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Die Erfindung betrifft eine Wärmespeichereinrichtung gemäß dem Anspruch 1.
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Derartige Wärmespeichereinrichtungen dienen zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem Fluid und einem Wärmespeichermedium sowie zur Speicherung der vom Fluid auf das Wärmespeichermedium übertragenen Wärme.
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Bei dem Wärmespeichermedium kann es sich insbesondere um ein so genanntes Phasenwechselmaterial handeln (Phase Change Material oder kurz PCM), mit dessen Hilfe die Wärme eines Fluids, bei dem es sich um ein beliebiges Prozessmedium bzw. einen Prozessstrom handeln kann, bei einer nahezu konstanten Temperatur mithilfe der latenten Wärme gespeichert bzw. wieder abgegeben werden kann (z. B. beim Phasenübergang flüssig-fest). Aufgrund des Sprungs des spezifischen Volumens zwischen der festen und flüssigen Phase des Wärmespeichermediums muss der Phasenübergang räumlich kontinuierlich erfolgen, um lokale Druckdifferenzen zu vermeiden. Diese Druckdifferenzen würden ansonsten zu einer mechanischen Überbeanspruchung des Wärmetransfersystems zwischen dem Fluid und dem Wärmespeichermedium bzw. Phasenwechselmaterial führen.
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Bisher ist bekannt (vgl. z. B.
KR 20000033239 ), dass Rohre, durch die das Fluid bzw. Prozessmedium strömt, und die mit äußeren Wärmetransferrippen versehen sind, in dem das Wärmespeichermedium aufnehmendem Behälter horizontal angeordnet werden. Hierbei ist jedoch ein gleichmäßiges Schmelzen oder Gefrieren des Wärmespeichermediums nicht sichergestellt.
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Ferner sind Konzepte bekannt (vgl. z. B.
CN 102777874 ), bei denen die Rohre mit ihren äußeren Wärmetransferrippen zwischen zwei Rohrböden vertikal geführt werden. Der untere Rohrboden muss dabei jedoch das volle Gewicht des Wärmespeichermediums ablasten. Bei großen Volumina des Wärmespeichermediums wären daher Rohrböden von mehreren Metern Durchmesser notwendig.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeichereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die vorgenannten Nachteile zumindest teilweise gemindert werden.
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Dieses Problem wird durch eine Wärmespeichereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben bzw. werden nachfolgend beschrieben.
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Gemäß Anspruch 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Innenraum des Behälters eine Mehrzahl an Rohren angeordnet ist, die sich jeweils entlang einer Längsachse erstrecken, wobei die Rohre bzw. die Längsachsen – bezogen auf eine bestimmungsgemäß angeordnete Wärmespeichereinrichtung – entlang der Vertikalen verlaufen, wobei gemäß einer ersten Alternative jedes der Rohre als ein Doppelrohr ausgebildet ist, das jeweils ein Außenrohr aufweist, das von dem Wärmespeichermedium umgegeben ist, sowie ein im jeweiligen Außenrohr angeordnetes Innenrohr, so dass zwischen dem jeweiligen Außenrohr und dem jeweils darin angeordneten Innenrohr ein Ringspalt zum Führen des Fluids gebildet wird. Gemäß einer weiteren Alternative steht jedes der Rohre an einem unteren Endabschnitt des jeweiligen Rohres mit einem (insbesondere einzelnen) ebenfalls vertikal verlaufenden Sammelrohr in Strömungsverbindung (d. h. das Sammelrohr erstreckt sich entlang einer Längsachse, die bezogen auf eine bestimmungsgemäß angeordnete Wärmespeichereinrichtung entlang der Vertikalen verläuft). Die Strömungsverbindungen können z. B. jeweils durch einen entlang der Horizontalen verlaufenden Rohrleitungsabschnitt bzw. Strömungspfad gebildet sein, der das jeweilige Rohr mit einem unteren Abschnitt des Sammelrohres verbindet oder durch einen Sammler (siehe unten).
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Die Wärmespeichereinrichtung ist bevorzugt dazu ausgebildet, das Fluid im jeweiligen Ringspalt von oben nach unten zu führen, so dass Wärme zwischen dem im jeweiligen Ringspalt strömenden Fluid und dem Wärmespeichermedium übertragbar ist (vom Fluid auf das Wärmespeichermedium beim Einspeichern von Wärme bzw. vom Wärmespeichermedium auf das Fluid beim Ausspeichern von Wärme), wobei die Wärmespeichereinrichtung weiterhin bevorzugt dazu ausgebildet ist, das Fluid im jeweils zugeordneten Innenrohr von unten wieder nach oben zu führen und insbesondere das Fluid über das jeweilige Innenrohr aus dem jeweiligen Doppelrohr abzuziehen.
