nimmt die Temperatur des Wärmespeicherkerns 14 kontinuierlich ab, was ohne entsprechende Gegenmaßnahmen dazu führen würde, dass die Temperatur des Wärmestroms zu dem Wärmeverbraucher 22 ebenfalls abnimmt. Da es jedoch erwünscht sein kann, den Wärmeverbraucher 22 mit einem Wärmestrom gleich bleibender Temperatur zu beaufschlagen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mit abnehmenden Temperaturen der Durchflussquerschnitt des ersten Ventils 30 zunehmend reduziert wird, wohingegen der Durchflussquerschnitt des zweiten Ventils 32 zunehmend vergrößert wird. Dies führt dazu, dass sich innerhalb des Rohrs 16 ein Staudruck aufbaut, der die Verweilzeit des Arbeitsgases innerhalb des Rohrs 16 verlängert, so dass sich das Arbeitsgas aufgrund der längeren Verweilzeit stärker erwärmen kann. Um während dieses Betriebszustands die Strömungsrichtung des Arbeitsgases aufrechterhalten zu können, kann in die Zirkulationsleitung 24 ein Rohrlüfter 36 integriert sein, der für eine kontinuierliche Zirkulation sorgt.
Sollte die Temperatur des Wärmespeicherkerns 14 noch weiter absinken, kann zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Wärmestroms zu dem Verbraucher 22 schließlich das dritte Ventil 34 in der Nebenleitung 40 des Rücklaufs 28 geöffnet werden, wodurch sich eine Arbeitsgasströmung durch die zwischen den einzelnen Wärmespeichermodulen 42 gebildete Zwischenräume 56 hindurch einstellt. Das durch die Zwischenräume 56 strömende Arbeitsgas wird somit durch den direkten Kontakt mit den Wärmespeichermodulen 42 besonders schnell erwärmt und gelangt anschließend durch die Durchströmöffnungen 60 in das Rohr 16, wo es sich mit dem Arbeitsgas aus der Hauptleitung 38 des Rücklaufs 28 vermischt Somit kann auch dann, wenn sich der Wärmespeicherkern 14 bereits verhältnismäßig stark abgekühlt hat, die Vorlauftemperatur auf einem konstanten Wert gehalten werden kann.
Wie in den 1 und 2 schematisch dargestellt ist, ist zur Ansteuerung der drei Ventile 30, 32, 34 ein Steuermodul 64 vorgesehen, welches als Eingangsgröße von einem Temperatursensor 66 die Temperatur des Wärmespeicherkerns 14 erhält und als Ausgangssignale drei Steuergrößen erzeugt, mit denen die drei Ventile 30, 32, 34 in Abhängigkeit der Wärmespeicherkerntemperatur in der zuvor erläuterten Weise angesteuert werden.
Bezugszeichenliste

10: Wärmespeicher
12: Behälter
14: Wärmespeicherkern
16: Rohr
18: Behälterdeckel
20: Behälterboden
22: Wärmeverbraucher
24: Zirkulationsleitung
26: Vorlauf
28: Rücklauf
30: erstes Ventil
32: zweites Ventil
34: drittes Ventil
36: Rohrlüfter/Pumpe
38: Hauptleitung
40: Nebenleitung
42: Wärmespeichermodul
44: Heizmodul
46: Teilmodul
48: Wanne/Gehäuse
50: Teilabschnitt des Rohrs
52: Rippen
54: Halbschale
55: Heizwendel
56: Zwischenraum
58: Abstandhalter
60: Durchströmöffnungen
64: Steuermodul
66: Temperatursensor

