DE102016100649A1

DE102016100649A1 - Thermischer Energiespeicher in Form eines Flachbodentanks

Info

Publication number: DE102016100649A1
Application number: DE102016100649.1A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Urbaneck; Fabian Findeisen; Prof. Platzer Bernd
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Kompoferm GmbH
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2036-01-16
Also published as: DE102016100649B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermischen Energiespeicher in Form eines Flachbodentanks unter Verwendung eines Fluids als Speichermedium, mit einem Speicherboden, einer geschlossenen umlaufenden Speicherwand und einem Speicherdach, welcher erfindungsgemäß eine Schwimmdecke zwischen dem Speicherboden und dem Speicherdach aufweist, welche mittels einer flexiblen Dichtung zwischen Speicherwand und Schwimmdecke angeordnet ist und das Fluid sowie Gase und Dämpfe in einem Ringraum, welcher durch wenigstens eine flexible Lippe geschützt wird, zwischen Schwimmdecke und der Speicherwand gegen das Speicherdach und die Umgebung abdichtet, wobei ein Dachraum zwischen der Schwimmdecke und dem Speicherboden vorhanden ist und der Dachraum und/oder der Ringraum und/oder das Fluid zur Umgebung druckausgeglichen sind und die Be- und Entladung mittels Fluidaustausch über mindestens einen oberen Diffusor an der Schwimmdecke und mindestens einen unteren Diffusor realisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Energiespeicher in Form eines Flachbodentanks nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Tankspeicher werden zur Lagerung von Stoffen und zur Speicherung thermischer Energie (Wärme- oder Kältespeicher) eingesetzt. Neben einer Reihe von Sonderfunktionen finden diese unter anderem für die Druckerhaltung in Netzen Anwendung.
Dabei werden in der Hauptsache die Bauformen Flachbodentank und Druckbehälter unterschieden. In der Fachliteratur ist dazu ausgeführt, dass der Wandaufbau inklusive Boden und Decke die Hauptfunktionen Dichten, Tragen, Dämmen und Schützen realisiert (Hampe: Flüssigkeitsbehälter Bd.1 und 2, Berlin, Verlag für Bauwesen 1979 und 1982).
Der Speicher beinhaltet einen oder mehrere Wärme- bzw. Kälteträger als Speichermedium. Die Be- und Entladeleistung wird durch Fluidströme realisiert.
Grundsätzlich ist Speichern in Netzen gemeinsam, dass sie das Systemverhalten verbessern sollen, indem unterschiedliche Lastsituationen im Netz nicht sofort zum Zu- oder Abschalten von Erzeugern führen. Lastspitzen können abgefangen werden, wobei die Erzeuger vom Speicher unterstützt werden oder alleine die Versorgung übernehmen. Vorraussetzung ist eine ausreichende Beladung bzw. Temperatur. In Zeiten geringerer Abnahme im Netz bzw. bei einem überschüssigen Angebot an Energie werden die Speicher wieder aufgeladen.
Dies ist zum Beispiel bei der Erzeugung von Energie durch Solarthermie oder erneuerbaren Wärmequellen, umgewandelter Wärme aus Strom und industrieller Abwärme erforderlich, da diese Energieformen teilweise nicht bedarfsgerecht zur Verfügung stehen.
Darüber hinaus können thermische Energiespeicher das Wärmeversorgungssystem flexibilisieren, so dass eine Optimierung des Betriebs möglich ist und verschiedene Servicefunktionen (wie z.B. Druckhaltung) übernehmbar sind.
Weil typische Konstruktionen von Druckspeichern nur ein verhältnismäßig geringes Volumen (kleiner 200 m³) pro Speicher speichern können und auf Grund gesetzlicher Vorschriften einer kostenintensiven Wartung unterliegen, werden insbesondere im Bereich von Nah- und Fernwärmenetzen, wenn möglich Flachbodentanks mit thermischer Schichtung eingesetzt.
Großvolumige Flachbodentanks besitzen ein besseres Oberflächenvolumenverhältnis im Vergleich zu verschalteten Druckbehältern mit gleichem Volumen und dadurch geringere thermische Verluste, jedoch können Flachbodentanks nur mit geringen Überdrücken im Vergleich zu den o.g. Druckspeichern betrieben werden. Deswegen müssen Flachbodentanks vom Wärmeversorgungssystem mit einer Druckerhöhungs- und einer Druckminderungsanlage entkoppelt werden.
Der gattungsgemäße Betrieb von Flachbodentanks mit thermischer Schichtung ist durch eine warme Zone, eine Übergangzone und eine kalte Zone gekennzeichnet. Für einen optimalen Betrieb kommt es darauf an, diese thermische Schichtung aufzubauen und zu erhalten. Bekannte Ausführungen in Form von Einzonenspeichern bestehen im einfachsten Fall aus einer Konstruktion aus Boden, Wand und Dach. Über dem Flüssigkeitsspiegel befindet sich ein Gasgemisch, welches annähernd Umgebungsdruck aufweist, alternativ wird eine Niederdruckdampfatmosphäre ausgebildet ( DE 4305867 ).
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 111 543 A1 ist ein erweitertes System (Zweizonenspeicher) beschrieben, wobei eine feste Zwischendecke das Speichermedium von einer hydrostatischen Last trennt, welche mittels einer hydraulischen Verbindung zum Druckausgleich dieses zusätzlich beaufschlagt. Die Betriebstemperatur von Heißwasser/Warmwasser kann damit im Vergleich zu Einzonenspeichern z.B. mit Gas- bzw. Dampfdruckatmosphäre um einige Grad Celsius höher sein, was aber mit einem hohen konstruktiven Aufwand verbunden ist.