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Für den Fall, dass ein Sammelrohr vorgesehen ist, ist die Wärmespeichereinrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, das Fluid (z. B. Wasserdampf) beim Einspeichern von Wärme im jeweiligen Rohr von oben nach unten zu führen, so dass Wärme vom im jeweiligen Rohr strömenden Fluid auf das Wärmespeichermedium übertragbar ist, wobei die Wärmespeichereinrichtung weiterhin bevorzugt dazu ausgebildet ist, das Fluid im Sammelrohr von unten wieder nach oben zu führen, wobei das Fluid insbesondere über das Sammelrohr abziehbar ist. Zum Ausspeichern von Wärme ist die Wärmespeichereinrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, das Fluid (z. B. Wasser) über das Sammelrohr von oben nach unten zu führen und über die Rohre von unten wieder nach oben, so dass Wärme des Wärmespeichermediums auf das Fluid übertragbar ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung kann somit einerseits Wärme eines Fluids bzw. Prozessmediums auf das Wärmespeichermedium übertragen und darin gespeichert werden bzw. andererseits im Wärmespeichermedium gespeicherte Wärme auf ein Fluid bzw. Prozessmedium übertragen werden.
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Aufgrund der vertikal angeordneten Rohre bzw. Doppelrohre, bei denen das Fluid im Ringspalt geführt wird, ist ein räumlich homogenes Schmelzen bzw. Gefrieren des Wärmespeichermediums um die Rohre bzw. Doppelrohre herum möglich, wobei insbesondere zusätzlich aufgrund der Führung des Fluids durch die Doppelrohre bzw. durch die Rohre (mit Rückführung bzw. Zuführung durch ein Sammelrohr) ein unterer Rohrboden verzichtbar ist, so dass das Gewicht des Wärmespeichermediums nicht über einen unteren Rohrboden abgeleitet werden muss, sondern z. B. über einen entsprechend ausgelegten Behälterboden. Bevorzugt werden also die Rohre bzw. Doppelrohre sowie ggf. das Sammelrohr und die Strömungsverbindung zwischen den Rohren und dem Sammelrohr von oben her gehalten, insbesondere durch einen Verteiler oder einen Rohrboden und/oder sonstige Einbauten.
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Wie eingangs bereits erwähnt, handelt es sich bei dem Wärmespeichermedium bevorzugt um ein Phasenwechselmaterial, das heißt, um ein Material, dessen latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme größer ist als die Wärme, die es aufgrund seiner spezifischen Wärmekapazität (ohne Phasenumwandlung) speichern kann. Die Wärmespeichereinrichtung wird entsprechend auch als Latentwärmespeichereinrichtung bezeichnet. Bei dem Wärmespeichermedium kann es sich z. B. um ein Nitratsalz handeln bzw. das Wärmespeichermedium kann ein Nitratsalz aufweisen, wie z. B. NaNO3 oder KNO3. Das Wärmespeichermedium kann auch ein Gemisch von Nitratsalzen, insbesondere ein Gemisch aus NaNO3 und KNO3 aufweisen.
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Bevorzugt weisen die Doppelrohre jeweils ein unteres freies Ende auf, das insbesondere von dem Wärmespeichermedium umgeben ist und durch einen unteren, ggf. horizontalen Boden des jeweiligen Außenrohres gebildet wird, wobei der jeweilige Boden das zugeordnete Außenrohr bzw. Doppelrohr nach unten hin verschließt.
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Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass die Innenrohre jeweils eine stirnseitige untere Öffnung aufweisen, die dem Boden des jeweils zugeordneten Außenrohres gegenüber liegt, so dass ein an einem oberen Ende des jeweiligen Doppelrohrs in den zugeordneten Ringspalt eingespeistes Fluid im Ringspalt nach unten strömen kann, durch die jeweilige untere Öffnung in das jeweilige Innenrohr eintreten und darin wieder aufsteigen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Innenrohre jeweils eine Wärmeisolierung aufweisen, die das jeweilige Innenrohr gegenüber einem im jeweiligen Ringspalt strömenden Fluid isoliert, so dass eine indirekte Wärmeübertragung zwischen dem im jeweiligen Ringspalt und dem im jeweils zugeordneten Innenrohr strömenden Fluid vermindert wird.
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Zur Gewährleistung einer möglichst guten indirekten Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und dem Wärmespeichermedium ist weiterhin vorgesehen, dass die Rohre bzw. die Doppelrohre das Wärmespeichermedium kontaktieren. Hierbei weisen die Rohre bzw. Doppelrohre bevorzugt eine Mehrzahl an Wärmetransferrippen auf. Die Wärmetransferrippen können dabei jeweils in radialer Richtung des jeweiligen Rohres bzw. Doppelrohres von einem Mantel des jeweiligen Rohres bzw. Doppelrohres abstehen (z. B. von einem Mantel des Außenrohres des jeweiligen Doppelrohres) oder in sonstiger Weise an dem jeweiligen Rohr bzw. Doppelrohr festgelegt sein. Die Wärmetransferrippen können auch in radialer Richtung von einem zusätzlichen Träger abstehen, der an einem Mantel des jeweiligen Rohres bzw. Doppelrohres festgelegt ist. Bei Doppelrohren kann dieser zusätzliche Träger am Mantel des jeweiligen Außenrohres festgelegt sein. Der Träger kann selber rohrförmig oder schalenförmig ausgebildet sein. Insbesondere kann der jeweilige Träger zwei Schalen aufweisen, die einander gegenüberliegen und den jeweiligen Mantel, an dem sie festgelegt sind, umgeben. Vom Träger bzw. von den Schalen stehen dann die Wärmetransferrippen in z. B. radialer Richtung ab. Die Wärmetransferrippen können einstückig an den Träger bzw. die Schalen angeformt sein oder in sonstiger Weise mit diesen verbunden sein (z. B. Schweißverbindungen).
