DE102016200921B4

DE102016200921B4 - Verfahren zum Übertragen von Wärme, Wärmeübertrager und Wärmespeichervorrichtung

Info

Publication number: DE102016200921B4
Application number: DE102016200921.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Scheit; Marc Linder; Matthias Schmidt; Christian Brack
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2036-01-23
Also published as: WO2017125452A1; DE102016200921A1; EP3405734A1

Abstract

Verfahren zum Übertragen von Wärme von einem Wärmeträgermedium auf ein Speichermedium und/oder von einem Speichermedium auf ein Wärmeträgermedium, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:- Fördern eines Speichermediums mittels einer Schneckenvorrichtung (102);- Bereitstellen von Wärme durch exotherme Reaktion des Speichermediums mit einem Reaktionsmedium;- Hindurchführen von Wärmeträgermedium durch die Schneckenvorrichtung und/oder Vorbeiführen von Wärmeträgermedium an der Schneckenvorrichtung (102), wobei Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das Speichermedium und/oder von dem Speichermedium auf das Wärmeträgermedium übertragen wird;- Übertragen von Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das Speichermedium in einem Wärmespeicherbetrieb, wobei das hierdurch erwärmte Speichermedium anschließend einer Regenerationsvorrichtung (140) zugeführt und dort mittels einer elektrischen Heizvorrichtung (142) und/oder mittels einer Mikrowellenheizung weiter erhitzt wird zur Trennung des Reaktionsmediums von dem Speichermedium.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Wärme, bei welchem Wärme von einem Wärmeträgermedium auf ein Speichermedium und/oder von einem Speichermedium auf ein Wärmeträgermedium übertragen wird.
Bei einem solchen Verfahren kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium und das Speichermedium zwei mittels einer Wärmeübertragungsplatte voneinander getrennten Räumen zugeführt wird. Über die Wärmeübertragungsplatte erfolgt dann die Wärmeübertragung.
Die DE 10 2010 009 181 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speicherung von Wärme mittels eines Phasenwechselmaterials. Dabei ist eine Förderschnecke zur Förderung des Phasenwechselmaterials vorgesehen.
Die DE 10 2009 052 304 A1 und die DE 10 2013 203 619 A1 offenbaren verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur thermochemischen Wärmespeicherung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Übertragen von Wärme bereitzustellen, welches einfach umsetzbar ist und eine effiziente Wärmeübertragung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere dann zur Wärmeübertragung, wenn das Speichermedium ein rieselfähiges Speichermedium ist oder als rieselfähiges Speichermedium bereitgestellt wird.
Das Speichermedium kann beispielsweise als eine Pulverschüttung ausgebildet sein oder bereitgestellt werden.
Das Wärmeträgermedium und das Speichermedium werden vorzugsweise ohne direkten oder unmittelbaren Kontakt miteinander geführt, insbesondere aneinander vorbeigeführt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Wärme durch exotherme Reaktion des Speichermediums mit einem Reaktionsmedium bereitgestellt wird.
Diese bereitgestellte Wärme wird insbesondere anschließend und/oder noch während der Wärmeentstehung auf das Wärmeträgermedium übertragen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Reaktionsmedium und das Wärmeträgermedium voneinander verschiedene Medien oder identische Medien sind.
Das Reaktionsmedium und das Wärmeträgermedium werden vorzugsweise in ein und demselben oder in voneinander verschiedenen und fluidwirksam voneinander getrennten Leitungsbereichen geführt.
Es kann vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium zugleich als Reaktionsmedium dient und bei der Zuführung zu dem Speichermedium und/oder bei einem Hindurchführen durch das Speichermedium in direkten Kontakt mit dem Speichermedium gelangt, wodurch sich vorzugsweise einerseits eine wärmeerzeugende exotherme Reaktion und andererseits die Wärmeübertragung auf das Wärmeträgermedium ergeben.
Das Speichermedium ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere ein Speichermedium in einem beladenen Zustand, in welchem dieses mit Reaktionsmedium umgesetzt wurde oder sonst wie reagiert hat.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Speichermedium ein Speichermedium im getrennten Zustand ist, in welchem das Speichermedium von dem Reaktionsmedium getrennt ist.
Ohne Konkretisierung auf Speichermedium im verbundenen Zustand (beladenes Speichermedium) oder Speichermedium im getrennten Zustand (entladenes Speichermedium) bezeichnet der Begriff „Speichermedium“ kontextabhängig vorzugsweise sowohl Speichermedium im verbundenen Zustand als auch Speichermedium im getrennten Zustand oder lediglich Speichermedium im verbundenen Zustand oder lediglich Speichermedium im getrennten Zustand.
Das Speichermedium kann vorzugsweise in einem Zustand, insbesondere im verbundenen Zustand oder im getrennten Zustand, mittels der Schneckenvorrichtung gefördert werden.
Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass das Speichermedium in beiden Zuständen in der Schneckenvorrichtung gemeinsam gefördert und dabei gemischt wird. Insbesondere kann hierdurch eine effiziente Wärmeerzeugung und/oder Wärmeübertragung realisiert werden.
