DE102014202849A1

DE102014202849A1 - Method and device for loading a thermal stratified storage tank

Info

Publication number: DE102014202849A1
Application number: DE102014202849.3A
Authority: DE
Inventors: Uwe Lenk; Florian Reißner; Jochen Schäfer; Alexander Tremel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2015-08-20
Also published as: CN105917187A; CA2939736C; WO2015121039A1; US20170010052A1; CA2939736A1; KR20160121570A; JP2017506322A; EP3080540A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beladen eines thermischen Schichtspeichers (2, 3) vorgeschlagen, bei dem ein Arbeitsfluid (4) einer Wärmepumpe (6) im gasförmigen Aggregatzustand an wenigstens einer Einleitungstelle (8) in einen flüssigen Wärmeträger (10) des thermischen Schichtspeichers (2, 3) eingeleitet und in direkten stofflichen Kontakt mit dem Wärmeträger (10) gebracht wird, wobei der Druck im thermischen Schichtspeicher (2, 3) an der Einleitungstelle (8) größer oder gleich dem Kondensationsdruck des Arbeitsfluides (4) ist.A method and a device for loading a thermal stratified storage tank (2, 3) are proposed, in which a working fluid (4) of a heat pump (6) in the gaseous state at at least one point of introduction (8) into a thermal heat carrier (10) of the thermal Layer memory (2, 3) introduced and brought into direct material contact with the heat carrier (10), wherein the pressure in the thermal stratified storage (2, 3) at the point of introduction (8) is greater than or equal to the condensation pressure of the working fluid (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Vorrichtung zur Beladung eines thermischen Schichtspeichers. The invention relates to a method and a device for loading a thermal stratified storage.

Thermische Schichtspeicher ermöglichen es die Erzeugung von Energie von deren Verwendung zeitlich zu entkoppeln. Insbesondere bei fluktuierenden Energiequellen, wie beispielsweise regenerative Energien, stellt eine solche zeitliche Entkopplung die Versorgung mit Energie, insbesondere elektrischer Energie, sicher. Thermische Schichtspeicher können mit Wärmepumpen gekoppelt werden, die unter der Aufnahme elektrischer Energie thermische Energie (Wärme) von einem kalten zu einem warmen Reservoir, dem thermischen Schichtspeicher, pumpen. Durch die Verwendung eines mit einer Wärmepumpe gekoppelten thermischen Schichtspeichers kann somit die Erzeugung thermischer Energie und deren Abgabe an einen Wärmeverbraucher zeitlich entkoppelt werden, wodurch beispielsweise Lastspitzen im Energiebedarf ausgeglichen werden können, so dass sich insgesamt die Versorgungssicherheit verbessert. Thermal stratified storages allow the generation of energy from their use to decouple in time. Especially with fluctuating energy sources, such as regenerative energies, such temporal decoupling ensures the supply of energy, especially electrical energy. Thermal stratified storage tanks can be coupled with heat pumps that pump thermal energy (heat) from a cold to a hot reservoir, the stratified thermal storage, while absorbing electrical energy. By using a coupled with a heat pump thermal stratified storage thus the generation of thermal energy and its delivery to a heat consumer can be decoupled in time, which, for example, load peaks in energy demand can be compensated, so that overall improves the security of supply.

Typischerweise wird ein thermischer Schichtspeicher mittels einer Wärmepumpe mit Wärme beladen. Hierbei wird die Wärme über Wandungen eines Wärmeüberträgers auf den thermischen Schichtspeicher übertragen. Zur Sicherstellung des Wärmetransportes von der Wärmepumpe auf den thermischen Schichtspeicher sind bestimmte Temperaturdifferenzen als treibende Kraft für den Wärmetransport erforderlich. Gleichzeitig begrenzen die genannten Temperaturdifferenzen das Temperaturniveau der dem Schichtspeicher entnehmbaren Wärme, d.h. deren Nutzwert. Ferner muss für die Wärmeübertragungsflächen eines Wärmeüberträgers Bauraum zur Verfügung gestellt werden, der nicht für die Speicherung thermischer Energie nutzbar ist. Typically, a thermal stratified storage is charged with heat by means of a heat pump. Here, the heat is transferred via walls of a heat exchanger to the thermal stratified storage. To ensure the heat transfer from the heat pump to the thermal stratified storage tank, certain temperature differences are required as a driving force for heat transfer. At the same time, said temperature differences limit the temperature level of the heat removable from the stratified storage, i. their utility value. Furthermore, space must be made available for the heat transfer surfaces of a heat exchanger, which can not be used for the storage of thermal energy.

Ein thermischer Schichtspeicher mit einem Wärmeüberträger, der Wärmeübertragungsflächen aufweist, wird mittels der Wärmepumpe geladen, indem ein Arbeitsfluid der Wärmepumpe auf der Primärseite Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau aufnimmt und innerhalb des Wärmeüberträgers auf der Sekundärseite die Wärme des Arbeitsfluides auf einem höheren Temperaturniveau auf einen Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers (Sekundärseite) überführt. A thermal stratified storage having a heat exchanger having heat transfer surfaces is charged by means of the heat pump by a working fluid of the heat pump on the primary side absorbs heat at a low temperature level and within the heat exchanger on the secondary side, the heat of the working fluid at a higher temperature level to a heat carrier of the thermal stratified storage tank (secondary side) transferred.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, für die Aufnahme der Wärme, den Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers durch einen Kondensator auf der Sekundärseite zu leiten, der mit der Wärmepumpe thermisch gekoppelt ist. Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, das Arbeitsfluid der Wärmepumpe durch einen Kondensator auf der Sekundärseite zu führen, welcher sich innerhalb des thermischen Schichtspeichers und in thermischen Kontakt mit dem Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers befindet. Mit anderen Worten wird die Wärme von der Wärmepumpe auf den thermischen Schichtspeicher stets durch einen Kondensator, in dem eine Kondensation des Arbeitsfluids der Wärmepumpe stattfindet, übertragen, wobei sich der Kondensator im erstgenannten Fall außerhalb und im zweitgenannten Fall innerhalb des thermischen Schichtspeichers und stets in thermischen Kontakt mit dem Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers befindet. It is known from the prior art, for receiving the heat, to conduct the heat carrier of the thermal stratified storage tank through a condenser on the secondary side, which is thermally coupled to the heat pump. Furthermore, it is known from the prior art, the working fluid of the heat pump to pass through a capacitor on the secondary side, which is located within the thermal stratified storage and in thermal contact with the heat carrier of the thermal stratified storage. In other words, the heat from the heat pump to the thermal stratified storage is always transmitted through a condenser in which condensation of the working fluid of the heat pump takes place, the condenser in the former case outside and in the second case within the thermal stratified storage and always in thermal Contact with the heat carrier of the thermal stratified storage is located.

Für eine effiziente Übertragung der Wärme vom Arbeitsfluid auf den Wärmeträger weisen die Kondensatoren nach dem Stand der Technik großräumige Wärmeübertragungsflächen auf, die zum einen einen großen Bauraumbedarf erfordern und zum anderen die Wirtschaftlichkeit des thermischen Schichtspeichers aufgrund der hohen Investitionskosten verringern. For efficient transfer of heat from the working fluid to the heat carrier, the capacitors of the prior art on large-scale heat transfer surfaces, on the one hand require a large space requirement and on the other hand reduce the efficiency of the thermal stratified storage due to the high investment costs.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, das Beladen eines thermischen Schichtspeichers mit thermischer Energie zu verbessern. The invention is therefore an object of the invention to improve the loading of a thermal stratified storage with thermal energy.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 15 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben. The object is achieved by a method having the features of independent claim 1 and by a device having the features of independent claim 15. In the dependent claims advantageous refinements and developments of the invention are given.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beladen eines thermischen Schichtspeichers wird ein Arbeitsfluid einer Wärmepumpe im gasförmigen Aggregatzustand an wenigstens einer Einleitungstelle in einen flüssigen Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers eingeleitet und in direkten stofflichen Kontakt mit dem Wärmeträger gebracht, wobei der Druck im thermischen Schichtspeicher an der Einleitungstelle größer oder gleich dem Kondensationsdruck des Arbeitsfluides ist. In the method according to the invention for loading a thermal stratified storage, a working fluid of a heat pump in the gaseous state is introduced into at least one point of introduction into a liquid heat carrier of the thermal stratified storage and brought into direct material contact with the heat carrier, wherein the pressure in the stratified thermal storage at the point of introduction greater is equal to the condensation pressure of the working fluid.