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Aufgrund der durch die Rippen vergrößerten effektiven Oberfläche der Rohre bzw. Doppelrohre kommt eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und dem Wärmespeichermedium zustande.
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Zum Verteilen des Fluids auf die Rohre bzw. auf die Doppelrohre bzw. zum Abziehen des Fluids aus den Innenrohren der Doppelrohre ist bevorzugt ein Verteiler vorgesehen, der an einem oberen Ende der Rohre oder Doppelrohre mit den Rohren bzw. Doppelrohren in Strömungsverbindung steht, so dass das Fluid über den Verteiler in das jeweilige Rohr bzw. bei Doppelrohren in den jeweiligen Ringspalt einspeisbar und/oder über den Verteiler aus dem jeweiligen Innenrohr abziehbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verteiler zumindest eine (insbesondere ringförmige) Rohrleitung mit jeweils einer ersten und einer davon getrennten zweiten Kammer aufweist, wobei bevorzugt mehrere der Ringspalte jeweils mit der ersten Kammer in Strömungsverbindung stehen, so dass das Fluid über die erste Kammer in diese Ringspalte einleitbar ist, und wobei bevorzugt die von den Ringspalten umgebenen Innenrohre jeweils mit der zweiten Kammer in Strömungsverbindung stehen, so dass das Fluid über die zweite Kammer der mindestens einen ringförmigen Rohrleitung aus den Innenrohren abziehbar ist.
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Es können natürlich auch mehrere dieser ringförmigen Rohrleitungen vorgesehen sein, die dann bevorzugt in einer Ebene konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Doppelrohre entsprechend unterhalb einer jeweils zugeordneten ringförmigen Rohrleitung angeordnet sind, so dass sie von unten her in die ringförmigen Rohrleitungen einmünden können.
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Gemäß einer alternativen Variante der erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung kann der Verteiler auch einen Rohrboden aufweisen, in dem die Rohre mit ihrem oberen Ende bzw. bei Doppelrohren die Außenrohre mit ihren oberen Enden verankert sind. Der Verteiler kann des Weiteren einen weiteren Rohrboden aufweisen, in dem das Sammelrohr verankert ist oder in dem bei Doppelrohren die Innenrohre verankert sind.
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Hierbei kann zwischen dem Rohrboden und dem weiteren Rohrboden eine erste Kammer vorgesehen sein, über die das Fluid über in dem Rohrboden vorgesehene Durchgangsöffnungen in die Ringspalte einspeisbar ist, wobei des Weiteren bevorzugt eine zweite Kammer an den weiteren Rohrboden angrenzt, und zwar auf einer von der ersten Kammer abgewandten Seite des weiteren Rohrbodens, so dass das Fluid aus den Innenrohren über Durchgangsöffnungen des weiteren Rohrbodens in die zweite Kammer abziehbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform mit Sammelrohr zum Abziehen und ggf. Zuführen des Fluids ist bevorzugt vorgesehen, dass die Rohre jeweils mit einem oberen Ende in einem Rohrboden des Verteilers verankert sind, so dass das Fluid über den Rohrboden in das jeweilige Rohr einspeisbar (bzw. daraus abziehbar) ist und darin nach unten bzw. nach oben strömt. Das Sammelrohr ist dabei bevorzugt mit einem oberen Endabschnitt durch den Rohrboden hindurchgeführt bzw. ein entsprechender Strömungspfad führt durch den Rohrboden hindurch.
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Weiterhin kann der Rohrboden mit einem vorzugsweise haubenförmigen Deckel des Behälters eine Kammer des Verteilers begrenzen, in die das Fluid über einen Stutzen einleitbar ist bzw. aus der das Fluid über den Stutzen abziehbar ist. Das in die Kammer eingeleitete Fluid kann dann über den Rohrboden in die Rohre gelangen bzw. kann über jene Kammer aus den Rohren abgezogen werden.
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Das Sammelrohr ist bevorzugt mittig im Behälter entlang der Vertikalen angeordnet, wobei die Rohre bevorzugt radial weiter außen angeordnet sind und bevorzugt um das Sammelrohr verteilt angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsverbindung zwischen den Rohren und dem Sammelrohr einen Sammler aufweist bzw. über einen Sammler hergestellt wird, wobei die Rohre jeweils über eine untere stirnseitige Öffnung des jeweiligen Rohres in den Sammler münden, und wobei das Sammelrohr über eine untere stirnseitige Öffnung des Sammelrohres in den Sammler mündet. Das Sammelrohr, die Rohre und der Sammler können durch den Rohrboden getragen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass der Sammler einen konvexen Mantel aufweist, der einen Innenraum des Sammlers zum Sammeln des Fluids begrenzt, wobei insbesondere zumindest ein oberer Bereich des Mantels des Sammlers kugelsegmentförmig ausgebildet ist. Bevorzugt münden die Rohre in diesen oberen Bereich des Sammlers, wobei bevorzugt das Sammelrohr an einem höchsten Punkt des Sammlers bzw. des Mantels des Sammlers in den Sammler mündet. Vorzugsweise ist der Mantel des Sammlers zylindersymmetrisch ausgebildet, wobei die Zylinderachse mit der Längsachse des Sammelrohres zusammenfällt, das von oben in den Sammler mündet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Innenraum des Behälters zur Lunkervermeidung bei einem Erstarren des Wärmespeichermediums einen das Sammelrohr umgebenden Bereich aufweist bzw. einen Bereich, in dem das Sammelrohr angeordnet ist, wobei in dem Bereich keines der Rohre angeordnet ist. Der besagte Bereich erstreckt sich vorzugsweise entlang des Sammelrohres. Über diesen Bereich (der auch als Speiser bezeichnet wird), in dem keine bzw. eine verminderte Wärmeübertragung stattfindet, wird beim Erstarren des Wärmespeichermediums fluides Wärmespeichermedium insbesondere nach unten sowie nach außen zu den Rohren hin nachgeliefert. Der Bereich weist bevorzugt einen Durchmesser auf, der zumindest doppelt so groß ist wie der Außendurchmesser des Sammelrohres. Vorzugsweise wird der Durchmesser des Bereiches weiterhin so gewählt, das hier das Wärmespeichermedium als letztes fest wird. Ist dies der Fall, kann der Durchmesser ggf. auch kleiner ausfallen.