Die Reaktion zwischen dem Speichermedium und dem Reaktionsmedium ist vorzugsweise eine reversible Reaktion.
Vorzugsweise ist das Speichermedium im verbundenen Zustand ein Metallhydroxid und/oder im getrennten Zustand ein Metalloxid.
Das Reaktionsmedium ist vorzugsweise Wasser.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Reaktionsmedium zur Wärmeerzeugung in der Schneckenvorrichtung dem in der Schneckenvorrichtung geförderten Speichermedium zugeführt wird.
Das Wärmeträgermedium wird vorzugsweise in einer oder mehreren Wellen zur Aufnahme eines oder mehrerer Schneckenelemente der Schneckenvorrichtung geführt.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium in einem das eine oder die mehreren Schneckenelemente zumindest abschnittsweise oder vollständig umgebenden Mantel geführt wird.
Die Führung des Wärmeträgermediums erfolgt dabei insbesondere derart, dass ein Wärmeübertrag von und/oder zu dem Speichermedium möglich ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Schneckenvorrichtung wahlweise, insbesondere alternierend, in einem Wärmespeicherbetrieb und in einem Wärmebereitstellungsbetrieb betrieben wird, wobei eine Förderrichtung des Speichermediums in dem Wärmespeicherbetrieb einer Förderrichtung des Speichermediums in dem Wärmebereitstellungsbetrieb vorzugsweise entgegengesetzt ist.
In einem Wärmespeicherbetrieb wird Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das Speichermedium übertragen. Das hierdurch erwärmte Speichermedium wird anschließend einer Regenerationsvorrichtung zugeführt und dort weiter erhitzt. Hierdurch wird Reaktionsmedium von dem Speichermedium getrennt.
Die Regenerationsvorrichtung dient zum Entfernen des Reaktionsmediums von dem Speichermedium. Das Speichermedium wird mittels der Regenerationsvorrichtung vorzugsweise entladen.
Günstig kann es sein, wenn in einem Wärmebereitstellungsbetrieb Speichermedium mit Reaktionsmedium beladen und als beladenes Speichermedium nach einer Abführung aus der Schneckenvorrichtung in einem Speicherbehälter gelagert wird.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass in einem Wärmespeicherbetrieb Speichermedium von Reaktionsmedium befreit und als entladenes Speichermedium nach einer Abführung aus der Schneckenvorrichtung in einem Speicherbehälter gelagert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass ein einziger Speicherbehälter zur Aufnahme von sowohl beladenem Speichermedium als auch entladenem Speichermedium dient. Beispielsweise kann hierbei die Verwendung von einer oder mehreren variablen Innenwänden des Speicherbehälters vorgesehen sein, um mit maximaler Raumausnutzung variable Mengen von beladenem Speichermedium und entladenem Speichermedium lagern zu können.
Ferner kann vorgesehen sein, dass verschiedene Speicherbehälter für beladenes Speichermedium einerseits und entladenes Speichermedium andererseits vorgesehen sind.
Im Wärmebereitstellungsbetrieb wird vorzugsweise entladenes Speichermedium aus dem Speicherbehälter für entladenes Speichermedium entnommen und der Schneckenvorrichtung zugeführt und zur Wärmebereitstellung mit Reaktionsmedium versetzt.
Im Wärmespeicherbetrieb wird vorzugsweise beladenes Speichermedium aus dem Speicherbehälter für beladenes Speichermedium entnommen und der Schneckenvorrichtung zugeführt. In der Schneckenvorrichtung und/oder einer anschließenden Regenerationsvorrichtung wird das beladene Speichermedium vorzugsweise erhitzt, so dass das Reaktionsmedium von dem Speichermedium entfernt wird.
Das Speichermedium wird vorzugsweise alternierend von einem Speicherbehälter in den anderen Speicherbehälter gefördert und dabei jeweils durch die Schneckenvorrichtung hindurchgeführt, so dass alternierend Wärme gespeichert und Wärme bereitgestellt werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Wärmeübertrager.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager bereitzustellen, welcher einfach herstellbar ist und eine effiziente Wärmeübertragung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmeübertrager gemäß Anspruch 6 gelöst.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Vorzugsweise eignet sich der erfindungsgemäße Wärmeübertrager zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem Wärmeübertrager beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen.
Günstig kann es sein, wenn das Speichermedium rieselfähig, insbesondere pulverförmig, ist.
Das Wärmeträgermedium ist vorzugsweise flüssig oder gasförmig, beispielsweise dampfförmig.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Schneckenvorrichtung mindestens zwei Speichermediumzuführungen zur Zuführung von Speichermedium zu dem Schneckenförderbereich und/oder mindestens zwei Speichermediumabführungen zur Abführung von Speichermedium aus dem Schneckenförderbereich umfasst.
Die Zuführung und/oder die Abführung erfolgen dabei vorzugsweise an unterschiedlichen Stellen der Schneckenvorrichtung bezüglich einer oder mehrerer Förderrichtungen.
Vorzugsweise sind die Speichermediumzuführungen und/oder die Speichermediumabführungen an einander gegenüberliegenden Endbereichen der Schneckenvorrichtung angeordnet.