Weiterhin ist von Nachteil, dass auf Grund des Partialdruckes eine hohe Wasserdampfaufnahme stattfindet.
Bei Ein- und Zweizonenspeichern ist nachteilig, dass bei einem Dachraum mit freier Wasseroberfläche die Gefahr der Korrosion besteht.
Weiterhin fallen zusätzliche Kosten für die Bereitstellung des Schutzgases oder Dampfs an.
Die Kondensation an der Dachinnenwand verursacht zusätzliche bzw. höhere Wärmeverluste.
Bei Flachbodentanks als Einzonenspeicher ist/sind der Diffusor/die Diffusoren auf einer Höhe befestigt, aufgrund des Füllstandes bzw. des Betriebs des Speichers kann das zur Verfügung stehende gesamte Volumen des Speichermediums nicht genutzt werden.
Eine Alternative ist der schwimmende Diffusor nach DE 43 058 67 A1 , wobei oben genannte Nachteile weiter bestehen.
Beim Zweizonenspeicher ist eine weitere Steigerung der Temperatur des Speichermediums um einige Kelvin gegenüber Einzonenspeichern möglich, verursacht aber einen erheblichen Mehraufwand auf Grund des zusätzlichen Wasservolumens und der entsprechenden Konstruktion.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 067 428 A1 offenbart einen drucklosen Großtank für die Warmwasserspeicherung mit einem im Dachbereich angeordneten Diffusor. Allerdings ist die Gestaltung des Diffusors und des Anschlusses nicht offenbart. Neben einem im Wesentlichen bekannten Grundaufbau wird hier beschrieben, wie ein nicht wärmegedämmter schwimmender Deckel mit einem vorzugsweise durch einen nach oben vorstehenden Reif und einen nach unten vorragenden Kragen verlängert und der Spalt zwischen Deckel und Seitenwand mit einer auf Wasser schwimmenden Abdichtungsflüssigkeit und schwimmenden Partikeln gefüllt ist. Diese Lösung bietet keine diffusionsdichte Absperrung zum Dachraum und das Verhalten des verwendeten Stoffsystems wird nicht bzw. nicht nachvollziehbar beschrieben.
Nachteilig ist dabei, dass sich unvermeidlicherweise im Laufe des Betriebes Abdichtungsflüssigkeit mit dem Wasser als wärmespeicherndes Fluid mischen und in das Netz gelangen kann.
Eine Aussage zu einem Druckausgleich bzw. zur Absicherung wird nicht getroffen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen thermischen Energiespeicher in Form eines Flachbodentanks zu entwickeln, welcher kostengünstig eine vom Füllstand des Tanks unabhängige Isolierung der fluiden Phase gegenüber inneren Freiräumen und/oder der Umgebung gewährleistet und einen geringen Phasenübergang des Fluids aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der thermische Energiespeicher ist in Form eines Flachbodentanks unter Verwendung eines Fluids als Speichermedium ausgebildet und weist einen Speicherboden, eine geschlossene umlaufende Speicherwand und ein Speicherdach auf, wobei erfindungsgemäß eine starre und/oder teilweise flexible Schwimmdecke zwischen dem Speicherboden und dem Speicherdach angeordnet ist, welche zwischen einer unteren Endposition und einer oberen Endposition im Wesentlichen vertikal bewegbar und mittels einer flexiblen Dichtung zwischen Speicherwand und Schwimmdecke angeordnet ist und wobei das Fluid sowie Gase und Dämpfe in einem Ringraum, welcher durch eine flexible Lippe geschützt wird, zwischen Schwimmdecke und der Speicherwand gegen das Speicherdach und die Umgebung abgedichtet sind und der Raum zwischen dem Speicherboden, der Speicherwand und der Schwimmdecke ein variables Speichervolumen für das Fluid bereitstellt und ein Dachraum zwischen der Schwimmdecke und dem Speicherboden vorhanden ist und der Dachraum und/oder der Ringraum und/oder das Fluid zur Umgebung druckausgeglichen sind und die Be- und Entladung mittels Fluidaustausch über mindestens einen oberen Diffusor, welcher direkt an der Schwimmdecke befestigt ist, und mindestens einen unteren Diffusor realisiert wird.
Durch diesen erfindungsgemäßen konstruktiven Aufbau wird ein thermischer Energiespeicher in Form eines Flachbodentanks zur Verfügung gestellt, bei welchem das gesamte Fluid zur Energiespeicherung herangezogen werden kann. Es entfallen aufwendige Maßnahmen zum Schutz bzw. Korrosionsschutz des Dachraumes sowie zum Schutz des Fluids. Durch den Druckausgleich kann ein hohes Maß an Sicherheit gewährleistet werden.
Systemdienstleistungen wie z.B. die Druckhaltung und die Vorlage des Fluids können leicht realisiert werden. Zwischen dem Dachraum und der Umgebung ist dabei wenigstens eine einen Druckausgleich des Dachraumes gewährleistende erste Verbindung ausgebildet. Vorteilhafter Weise ist auch zwischen dem Ringraum über den Dachraum und/oder direkt an die Umgebung wenigstens eine einen Druckausgleich des Ringraumes gewährleistende zweite Verbindung ausgeführt, wobei die zweite Verbindung zumindest bereichsweise flexibel sein sollte, um Höhenunterschiede des Schwimmdaches auszugleichen.