Erfindungsgemäß wird das Arbeitsfluid der Wärmepumpe im gasförmigen Aggregatzustand in den flüssigen Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers direkt eingeleitet, wodurch ein direkter stofflicher Kontakt zwischen Wärmeträger und Arbeitsfluid erfolgt. Erfindungsgemäß führt der direkte stoffliche Kontakt zu einer Kondensation des gasförmigen Arbeitsfluides. Das ist deshalb der Fall, da der Druck im thermischen Schichtspeicher an der Einleitungsstelle des gasförmigen Arbeitsfluides, oder in einem Teilbereich des thermischen Schichtspeichers in dem das gasförmige Arbeitsfluid eingeleitet wird, größer oder gleich dem Kondensationsdruck des Arbeitsfluides ist. Der Kondensationsdruck des Arbeitsfluides hängt hierbei von der Temperatur an der Einleitungsstelle ab und ist entsprechend der genannten Temperatur einzustellen. Als Kondensationsdruck wird der Druck bezeichnet, bei dem das gasförmige Arbeitsfluid der Wärmepumpe von dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht und zwar bei der Temperatur, die an der Einleitungsstelle des Arbeitsfluides im Schichtspeicher vorliegt. Mit anderen Worten wird der Kondensationspunkt des gasförmigen Arbeitsfluides an der Einleitungsstelle, oder in einem Teilbereich des thermischen Schichtspeichers erreicht. According to the invention, the working fluid of the heat pump in the gaseous state of matter is introduced directly into the liquid heat carrier of the thermal stratified storage, whereby a direct material contact between the heat transfer medium and the working fluid takes place. According to the invention, the direct material contact leads to a condensation of the gaseous working fluid. This is the case because the pressure in the thermal stratified storage at the point of introduction of the gaseous working fluid, or in a portion of the thermal stratified storage in which the gaseous working fluid is introduced, is greater than or equal to the condensation pressure of the working fluid. The condensation pressure of the working fluid depends on the Temperature at the point of introduction and is set according to the temperature mentioned. The condensation pressure is the pressure at which the gaseous working fluid of the heat pump changes from the gaseous to the liquid state of aggregation, specifically at the temperature which exists at the point of introduction of the working fluid in the stratified storage tank. In other words, the condensation point of the gaseous working fluid is reached at the point of introduction, or in a portion of the thermal stratified storage.

Durch den direkten stofflichen Kontakt des gasförmigen Arbeitsfluides mit dem flüssigen Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers und der dadurch erfolgenden Kondensation des Arbeitsfluides wird die Kondensationswärme, die im Prozess der Kondensation des Arbeitsfluides frei wird, direkt auf den Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers übertragen. Erfindungsgemäß entfallen somit zusätzliche Kondensatoren, Wärmeüberträger und/oder Wärmeübertragungsflächen. Durch das erfindungsgemäße Entfallen von Kondensatoren, Wärmeüberträger und/oder Wärmeübertragungsflächen können zusätzliche Verluste an thermischer Energie in und/oder an den genannten Bauteilen vermieden werden, wodurch die Effizienz des thermischen Schichtspeichers erhöht wird. Due to the direct material contact of the gaseous working fluid with the liquid heat carrier of the thermal stratified storage and the consequent condensation of the working fluid, the heat of condensation, which is released in the process of condensation of the working fluid, transferred directly to the heat transfer of the thermal stratified storage. According to the invention thus eliminates additional capacitors, heat exchangers and / or heat transfer surfaces. By the elimination of capacitors, heat exchangers and / or heat transfer surfaces according to the invention, additional losses of thermal energy in and / or on said components can be avoided, whereby the efficiency of the thermal stratified storage is increased.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen direkten stofflichen Kontaktes des gasförmigen Arbeitsfluides mit dem flüssigen Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers ist, dass keine hohen Temperaturdifferenzen zwischen Arbeitsfluid und Wärmeträger für den effizienten Übergang der Wärme notwendig sind. Wird der thermische Schichtspeicher mittels einer Wärmepumpe beladen, die einen Kompressor aufweist, so kann dadurch ein Ausgangsdruck am Kompressor verringert werden, wodurch vorteilhafterweise die Aufnahme elektrischer Energie der Wärmepumpe sinkt. Another advantage of the invention direct material contact of the gaseous working fluid with the liquid heat carrier of the thermal stratified storage is that no high temperature differences between the working fluid and the heat carrier for the efficient transfer of heat are necessary. If the thermal stratified storage tank is loaded by means of a heat pump which has a compressor, this can reduce an outlet pressure at the compressor, which advantageously reduces the absorption of electrical energy of the heat pump.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beladen eines thermischen Schichtspeichers umfasst einen thermischen Schichtspeicher mit einem flüssigen Wärmeträger und eine Wärmepumpe mit einem Arbeitsfluid, wobei der thermische Schichtspeicher und die Wärmepumpe derart ausgestaltet und gekoppelt sind, dass das Arbeitsfluid im gasförmigen Aggregatzustand (als überhitzter Dampf oder als Sattdampf) an einer Einleitungsstelle in den Wärmeträger eingeleitet und in direkten stofflichen Kontakt mit dem Wärmeträger gebracht wird, wobei der Druck des thermischen Schichtspeichers an der Einleitungsstelle größer oder gleich dem Kondensationsdruck des Arbeitsfluides ist. The device according to the invention for loading a thermal stratified storage device comprises a thermal stratified storage with a liquid heat carrier and a heat pump with a working fluid, the stratified thermal store and the heat pump being configured and coupled such that the working fluid is in the gaseous state (as superheated steam or as saturated steam). introduced at a point of introduction into the heat transfer medium and brought into direct material contact with the heat transfer medium, wherein the pressure of the thermal stratified storage at the point of introduction is greater than or equal to the condensation pressure of the working fluid.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht einen direkten stofflichen Kontakt des gasförmigen und in Folge auch des kondensierten (flüssigen) Arbeitsfluides mit dem flüssigen Wärmeträger. Es ergeben sich zum bereits dargelegten erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile. The device according to the invention allows a direct material contact of the gaseous and consequently also of the condensed (liquid) working fluid with the liquid heat carrier. There are similar and equivalent advantages to the process of the invention already presented.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das im thermischen Schichtspeicher kondensierte Arbeitsfluid zur Wärmepumpe zurückgeführt. In a further development of the method according to the invention, the working fluid condensed in the thermal stratified storage tank is returned to the heat pump.