Vorzugsweise sind voneinander verschiedene Speichermediumzuführungen zur Zuführung von beladenem Speichermedium einerseits und entladenem Speichermedium andererseits vorgesehen.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass voneinander verschiedene Speichermediumabführungen zur Abführung von beladenem Speichermedium einerseits und entladenem Speichermedium andererseits vorgesehen sind.
Günstig kann es sein, wenn eine Speichermediumzuführung zur Zuführung von beladenem Speichermedium und eine Speichermediumabführung zur Abführung von beladenem Speichermedium an ein und demselben Endbereich der Schneckenvorrichtung angeordnet sind.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass eine Speichermediumzuführung zur Zuführung von entladenem Speichermedium und eine Speichermediumabführung zur Abführung von entladenem Speichermedium an ein und demselben Endbereich der Schneckenvorrichtung angeordnet sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager eine Regenerationsvorrichtung zum Regenerieren von Speichermedium umfasst. Die Regenerationsvorrichtung schließt sich an die Schneckenvorrichtung an, insbesondere in einer Förderrichtung des Speichermediums im Wärmespeicherbetrieb des Wärmeübertragers.
Die Regenerationsvorrichtung umfasst eine Heizvorrichtung zum Erhitzen des Speichermediums. Die Heizvorrichtung umfasst eine elektrische Heizvorrichtung oder ist als eine elektrische Heizvorrichtung ausgebildet.
Mittels der Heizvorrichtung ist Wärme zu dem beladenen Speichermedium zuführbar, um das Reaktionsmedium von dem beladenen Speichermedium zu entfernen.
Der Wärmeübertrager, insbesondere die Schneckenvorrichtung, umfasst einen Leitungsbereich für ein Reaktionsmedium.
Der Leitungsbereich für ein Reaktionsmedium mündet vorzugsweise in den Schneckenförderbereich oder ist abschnittsweise durch den Schneckenförderbereich gebildet.
Günstig kann es sein, wenn der Leitungsbereich für das Reaktionsmedium ein von dem Leitungsbereich für das Wärmeträgermedium verschiedener Leitungsbereich ist. Das Reaktionsmedium ist dann vorzugsweise unabhängig von dem Wärmeträgermedium geführt oder führbar.
Der Wärmeübertrager eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Wä rmespeichervorrichtu ng.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Wärmespeichervorrichtung zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme.
Die Wärmespeichervorrichtung umfasst vorzugsweise mindestens einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager oder dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner weisen vorzugsweise das erfindungsgemäße Verfahren und/oder der erfindungsgemäße Wärmeübertrager einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Die Wärmespeichervorrichtung umfasst vorzugsweise ferner Folgendes: eine Förderanlage zum Fördern von entladenem Speichermedium; und/oder eine Förderanlage zum Fördern von beladenem Speichermedium; und/oder einen oder mehrere Speicherbehälter zur Lagerung von entladenem Speichermedium und/oder beladenem Speichermedium.
Die Schneckenvorrichtung ist vorzugsweise als eine Doppelschneckenvorrichtung ausgebildet.
Die Schneckenvorrichtung bildet vorzugsweise einen Reaktor zur Umsetzung des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium.
Die Schneckenvorrichtung umfasst vorzugsweise zwei seitlich nebeneinander oder sonst wie aneinander angrenzende und/oder miteinander in Eingriff stehende Schneckenelemente.
Die Beladung des Speichermediums mit Reaktionsmedium ist insbesondere eine Entladung der Wärmespeichervorrichtung, das heißt eine Bereitstellung von Wärme.
Die Entladung des Speichermediums, das heißt das Entfernen des Reaktionsmediums von dem Speichermedium, ist vorzugsweise ein Beladen der Wärmespeichervorrichtung mit Wärme (Wärmespeicherung).
Die Beladung der Wärmespeichervorrichtung mit Wärme, das heißt die Trennung des Reaktionsmediums von dem Speichermedium (Entladen des Speichermediums), kann vorzugsweise elektrisch erfolgen.
Die hierzu vorgesehene Heizvorrichtung kann beispielsweise eine Widerstandsheizung sein. Insbesondere kann hierfür ein Gitter oder eine Anordnung von Stäben als Heizelemente der Heizvorrichtung vorgesehen sein.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung eine Mikrowellenheizung umfasst.
Zur Optimierung einer Heizwirkung bei einem Heizen des Speichermediums mittels Mikrowellen kann vorgesehen sein, dass das Speichermedium einen mikrowellenaffinen oder mikrowellenaktiven Stoff umfasst. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Speichermedium Aktivkohle umfasst oder dass dem Speichermedium Aktivkohle beigemischt ist.
Vorzugsweise ist ein direkter Kontakt zwischen dem zu entladenden Speichermedium und einem oder mehreren Heizelementen der Heizvorrichtung vorgesehen, um die zur Entladung des Speichermediums erforderliche Wärme auf das Speichermedium zu übertragen.
Mittels der Schneckenvorrichtung wird das Speichermedium vorzugsweise durchmischt, insbesondere um eine gleichmäßige Wärmeübertragung und/oder Wärmebereitstellung durch Zuführung von Reaktionsmedium zu erzielen.