Weiterhin ist mindestens eine mit der Schwimmdecke verbundene flexible Lippe vorgesehen, die unter Einhaltung eines Spaltes die Schwimmdecke gegen die Speicherwand zentriert und die Konvektion und/oder die Wärmeübertragung zum Ringraum reduziert. Als dichtende Lippe können auch mehrere ringförmige Elemente mit Abstand übereinander angeordnet sein. Kanäle in der Lippenkonstruktion können den Druckausgleich zusätzlich sicherstellen.
Die Schwimmdecke besteht aus technologischen Gründen bevorzugt aus miteinander verbundenen und eingedichteten Segmenten, die eine Vor-Ort-Montage ermöglichen.
Die dem Fluid abgewandte Seite der Schwimmdecke ist mit einer Wärmedämmung versehen. Wenn die Schwimmdecke direkt auf dem Fluid aufliegt, ist dadurch die warme Zone des Fluids besser gedämmt als bei herkömmlichen Einzonenspeichern. Das Speicherdach und die zweite Leitung schützen den Dachraum und/oder die Wärmedämmung vor negativen Einflüssen, insbesondere vor Feuchtigkeit. Diese negativen Einflüsse können durch Umwelteinflüsse oder Einflüsse des Speicherwassers/Fluids FL hervorgerufen werden.
Weiterhin kann die Schwimmdecke mit Lastverteilungselementen versehen sein, welche bei losem bzw. leichtem Schüttgut eine Begehbarkeit sicherstellen.
Die Wärmedämmung der Schwimmdecke besteht bevorzugt aus losem und/oder schüttfähigem wärmedämmenden Material, welches ein geringes Gewicht aufweist und/oder Plattenmaterial.
Vorteilhafter Weise ist Schwimmdecke an der dem Fluid zugewandten Seite mit mindestens einem ersten Diffusor verbunden, der einen flexiblen Anschluss aufweist. Auch der Speicherboden kann an der dem Fluid zugewandten Seite mit mindestens einem zweiten Diffusor versehen sein. Der erste Diffusor und/oder der zweite Diffusor sind vorzugsweise als Freiformdiffusor ausgebildet. Die Diffusoren ermöglichen eine Dichteströmung zum Aufbau der thermischen Schichtung und besitzen einen geringen Druckverlust beim Ansaugen von Fluid zur Vermeidung von Kavitation.
Die zwischen Speicherwand und Schwimmdecke angeordnete flexible Dichtung ermöglicht eine Bewegung der Schwimmdecke zwischen der unteren Endposition und der oberen Endposition. Dabei kann die flexible Dichtung aufgrund der vorliegenden Geometrie zum Ausgleich des Höhenunterschiedes der Schwimmdecke eine oder mehrere Falten und/oder eine Kombination aus elastischen und weniger elastischen Bereichen und/oder eine oder mehrere Kammern aufweisen.
Der thermische Energiespeicher in Form des Flachbodentanks ist mit wenigstens einem Zulauf für das Fluid versehen, in welchem wenigstens ein Element zur Beeinflussung der Strömung im Anschluss des Diffusors integriert sein kann, der beispielsweise wenigstens eine Querschnittsverringerung aufweist und/oder durch wenigstens eine Krümmung gebildet wird. Durch das oben genannte Element entstehen bessere Anströmbedingungen für den Diffusor.
Weil sehr viele Wärmeversorgungssysteme mit Wasser betrieben werden, kommt vorzugsweise Wasser als Fluid zum Einsatz, aber die Anwendung anderer Wärme- und Kälteträger ist möglich, wie z.B. technische Wärmeträger wie Öle oder reine organische und anorganische Stoffe sowie deren Mischungen, Suspensionen.
Erfindungsgemäß wird ein Flachbodentank geschaffen, dessen Schwimmdecke zwischen zwei Endpositionen im Wesentlichen vertikal bewegbar ist, wobei die vertikale Bewegung durch eine Drehbewegung und/oder Kippbewegung überlagert sein kann, die Schwimmdecke über die flexible Dichtung an der Speicherwand befestigt ist. Diese Konstruktion realisiert die Abdichtung des Fluids bzw. die Abdichtung der Gase und Dämpfe im Ringraum gegen das Speicherdach.
Die flexible Lippe zentriert die Schwimmdecke unter Einhaltung eines Spaltes gegen die Speicherwand. Gleichzeitig wird auch die Konvektion zwischen dem Fluid im Speicher und dem Fluid im Ringraum unterdrückt und die Wärmeübertragung reduziert. Der Raum zwischen dem Speicherboden, der Speicherwand und der Schwimmdecke bildet ein variables Speichervolumen für das Fluid. Ein Dachraum zwischen der Schwimmdecke und dem Speicherdach und/oder der Ringraum und/oder das Speichermedium weisen vorteilhafter Weise zur Umgebung eine oder mehrere nicht absperrbare Verbindungen zum Druckausgleich auf, beispielsweise ein Rohr, Kanal, Schlauch und dergleichen.
Ausführungsbeispiel – dünne Leitungen – insbesondere Innendurchmesser zwischen 10 und 150 mm.