Durch die Rückführung des kondensierten und somit flüssigen Arbeitsfluides wird ein besonders vorteilhafter Kreisprozess zum Beladen des thermischen Schichtspeichers ermöglicht. Es kann vorgesehen sein, das kondensierte Arbeitsfluid vor der Rückführung in den Arbeitskreislauf der Wärmepumpe durch einen Abscheider zu leiten, der im kondensierten Arbeitsfluid vorhandene Reste des Wärmeträgers abscheidet, so dass kein bzw. kaum Wärmeträger in den Arbeitskreislauf der Wärmepumpe ausgetragen wird. Die nach dem Kondensieren des Arbeitsfluides zu erfolgende stoffliche Trennung von Arbeitsfluid und Wärmeträger ist nicht auf die Verwendung von Abscheider eingeschränkt und kann mit nach dem Stand der Technik bekannten und/oder äquivalenten Vorrichtungen erfolgen. By returning the condensed and thus liquid working fluid, a particularly advantageous cyclic process for loading the thermal stratified storage is made possible. It can be provided to direct the condensed working fluid before returning to the working cycle of the heat pump through a separator which deposits residues of the heat carrier present in the condensed working fluid so that no or hardly any heat transfer medium is discharged into the working cycle of the heat pump. The material separation of working fluid and heat transfer medium to be carried out after condensing the working fluid is not restricted to the use of separators and can be carried out by means known and / or equivalent in the art.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Arbeitsfluid verwendet, dessen Dichte nach der Kondensation im thermischen Schichtspeicher größer oder gleich der Dichte des Wärmeträgers ist, wobei eine echt stets größere Dichte bevorzugt ist. According to an advantageous embodiment of the method, a working fluid is used whose density after condensation in the thermal stratified storage is greater than or equal to the density of the heat carrier, wherein a genuinely always greater density is preferred.

Die gegenüber dem flüssigen Wärmeträger größere Dichte des kondensierten Arbeitsfluides hat den Vorteil, dass das Arbeitsfluid in der Nähe des oberen Endes des thermischen Schichtspeichers eingeleitet oder eingebracht werden kann. Durch die Wirkung der Schwerkraft, die am Ort des thermischen Schichtspeichers vorherrscht, wird das im Vergleich zum Wärmeträger dichtere Arbeitsfluid nach und/oder während seiner Kondensation von der Einleitungsstelle zu einem unteren Ende des thermischen Schichtspeichers absinken. Hierbei sind die relativen Begriffe oben und unten, wie bekannt, auf die vorherrschende Richtung der Schwerkraft bezogen. Typischerweise wird der Wärmeträger im thermischen Schichtspeicher an seinem oberen Ende die höchste Temperatur aufweisen. The greater the density of the condensed working fluid compared to the liquid heat carrier has the advantage that the working fluid can be introduced or introduced in the vicinity of the upper end of the thermal stratified storage tank. Due to the effect of gravity, which prevails at the location of the thermal stratified storage, the denser compared to the heat carrier working fluid after and / or drop during its condensation from the point of introduction to a lower end of the thermal stratified storage. Herein, the relative terms above and below, as known, are related to the predominant direction of gravity. Typically, the heat transfer medium in the thermal stratified storage tank will have the highest temperature at its upper end.

Der Vorteil der größeren Dichte des kondensierten Arbeitsfluides und des daraus resultierenden Absinkens des Arbeitsfluides ist, dass das Arbeitsfluid bis zur am unteren Ende vorliegenden Temperatur des thermischen Schichtspeichers unterkühlt wird, wodurch der Wärmeträger und in Folge der thermische Schichtspeicher mit zusätzlicher Wärme beladen wird. The advantage of the greater density of the condensed working fluid and the resulting sinking of the working fluid is that the working fluid is subcooled to the present at the lower end temperature of the thermal stratified storage, whereby the heat carrier and as a result of the thermal stratified storage is charged with additional heat.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das kondensierte Arbeitsfluid durch das Absinken und dem damit verbundenen stetigen stofflichen Kontakt mit dem Wärmeträger, annähernd vollständig kondensiert. Nach dem Absinken des kondensierten Arbeitsfluides und dessen Ansammlung am unteren Ende des thermischen Schichtspeichers, beispielsweise am Boden, kann es von dort aus wieder zur Wärmepumpe zurückgeführt werden. Another advantage is that the condensed working fluid condenses by the decrease and the associated continuous material contact with the heat transfer medium, almost completely. After the condensation of the condensed working fluid and its accumulation at the lower end of the thermal stratified storage, for example on the ground, it can be returned from there to the heat pump again.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für das Arbeitsfluid im flüssigen Aggregatzustand und den flüssigen Wärmeträger ein und dasselbe Fluid verwendet. In an advantageous embodiment of the invention, one and the same fluid is used for the working fluid in the liquid state and the liquid heat transfer medium.

Vorteilhafterweise können dadurch zusätzliche Abscheider, die das Arbeitsfluid vom Wärmeträger trennen, beispielsweise bevor es zur Wärmepumpe zurückgeführt oder zu einem Wärmeverbraucher geleitet wird, entfallen. Advantageously, thereby additional separators that separate the working fluid from the heat carrier, for example, before it is returned to the heat pump or passed to a heat consumer omitted.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein Arbeitsfluid eingesetzt, das bei einer Temperatur von 100 °C (373,15 K) einen Kondensationsdruck aufweist, der geringer als 1 MPa ist. In a development of the method, a working fluid is used which has a condensation pressure of less than 1 MPa at a temperature of 100 ° C. (373.15 K).

Arbeitsfluide, die bei einer Temperatur von 100 °C einen Kondensationsdruck von weniger als 1 MPa aufweisen, werden hier als Niederdruckfluide bezeichnet. Ein Vorteil solcher Niederdruckfluide ist, dass diese in Kombination mit bekannten thermischen Schichtspeichern eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen. Das ist deshalb der Fall, da nach dem Stand der Technik typische thermische Schichtspeicher, insbesondere Wasserschichtspeicher, einen Druck aufweisen, der geringer als 1 MPa ist und der insbesondere im Bereich von 0,3 MPa bis 1 MPa liegt. In Wärmepumpen eingesetzte typische Arbeitsfluide, wie beispielsweise die Fluide R134a, R400c oder R410a, besitzen bei 100 °C einen Kondensationsdruck, der im Bereich von 2 MPa bis 4 MPa liegt. Der Kondensationsdruck der genannten Arbeitsfluide ist daher deutlich größer als der Druck, der typischerweise in thermischen Schichtspeichern vorliegt, so dass bei einer Einleitung des Arbeitsfluides bei einer Temperatur von 100 °C keine Kondensation des Arbeitsfluides erfolgt. Niederdruckfluide hingegen weisen einen Kondensationsdruck auf, der im Bereich der in Schichtspeichern vorherrschenden Drücke liegt, so dass diese in Kontakt mit dem flüssigen Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers kondensieren. Working fluids having a condensation pressure of less than 1 MPa at a temperature of 100 ° C are referred to herein as low pressure fluids. An advantage of such low-pressure fluids is that they allow use of the method according to the invention in combination with known thermal stratified reservoirs. This is the case since, according to the prior art, typical thermal stratified reservoirs, in particular stratified water reservoirs, have a pressure which is less than 1 MPa and in particular lies in the range from 0.3 MPa to 1 MPa. Typical working fluids used in heat pumps, such as the fluids R134a, R400c or R410a, have a condensation pressure at 100 ° C which is in the range of 2 MPa to 4 MPa. The condensation pressure of the said working fluids is therefore significantly greater than the pressure which is typically present in thermal stratified storage tanks, so that when the working fluid is introduced at a temperature of 100 ° C. no condensation of the working fluid takes place. In contrast, low-pressure fluids have a condensation pressure which is in the range of the pressures prevailing in stratified reservoirs, so that they condense in contact with the liquid heat carrier of the thermal stratified reservoir.