Vorzugsweise wird mittels der Schneckenvorrichtung eine unerwünschte Agglomeratbildung und/oder Versinterung des Speichermediums im Reaktionsraum vermieden.
Die Schneckenvorrichtung ermöglicht vorzugsweise die Realisierung eines langen und abgeschlossenen Reaktionsraums zur Umsetzung des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium. Hierdurch kann vorzugsweise eine im Wesentlichen vollständige Reaktion mit geringem Überschuss von Reaktionsmedium realisiert werden. Das überschüssige Reaktionsmedium, insbesondere Wasserdampf, kann vorzugsweise einfach von dem Speichermedium getrennt werden, so dass das Speichermedium vorzugsweise trocken in einem Speicherbehälter lagerbar ist.
Insbesondere dann, wenn das Speichermedium bei der Reaktion mit dem Reaktionsmedium sein Volumen ändert, kann eine Kompensation durch Variation eines Wellendurchmessers der Schneckenvorrichtung und/oder einer Steigungsänderung von Schneckenelementen der Schneckenvorrichtung vorgesehen sein.
Die Schneckenvorrichtung umfasst vorzugsweise zwei oder mehr Schneckenelemente, welche insbesondere voneinander verschiedene Drehzahlen und/oder Gewindehöhen aufweisen. Hierdurch kann insbesondere eine gegenseitige Reinigung der Schneckenelemente und/oder eine optimierte mechanische Bearbeitung, Förderung und/oder Durchmischung des Speichermediums realisiert werden.
Eine oder mehrere Speichermediumzuführungen und/oder eine oder mehrere Speichermediumabführungen weisen vorzugsweise Schleusen und/oder Sicherheitselemente, insbesondere Rückschlagklappen, auf. Hierdurch kann eine unerwünschte Rückströmung von Speichermedium, Reaktionsmedium und/oder Wärmeträgermedium vorzugsweise vermieden werden.
Ein Sicherheitselement kann beispielsweise eine Zellradschleuse sein. Mittels einer solchen Zellradschleuse kann insbesondere eine Rückströmung von Dampf in den Schneckenförderbereich oder aus dem Schneckenförderbereich vermieden werden.
Insbesondere zur Kompensation von Druck und/oder Volumenänderungen kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager ein Druckausgleichsgefäß und/oder einen Kondensationswärmetauscher umfasst.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass dampfförmiges oder gasförmiges Reaktionsmedium und/oder Wärmeträgermedium mittels einer Kondensationsvorrichtung kondensiert wird, insbesondere nach dem Verlassen eines Schneckenförderbereichs der Schneckenvorrichtung.
Insbesondere kann durch die Erfindung eine saisonale Wärmespeicherung mit geringen Verlusten realisiert werden. Beispielsweise kann Überschussstrom aus einer Photovoltaikanlage zum Entladen von Speichermedium genutzt werden, um zu einem beliebigen Zeitpunkt später durch Reaktionsmediumzuführung Wärme bereitstellen zu können.
Beispielsweise durch Kondensation von bei der Entladung des Speichermediums frei werdendem dampfförmigen oder gasförmigen Wärmeträgermedium und/oder Reaktionsmedium kann die Effizienz der Wärmespeicherung und/oder Wärmenutzung optimiert werden. Beispielsweise kann die Kondensationswärme zur Brauchwassererwärmung genutzt werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager eine oder mehrere Wärmeübertragereinheiten umfasst.
Vorzugsweise ist die Schneckenvorrichtung eine Wärmeübertragereinheit.
Günstig kann es sein, wenn der Wärmeübertrager einen oder mehrere weitere Wärmeübertragereinheiten umfasst.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Wärmeübertragereinheit bezüglich einer Förderrichtung des Speichermediums im Wärmespeicherbetrieb und/oder im Wärmebereitstellungsbetrieb stromaufwärts der Schneckenvorrichtung angeordnet ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass eine Wärmeübertragereinheit bezüglich einer Förderrichtung des Speichermediums im Wärmespeicherbetrieb und/oder im Wärmebereitstellungsbetrieb stromabwärts der Schneckenvorrichtung angeordnet ist.
Ferner kann alternativ oder ergänzend hierzu vorgesehen sein, dass eine Wärmeübertragereinheit bezüglich einer Förderrichtung des Speichermediums im Wärmespeicherbetrieb und/oder im Wärmebereitstellungsbetrieb stromaufwärts der Regenerationsvorrichtung angeordnet ist.
Ferner kann alternativ oder ergänzend hierzu vorgesehen sein, dass eine Wärmeübertragereinheit bezüglich einer Förderrichtung des Speichermediums im Wärmespeicherbetrieb und/oder im Wärmebereitstellungsbetrieb stromabwärts der Regenerationsvorrichtung angeordnet ist.
Eine oder mehrere Wärmeübertragereinheiten sind vorzugsweise thermisch miteinander gekoppelt, insbesondere kann ein gemeinsamer Wärmeträgermediumkreislauf vorgesehen sein.
Mittels der einen oder der mehreren Wärmeübertragereinheiten kann vorzugsweise Wärme des Speichermediums zurückgewonnen werden, insbesondere stromabwärts der Schneckenvorrichtung und/oder der Regenerationsvorrichtu ng.