Claims

Strömungsgesteuerter Wärmespeicher (10) mit einem in einem isolierten Behälter (12) befindlichen Wärmespeicherkern (14), in den zumindest ein Heizmodul (44) integriert ist, wobei der Wärmespeicherkern (14) von einem mit einem Arbeitsgas durchströmten ersten Strömungspfad (16) durchsetzt ist, welcher Bestandteil einer zu einem Wärmeverbraucher (22) führenden Zirkulationsleitung (24) ist, mit der der Strömungspfad (16) durch in der Behälterwand ausgebildete Öffnungen in Fluidverbindung steht, wobei sich im Vorlauf (26) zu dem Wärmeverbraucher (22) ein erstes Ventil (30) mit variabler Öffnung und im Rücklauf (28) von dem Wärmeverbraucher (22) ein zweites Ventil (32) mit variabler Öffnung befindet.
Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Strömungspfad (16) um ein Rohr (16) handelt, mit dem der Wärmespeicherkern (14) durchsetzt ist.
Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherkern (14) von zumindest einem zweiten mit einem Arbeitsgas durchströmten Strömungspfad durchsetzt ist, welcher ebenfalls Bestandteil der zu dem Wärmeverbraucher (22) führenden Zirkulationsleitung (24) ist.
Wärmespeicher nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wärmespeicherkern (14) schichtartig aus mehreren jeweils ein Heizmodul (44) aufweisenden Wärmespeichermodulen (42) zusammensetzt, und zwar vorzugsweise derart, dass zwei benachbarte Wärmespeichermodule (42) durch einen sich in Bezug auf den ersten Strömungspfad (16) in radialer Richtung erstreckenden Zwischenraum (56) voneinander zumindest bereichsweise beabstandet sind.
Wärmespeicher nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherkern (14) mehrere jeweils ein Heizmodul (44) aufweisende Wärmespeichermodule (42) umfasst, die jeweils von einem Rohrabschnitt des Rohrs (16) durchsetzt sind, wobei benachbarte Wärmespeichermodule (42) über die jeweiligen Rohrabschnitte miteinander in Serie koppelbar sind.
Wärmespeicher nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (16) dort, wo ein zwischen zwei benachbarten Wärmespeichermodulen gebildeter Zwischenraum (56) in radialer Richtung auf das Rohr (16) trifft, mit Durchströmöffnungen (60) versehen ist, über die der jeweilige Zwischenraum (56) mit dem Rohrinneren in Fluidverbindung steht.
Wärmespeicher nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherkern (14), insbesondere jedes Wärmespeichermodul (42) des Wärmespeicherkerns (14) von dem Rohr (16) getragen wird.
Wärmespeicher nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wärmespeichermodul (42) zwei zueinander benachbarte identische Teilmodule (46) aufweist, wobei zwischen den Teilmodulen (46) eines Wärmespeichermoduls (42) ein das Rohr (16) umgebendes Heizmodul (44) vorzugsweise in Form einer elektrischen Heizwendel (55) sandwichartig angeordnet ist.
Wärmespeicher nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wärmespeichermodul (42) zwei zueinander benachbarte identische Teilmodule (46) aufweist, die jeweils von einem Teilabschnitt (50) des Rohrs (16) durchsetzt sind, wobei benachbarte Teilmodule (46) über die jeweiligen Teilrohrabschnitte (50) miteinander in Serie koppelbar sind.
Wärmespeicher nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Teilmodul (46) ein ein Wärmespeichermaterial aufnehmendes Gehäuse (48) aufweist, das mit einer Öffnung zur Aufnahme des Rohrs (16) durchsetzt ist.
Wärmespeicher nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherkern (14) mehrere Wärme leitende Rippen (52) aufweist, die in den Wärmespeicherkern (14) eingebettet sind und sich ausgehend von dem ersten Strömungspfad (16) in radialer Richtung erstrecken.
Wärmespeicher nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherkern (14) im Behälterinneren gegenüber der Behälterwand beabstandet angeordnet ist.
Wärmespeicher nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Rücklauf (28) der Zirkulationsleitung (24) in Strömungsrichtung in eine Hauptleitung (38), in der sich das zweite Ventil (32) befindet, und zumindest eine Nebenleitung (40) verzweigt, in der sich ein drittes Ventil (34) mit variabler Öffnung befindet, wobei die Hauptleitung (38) in das Rohr (16) und die zumindest eine Nebenleitung (40) benachbart zum dem Rohr (16) in den Behälter (12) des Wärmespeichers (10) mündet.
Wärmespeicher nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuermodul (64) vorgesehen ist, welches derart eingerichtet ist, um: – bei hohen Temperaturen des Speicherkerns (14) das erste Ventil (30) weit zu öffnen, das zweite Ventil (32) gering zu öffnen und vorzugsweise das dritte Ventil (34) geschlossen zu halten; – bei mäßig hohen Temperaturen des Speicherkerns (14) das erste Ventil (30) gering zu öffnen, das zweite Ventil (32) weit zu öffnen und vorzugsweise das dritte Ventil (34) geschlossen zu halten; und – bei geringeren als mäßig hohen Temperaturen des Speicherkerns (14) das erste Ventil (30) gering zu öffnen, das zweite Ventil (32) weit zu öffnen und vorzugsweise das dritte Ventil (34) zu öffnen.
Wärmespeicher nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwand innenseitig zumindest bereichsweise mit Photovoltaikmodulen versehen ist.