Von besonderem Vorteil sind Arbeitsfluide, die wenigstens einen der Stoffe 1,1,1,2,2,4,5,5,5-Nonafluoro-4-(Trifluoromethyl)-3-Pentanone (Handelsname Novec^TM 649), Perfluormethylbutanon, 1-Chloro-3,3,3-trifluoro-1-propene, Cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butene und/oder Cyclopentan umfassen. Of particular advantage are working fluids containing at least one of the substances 1,1,1,2,2,4,5,5,5-nonafluoro-4- (trifluoromethyl) -3-pentanones (trade name Novec ^™ 649), perfluoromethylbutanone, 1 Chloro-3,3,3-trifluoro-1-propenes, cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butenes and / or cyclopentane.

Die genannten Stoffe können gemäß der vorliegenden Erfindung in Kombination mit nach dem Stand der Technik bekannten thermischen Schichtspeichern eingesetzt werden. Beispielsweise weist Novec^TM 649 bei einer Temperatur von 100 °C einen Kondensationsdruck von 0,45 MPa, Perfluormethylbutanon einen Kondensationsdruck von 0,89 MPa und Cyclopentan einen Kondensationsdruck von 0,42 MPa auf. Der Kondensationsdruck der genannten Fluide liegt somit bei 100 °C deutlich unter dem Kondensationsdruck von beispielsweise R134a, das einen Kondensationsdruck von etwa 3,97 MPa besitzt. The substances mentioned can be used according to the present invention in combination with known in the prior art thermal stratified storage. For example, at a temperature of 100 ° C, Novec ^™ 649 has a condensation pressure of 0.45 MPa, perfluoromethylbutanone a condensation pressure of 0.89 MPa and cyclopentane a condensation pressure of 0.42 MPa. The condensation pressure of said fluids is thus at 100 ° C significantly below the condensation pressure of, for example, R134a, which has a condensation pressure of about 3.97 MPa.

Ein weiterer Vorteil der genannten Stoffe ist deren technische Handhabbarkeit. Sie zeichnen sich durch eine gute Umweltverträglichkeit sowie durch ihre Sicherheitseigenschaften, wie beispielsweise keine Brennbarkeit und ein sehr geringes Treibhauspotential aus. Allgemein sind die Stoffe Novec^TM 649 und Perfluormethylbutanon der Stoffgruppe der Fluorketone zuzuordnen, während Cyclopentan der Stoffgruppe der Cycloalkane zuzuordnen ist. Another advantage of the substances mentioned is their technical handling. They are characterized by good environmental compatibility and their safety properties, such as no flammability and a very low global warming potential. In general, the substances Novec ^TM 649 and perfluoromethyl butanone are assigned to the substance group of the fluoroketones, while cyclopentane is assigned to the substance group of the cycloalkanes.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird Wasser als Arbeitsfluid verwendet. According to a further advantageous embodiment of the method, water is used as the working fluid.

Dadurch können vorteilhafterweise zusätzliche Abscheider, die das Arbeitsfluid vom Wärmeträger zu trennen vermögen, entfallen. Bei hydrostatischen thermischen Wasserschichtspeichern, die den Druck im thermischen Schichtspeicher allein durch den hydrostatischen Druck der Wassersäule aufbauen, ist die Höhe der Einleitungsstelle des Arbeitsfluides in den Wärmeträger daher nicht von Bedeutung. Insbesondere kann der Wasserschichtspeicher an seinem oberen Ende durch das eingeleitete gasförmige und anschließend kondensierte Arbeitsfluid beladen werden, wodurch vorteilhafterweise nur eine geringe zeitliche Verzögerung zwischen dem Beladen des Wasserschichtspeichers und dem Erreichen der am oberen Ende erwünschten Temperatur entsteht. As a result, additional separators, which are able to separate the working fluid from the heat carrier, can advantageously be dispensed with. In hydrostatic thermal stratified storage, which build up the pressure in the thermal stratified storage solely by the hydrostatic pressure of the water column, the height of the point of introduction of the working fluid in the heat transfer medium is therefore not important. In particular, the water layer accumulator can be loaded at its upper end by the introduced gaseous and then condensed working fluid, whereby advantageously only a small time delay between the loading of the stratified water storage and the achievement of the desired temperature at the upper end.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Arbeitsfluid verwendet, das im flüssigen (kondensierten) Aggregatzustand mit dem flüssigen Wärmeträger nicht mischbar ist. In a further advantageous embodiment of the method, a working fluid is used which is immiscible in the liquid (condensed) state of aggregation with the liquid heat carrier.

Mit anderen Worten bilden das kondensierte Arbeitsfluid und der flüssige Wärmeträger eine zwei phasige Flüssigkeit aus, wobei die eine Phase durch das kondensierte Arbeitsfluid und die andere Phase durch den flüssigen Wärmeträger gebildet wird. Vorgesehen kann auch ein Arbeitsfluid sein, das eine geringe Mischbarkeit mit dem Wärmeträger im flüssigen Aggregatzustand aufweist. In other words, the condensed working fluid and the liquid heat carrier form a two-phase liquid, wherein one phase is formed by the condensed working fluid and the other phase by the liquid heat carrier. Provided may also be a working fluid having a low miscibility with the heat transfer medium in the liquid state.

Durch das zweiphasige Vorliegen der Mischung von Arbeitsfluid und Wärmeträger kann eine stoffliche Trennung der genannten Fluide in einfacherweise erfolgen. Insbesondere dann, wenn das kondensierte Arbeitsfluid und der flüssige Wärmeträger eine unterschiedliche Dichte aufweisen. Beispielsweise sind die bereits genannten Niederdruckfluide Novec^TM 649, Perfluormethylbutanon und Cyclopentan in Wasser, das als Wärmeträger besonders geeignet ist, schlecht löslich und daher nur in geringen Mengen mit Wasser mischbar. Beispielsweise lösen sich nur 20 ppm Wasser in Novec^TM 649. Due to the two-phase presence of the mixture of working fluid and heat carrier, a material separation of said fluids can be carried out in a simple manner. In particular, when the condensed working fluid and the liquid heat carrier have a different density. For example, the already mentioned low-pressure fluids Novec ^™ 649, perfluoromethylbutanone and cyclopentane in water, which is particularly suitable as a heat carrier, poorly soluble and therefore miscible only in small amounts with water. For example, only 20 ppm of water dissolve in Novec ^™ 649.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das gasförmige Arbeitsfluid mittels einer Verteileinrichtung in den Wärmeträger eingeleitet, wobei die Verteileinrichtung das Arbeitsfluid in einer Schicht konstanter Temperatur des Wärmeträgers homogen verteilt. In a further embodiment of the invention, the gaseous working fluid is introduced by means of a distribution device in the heat carrier, wherein the distribution device distributes the working fluid homogeneously in a layer of constant temperature of the heat carrier.

Thermische Schichtspeicher, beispielsweise Wasserschichtspeicher, besitzen bezüglich der Temperatur ihres Wärmeträgers einen geschichteten Aufbau, wobei jede Schicht eine bestimmte Temperatur und Dichte aufweist. Im Hinblick auf die Effizienz des Wärmeübergangs vom Arbeitsfluid der Wärmepumpe auf den Wärmeträger ist es daher von Vorteil, das gasförmige Arbeitsfluid in einer Schicht des Wärmeträgers gleichmäßig bzw. homogen zu verteilen. Die Begriffe gleichmäßig und homogen, sowie die Temperatur oder Dichte einer Schicht sind stets approximativ zu verstehen. Thermal stratified storages, for example stratified water storages, have a layered structure with respect to the temperature of their heat carrier, each stratum having a specific temperature and density. With regard to the efficiency of the heat transfer from the working fluid of the heat pump to the heat transfer medium, it is therefore advantageous to distribute the gaseous working fluid uniformly or homogeneously in a layer of the heat transfer medium. The terms uniform and homogeneous, as well as the temperature or density of a layer should always be understood as approximate.