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Weiterhin kann das Sammelrohr auch ohne zusätzliche Isolierung ausgeführt werden. Eine Isolierung kann dann durch die isolierende Wirkung des (erstarrten) Wärmespeichermediums bzw. Salzes erzielt werden. Der zentrale Bereich weist dann vorzugsweise einen entsprechend größeren Durchmesser auf, über den die gewünschte Isolierung bereitgestellt wird.
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Zur Bereitstellung der benötigten Menge an fluidem Wärmespeichermedium weist der Innenraumes des Behälters am oberen Ende der Rohre einen Bereich bzw. ein Teivolumen auf, das z. B. an den Rohrboden angrenzt, und in dem die besagte Menge an fluidem Wärmespeichermedium bereitstellbar ist. In diesem Bereich bzw. Teilvolumen des Innenraumes weisen die Rohre bzw. Doppelrohre bevorzugt keine Wärmetransferrippen auf.
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Weiterhin kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Rohre jeweils einen unteren Abschnitt aufweisen, über den das jeweilige Rohr in den Sammler mündet, wobei an diesen Abschnitten ebenfalls keine Wärmetransferrippen vorgesehen sind.
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Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Behälter als Innenbehälter ausgebildet ist, der in einem Innenraum eines Außenbehälters angeordnet ist, so dass ein Zwischenraum zwischen dem Mantel des Innenbehälters und einem Mantel des Außenbehälters vorhanden ist.
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Der Zwischenraum oder Teile des Zwischenraums können evakuiert sein und/oder mit einem Isolationsmaterial befüllt sein (z. B. in Form einer Schüttung).
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Weiterhin kann der Innenbehälter über eine Aufhängung am Mantel des Außenbehälters aufgehängt sein.
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Weiterhin kann bei allen Ausführungsformen an einem unteren Bereich bzw. Boden des Mantels des Behälters bzw. Innenbehälters ein Stutzen zum Beschicken des Innenraumes des Behälters bzw. Innenbehälters mit Wärmespeichermedium und/oder zum Abziehen vom Wärmespeichermedium aus dem Innenraum des Behälters bzw. Innenbehälters vorgesehen sein. Der Stutzen kann dabei eine Heizeinrichtung aufweisen, so dass das Wärmespeichermedium ggf. in den flüssigen Aggregatzustand überführt werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung;
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2 eine schematische, ausschnitthafte Schnittdarstellung einer alternativen Ausgestaltung des Verteilers gemäß 1;
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3A eine schematische Schnittdarstellung eines Doppelrohres einer erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung;
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3B eine weitere schematische Schnittdarstellung eines Doppelrohres einer erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung;
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4 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung; und
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5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung.
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1 zeigt im Zusammenhang mit 3A und 3B eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung 1, die einen Behälter 10 mit einem Mantel 11 aufweist, der einen Innenraum I des Behälters 10 begrenzt, wobei in dem Innenraum I ein Wärmespeichermedium P in Form eines Phasenwechselmaterials angeordnet ist. In dem Innenraum I des Behälters 10 sind weiterhin mehrere Doppelrohre 20 angeordnet, die sich jeweils entlang einer Längsachse erstrecken, wobei die Längsachsen, bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand der Wärmespeichereinrichtung 1, parallel zur Vertikalen z verlaufen. Die Doppelrohre 20 sind dabei vom Wärmespeichermedium P umgeben und kontaktieren dieses, so dass ein in den Doppelrohren 20 geführtes Fluid F in eine indirekte Wärmeübertragung mit dem Wärmespeichermedium P treten kann.
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Jedes Doppelrohr 20 weist dabei ein Außenrohr 21 auf, in dem jeweils koaxial zum Außenrohr 21 ein Innenrohr 22 mit einem geringeren Durchmesser angeordnet ist, so dass zwischen dem jeweiligen Außenrohr 21 und dem darin angeordneten Innenrohr 22 ein entlang der jeweiligen Längsachse bzw. Vertikalen z erstreckter Ringspalt 23 gebildet wird, in dem das besagte Fluid F geführt wird.