Es ist fertigungstechnisch günstig, wenn die Schwimmdecke aus miteinander verbundenen eingedichteten vorzugsweise Blechsegmenten besteht, die vor Ort montiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch einen Flachbodentank,
2 einen Ausschnitt einer Schwimmdecke mit flexibler Dichtung,
3 eine Dichtung in Form eines Faltenbalges mit einer Vielzahl von Falten,
4 eine Dichtung in Form eines Faltenbalges mit nur einer Falte,
5 eine Dichtung mit Abschnitten zum Ausgleich des dreidimensionalen Knickverhaltens,
6 eine Dichtung mit einer Kammer,
7 eine Dichtung mit mehreren Kammern,
8 einen Zulauf des Fluids mit einem Element zur Beeinflussung der Strömung im Anschluss des Diffusors, der zwei gegensätzlich gekrümmte Biegungen aufweist,
9 einen Zulauf des Fluids mit einem Element zur Beeinflussung der Strömung im Anschluss des Diffusors, der eine radiale Einschnürung aufweist,
10 einen Zulauf des Fluids mit einem Element zur Beeinflussung der Strömung im Anschluss des Diffusors, in der Art eines Wellrohres mit mehreren radialen Einschnürungen ausgebildet ist,
11 Detaildarstellung der flexiblen Lippen zwischen Speicherwand und Schwimmdecke wobei, in den übereinander angeordneten Lippen einzelne zueinander fluchtende Druckausgleichskanäle vorgesehen sind,
12 Detaildarstellung der flexiblen Lippen zwischen Speicherwand und Schwimmdecke wobei, in den übereinander angeordneten Lippen einzelne nicht fluchtende Druckausgleichskanäle vorgesehen sind,
13 Detaildarstellung der flexiblen Lippen zwischen Speicherwand und Schwimmdecke wobei, in den übereinander angeordneten Lippen zwei Druckausgleichskanäle fluchtend angeordnet sind.
Ein thermischer Energiespeicher in Form eines Flachbodentanks mit dem Speichermedium (Fluid) besteht aus einem flachen Speicherboden 1, auf welchem eine umlaufende Speicherwand 2 aufgesetzt ist, wobei die Bauteile für den Speichereinsatz geeignet sind und die grundlegenden Funktionen Dichten, Tragen, Dämmen, Schützen erfüllen. Aus praktischen Gründen hat der Tank insgesamt eine zylindrische Form; grundsätzlich sind aber auch andere geometrische Formen denkbar. Die obere Begrenzung des Flachbodentanks bildet ein Speicherdach 3, welches auf der Speicherwand 2 aufgesetzt ist.
Eine Schwimmdecke 4 ist im Wesentlichen vertikal bewegbar im Innenraum des Flachbodentanks angeordnet, wobei die vertikale Bewegung auch von Dreh- und/oder Kippbewegungen überlagert sein kann. Eine Unterseite 4.1 der Schwimmdecke 4 bildet zusammen mit dem Speicherboden 1 und der Speicherwand 2 ein variables Speichervolumen V für ein Fluid Fl, insbesondere Wasser. Die Schwimmdecke 4 wird an deren Unterseite 4.1 vom Fluid Fl getragen. Je nach der sich im Flachbodentank befindlichen Fluidmenge bewegt sich die Schwimmdecke 4 zwischen einer unteren Position P1 und einer oberen Position P2. Der Hub der Schwimmdecke 4 bestimmt zusammen mit der mit dem Fluid Fl in Verbindung stehenden Fläche ein Ausgleichsvolumen ∆V, welches sich aus der Differenz zwischen der zugeführten und abgeführten Menge an Speichermedium einstellt (z.B. Be- und/oder Entladen sowie Servicefunktionen wie z.B. Druckhaltung) oder sich aus einer temperaturbedingten Volumenänderung des Speichermediums ergibt.
An der Unterseite 4.1 der Schwimmdecke 4 ist mindestens ein Diffusor 5.1 angeordnet, welcher einen flexiblen Anschluss 6.1 aufweist. Je nach Anwendung können auch mehrere Diffusoren 5 mit der Schwimmdecke 4 verbunden sein. Die direkte Anordnung des Diffusors 5.1/der Diffusoren 5 an der Schwimmdecke 4 hat den Vorteil, dass es zur gezielten Ausbildung von Dichteströmungen mit geringerer Mischung kommt.
Der Speicherboden 1 ist gleichfalls mit mindestens einem Diffusor 5.2 und einem flexiblen Anschluss 6.2 ausgestattet.
Bei der Benutzung einer so gewählten Anordnung von Diffusoren 5 erfolgt ein gezielter Fluidaustausch mit unterschiedlichen Temperaturen, so dass eine thermische Schichtung aufgebaut und erhalten werden kann. Im laufenden Betrieb stellt sich durch das Be- und Entladen sowie die Servicefunktionen ein Speichervolumen V ein.
Weil der obere Diffusor 5.1 mit der Schwimmdecke 4 verbunden ist und bei Bewegung dieser ebenfalls bewegt wird, steht stets das maximale Speichervolumen V zur Verfügung.
Dies wäre bei starrer Anordnung des Diffusors 5, z.B. an der Speicherwand 2 bzw. bei einer Anordnung mit Abständen zum Boden/ zur Decke nicht der Fall.
Wichtig bei der Verbindung des oberen Diffusors 5.1 mit der Schwimmdecke 4 ist, dass der obere Diffusor 5.1 keinen Absatz zur Schwimmdecke 4 aufweist.