Typische Schichtspeicher sind vertikal – relativ zur am Schichtspeicher vorherrschenden Schwerkraft – ausgerichtet, so dass die einzelnen Schichten des Schichtspeichers sich horizontal erstrecken. Durch die gleichmäßige Verteilung des gasförmigen Arbeitsfluides in einer Schicht des flüssigen Wärmeträgers wird die Oberfläche des stofflichen Kontaktes (Kontaktoberfläche) zwischen dem Wärmeträger und dem Arbeitsfluid vergrößert, wodurch die Effizienz des Wärmeübergangs vom Arbeitsfluid zum Wärmeträger verbessert wird. Typical stratified reservoirs are oriented vertically relative to the gravitational force prevailing at the stratified reservoir so that the individual strata of the stratified reservoir extend horizontally. Due to the uniform distribution of the gaseous working fluid in a layer of the liquid heat carrier, the surface of the material contact (contact surface) between the heat carrier and the working fluid is increased, whereby the efficiency of the heat transfer from the working fluid to the heat carrier is improved.

Durch eine gleichmäßige Verteilung des Arbeitsfluides in einer horizontalen Schicht des thermischen Schichtspeichers wird weiterhin eine Verteilung der Impulse des eintretenden Arbeitsfluides ermöglicht, so dass nicht erwünschte Mischvorgänge, die möglicherweise zu einem Durchmischen der Schichten führen, verhindert werden können. By a uniform distribution of the working fluid in a horizontal layer of the thermal stratified storage further distribution of the pulses of the incoming working fluid is made possible, so that unwanted mixing operations that may possibly lead to a mixing of the layers can be prevented.

Als Verteilvorrichtungen kommen beispielsweise horizontale Verteilerrohrsysteme, wie sie in Schichtspeichern zur Anwendung kommen, in Frage. Insbesondere führen die dort bekannten Verteilvorrichtungen zu einer Reduzierung der Eintrittsgeschwindigkeit des Arbeitsfluides in den Wärmeträger (vgl. Göppert et al. Chemie Ingenieur Technik, 2008, 80 Nr. 3 ). Weiterhin kann die Eintrittsgeschwindigkeit des gasförmigen Arbeitsfluides durch eine Änderung der Querschnittsfläche von Eintrittslöchern der Verteilvorrichtung reguliert werden. Ein weiterer Vorteil der Regulierung der Querschnittsflächen der Eintrittslöcher ist, dass eine Primärblasengröße des gasförmigen Arbeitsfluides eingestellt werden kann. As distribution devices, for example, horizontal manifold systems, such as those used in stratified storage, in question. In particular, the distribution devices known there lead to a reduction of the inlet velocity of the working fluid into the heat transfer medium (cf. Göppert et al. Chemie Ingenieur Technik, 2008, 80 No. 3 ). Furthermore, the entrance velocity of the gaseous working fluid can be regulated by changing the cross-sectional area of entrance holes of the distributor. Another advantage of regulating the cross-sectional areas of the entry holes is that a primary bubble size of the gaseous working fluid can be adjusted.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird als thermischer Schichtspeicher ein geregelter Druckspeicher verwendet. In one embodiment of the method is used as a thermal stratified storage a regulated pressure accumulator.

Vorteilhafterweise kann bei einem geregelten Druckspeicher der Druck innerhalb des thermischen Schichtspeichers in einen bestimmten Druckbereich geregelt werden. Durch die Regelung des Druckes im Druckspeicher kann der Druck innerhalb des Druckspeichers an den Kondensationsdruck des Arbeitsfluides angepasst werden, so dass es unabhängig von der an der Eintrittsstelle vorherrschenden Temperatur zu einer Kondensation des Arbeitsfluides kommt. Beispielsweise kann dadurch das gasförmige Arbeitsfluid an einer möglichst hoch gelegenen Eintrittsstelle des Schichtspeichers eingeleitet werden. Hierbei ist die Temperatur einer Schicht des Schichtspeichers bzw. Druckspeichers mit der Höhe der Schicht korreliert, so dass eine möglichst hohe Einleitungsstelle einer möglichst hohen Temperatur entspricht. Advantageously, in the case of a regulated pressure accumulator, the pressure within the thermal stratified accumulator can be regulated into a specific pressure range. By regulating the pressure in the pressure accumulator, the pressure within the pressure accumulator can be adapted to the condensation pressure of the working fluid, so that regardless of the temperature prevailing at the entry point, condensation of the working fluid occurs. For example, this allows the gaseous working fluid to be introduced at the highest possible entry point of the stratified storage tank. In this case, the temperature of a layer of the stratified storage or pressure accumulator is correlated with the height of the layer, so that the highest possible point of introduction corresponds to the highest possible temperature.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird dem Arbeitsfluid vor dem Einleiten in einen Kompressor der Wärmepumpe aus dem thermischen Schichtspeicher Wärme zugeführt. According to a further advantageous embodiment of the method, heat is supplied to the working fluid before it is introduced into a compressor of the heat pump from the thermal stratified storage.

Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Arbeitsfluiden mit überhängender Taulinie von Vorteil. Die bei solchen Arbeitsfluiden notwendige Wärme, die zur Überhitzung des Arbeitsfluides vor dem Eintritt in den Kompressor dient, kann somit dem thermischen Schichtspeicher entnommen werden. This is particularly advantageous when using working fluids with overhanging dew-line. The heat required for such working fluids, which serves to overheat the working fluid before it enters the compressor, can thus be taken from the thermal stratified storage tank.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus einem Verdampfer der Wärmepumpe mittels eines Tropfenabscheiders abgetrennter Wärmeträger zum thermischen Schichtspeicher zurückgeführt wird. In a further advantageous embodiment of the invention is separated from an evaporator of the heat pump by means of a droplet separator separated heat carrier to the thermal stratified storage.

Durch den direkten stofflichen Kontakt des Arbeitsfluides mit dem Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers ist ein Einbringen des Wärmeträgers in das Arbeitsfluid und somit in einen Kreislauf des Arbeitsfluides innerhalb der Wärmepumpe prinzipiell nicht zu verhindern. Insbesondere im Verdampfer der Wärmepumpe sammelt sich somit nicht (mit) verdampfter, flüssiger Wärmeträger an. Dieser sich im Verdampfer ansammelnder Wärmeträger wird vorteilhafterweise dem Verdampfer mittels eines Tropfenabscheiders entzogen und zum thermischen Schichtspeicher zurückgeführt. Due to the direct material contact of the working fluid with the heat transfer medium of the thermal stratified storage tank, introduction of the heat transfer medium into the working fluid and thus into a cycle of the working fluid within the heat pump can not be prevented in principle. In particular, in the evaporator of the heat pump thus accumulates not (with) vaporized, liquid heat transfer medium. This accumulating in the evaporator heat carrier is advantageously the evaporator by means of a Drained droplet and returned to the thermal stratified storage.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Leitung des Wärmeträgers zur Nutzung seiner Wärme zu einem Wärmeverbraucher, wobei der Wärmeträger vor der Nutzung im Wärmeverbraucher durch einen Abscheider geleitet wird. According to an advantageous embodiment of the invention, a line of the heat carrier to use its heat to a heat consumer, wherein the heat transfer medium is passed through a separator before use in the heat consumer.