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Nach unten hin sind die Außenrohre 21 jeweils durch einen Boden 200 verschlossen, wobei dem jeweiligen Boden 200 in Richtung der Vertikalen z bzw. Längsachse eine stirnseitige untere Öffnung 220 des jeweiligen Innenrohrs 22 gegenüberliegt. Das Fluid F wird nun bevorzugt an einem oberen Ende 20b des jeweiligen Doppelrohres 20 in den Ringspalt 23 des betreffenden Doppelrohres 20 eingeleitet, strömt sodann entlang der Vertikalen z bzw. Längsachse im Ringspalt 23 nach unten und tritt an der jeweiligen unteren Öffnung 220 des jeweiligen Innenrohres 22 in das jeweilige Innenrohr 22 ein und strömt dann wieder nach oben zum jeweiligen oberen Ende 20b. Dabei kann das Fluid F auf seinem Weg nach unten im Ringspalt 23 mit dem Wärmespeichermedium P Wärme austauschen. So kann zum Beispiel das Fluid F das sich im festen Aggregatzustand befindliche Wärmespeichermedium P schmelzen, wobei das Wärmespeichermedium P vergleichsweise viel Wärmeenergie (Schmelzwärme) aufnimmt. Zu einem späteren Zeitpunkt kann das Wärmespeichermedium P bei Bedarf entladen werden, indem das Wärmespeichermedium P zum Erstarren gebracht wird, wobei das Wärmespeichermedium P die zuvor aufgenommene Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an das im jeweiligen Ringspalt 23 geführte Fluid F abgibt, das entsprechend erwärmt wird.
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Durch den Umstand, dass das jeweilige Doppelrohr 20 am oberen Ende 20b mit dem Fluid F beaufschlagt wird bzw. das Fluid F jeweils am oberen Ende 20b des jeweiligen Doppelrohrs 20 abgezogen wird, kann auf einen Rohrboden am unteren Ende 20a der Doppelrohre 20 verzichtet werden, so dass die unteren Enden 20a der Doppelrohre 20 als freie Enden ausgeführt sein können, die von dem Wärmespeichermedium P umgeben sein können. Die Last des Wärmespeichermediums P muss daher nicht durch einen unteren Rohrboden abgefangen werden, sondern kann in einem entsprechend verfestigten Untergrund bzw. einen geeignet dimensionierten Behälterboden 40 des Behälters 10 eingeleitet werden.
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Ein typischer Querschnitt eines erfindungsgemäßen Doppelrohres 20 ist in der 3A gezeigt. Dabei weist das jeweilige Außenrohr 21 vorzugsweise einen zylindrischen Mantel 210 auf, von dem in radialer Richtung Wärmetransferrippen 211 abstehen, die für eine Vergrößerung der effektiven Oberfläche des Mantels 210 des Außenrohrs 21 sorgen, so dass die Wärmeübertragung zwischen dem jeweiligen Außenrohr 21 und dem umgebenden Wärmespeichermedium P verbessert wird. Das jeweils koaxial zum jeweiligen Außenrohr 21 in dem betreffenden Außenrohr 21 angeordnete Innenrohr 22 weist des Weiteren bevorzugt eine Wärmeisolierung 222 auf, die einen unerwünschten Wärmeaustausch zwischen dem im Ringspalt 23 geführten Fluid F und dem im jeweiligen Innenrohr 22 zurückgeführten Fluid F unterdrückt.
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36 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Doppelrohres 20, wobei hier im Unterschied zur 3A die Wärmetransferrippen 211 an separaten, schalenförmigen Trägern 212, 213 festgelegt sind, die paarweise an den Mänteln 210 der Außenrohre 21 festgelegt sind. Dabei können die an einem Mantel 210 angeordneten Träger 212, 213 aneinander festgelegt sein, um eine Befestigung an dem jeweiligen Außenrohr 21 zu realisieren.
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Zum Beschicken des jeweiligen Doppelrohres 20 mit dem Fluid F bzw. zum Abziehen des Fluids F aus dem jeweiligen Innenrohr 22 ist gemäß 1 bevorzugt ein Verteiler 30 vorgesehen, der gemäß 1 eine Mehrzahl an ringförmigen Rohrleitungen 31 aufweisen kann, die jeweils eine untere erste Kammer 32 sowie eine daran angrenzende obere zweite Kammer 33 aufweisen. Die Doppelrohre 20 münden dabei in Richtung der Vertikalen z von unten in die jeweils zugeordnete ringförmige Rohrleitung 31 ein, wobei der jeweilige Ringspalt 23 mit der ersten Kammer 32 in Strömungsverbindung steht, wohingegen das jeweilige Innenrohr 22 über eine obere stirnseitige Öffnung 221 in die jeweilige (obere) zweite Kammer 33 der jeweils zugeordneten ringförmigen Rohrleitung 31 einmündet. Die besagten ringförmigen Rohrleitungen 31 erstrecken sich dabei bevorzugt in einer horizontalen Ebene und sind vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnet. Über geeignete (nicht gezeigte) Stutzen kann dann die flüssige Phase F in die ersten Kammern 32 eingeleitet bzw. aus den zweiten Kammern 33 der jeweiligen ringförmigen Rohrleitung 31 abgezogen werden.
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Bevorzugt sind die Doppelrohre 20 über einen solchen Verteiler 30 in dem Innenraum I des Behälters 10 aufgehängt. Es besteht natürlich die Möglichkeit, die Doppelrohre 20 durch zusätzliche Maßnahmen im Behälter 10 abzustützen.