Zwischen dem Speicherdach 3 und der Schwimmdecke 4 ist ein Dachraum D ausgebildet, in welchem sich Gase und/oder Dämpfe sammeln und in dem ein zur Umgebung ausgeglichener Druck oder auch ein Unter- oder Überdruck zur Umgebung auftritt.
Eine geschützte nicht absperrbare erste Verbindung 7.1 zwischen dem Dachraum D und der Umgebung dient der Druckentlastung des Dachraumes D. Im Unterschied zu herkömmlichen Bauarten sind dabei keine weiteren Sicherheitseinrichtungen (z.B. Sicherheitsventile) erforderlich.
Vorteilhafter Weise besteht zusätzlich eine zum Druckausgleich dienende flexible nicht absperrbare zweite Verbindung 7.2 vom gasgefüllten Ringraum R über den Dachraum D an die Umgebung. Die zweite Verbindung 7.2 ist so ausgeführt, dass kondensierendes Fluid Fl bzw. Wasser in den Ringraum R zurückläuft und vor Vereisung und anderen Beeinträchtigungen geschützt ist.
Weitere nicht dargestellte Verbindungen zum Druckausgleich sind zwischen dem Speichervolumen V zum Dachraum D und/oder vom Ringraum R direkt zur Umgebung und/oder vom Ringraum R direkt in den Dachraum D möglich.
Die dem Fluid Fl abgewandte Seite der Schwimmdecke 4 bietet Raum für eine Wärmedämmung 8, welche nicht durch Feuchtigkeit des Speichermediums und/oder der Umgebung belastet wird. Hier nicht dargestellte Lastverteilungselemente können, wenn sich dies im Gesamtkonzept als nützlich erweisen sollte, auf der dem Fluid Fl abgewandten Seite ebenfalls aufgelegt werden.
Hier nicht dargestellte Lastverteilungselemente erweisen sich zur Druckverteilung beim Begehen und zur Abdeckung als nützlich, wenn leichte bzw. lose Wärmedämmstoffe verwendet werden.
Anstelle des in 1 dargestellten Festdaches mit Schutzfunktion könnte auch ein Membrandach über der Schimmdecke 4 verwendet werden.
2 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausführung der Schwimmdecke 4 im Detail in einem Randbereich. Dabei ist die Schwimmdecke 4 aus Segmenten 4.2, 4.3 zusammengesetzt, welche miteinander über wenigstens ein Dichtelement 12 verbunden sind. Dies führt zu einer einfacheren Herstellung und kann als modulare Bauweise zu einem dichten System ausgebaut werden. Über den Segmenten 4.2, 4.3 und ggf. weiteren Segmenten ist die Wärmedämmung 8 vorgesehen.
Zwischen der Schwimmdecke 4 und der Speicherwand 2 sind umlaufende flexible Lippen 9 mit der Schwimmdecke 4 verbunden. Zwischen den einzelnen flexiblen Lippen 9 und der Speicherwand 2 ist jeweils ein Spalt 10 vorhanden, so dass eine Konvektion bzw. eine Wärmeübertragung minimiert wird. Kleine zusätzliche (nicht dargestellte) Druckausgleichskanäle im Bereich der flexiblen Lippen 9 unterstützen wahlweise den Druckausgleich zwischen dem Fluid Fl und dem Ringraum R, insbesondere, wenn gemäß einer nicht dargestellten Variante kein Spalt 10 zwischen den flexiblen Lippen 9 und der Speicherwand 2 vorhanden ist.
Die Speicherwand 2 bildet eine äußere Begrenzung der flexiblen Lippen 9, welche die Schwimmdecke 4 zentrieren.
Im oberen Bereich der Schwimmdecke 4 ist diese mit der Speicherwand 2 durch eine flexible Dichtung 11 derart verbunden, dass das Fluid Fl einerseits im Speichervolumen V und/oder Gase und Dämpfe im Ringraum R gegen das Speicherdach 3 abgedichtet sind und andererseits die im Wesentlichen vertikale Bewegung der Schwimmdecke 4 nicht behindert wird. Weiterhin sollte die Dichtung 11 auch eine geringe Dreh- und/oder Kippbewegung der Schwimmdecke 4 ermöglichen. Weiterhin wird die Durchfeuchtung der Wärmedämmung 8 verhindert und die Korrosion des Speicherdaches 3 bzw. der Elemente im Dachraum D wirksam unterbunden.
Die flexible Dichtung 11 ist an der Speicherwand 2 mit ihrem umlaufenden Außenbereich in einem ersten Befestigungsbereich B1 und an der Schwimmdecke 4 mit ihrem umlaufenden Innenbereich in einem zweiten Befestigungsbereich B2 jeweils abgedichtet verbunden. Zwischen den Befestigungsbereichen B1, B2 wölbt sich hier die Dichtung 11 nach oben.
Weitere Varianten der Gestaltung der flexiblen Dichtung 11 sind in den 3 bis 7 schematisch dargestellt.
3 zeigt dabei eine flexible Dichtung 11 in Form eines Faltenbalges mit einer Vielzahl von Falten 11.1, die übereinander liegen und wobei der obere äußere Umfangsbereich in dem ersten Befestigungsbereich B1 an der Speicherwand 2 und der untere innere Umfangsbereich der flexiblen Dichtung 11 an der Schwimmdecke 4 in dem Befestigungsbereich B2 befestigt ist.