Eine Leitung des Wärmeträgers durch einen Abscheider ist insbesondere bei der direkten Entnahme des Wärmeträgers aus dem thermischen Schichtspeicher vorgesehen. Bei der direkten Entnahme des Wärmeträgers wird durch den erfindungsgemäßen stofflichen Kontakt zwischen dem Arbeitsfluides und dem Wärmeträger ein Teil des Arbeitsfluides mit dem Wärmeträger ausgetragen. Hierbei kann die Austragung des Arbeitsfluides tröpfchenförmig (Emulsion) oder auch als im Wärmeträger gelöster Bestandteil (Lösung) erfolgen. A line of the heat carrier through a separator is provided in particular in the direct removal of the heat carrier from the thermal stratified storage. In the direct removal of the heat carrier, a part of the working fluid is discharged with the heat carrier by the material contact between the working fluid and the heat transfer medium according to the invention. Here, the discharge of the working fluid droplets (emulsion) or as dissolved in the heat transfer component (solution) take place.

Vorteilhafterweise wird durch den Abscheider sichergestellt, dass die ausgetragenen Anteile des Arbeitsfluides nicht zum Wärmeverbraucher gelangen und gegebenenfalls zum thermischen Schichtspeicher und/oder zur Wärmepumpe rückgeführt werden können. Zur Abscheidung geeignet sind beispielsweise aktive Tröpfchenabscheider und/oder koaleszierende Abscheider. Eine weitere Möglichkeit das Austragen von Arbeitsfluid zu verhindern ist, die Löslichkeit des Arbeitsfluides im Wärmeträger aufgrund der verringerten Temperatur des Wärmeverbrauchers zu verringern. Dies ist für Stoffgemische der Fall, die eine höhere Löslichkeit bei höherer Temperatur aufweisen. Durch die verringerte Temperatur des Wärmeverbrauchers fällt das Arbeitsfluid aus und kann somit vom Wärmeträger stofflich getrennt werden. Advantageously, it is ensured by the separator that the discharged portions of the working fluid do not reach the heat consumer and can optionally be returned to the thermal stratified storage and / or to the heat pump. For example, active droplet separators and / or coalescing separators are suitable for the separation. Another way to prevent the discharge of working fluid is to reduce the solubility of the working fluid in the heat carrier due to the reduced temperature of the heat consumer. This is the case for mixtures which have a higher solubility at a higher temperature. Due to the reduced temperature of the heat consumer, the working fluid precipitates and can thus be separated materially from the heat transfer medium.

Bei einer indirekten Entnahme der Wärme für einen Wärmeverbraucher, beispielsweise über Wärmeüberträger, kann ein solcher auf Seiten des Wärmeverbrauchers liegender Abscheider, der das Arbeitsfluid von dem Wärmeträger trennt, entfallen. In an indirect removal of the heat for a heat consumer, for example via heat exchanger, such a lying on the side of the heat consumer separator, which separates the working fluid from the heat carrier, omitted.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Phasenwechselmaterialien (eng. Phase Change Material, PCM) im thermischen Schichtspeicher zur Speicherung thermischer Energie verwendet. According to a further advantageous embodiment of the invention, a phase change material (narrow phase change material, PCM) is used in the thermal stratified storage for storing thermal energy.

Der Schichtspeicher umfasst somit zwei Wärmeträger, wobei der weitere Wärmeträger als ein Phasenwechselmaterial ausgebildet ist. Phasenwechselmaterialen bzw. Phasenwechselspeicher sind bevorzugt, da sie thermische Energie verlustarm mit vielen Wiederholzyklen und über einen langen Zeitraum speichern können. Insbesondere ist ein Phasenwechselmaterial bevorzugt, dessen Schmelztemperatur (Phasenwechseltemperatur) kleiner als die Kondensationstemperatur des Arbeitsfluides ist (beim Kondensationsdruck). Beispielsweise kann die Kondensationstemperatur des Arbeitsfluides 130 °C betragen, so dass eine Schmelztemperatur von 125 °C des Phasenwechselmaterials bevorzugt ist. Bevorzugt ist somit eine Schmelztemperatur die höchstens 5 % geringer als die Kondensationstemperatur ist. The stratified storage thus comprises two heat carriers, wherein the further heat carrier is designed as a phase change material. Phase change materials or phase change memory are preferred because they can store thermal energy loss with many repeat cycles and over a long period of time. In particular, a phase change material is preferred whose melting temperature (phase change temperature) is smaller than the condensation temperature of the working fluid (at the condensation pressure). For example, the condensation temperature of the working fluid may be 130 ° C, so that a melting temperature of 125 ° C of the phase change material is preferred. Thus, a melting temperature which is at most 5% lower than the condensation temperature is preferred.

Vorzugsweise kann der Schichtspeicher weitere im festen Aggregatzustand vorliegende Wärmeträger umfassen. Hierbei kann die Porosität der festen Wärmeträger dem Zweck angepasst sein. Beispielsweise kann die Porosität derart gewählt sein, dass ein Absinken des kondensierten Arbeitsfluides, das eine größere Dichte als der flüssige Wärmeträger aufweist, ermöglicht wird. Preferably, the stratified storage may comprise further heat carriers present in the solid state of matter. In this case, the porosity of the solid heat transfer medium can be adapted to the purpose. For example, the porosity can be chosen such that a decrease in the condensed working fluid, which has a greater density than the liquid heat carrier, is made possible.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawings. Showing:

1 einen mit einer Wärmepumpe gekoppelten Druckspeicher, wobei ein Arbeitsfluid der Wärmepumpe direkt in den Wärmeträger des Druckspeichers eingeleitet wird; und 1 a pressure accumulator coupled to a heat pump, wherein a working fluid of the heat pump is introduced directly into the heat carrier of the pressure accumulator; and

2 einen mit der Wärmepumpe gekoppelten hydrostatischen Druckspeicher, wobei das Arbeitsfluid der Wärmepumpe wiederum direkt in den Wärmeträger des Druckspeichers eingeleitet wird. 2 a coupled to the heat pump hydrostatic pressure accumulator, wherein the working fluid of the heat pump is in turn introduced directly into the heat carrier of the pressure accumulator.

Gleichartige Elemente werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Similar elements are provided in the figures with the same reference numerals.

1 zeigt in schematischer Darstellung einen geregelten Druckspeicher 2, der mit einer Wärmepumpe 6 derart gekoppelt ist, dass das Arbeitsfluid 4 der Wärmepumpe 6 über eine Verteilvorrichtung 12 in einer Höhe 8 des Druckspeichers 2 in den Wärmeträger 10, welcher in direkten stofflichen Kontakt mit dem Arbeitsfluid 12 ist, verteilt wird. 1 shows a schematic representation of a regulated pressure accumulator 2 that with a heat pump 6 is coupled such that the working fluid 4 the heat pump 6 via a distribution device 12 at a height 8th of the accumulator 2 in the heat carrier 10 which is in direct material contact with the working fluid 12 is, is distributed.

Die Wärmepumpe 6 umfasst einen Kompressor 14, einen Verdampfer 16, ein Expansionsventil 20, einen Abscheider 18, einen Tropfenabscheider 15 und ein Rückschlagventil 22. Das Arbeitsfluid 4 zirkuliert in der Wärmepumpe 6 gegen den Uhrzeigersinn 36. The heat pump 6 includes a compressor 14 , an evaporator 16 , an expansion valve 20 , a separator 18 , a mist eliminator 15 and a check valve 22 , The working fluid 4 circulates in the heat pump 6 counterclockwise 36 ,

Weiter ist in 1 ein Ausdehnungsgefäß 24, eine Pumpe 28, ein weiteres Expansionsventil 30 und ein Vorratsbehälter 26 für den Wärmeträger 10 ersichtlich. Die genannten Bauteile 24, 26, 28, 30 dienen zur Regulierung des Druckspeichers 2 und/oder des Wärmeträgers 10. Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird als Wärmeträger 10 Wasser verwendet. Next is in 1 an expansion vessel 24 , a pump 28 , another expansion valve 30 and a storage container 26 for the heat carrier 10 seen. The named components 24 . 26 . 28 . 30 serve to regulate the pressure accumulator 2 and / or the heat carrier 10 , Im in 1 shown embodiment is used as a heat carrier 10 Water used.