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2 zeigt eine zur 1 alternative Ausgestaltung eines Verteilers 300, der bei einer Wärmespeichereinrichtung 1 gemäß 1 anstelle des Verteilers 30 zum Einsatz kommen kann. Der Verteiler 300 ist dabei als Doppelrohrboden ausgebildet, der zwei parallele Rohrböden 310, 320 aufweist, nämlich einen (ersten) Rohrboden 310, in dem die Außenrohre 21 verankert sind, sowie einen parallelen weiteren (zweiten) Rohrboden 320, in dem die jeweiligen Innenrohre 22 verankert sind. Zwischen den beiden Rohrböden 310, 320 wird dabei eine erste Kammer 301 gebildet, in die das flüssige Medium F eingeleitet werden kann, so dass es durch Durchgangsöffnungen 311 des ersten Rohrbodens 310 in den jeweiligen Ringspalt 23 der Doppelrohre 20 gelangen kann. Weiterhin kann die in den Innenrohren 22 zurückgeführte flüssige Phase F durch Durchgangsöffnungen 321 des weiteren Rohrbodens 320 in eine angrenzende zweite Kammer 302 geleitet werden, aus der die flüssige Phase F abgezogen und ihrer weiteren Verwendung zugeführt werden kann.
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Auch bei einem derartig ausgeführten Verteiler 300 kann auf einen unteren Rohrboden verzichtet werden, so dass die Doppelrohre 20 wiederum über in dem Wärmespeichermedium P angeordnete freie Enden 20a verfügen. Die Last des Wärmespeichermediums P kann dabei wiederum über einen einfachen Behälterboden 40 abgeleitet werden, so dass kein eigens verstärkter Rohrboden am unteren Ende 20a der Doppelrohre 20 vorgesehen werden muss.
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4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Wärmespeichereinrichtung 1, die wiederum einen Behälter 10 aufweist, mit einem Mantel 11, der einen Innenraum I des Behälters 10 begrenzt, in dem ein Wärmespeichermedium P in Form eines Phasenwechselmaterials angeordnet ist. In dem Innenraum I des Behälters 10 sind weiterhin mehrere Rohre 24 angeordnet, die sich jeweils entlang einer Längsachse erstrecken, wobei die Längsachsen bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand der Wärmespeichereinrichtung 1, parallel zur Vertikalen z verlaufen. Die Rohre 24 sind dabei vom Wärmespeichermedium P umgeben und kontaktieren dieses, so dass ein in den Rohren 24 geführtes Fluid F in eine indirekte Wärmeübertragung mit dem Wärmespeichermedium P treten kann. Die Rohre 24 können entsprechend 3A oder 3B ausgebildet sein, wobei nunmehr keine Innenrohre 22 vorhanden sind.
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Jedes Rohr 24 ist dazu ausgebildet, das besagte Fluid F entlang der Vertikalen z nach unten zu führen. An einem unteren Endabschnitt 24a sind die Rohre 24 über je eine Strömungsverbindung mit einem zentralen Sammelrohr 25 verbunden, in dem das Fluid F wieder nach oben geführt wird. Die Strömungsverbindungen können z. B. durch entlang der Horizontalen verlaufende Rohrleitungsabschnitte 245 gebildet sein, die das jeweilige Rohr 24 mit einem unteren Abschnitt des Sammelrohres 25 verbinden.
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Das Fluid F wird nun bevorzugt an einem oberen Ende 24b des jeweiligen Rohres 24 mittels eines Verteilers 35 in das jeweilige Rohr 24 eingeleitet, strömt sodann entlang der Vertikalen z bzw. Längsachse im jeweiligen Rohr 24 nach unten und strömt sodann über die Rohrleitungsabschnitte 245 in das Sammelrohr 25 und strömt darin dann wieder nach oben (der Verteiler 35 kann auch nach Art der 2 als Doppelrohrboden ausgebildet sein, wobei nun die Rohre 24 im ersten Rohrboden 310 verankert sind und das Sammelrohr 25 im weiteren Rohrboden 320). Dabei kann das Fluid F auf seinem Weg nach unten in den Rohren 24 mit dem Wärmespeichermedium P Wärme austauschen. So kann zum Beispiel das Fluid F das sich im festen Aggregatzustand befindliche Wärmespeichermedium P schmelzen, wobei das Wärmespeichermedium P vergleichsweise viel Wärmeenergie (Schmelzwärme) aufnimmt. Zu einem späteren Zeitpunkt kann das Wärmespeichermedium P bei Bedarf entladen werden, indem das Wärmespeichermedium P zum Erstarren gebracht wird, wobei das Wärmespeichermedium P die zuvor aufgenommene Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an das im jeweiligen Rohr 24 geführte Fluid F abgibt, das entsprechend erwärmt wird.
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Weiterhin kann das Sammelrohr 25 eine Wärmeisolierung 253 aufweisen. So kann das Sammelrohr 25 als ein Doppelrohr ausgebildet sein, das ein Innenrohr 252 sowie ein das Innenrohr 252 umgebendes Außenrohr 251 aufweist, wobei die Wärmeisolierung 253 in einem Ringspalt 254 zwischen dem Innenrohr 252 und dem Außenrohr 251 des Sammelrohres (25) angeordnet sein kann.