Vorzugsweise kann das der Schneckenvorrichtung und/oder der Regenerationsvorrichtung zuzuführende Speichermedium mit Wärme erhitzt, insbesondere vorgeheizt, werden, welche von dem aus der Schneckenvorrichtung und/oder aus der Regenerationsvorrichtung entfernten Speichermedium abgeführt wurde.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Wärmeübertragers, bei welchem eine Schneckenvorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem Wärmeträgermedium auf ein Speichermedium und/oder von dem Speichermedium auf das Wärmeträgermedium vorgesehen ist;
2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Wärmeübertragers, bei welchem eine sich an die Schneckenvorrichtung anschließende Regenerationsvorrichtung vorgesehen ist, wobei der Wärmeübertrager in einem Wärmespeicherbetrieb betrieben wird;
3 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung des Wärmeübertragers aus 2, wobei der Wärmeübertrager in einem Wärmebereitstellungsbetrieb betrieben wird;
4 eine schematische Darstellung einer Wärmespeichervorrichtung, welche einen Wärmeübertrager gemäß den 2 und 3 umfasst;
5 eine schematische Schnittdarstellung eines Speicherbehälters zur Speicherung von beladenem und unbeladenem Speichermedium; und
6 eine der 5 entsprechende schematische Darstellung des Speicherbehälters aus 5 mit einer verschiedenen Befüllung.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in 1 dargestellte erste Ausführungsform eines als Ganzes mit 100 bezeichneten Wärmeübertragers dient der Übertragung von Wärme von einem Wärmeträgermedium auf ein Speichermedium und/oder von einem Speichermedium auf ein Wärmeträgermedium.
Der Wärmeübertrager 100 umfasst hierzu eine Schneckenvorrichtung 102, welche beispielsweise eine Doppelschneckenvorrichtung 104 ist und ein oder mehrere Schneckenelemente 106 umfasst.
Mittels der Schneckenvorrichtung 102 ist insbesondere ein Speichermedium linear in einer Förderrichtung 108 förderbar.
Der Wärmeübertrager 100 umfasst eine Speichermediumzuführung 110, über welche Speichermedium zu einem Schneckenförderbereich 112 der Schneckenvorrichtung 102 zuführbar ist.
Ferner umfasst der Wärmeübertrager 100 eine Speichermediumabführung 114, über welche Speichermedium aus dem Schneckenförderbereich 112 abführbar ist.
Über eine Reaktionsmediumzuführung 116 des Wärmeübertragers 100 ist der Schneckenvorrichtung 102, insbesondere dem Schneckenförderbereich 112, Reaktionsmedium zuführbar.
Die Reaktionsmediumzuführung 116 mündet dabei insbesondere direkt in den mit Speichermedium gefüllten Schneckenförderbereich 112.
Die Reaktionsmediumzuführung 116 ist insbesondere Bestandteil eines Leitungsbereichs 118 zur Führung von Reaktionsmedium.
Ferner umfasst der Wärmeübertrager 100 eine Reaktionsmediumabführung 120 zur Abführung von Reaktionsmedium aus dem Schneckenförderbereich 112.
Der Wärmeübertrager 100 umfasst zudem einen Leitungsbereich 122 zur Führung von Wärmeträgermedium.
Der Leitungsbereich 122 umfasst dabei eine Wärmeträgermediumzuführung 124 zur Zuführung von Wärmeträgermedium zu der Schneckenvorrichtung 102 sowie eine Wärmeträgermediumabführung 126 zur Abführung von Wärmeträgermedium von der Schneckenvorrichtung 102.
Die Schneckenvorrichtung 102 umfasst ferner vorzugsweise eine oder mehrere vorzugsweise jeweils als Hohlwelle 128 ausgebildete Wellen 130, auf welchen das eine oder die mehreren Schneckenelemente 106 angeordnet, ausgebildet und/oder gelagert sind.
Die Hohlwelle 128 oder die Hohlwellen 128 verbinden vorzugsweise die Wärmeträgermediumzuführung 124 mit der Wärmeträgermediumabführung 126, so dass Wärmeträgermedium durch die Schneckenvorrichtung 102 hindurchführbar ist, insbesondere ohne direkten Kontakt zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Speichermedium und/oder dem Reaktionsmedium.
Ferner umfasst die Schneckenvorrichtung 102 vorzugsweise einen Mantel 132, welcher vorzugsweise das eine oder die mehreren Schneckenelemente 106 umgibt und vorzugsweise einen Bestandteil eines den Schneckenförderbereich 112 umgebenden Gehäuses 134 der Schneckenvorrichtung 102 bildet.
Der Mantel 132 verbindet vorzugsweise ebenfalls die Wärmeträgermediumzuführung 124 mit der Wärmeträgermediumabführung 126, so dass Wärmeträgermedium durch die Schneckenvorrichtung 102 hindurchführbar ist, insbesondere ohne direkten Kontakt mit dem Speichermedium und/oder dem Reaktionsmedium.