Das gasförmige Arbeitsfluid 4 wird nach dem Kompressor 14 in der Höhe 8 des Druckspeichers 2 über die Verteilvorrichtung 12 in den Wärmeträger 10 eingeleitet und somit in direkten stofflichen Kontakt mit dem Wärmeträger 10 gebracht. Hierbei beträgt die Temperatur des Druckspeichers 2 in der Einleitungshöhe 8 beispielsweise 130 °C. Wird als Arbeitsfluid beispielsweise Novec^TM 649 verwendet, so muss der Druck im Druckspeicher 2 wenigstens 0,9 MPa betragen, damit eine unmittelbare Kondensation des gasförmigen Arbeitsfluides 4 erfolgt. The gaseous working fluid 4 will after the compressor 14 in height 8th of the accumulator 2 over the distribution device 12 in the heat carrier 10 initiated and thus in direct material contact with the heat transfer medium 10 brought. This is the temperature of the pressure accumulator 2 in the introduction level 8th for example 130 ° C. If, for example, Novec ^TM 649 is used as the working fluid, the pressure in the pressure accumulator must be 2 at least 0.9 MPa, so that a direct condensation of the gaseous working fluid 4 he follows.

Ein Vorteil des geregelten Druckspeichers 2 ist, dass das Arbeitsfluid 4 an einer möglichst warmen Stelle des Druckspeichers 2 eingeleitet werden kann. Dies ist deshalb der Fall, da durch eine Anpassung des Druckes im Druckspeicher 2 stets der Kondensationsdruck des Arbeitsfluides 4 in der Einleitungshöhe 8 überschritten werden kann. Generell wird die Wärme aus dem Druckspeicher 2 für einen nicht gezeigten Wärmeverbraucher an der Stelle mit der größtmöglichen Temperatur entnommen. Durch Einleitung des Arbeitsfluides 4 an der genannten Stelle kann der Druckspeicher 2 bei geringem thermischem Ladestand effizient und zeitnah die vom Wärmeverbraucher geforderten Temperaturen erreichen. An advantage of the regulated pressure accumulator 2 is that the working fluid 4 at a warm point of the pressure accumulator 2 can be initiated. This is the case because of an adaptation of the pressure in the accumulator 2 always the condensation pressure of the working fluid 4 in the introduction level 8th can be exceeded. Generally, the heat from the accumulator 2 taken for a heat consumer, not shown at the point with the highest possible temperature. By introducing the working fluid 4 at the said point, the pressure accumulator 2 efficiently and quickly reach the temperatures required by the heat consumer with a low thermal charge level.

In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann als Arbeitsfluid 4 Novec^TM 649 verwendet werden, das eine Dichte von etwa 1300 kg/m³ besitzt. Als Wärmeträger 10 wird Wasser 10 verwendet, das eine Dichte von 1000 kg/m³ aufweist, so dass das Arbeitsfluid 4 eine größere Dichte als der Wärmeträger 10 besitzt. Durch die gegenüber dem Wärmeträger 10 vergrößerte Dichte des Arbeitsfluides 4 sinkt das Arbeitsfluid 4 durch den Einfluss der Schwerkraft 100 auf den Boden 9 des Druckspeichers 2. Durch das Absinken des Arbeitsfluides 4 auf den Boden 9 des Druckspeichers 2 wird das Arbeitsfluid 4 vorteilhafterweise bis zum Erreichen der am Boden 9 vorliegenden Temperatur des Druckspeichers 2 unterkühlt, so dass dem Arbeitsfluid 4 zusätzliche Wärme entzogen wird. Aus der geringen Mischbarkeit von Novec^TM 649 und Wasser resultierte eine am Boden 9 sich absetzende Phase des Arbeitsfluides 4, die dann am Boden 9 des Druckspeichers 2 entnommen werden kann und in den Arbeitskreislauf 36 der Wärmepumpe 6 über den Abscheider 18 zurückgeführt wird. Durch den (Flüssig)Abscheider 18 wird sichergestellt, dass kein Wärmeträger 10 aus dem Druckspeicher 2 in den Arbeitskreislauf 36 der Wärmepumpe 6 eingebracht wird. In the in 1 embodiment shown can as a working fluid 4 Novec ^™ 649, which has a density of about 1300 kg / m ³ . As a heat carrier 10 becomes water 10 used, which has a density of 1000 kg / m ³ , so that the working fluid 4 a greater density than the heat transfer medium 10 has. Through the opposite to the heat carrier 10 increased density of the working fluid 4 the working fluid sinks 4 through the influence of gravity 100 on the ground 9 of the accumulator 2 , By the sinking of the working fluid 4 on the ground 9 of the accumulator 2 becomes the working fluid 4 advantageously until reaching the bottom 9 present temperature of the pressure accumulator 2 subcooled, allowing the working fluid 4 additional heat is withdrawn. The low miscibility of Novec ^TM 649 and water resulted in a bottom 9 settling phase of the working fluid 4 that then on the ground 9 of the accumulator 2 can be taken and in the work cycle 36 the heat pump 6 over the separator 18 is returned. Through the (liquid) separator 18 ensures that no heat transfer 10 from the accumulator 2 in the work cycle 36 the heat pump 6 is introduced.

Wird ein Arbeitsfluid 4 verwendet, das eine geringere Dichte als Wasser 10 besitzt, beispielsweise Cyclopentan (C₅H₁₀) mit einer Dichte von 650 kg/m³, so steigt das Arbeitsfluid 4 nach der Kondensation nach oben und muss somit an einem oberen Ende des Druckspeichers 2 entnommen werden. Becomes a working fluid 4 used that has a lower density than water 10 has, for example, cyclopentane (C ₅ H ₁₀ ) with a density of 650 kg / m ³ , the working fluid increases 4 after condensation upwards and thus must be at an upper end of the pressure accumulator 2 be removed.

Das Rückschlagventil 22 verhindert, dass Wärmeträger 10 in den Kompressor 14 und somit in den Arbeitskreislauf 36 der Wärmepumpe 6 ausgetragen wird. The check valve 22 prevents heat transfer 10 in the compressor 14 and thus in the work cycle 36 the heat pump 6 is discharged.

2 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei anstatt eines geregelten Druckspeichers 2 ein hydrostatischer Druckspeicher 3 verwendet wird. Hierbei umfasst die Wärmepumpe 6 die bereits in 1 gezeigten und diskutierten Elemente. 2 shows an alternative embodiment of the method according to the invention, wherein instead of a regulated pressure accumulator 2 a hydrostatic pressure accumulator 3 is used. Here, the heat pump includes 6 already in 1 shown and discussed elements.