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Durch den Umstand, dass das jeweilige Rohr 24 am oberen Ende 24b mit dem Fluid F beaufschlagt wird bzw. das Fluid F wieder am oberen Ende des Sammelrohres 25 abgezogen wird, kann auf einen Rohrboden am unteren Ende 24a der Rohre 24 verzichtet werden. Die Last des Wärmespeichermediums P muss daher wiederum nicht durch einen unteren Rohrboden abgefangen werden, sondern kann in einem entsprechend verfestigten Untergrund bzw. einen geeignet dimensionierten Behälterboden des Behälters 10 eingeleitet werden.
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5 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Wärmespeichereinrichtung 1. Die Wärmespeichereinrichtung 1 weist einen Behälter 10a in Form eines Innenbehälters auf, dessen Mantel 11a einen Innenraum I des Behälters 10a umgibt, wobei in dem Innenraum I ein Wärmespeichermedium P angeordnet ist. Der Behälter 10a ist dabei in einem Innenraum I' angeordnet, der durch einen Mantel 11b eines Außenbehälters 10b begrenzt wird, so dass zwischen dem Innen- und dem Außenbehälter 10a, 10b ein Zwischenraum geschaffen wird, der bevorzugt evakuiert ist und mit einer Wärmeisolierung 10c befüllt ist, z. B. in Form einer Schüttung.
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Der Behälter 10a ist bevorzugt über eine Aufhängung 12 am Mantel 11b des Außenbehälters 10b gelagert bzw. aufgehängt. Das Gewicht der Beiden Behälter 10a, 10b wird über Füße 13 des Außenbehälters 10b in den Untergrund eingeleitet.
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Zum Beschicken des Innenraumes I des Behälters 10a mit Wärmespeichermedium P bzw. zum Abziehen von Wärmespeichermedium P aus dem Innenraum I des Behälters 10a ist ein Stutzen 600 vorgesehen, der vorzugsweise eine Heizeinrichtung 601 aufweist, so dass das Wärmespeichermedium P beim Aus- bzw. Einleiten im flüssigen Aggregatzustand gehalten werden kann.
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Für die Wärmeübertragung mit dem Wärmespeichermedium P ist in dem Innenraum I des Behälters 10a eine Mehrzahl an Rohren 24 vorgesehen, die sich jeweils entlang der Vertikalen z erstrecken und vom Wärmespeichermedium P umgeben sind bzw. dieses kontaktieren. Die Rohre 24 können wiederum, wie bereits oben beschrieben, Wärmetransferrippen 211 aufweisen (z. B. gemäß 3A und 3B ohne Innenrohre 22).
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Die Rohre 24 sind weiterhin mit einem oberen Ende 24b, an dem die Rohre 24 jeweils eine obere, stirnseitige Öffnung 242 aufweisen, in einem Rohrboden 401 eines Verteilers 400 des Behälters 10a verankert, so dass das Fluid F über den Rohrboden 401 in das jeweilige Rohr 24 einspeisbar bzw. daraus abziehbar ist und darin nach unten bzw. nach oben geführt werden kann. Dabei begrenzt der Rohrboden 401 mit einem oberen Deckel 10d des Behälters 10a eine Kammer 404 des Verteilers 400, in die das Fluid F über einen Stutzen 405, der am oberen Deckel 11d des Außenbehälters 11b angeordnet ist, sowie eine sich an den Stutzen 405 anschließende Rohrleitung 402, die in die Kammer 404 mündet, in die Kammer 404 einleitbar ist. Ebenso kann das Fluid F über die Rohrleitung 402 und den Stutzen 405 aus der Kammer 404 abgezogen werden. Weiterhin kann das in die Kammer 404 eingeleitete Fluid F über den Rohrboden 401 in die Rohre 24 gelangen bzw. kann über jene Kammer 404 aus den Rohren 24 abgezogen werden.
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An einem unteren Endabschnitt 24a weisen die Rohre 24 eine stirnseitige untere Öffnung 241 auf, über die die Rohre 24 jeweils in einen Sammler 500 münden, Der Sammler 500 weist einen Mantel 501 auf, der zylindersymmetrisch zur Längsachse des Behälters 10a (bzw. des Sammelohres 25, siehe unten) ausgebildet ist und einen Innenraum I'' des Sammlers 500 begrenzt, wobei ein oberer Bereich 502 des Mantels 501 bzw. des Sammlers 500 kugelsegmentförmig ausgebildet ist. Die Rohre 24 münden dabei über diesen oberen Bereich 502 in den Innenraum I'' des Sammlers 500 ein.
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Zum Abziehen des Fluides F aus dem Sammler 500 bzw. zum Einleiten des Fluides F in den Sammler 500 ist wiederum ein vertikales Sammelrohr 25 vorgesehen, das parallel zu den Rohren 24 verläuft, und zwar mittig im Behälter 10a entlang der vertikalen Längsachse des Behälters 10a, wobei die Rohre 24 bevorzugt radial weiter außen angeordnet sind und bevorzugt um das Sammelrohr 25 herum gruppiert sind. Das Sammelrohr 25 weist eine untere stirnseitige Öffnung 250 auf, über die das Sammelrohr 25 in einen höchsten Punkt des Sammlers 500 mündet. Mit seinem oberen Endabschnitt 25a ist das Sammelrohr 25 durch den Rohrboden 401 hindurchgeführt und steht mit einem Stutzen 406 am oberen Deckel 11d des Außenbehälters 11b in Strömungsverbindung, über den das Fluid F aus dem Sammelrohr 25 abziehbar ist bzw. über den das Fluid F in das Sammelohr 25 einleitbar ist. Die Wärmespeichereinrichtung 1 ist also so konfiguriert, dass das Zuführen und Abführen des Fluids F von oben her erfolgt.