Die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform des Wärmeübertragers 100 funktioniert wie folgt:
Über die Speichermediumzuführung 110 wird beispielsweise als Metalloxid ausgebildetes Speichermedium zu dem Schneckenförderbereich 112 der Schneckenvorrichtung 102 zugeführt.
Mittels des einen oder der mehreren Schneckenelemente 106 wird das Speichermedium längs der Förderrichtung 108 gefördert.
Über die Reaktionsmediumzuführung 116 wird dabei Reaktionsmedium zu dem Speichermedium zugeführt.
Das Speichermedium reagiert dabei mit dem Reaktionsmedium.
Das Reaktionsmedium ist beispielsweise Wasser, welches insbesondere unter Bildung von Metallhydroxid mit dem Speichermedium reagiert.
Mittels des einen oder der mehreren Schneckenelemente 106 wird das Speichermedium mit dem Reaktionsmedium vermischt, so dass insbesondere eine gleichmäßige und möglichst vollständige Reaktion des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium erhältlich ist.
Ferner wird über die Bewegung mittels des einen oder der mehreren Schneckenelemente 106 bewirkt, dass bei der Reaktion des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium freiwerdende Wärme gleichmäßig und effizient auf das in der Schneckenvorrichtung 102 geführte Wärmeträgermedium übertragen wird.
Insbesondere wird dabei das Wärmeträgermedium 106 in einer der Förderrichtung 108 des Speichermediums entgegengerichteten Richtung durch die Schneckenvorrichtung 102 hindurchgeleitet. Die Wärmeübertragung erfolgt somit vorzugsweise im Gegenstromprinzip.
Über die Wärmeträgermediumabführung 126 kann somit erhitztes Wärmeträgermedium abgeführt werden.
Über die Speichermediumabführung 114 wird dann mit Reaktionsmedium versetztes Speichermedium (beladenes Speichermedium) abgeführt.
Die Reaktionsmediumabführung 120 dient schließlich der Abführung von überschüssigem Reaktionsmedium aus dem Schneckenförderbereich 112.
Das hierbei insbesondere dampfförmig abgeführte Reaktionsmedium kann zur Optimierung der Wärmebereitstellung und/oder Wärmenutzung einer Kondensationsvorrichtung zugeführt werden.
Eine in den 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsform eines Wärmeübertragers 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass zwei Speichermediumzuführungen 110 und zwei Speichermediumabführungen 114 vorgesehen sind.
Die Schneckenvorrichtung 102 ist dabei in zwei unterschiedlichen Betrieben mit unterschiedlicher Förderrichtung 108 betreibbar.
Insbesondere sind dabei der in 2 dargestellte Wärmespeicherbetrieb und der in 3 dargestellte Wärmebereitstellungsbetrieb vorgesehen.
Bei der in den 2 und 3 dargestellten zweiten Ausführungsform des Wärmeübertragers 100 ist zudem eine Regenerationsvorrichtung 140 zum Regenerieren des Speichermediums vorgesehen.
Wie den 2 und 3 zu entnehmen ist, sind an einander gegenüberliegenden Enden der Schneckenvorrichtung 102 jeweils eine Speichermediumzuführung 110 und eine Speichermediumabführung 114 vorgesehen.
Die eine oder die mehreren Wellen 130 zur Aufnahme des einen oder der mehreren Schneckenelemente 106 sind dabei vorzugsweise mit einer inneren Doppelführung 136 versehen, so dass das Wärmeträgermedium in der einen oder den mehreren Wellen 130 sowohl in einer parallel zur Förderrichtung 108 verlaufenden ersten Richtung durch den Schneckenförderbereich 112 als auch entgegen dieser Richtung in einer zweiten Richtung erneut durch den Schneckenförderbereich 112 führbar ist. Ein Ende einer jeden Welle 130 umfasst somit vorzugsweise einen Umlenkabschnitt 138 zur Umlenkung und Rückführung des innerhalb der Welle 130 geführten Wärmeträgermediums.
Vorteilhaft kann eine solche Doppelführung 136 in der einen oder den mehreren Wellen 130 insbesondere dann sein, wenn sich an das eine oder die mehreren Schneckenelemente 106 der Schneckenvorrichtung 102 eine Regenerationsvorrichtung 140 des Wärmeübertragers 100 anschließt.
Das mittels der Schneckenvorrichtung 102 geförderte Speichermedium kann dann insbesondere ohne Beeinträchtigung durch einen Leitungsbereich 122 zur Führung des Wärmeträgermediums direkt von der Schneckenvorrichtung 102 zu einer Heizvorrichtung 142 der Regenerationsvorrichtung 140 zugeführt werden.
Die Regenerationsvorrichtung 140 dient insbesondere zur Entfernung von Reaktionsmedium von dem Speichermedium.
Mittels der Heizvorrichtung 142 kann das Speichermedium dabei insbesondere durch unmittelbaren Kontakt und hierdurch erfolgende Wärmeübertragung erhitzt werden, wodurch das an das Speichermedium gebundene Reaktionsmedium von dem Speichermedium abgetrennt wird. Das Reaktionsmedium kann dann insbesondere über eine Reaktionsmediumabführung 120 der Regenerationsvorrichtung 140 abgeführt und/oder weiterverwendet werden.