In 4 ist die flexible Dichtung 11 in der Art eines Faltenbalges mit einer Falte 11.1 ausgeführt und ebenfalls der obere äußere Umfangsbereich in dem ersten Befestigungsbereich B1 an der Speicherwand 2 und der untere innere Umfangsbereich der flexiblen Dichtung 11, der hier nach unten weist, an der Schwimmdecke 4 in dem Befestigungsbereich B2 befestigt.
5 zeigt eine Variante der flexiblen Dichtung 11 mit Abschnitten 11.2 aus unterschiedlich flexiblen Materialien zum Ausgleich des dreidimensionalen Knickverhaltens. Dies kann z.B. eine Folie mit höherer Flexibilität sein.
In 6 ist eine flexible Dichtung 11 dargestellt, die kissenartig mit einem Hohlraum 11.3 ausgebildet ist.
7 zeigt eine flexible Dichtung 11 mit mehreren Kammern 11.4.
Auch bei den in 6 und 7 dargestellten Varianten ist die flexible Dichtung 11 außen in dem ersten Befestigungsbereich B1 an der Speicherwand 2 und innen an der Schwimmdecke 4 in dem Befestigungsbereich B2 befestigt.
Die flexible Dichtung 11, welche eine Randabdichtung der Schwimmdecke 4 zur Speicherwand 2 bildet, kann auch in Form einer Lippe, eines Schlauches oder eines anderweitigen Profils ausgebildet sein.
Bei Veränderung des Speichervolumens V z.B. durch temperaturbedingte Ausdehnung des Anlagen- und Speicherfluids und/oder bei einer höheren effektiven Zufuhr von Fluid Fl aus dem System oder einer Nachspeisung nimmt das Speichervolumen V zu und die Schwimmdecke 4 bewegt sich in Richtung obere Position P2. Diese Vorgänge können auch umgekehrt stattfinden, wodurch sich die Schwimmdecke 4 nach unten/ in Richtung zum Speicherboden 1 bis zur Position P1 bewegt, wobei die flexible Dichtung 11 so ausgebildet ist, dass diese den Höhenunterschied und auch eine Taumelbewegung und/oder Kippbewegung und/oder eine (geringe) Drehbewegung der Schwimmdecke 4 überbrückt.
Das Fluid Fl, insbesondere mit der Soll-Beladetemperatur, kann vorteilhaft durch den Diffusor 5.1 unterhalb der Schwimmdecke 4 zur Beladung zugeführt und zeitverzögert zur Entladung entnommen werden. Gleichzeitig wird kälteres Fluid Fl am Speicherboden 1 entnommen bzw. zeitverzögert zugeführt. Damit ist es möglich, den Energiespeicher in Form eines Flachbodentanks mit einer thermischen Schichtung zu betreiben.
Die Anschlussleitung für das Fluid Fl ist dabei so zu gestalten, dass ein gleichmäßiges bzw. axialsymmetrisches Geschwindigkeitsprofil am Eintritt in den Radialdiffusor des Flachbodentanks vorliegt, wobei kein großer Druckverlust auftreten darf. In den 8 bis 10 werden dabei einige Varianten des Zulaufs des Fluids Fl mit einem Element 14 zur Beeinflussung der Strömung im Anschluss eines Diffusors dargestellt. Das in 8 dargestellte Element zur Beeinflussung der Strömung 14 im Anschluss des Diffusors weist eine besondere Formgestaltung der Anschlussleitung in Form von zwei gegensätzlich gekrümmten Biegungen 14.1, 14.2 auf, deren nicht bezeichnete Biegeradien so gestaltet sind, dass eine ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung näherungsweise ausgeglichen wird. 9 zeigt die Prinzipskizze eines Elements zur Beeinflussung der Strömung 14 im Anschluss des Diffusors, welches eine Einschnürung 14.3, ähnlich einer Lavaldüse aufweist und dadurch eine asymmetrische Geschwindigkeitsverteilung des Fluids reduziert oder aufhebt.
Ebenfalls möglich ist die Gestaltung eines Elements zur Beeinflussung der Strömung 14 im Anschluss eines Diffusors mit einer Wand in der Art eines Wellrohrs 14.4, um innere Strömungen zu erzeugen, die eine ungleichmäßige Stromverteilung beeinflussen.
Abschließend werden weitere Ausführungsvarianten der flexiblen Lippe/n 9 zur Gewährleistung eines Druckausgleichs beschrieben. 11 zeigt eine Detaildarstellung mehrerer übereinander angeordneter miteinander verbundener flexibler Lippen 9 zwischen Speicherwand 2 und Schwimmdecke 4, wobei in den übereinander angeordneten Lippen 9 einzelne zueinander fluchtende Druckausgleichskanäle 15 vorgesehen sind. Selbstverständlich können über den Umfang verteilt mehrere zueinander fluchtende Druckausgleichskanäle 15 vorgesehen werden. In 12 wird eine Detaildarstellung der flexiblen Lippen 9 zwischen Speicherwand 2 und Schwimmdecke 4 gezeigt, bei welcher in den übereinander angeordneten Lippen 9 einzelne nicht fluchtende Druckausgleichskanäle 15 vorgesehen sind. Auch bei dieser Variante können über den Umfang verteilt diese Druckausgleichskanäle 15 vorgesehen sein. Eine Darstellung von übereinander angeordneten miteinander verbindenden flexiblen Lippen 9 zwischen Speicherwand 2 und Schwimmdecke 4 wird in 13 gezeigt. Bei dieser Variante sind in den übereinander angeordneten Lippen 9 zwei Druckausgleichskanäle 15 fluchtend angeordnet. Auch bei dieser Ausführung können mehrere dieser zueinander paarweise fluchtend angeordneten Druckausgleichskanäle 15 umfangsseitig verteilt angeordnet sein. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen/ Ausbildungen der Druckausgleichsöffnungen 15 in der/den flexiblen Lippe/n 9 möglich. In den 11 bis 13 sind die flexiblen Lippen 9 unterhalb der flexiblen Dichtung 11 angeordnet, wodurch sich zwischen diesen, sowie der Speicherwand 2 und der Schwimmdecke 4 ein Ringraum R ausbildet, von dem aus die zweite Verbindung 7.2 nach außen führt.