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Zum Beladen der Wärmespeichereinrichtung 1 (d. h. Einspeichern von Wärme) wird das Fluid F, z. B. Wasserdampf, über den Verteiler 400, d. h., über den Stutzen 405, die Kammer 404 und den Rohrboden 401 in die Rohre 24 eingespeist, strömt in den Rohren 24 nach unten, wobei Wärme an das Wärmespeichermedium P abgegeben wird, das dabei verflüssigt wird. Das abgekühlte Fluid F (z. B. abgekühlter Wasserdampf) wird über den Sammler 500 und das Sammelrohr 25 sowie den Stutzen 406 wieder abgezogen und seiner weiteren Verwendung zugeführt. Zum Entladen der Wärmespeichereinrichtung 1 (d. h. Ausspeichern von Wärme) wird das Fluid F (z. B. Wasser) über den Stutzen 406 in das Sammelrohr 25 gegeben, strömt darin nach unten in den Sammler 25 und wird aus diesem über die Rohre 24 wieder nach oben geleitet und über den Verteiler 400 abgezogen. In den Rohren 24 kann das Fluid F Wärme des Wärmespeichermediums P aufnehmen, das dabei zur Erstarrung gebracht werden kann.
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Zur Lunkervermeidung bei einem Erstarren des Wärmespeichermediums P ist ein das Sammelrohr
25 umgebender zentraler Bereich B des Innenraumes I des Behälters
10a vorgesehen, in dem keines der Rohre
24 angeordnet ist, so das dort im Wesentlichen keine Wärmeübertragung stattfindet. Über diesen Bereich B wird beim Erstarren des Wärmespeichermediums P fluides Wärmespeichermedium P nachgeliefert. Eine hierfür benötigte Menge an fluidem Wärmespeichermedium P wird in einem Teilvolumen V des Innenraumes I des Behälters
10a am oberen Ende
24b der Rohre
24 bereitgestellt. In diesem Bereich bzw. Teilvolumen V des Innenraumes I weisen die Rohre
24 bevorzugt keine Wärmetransferrippen
211 auf, um hier die Wärmeübertragung herabzusetzen. Das Teilvolumen V ist durch die beiden Pegelstände P' und P'' markiert. Das feste, erstarrte Wärmespeichermedium P weist den niedrigeren Pegelstand P' auf; das flüssige Wärmespeichermedium P den höheren Pegelstand P''. Weiterhin weisen die Rohre
24 jeweils am unteren Endabschnitt
24a, über den die Rohre
24 in den Sammler
25 münden, ebenfalls keine Wärmetransferrippen
211 auf. Diese unteren Endabschnitte
24a der Rohre
24 können des Weiteren eine Krümmung oder einen geknickten Verlauf aufweisen, so dass die Rohre
24 jeweils senkrecht in den Mantel
501 des Sammlers
500 münden können. Bezugszeichen
| 1 | Wärmespeichereinrichtung bzw. Latentwärmespeicher |
| 10, 10a | Behälter, insbesondere Innenbehälter |
| 10b | Außenbehälter |
| 10d, 11d | Deckel |
| 11, 11a, 11b | Mantel |
| 12 | Aufhängung |
| 13 | Fuß |
| 20 | Doppelrohr |
| 20a, 25a | unteres Ende |
| 20b, 24b | Oberes Ende |
| 21, 251 | Außenrohr |
| 22, 252 | Innenrohr |
| 23, 254 | Ringspalt |
| 24 | Rohr |
| 24a | Unterer Endabschnitt |
| 25 | Sammelrohr |
| 25a | Oberer Endabschnitt |
| 30, 35, 300, 400 | Verteiler |
| 31 | Ringförmige Rohrleitung |
| 32 | Erste Kammer |
| 33 | Zweite Kammer |
| 40 | Behälterboden |
| 200 | Boden |
| 210, 240 | Mantel |
| 211 | Wärmetransferrippen |
| 212, 213 | Träger |
| 220, 250, 241 | Untere stirnseitige Öffnung |
| 221, 242 | Obere stirnseitige Öffnung |
| 222, 253, 10c | Wärmeisolierung |
| 245 | Rohrleitungsabschnitt bzw. Strömungsverbindung |
| 300 | Doppelrohrboden |
| 301 | Erste Kammer |
| 302 | Zweite Kammer |
| 310, 401 | Rohrboden |
| 311 | Durchgangsöffnung |
| 320 | weiterer Rohrboden |
| 321 | Durchgangsöffnung |
| 402 | Rohrleitung |
| 404 | Kammer |
| 405, 406, 600 | Stutzen |
| 500 | Sammler |
| 501 | Mantel |
| 502 | Oberer Bereich |
| B | Freier Bereich |
| I, I', I'' | Innenraum |
| F | Fluid |
| P | Wärmespeichermedium |
| P', P'' | Pegel |
| V | Volumen |
| Z | Vertikale |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 20000033239 [0004]
- CN 102777874 [0005]