Der Wärmeübertrager 100 umfasst vorzugsweise ein oder mehrere Sicherheitselemente 144, beispielsweise Rückschlagklappen 146, mittels welchen eine unerwünschte Rückströmung oder Rückführung von Speichermedium und/oder Reaktionsmedium und/oder Wärmeträgermedium entgegen einer vorgegebenen Strömungsrichtung oder Förderrichtung verhindert werden kann.
Alternativ zu der Verwendung von einer oder mehreren Rückschlagklappen 146 kann ferner die Verwendung von einer oder mehreren Zellradschleusen vorgesehen sein.
Wie insbesondere aus einem Vergleich der 2 und 3 hervorgeht, ist die in den 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsform des Wärmeübertragers 100 wahlweise in einem Wärmespeicherbetrieb (2) oder einem Wärmebereitstellungsbetrieb (3) betreibbar.
Im Wärmespeicherbetrieb (2) wird Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das Speichermedium übertragen und/oder das Speichermedium mittels der Regenerationsvorrichtung 140 erhitzt, um letztlich das Reaktionsmedium von dem Speichermedium zu entfernen und somit Energie (Wärme) zu speichern.
In dem Wärmebereitstellungsbetrieb (3) wird das von dem Reaktionsmedium befreite Speichermedium in den Schneckenförderbereich 102 geführt, um dort mit dem Reaktionsmedium versetzt zu werden. Hierdurch ergibt sich eine Wärmeentwicklung, welche zum Erhitzen des Wärmeträgermediums genutzt wird.
Im Übrigen stimmt die in den 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsform des Wärmeübertragers 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 4 dargestellte Ausführungsform einer als Ganzes mit 148 bezeichneten Wärmespeichervorrichtung umfasst beispielsweise einen Wärmeübertrager 100 gemäß der in den 2 und 3 dargestellten zweiten Ausführungsform.
Ferner umfasst die Wärmespeichervorrichtung 148 vorzugsweise einen oder mehrere Speicherbehälter 150 sowie eine oder mehrere Förderanlagen 152.
Mittels eines Speicherbehälters 150 ist insbesondere Speichermedium lagerbar.
Mittels einer Förderanlage 152 ist Speichermedium vorzugsweise von der Schneckenvorrichtung 102 des Wärmeübertragers 100 zu einem Speicherbehälter 150 und/oder von einem Speicherbehälter 150 zu der Schneckenvorrichtung 102 des Wärmeübertragers 100 förderbar.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 148 sind zwei voneinander verschiedene Speicherbehälter 150 sowie zwei voneinander verschiedene Förderanlagen 152 vorgesehen.
Dabei ist jeweils ein Speicherbehälter 150 und eine Förderanlage 152 zur Speicherung und/oder Förderung von mit Reaktionsmedium beladenem Speichermedium vorgesehen. Ein weiterer Speicherbehälter 150 sowie eine weitere Förderanlage 152 dienen der Speicherung und/oder Förderung von von Reaktionsmedium befreitem Speichermedium.
Die Wärmespeichervorrichtung 148 gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform funktioniert insbesondere wie folgt:
Bei alternierender Wärmespeicherung und Wärmebereitstellung wird das Speichermedium alternierend von dem einen Speicherbehälter 150 zu dem anderen Speicherbehälter 150 gefördert.
Das Speichermedium durchläuft dabei jeweils den Schneckenförderbereich 112 der Schneckenvorrichtung 102 des Wärmeübertragers 100. Hierbei wird das Speichermedium alternierend mit Reaktionsmedium versetzt, insbesondere um Wärme bereitzustellen, und von dem Reaktionsmedium befreit, insbesondere um Wärme zu speichern.
Alternativ zu der in 4 dargestellten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 148 kann vorgesehen sein, dass eine Wärmespeichervorrichtung 148 lediglich einen einzigen Speicherbehälter 150 zur Aufnahme von beladenem und entladenem Speichermedium enthält.
Ein solcher Speicherbehälter 150 ist in den 5 und 6 dargestellt.
Günstig kann es sein, wenn ein solcher Speicherbehälter 150 eine bewegliche, insbesondere verschiebbar angeordnete, Trennwand 154 umfasst, mittels welcher ein Innenraum 156 des Speicherbehälters 150 in größenvariable Speicherbereiche 158 unterteilbar ist.
So kann abhängig davon, welche Menge von Speichermedium als beladenes Speichermedium und als entladenes Speichermedium vorliegt, das Größenverhältnis der Speicherbereiche 158 flexibel variiert werden.
Insbesondere kann mittels des Speicherbehälters 150 somit bei optimaler Raumausnutzung eine große Menge von Speichermedium gespeichert werden, insbesondere unabhängig davon, ob dieses Speichermedium im beladenen oder entladenen Zustand vorliegt.