Auf Grund der Konstruktion, der späteren Anwendung und des Verhältnisses von Nutzen zu Aufwand beschränkt sich diese Lösung des thermischen Energiespeichers in Form eines Flachbodentanks auf eine Fluidtemperatur, die 2 K unter der Verdampfungstemperatur des jeweiligen Fluids liegt. Der Aufwand (z.B. höhere Füllstände, eine zweite Zone im Speicher) für eine Steigerung auf ca.110°C bei Wasser wird als unverhältnismäßig, insbesondere im Hinblick auf aktuelle und umfassende Anstrengungen zur Senkung der Netztemperaturen, angesehen. Die abgedichtete schwimmende Decke ermöglicht das Entfallen eines Schutzgases oder eines Dampfpolsters. Damit können große Kontaktflächen zum Eindringen von Dämpfen und/oder Gasen und die intensive Wärmeübertragung (Kondensation) vermieden werden.
Weil die Schwimmdecke im Dachraum innen angeordnet ist und das Speicherdach einen umfassenden Witterungsschutz gewährleistet, ist es möglich, eine einfache und sehr gute Wärmedämmung an der Oberseite des Speichers sowie einen guten Schutz der Wärmedämmung gegen Durchfeuchten zu realisieren.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass im Unterschied zu den Lösungen nach dem Stand der Technik das gesamte Volumen des Fluids – insbesondere der warmen Zone bei Wärmespeicher und/oder der kalten Zone bei Kältespeichern – genutzt werden kann. Der Aufbau des Energiespeichers in Form eines Flachbodentanks ist einfach und gestattet dessen Herstellung vor Ort in Leichtbauweise.
Auf Grund der besonderen Anordnung des Diffusors/der Diffusoren an der Schwimmdecke können Freiformdiffusoren zur Vermeidung von Kavitation beim Ansaugen eingesetzt werden. Die direkte Anordnung an der Schwimmdecke führt zur gezielten Ausbildung von Dichteströmen mit geringer Mischung.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass teure Maßnahmen zur Erzeugung bzw. Vorhaltung von Schutzgas oder Dampf entfallen können. Dies wiederum reduziert das Korrosionspotential des Speicherdaches und dessen Einbauten durch Feuchtigkeitseinwirkung der Umgebung und des Wassers, wenn dieses als Speichermedium (Fluid Fl) verwendet wird. Gleichzeitig wird durch die Abdichtungslösung die Wasserqualität des Speicher- und Anlagenwassers wenig bzw. nicht beeinträchtigt.
Insgesamt stellt der erfindungsgemäße thermische Energiespeicher in Form des Flachbodentanks, insbesondere zur Speicherung von Fluid als thermischer Energiespeicher, eine kostengünstige Lösung dar, welche eine vom Füllstand des Tanks unabhängige Wärmedämmung der fluiden Phase gegenüber inneren Freiräumen und/oder der Umgebung und den Phasenübergang des Fluids Fl/ Wassers wirksam unterdrückt. Das Ausgleichsvolumen ∆V (s. 1), welches durch die vertikale Höhenveränderung in einer Höhe h zwischen der unteren Position P1 und der oberen Position P2 (gestrichelt dargestellt) der Schwimmdecke 4 bereitgestellt wird, kann die temperaturbedingte Volumenänderung des Fluids Fl im System und im Speicher/ Flachbodentank aufnehmen und eine Fluidreserve zur Verfügung stellen.