Im Gegensatz zu einem Druckspeicher 2 wird bei einem hydrostatischen Druckspeicher 3 der Druck innerhalb des Speichers 3 allein durch den hydrostatischen Druck des Wärmeträgers 10, in diesem Fall Wasser 10, erzeugt. Mit anderen Worten wird der Druck im Druckspeicher 3 allein über die Flüssigkeitssäule des Wassers 10 erzeugt. Wird wiederum Novec^TM 649 als Arbeitsfluid 4 im hydrostatischen Druckspeicher bei einer Temperatur von 110 °C eingeleitet, so ist ein Druck von wenigstens 0,6 MPa für die Kondensation des Arbeitsfluides 4 notwendig. Daraus resultiert, dass die Eintrittsstelle bzw. die Eintrittshöhe 8 des Arbeitsfluides 4 in den Druckspeicher 3 so gewählt sein muss, dass wenigstens 50 m Wasser 10 über der Eintrittshöhe 8 des Arbeitsfluides 4 liegen. Generell kann der Druck entsprechend der Eintrittshöhe 8 des Arbeitsfluides 4 gewählt werden. Unlike a pressure accumulator 2 is at a hydrostatic pressure accumulator 3 the pressure inside the memory 3 solely by the hydrostatic pressure of the heat carrier 10 , in this case water 10 , generated. In other words, the pressure in the accumulator 3 alone over the liquid column of the water 10 generated. Will turn Novec ^TM 649 as a working fluid 4 introduced in the hydrostatic accumulator at a temperature of 110 ° C, so is a pressure of at least 0.6 MPa for the condensation of the working fluid 4 necessary. As a result, the entry point or entry height 8th of the working fluid 4 in the accumulator 3 must be chosen so that at least 50 m of water 10 above the entry level 8th of the working fluid 4 lie. Generally, the pressure can be adjusted according to the entry height 8th of the working fluid 4 to get voted.

Um den Druck im hydrostatischen Druckspeicher 3 weiter zu erhöhen, ohne eine Erhöhung der Flüssigkeitssäule des Wärmeträgers 10 oder einer Verringerung der Eintrittshöhe 8, wird an dem oberen Ende des Druckspeichers 3 eine kalte Wasserschicht 32 aufgesetzt. Die kalte Wasserschicht 32 ist durch eine Trennvorrichtung 34 vom Wasser 10 des hydrostatischen Druckspeichers 3 getrennt. Durch das Aufsetzen der kalten Wasserschicht 32 am oberen Ende des hydrostatischen Druckspeichers 3 wird sichergestellt, dass der Druck in der Eintrittshöhe 8 den Kondensationsdruck des Arbeitsfluides 4 bei dessen Einleitung übertrifft und eine Kondensation des Arbeitsfluides 4 eintritt. Die Eintrittshöhe 8 des Arbeitsfluides 4 kann somit höher ausgelegt werden, wodurch die Temperatur an der Eintrittshöhe 8 gesteigert werden kann. To the pressure in the hydrostatic pressure accumulator 3 continue to increase without increasing the liquid column of the heat carrier 10 or a reduction in entry height 8th , is at the top of the pressure accumulator 3 a cold water layer 32 placed. The cold water layer 32 is through a separator 34 from the water 10 of the hydrostatic accumulator 3 separated. By putting on the cold water layer 32 at the upper end of the hydrostatic accumulator 3 will ensure that the pressure in the entry level 8th the condensation pressure of the working fluid 4 at its introduction surpasses and a condensation of the working fluid 4 entry. The entry level 8th of the working fluid 4 can thus be designed higher, reducing the temperature at the entrance 8th can be increased.

Wie bereits in 1 sinkt das Arbeitsfluid 4 durch seine im Vergleich zum Wärmeträger 10 größere Dichte durch den Einfluss der Schwerkraft 100 auf den Boden 9 des hydrostatischen Druckspeichers 3. Von dort kann es wiederum über einen Abscheider 18 dem Arbeitskreislauf 36 der Wärmepumpe 6 zugeführt werden. Ist der Wärmeträger 10 dichter als das Arbeitsfluid 4, so ist eine Entnahme des Arbeitsfluides 4 an einem oberen Ende des hydrostatischen Druckspeichers 3 vorgesehen. As already in 1 the working fluid sinks 4 by its compared to the heat transfer medium 10 greater density due to the influence of gravity 100 on the ground 9 of the hydrostatic accumulator 3 , From there it can turn over a separator 18 the working cycle 36 the heat pump 6 be supplied. Is the heat carrier 10 denser than the working fluid 4 so is a removal of the working fluid 4 at an upper end of the hydrostatic accumulator 3 intended.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, or other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Göppert et al. Chemie Ingenieur Technik, 2008, 80 No. 3 [0037]

Claims

Method for loading a thermal stratified storage device ( 2 . 3 ), in which a working fluid ( 4 ) a heat pump ( 6 ) in the gaseous state of matter at at least one point of introduction ( 8th ) in a liquid heat carrier ( 10 ) of the thermal stratified storage ( 2 . 3 ) and in direct material contact with the heat transfer medium ( 10 ), wherein the pressure in the thermal stratified storage ( 2 . 3 ) at the point of initiation ( 8th ) greater than or equal to the condensation pressure of the working fluid ( 4 ).

A method according to claim 1, wherein in the thermal stratified storage ( 2 . 3 ) condensed working fluid ( 4 ) to the heat pump ( 6 ) is returned.

Method according to claim 1 or 2, wherein a working fluid ( 4 ) whose density after condensation in the stratified thermal storage ( 2 . 3 ) greater than or equal to the density of the heat carrier ( 10 ).

Method according to one of the preceding claims, in which the working fluid ( 4 ) in the liquid state and the heat transfer medium ( 10 ) are the same fluid.

Method according to one of the preceding claims, in which the condensation pressure of the working fluid ( 4 ) at a temperature of 100 ° C is less than 1 MPa.

Method according to one of the preceding claims, in which a working fluid ( 4 ) using at least one of 1,1,1,2,2,4,5,5,5-nonafluoro-4- (trifluoromethyl) -3-pentanones, perfluoromethylbutanone, 1-chloro-3,3,3 trifluoro-1-propene, cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butenes and / or cyclopentane.

Process according to one of Claims 1 to 5, in which water is used as the working fluid ( 4 ) is used.

Method according to one of claims 1 to 6, wherein a working fluid ( 4 ), which in the liquid state of aggregation with the heat transfer medium ( 10 ) is immiscible.

Method according to one of the preceding claims, in which the gaseous working fluid ( 4 ) by means of a distribution device ( 12 ) in the heat carrier ( 10 ), the distribution device ( 12 ) the working fluid ( 4 ) in a layer of constant temperature of the heat carrier ( 10 ) distributed homogeneously.

Method according to one of the preceding claims, in which a regulated pressure accumulator ( 3 ) as stratified storage ( 3 ) is used.

Method according to one of the preceding claims, in which the working fluid ( 4 ) before being introduced into a compressor ( 14 ) of the heat pump ( 6 ) from the thermal stratified storage ( 2 . 3 ) Heat is supplied.

Process according to one of the preceding claims, in which an evaporator ( 16 ) of the heat pump ( 6 ) by means of a mist eliminator ( 15 ) separated heat transfer medium ( 10 ) to the thermal stratified storage ( 2 . 3 ) is returned.

Method according to one of the preceding claims, in which a line of the heat carrier ( 10 ) is used to use its heat to a heat consumer, wherein the heat transfer medium ( 10 ) is passed through a separator before use in the heat consumer.

Method according to one of the preceding claims, in which a phase change material in the thermal stratified storage ( 2 . 3 ) is used for storing thermal energy.

Device comprising a thermal layer memory ( 2 . 3 ) with a liquid heat carrier ( 10 ) and a heat pump ( 6 ) with a working fluid ( 4 ), wherein the thermal stratified storage ( 2 . 3 ) and the heat pump ( 6 ) are configured and coupled such that the working fluid ( 4 ) in the gaseous state of matter at an injection point ( 8th ) in the heat carrier ( 10 ) and in direct material contact with the heat transfer medium ( 10 ), the pressure of the thermal stratified storage ( 2 . 3 ) at the point of introduction greater than or equal to the condensation pressure of the working fluid ( 4 ).