Bezugszeichenliste

100: Wärmeübertrager
102: Schneckenvorrichtung
104: Doppelschneckenvorrichtung
106: Schneckenelement
108: Förderrichtung
110: Speichermediumzuführung
112: Schneckenförderbereich
114: Speichermediumabführung
116: Reaktionsmediumzuführung
118: Leitungsbereich
120: Reaktionsmediumabführung
122: Leitungsbereich
124: Wärmeträgermediumzuführung
126: Wärmeträgermediumabführung
128: Hohlwelle
130: Welle
132: Mantel
134: Gehäuse
136: Doppelführung
138: Umlenkabschnitt
140: Regenerationsvorrichtung
142: Heizvorrichtung
144: Sicherheitselement
146: Rückschlagklappe
148: Wärmespeichervorrichtung
150: Speicherbehälter
152: Förderanlage
154: Trennwand
156: Innenraum
158: Speicherbereich

Claims

Verfahren zum Übertragen von Wärme von einem Wärmeträgermedium auf ein Speichermedium und/oder von einem Speichermedium auf ein Wärmeträgermedium, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Fördern eines Speichermediums mittels einer Schneckenvorrichtung (102); - Bereitstellen von Wärme durch exotherme Reaktion des Speichermediums mit einem Reaktionsmedium; - Hindurchführen von Wärmeträgermedium durch die Schneckenvorrichtung und/oder Vorbeiführen von Wärmeträgermedium an der Schneckenvorrichtung (102), wobei Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das Speichermedium und/oder von dem Speichermedium auf das Wärmeträgermedium übertragen wird; - Übertragen von Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das Speichermedium in einem Wärmespeicherbetrieb, wobei das hierdurch erwärmte Speichermedium anschließend einer Regenerationsvorrichtung (140) zugeführt und dort mittels einer elektrischen Heizvorrichtung (142) und/oder mittels einer Mikrowellenheizung weiter erhitzt wird zur Trennung des Reaktionsmediums von dem Speichermedium.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmedium zur Wärmeerzeugung in der Schneckenvorrichtung (102) dem in der Schneckenvorrichtung (102) geförderten Speichermedium zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium in einer oder mehreren Wellen (130) zur Aufnahme eines oder mehrerer Schneckenelemente (106) der Schneckenvorrichtung (102) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenvorrichtung (102) wahlweise, insbesondere alternierend, in einem Wärmespeicherbetrieb und in einem Wärmebereitstellungsbetrieb betrieben wird, wobei eine Förderrichtung (108) des Speichermediums in dem Wärmespeicherbetrieb einer Förderrichtung (108) des Speichermediums in dem Wärmebereitstellungsbetrieb entgegengesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass a) in einem Wärmebereitstellungsbetrieb Speichermedium mit Reaktionsmedium beladen und als beladenes Speichermedium nach einer Abführung aus der Schneckenvorrichtung (102) in einem Speicherbehälter (150) gelagert wird und/oder dass b) in einem Wärmespeicherbetrieb Speichermedium von Reaktionsmedium befreit und als entladenes Speichermedium nach einer Abführung aus der Schneckenvorrichtung (102) in einem Speicherbehälter (150) gelagert wird.
Wärmeübertrager (100) zum Übertragen von Wärme von einem Wärmeträgermedium auf ein Speichermedium und/oder von einem Speichermedium auf ein Wärmeträgermedium, wobei der Wärmeübertrager (100) eine Schneckenvorrichtung (102), insbesondere eine Doppelschneckenvorrichtung (104), umfasst, wobei die Schneckenvorrichtung (102) einen Schneckenförderbereich (112) zum Fördern des Speichermediums und einen Leitungsbereich (122) zum Führen des Wärmeträgermediums umfasst, wobei der Schneckenförderbereich (112) und der Leitungsbereich (122) zur Wärmeübertragung thermisch miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (100) einen Leitungsbereich (118) für ein Reaktionsmedium und eine Regenerationsvorrichtung (140) zum Regenerieren von Speichermedium umfasst, wobei die Regenerationsvorrichtung (140) sich an die Schneckenvorrichtung (102) anschließt und eine elektrische Heizvorrichtung (142) und/oder eine Mikrowellenheizung zum Erhitzen des Speichermediums umfasst.
Wärmeübertrager (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium rieselfähig, insbesondere pulverförmig, ist und/oder dass das Wärmeträgermedium flüssig oder gasförmig ist.
Wärmeübertrager (100) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenvorrichtung (102) mindestens zwei Speichermediumzuführungen (110) zur Zuführung von Speichermedium zu dem Schneckenförderbereich (112) und/oder mindestens zwei Speichermediumabführungen (114) zur Abführung von Speichermedium aus dem Schneckenförderbereich (112) umfasst.
Wärmeübertrager (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsbereich (118) für das Reaktionsmedium in den Schneckenförderbereich (112) mündet oder abschnittsweise durch den Schneckenförderbereich (112) gebildet ist und/oder ein von einem Leitungsbereich (122) für das Wärmeträgermedium verschiedener Leitungsbereich (118) ist.
Wärmespeichervorrichtung (148) zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme, umfassend mindestens einen Wärmeübertrager (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.
Wärmespeichervorrichtung (148) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (148) ferner Folgendes umfasst: - eine Förderanlage (152) zum Fördern von entladenem Speichermedium; - eine Förderanlage (152) zum Fördern von beladenem Speichermedium; - einen oder mehrere Speicherbehälter (150) zur Lagerung von entladenem Speichermedium und/oder beladenem Speichermedium.