Anstelle von Wasser kann als Speichermedium auch Fluid Fl in Form von organischen oder anorganischen Stoffen und/oder deren Mischungen und/oder Suspensionen verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Speicherboden
2: Speicherwand
3: Speicherdaches
4: Schwimmdecke
4.1: Unterseite
4.2 4.3: Segment
5: Diffusor
5.1: oberer Diffusor
5.2: unterer Diffusor
6: flexibler Anschluss
6.1: oberer flexibler Anschluss
6.2: unterer flexibler Anschluss
7.1: erste Verbindung
7.2: zweite Verbindung
8: Wärmedämmung
9: flexible Lippe oder flexible Lippen
10: Spalt
11: flexible Dichtung
11.1: Falte
11.2: Abschnitte
11.3: Hohlraum
11.4: Kammern
12: Dichtelement, Dichtmasse
13: Lastverteilungselemente
14: Element zur Beeinflussung der Strömung
14.1, 14.2: Biegungen
14.3: Einschnürung
14.4: Wellrohr
15: Druckausgleichskanäle
D: Dachraum
Fl: Fluid
h: Höhe
P1: untere Position
P2: obere Position
V: Speichervolumen
∆V: Ausgleichsvolumen
R: Ringraum
B1: erster Befestigungsbereich
B2: zweiter Befestigungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 4305867 [0010]
DE 102013111543 A1 [0011]
DE 4305867 A1 [0017]
EP 0067428 A1 [0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hampe: Flüssigkeitsbehälter Bd.1 und 2, Berlin, Verlag für Bauwesen 1979 und 1982 [0003]

Claims

Thermischer Energiespeicher in Form eines Flachbodentanks unter Verwendung eines Fluids (Fl) als Speichermedium, mit einem Speicherboden (1), einer geschlossenen umlaufenden Speicherwand (2) und einem Speicherdach (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine starre und/oder teilweise flexible Schwimmdecke (4) zwischen dem Speicherboden (1) und dem Speicherdach (3) angeordnet ist, welche zwischen einer unteren Endposition (P1) und einer oberen Endposition (P2) im Wesentlichen vertikal bewegbar und mittels einer flexiblen Dichtung (11) zwischen Speicherwand (2) und Schwimmdecke (4) angeordnet ist und dass Fluid (Fl) sowie Gase und/oder Dämpfe in einem Ringraum (R), welcher durch wenigstens eine flexible Lippe (9) geschützt wird, zwischen Schwimmdecke (4) und der Speicherwand (2) gegen das Speicherdach (3) und die Umgebung abdichtet, wobei der Raum zwischen dem Speicherboden (1), der Speicherwand (2) und der Schwimmdecke (4) ein variables Speichervolumen (V) für das Fluid (Fl) bereitstellt und ein Dachraum (D) zwischen der Schwimmdecke (4) und dem Speicherboden (1) vorhanden ist und der Dachraum und/oder der Ringraum (R) und/oder das Fluid (Fl) zur Umgebung druckausgeglichen sind und die Be- und Entladung mittels Fluidaustausch über mindestens einen oberen Diffusor (5.1), welcher direkt an der Schwimmdecke (4) befestigt ist, und mindestens einen unteren Diffusor (5.2) realisiert wird.
Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dachraum (D) und der Umgebung wenigstens eine einen Druckausgleich des Dachraumes (D) gewährleistende nicht absperrbare erste Verbindung (7.1) ausgebildet ist.
Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ringraum (R) über den Dachraum (D) und/oder direkt an die Umgebung wenigstens eine einen Druckausgleich des Ringraumes (R) gewährleistende nicht absperrbare zweite Verbindung (7.2) ausgeführt ist.
Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verbindung (7.2) zumindest bereichsweise flexibel ist.
Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine mit der Schwimmdecke (4) verbundene flexible Lippe (9) unter Einhaltung eines Spaltes (10) zur Speicherwand (2) und/oder der Ausbildung eines oder mehrerer Druckausgleichskanäle (15) im Bereich der Lippen (9) die Schwimmdecke (4) gegen die Speicherwand (2) zentriert und die Konvektion und/oder die Wärmeübertragung zum Ringraum (R) reduziert.
Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als dichtende Lippe (9) mehrere ringförmige Elemente mit Abstand übereinander angeordnet sind.
Thermischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmdecke (4) aus miteinander verbundenen und eingedichteten Dichtelementen (12) und Segmenten (4.2) (4.3) besteht.
Thermischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Fluid abgewandte Seite der Schwimmdecke (4) mit einer Wärmedämmung (8) versehen und/oder durch das Speicherdach (D) und/oder durch die zweite Leitung (7.2) vor negativen Einflüssen, insbesondere Feuchtigkeit, geschützt ist.
Thermischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmdecke (4) an der dem Fluid (Fl) abgewandten Seite mit einer Wärmedämmung (8) und/oder mit Lastverteilungselementen (13) versehen ist.
Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmung (8) aus losem und/oder schüttfähigem wärmedämmenden Material und/oder Plattenmaterial besteht.
Thermischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmdecke (4) an der dem Fluid (Fl) zugewandten Seite mit mindestens einem ersten Diffusor (5.1) verbunden ist, der einen flexiblen Anschluss (6.1) aufweist.
Thermischer Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherboden (1) an der dem Fluid (Fl) zugewandten Seite mit mindestens einem zweiten Diffusor (5.2) versehen ist.
Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Diffusor (5.1) und/oder der zweite Diffusor (5.2) als Freiformdiffusor mit Kavitation vermeidender Strömungsführung ausgebildet sind.
Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Dichtung (11) zwischen Speicherwand (2) und Schwimmdecke (4) eine Bewegung der Schwimmdecke (4) zwischen der unteren Endposition (P1) und der oberen Endposition (P2) gewährleistet.
Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Dichtung (11) – eine oder mehrere Falten (11.1) aufweist und/oder – mit eine Kombination aus elastischen und weniger elastischen Bereichen bildet und/oder – eine oder mehrere Kammern (11.4) aufweist.
Thermischer Energiespeicher nach Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in wenigstens einem Zulauf des Fluids (Fl) wenigstens einem Element zur Strömungsbeeinflussung (14) für eine gleichmäßigere Anströmung aufweist.
Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Strömungsbeeinflussung (14) wenigstens eine Querschnittsverringerung (14.3) (14.4) und/oder wenigstens eine Krümmung des Anschlusses (14.1) (14.2) aufweist.
Thermischer Energiespeicher nach Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid (Fl) Wasser und andere technische Wärme- und Kälteträger wie z.B. Öle oder reine organische und anorganische Stoffe sowie deren Mischungen, Suspensionen zum Einsatz kommen.