DE102016202285A1

DE102016202285A1 - Wärmeübertragungsvorrichtung und Verfahren zum Übertragen von Wärme

Info

Publication number: DE102016202285A1
Application number: DE102016202285.7A
Authority: DE
Inventors: Henning Jockenhöfer; Markus Seitz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: DE102016202285B4

Abstract

Um eine Wärmeübertragungsvorrichtung bereitzustellen, welche einfach aufgebaut ist und eine effiziente Wärmeübertragung zwischen zwei Materialien ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung Folgendes umfasst: einen oder mehrere Wärmeübertragungsabschnitte, wobei jeder Wärmeübertragungsabschnitt eine Wandung aufweist, die einen Speichermediumbereich zur Aufnahme von Speichermedium von einem Wärmeträgermediumbereich zur Aufnahme von Wärmeträgermedium trennt; eine Bewegungsvorrichtung zum Herausbewegen von Speichermedium aus dem Speichermediumbereich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Dampf unter Verwendung von zuvor gespeicherter Wärme.
Wärmespeicher können beispielsweise in solarthermischen Kraftwerken, zur Flexibilisierung von konventionellen Kraftwerken und/oder zur Effizienzsteigerung von verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt werden. Beispielsweise dann, wenn ein aufzuheizendes Fluid einen Phasenwechsel durchlaufen soll, beispielsweise zur Verdampfung von Wasser in einem Dampfkraftprozess, kann für den Bereich des Phasenwechsels ein Latentwärmespeicher verwendet werden. Dies ermöglicht eine nahezu konstante, treibende Temperaturdifferenz und verursacht vorzugsweise geringere Exergieverluste bei der Verdampfung als sensible Speicherkonzepte.
Verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Übertragen, Speichern und/oder Bereitstellen von Wärme sind beispielsweise aus folgenden Druckschriften bekannt: DE 10 2013 208 973 A1 ; US 4,911,232 A , DE 10 2010 009 181 A1 ; DE 28 26 058 A1 ; WO 96/14543 A1 .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungsvorrichtung bereitzustellen, welche einfach aufgebaut ist und eine effiziente Wärmeübertragung zwischen zwei Materialien ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem Speichermedium auf ein Wärmeträgermedium gelöst, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung Folgendes umfasst:
einen oder mehrere Wärmeübertragungsabschnitte, wobei jeder Wärmeübertragungsabschnitt eine Wandung aufweist, die einen Speichermediumbereich zur Aufnahme von Speichermedium von einem Wärmeträgermediumbereich zur Aufnahme von Wärmeträgermedium trennt;
eine Bewegungsvorrichtung zum Herausbewegen von Speichermedium aus dem Speichermediumbereich.
Dadurch, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung erfindungsgemäß eine Bewegungsvorrichtung zum Herausbewegen von Speichermedium aus dem Speichermediumbereich eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte umfasst, kann in dem einen oder den mehreren Wärmeübertragungsabschnitten eine besonders effiziente Wärmeübertragung realisiert werden. Insbesondere kann es hierdurch ermöglicht werden, bereits erkaltetes, insbesondere erstarrtes, Speichermedium aus dem Speichermediumbereich zu entfernen und durch erhitztes, insbesondere flüssiges, Speichermedium zu ersetzen, so dass im Wärmeübertragungsabschnitt stets eine effiziente Wärmeübertragung von heißem Speichermedium auf das zu erhitzende Wärmeträgermedium ermöglicht wird.
Die Wandung des einen oder der mehreren Wärmeübertragungsabschnitte ist vorzugsweise wärmeleitfähig ausgebildet.
Günstig kann es sein, wenn das Speichermedium ein Latentwärmespeichermaterial ist oder umfasst.
Beispielsweise kann das Speichermedium ein Salz sein.
Die Bewegungsvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Kompressionsvorrichtung, mittels welcher ein Innendruck in der Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte variierbar ist.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte eine Innenwandung, welche mit Speichermedium in unmittelbaren Kontakt kommt, und/oder eine Außenwandung, welche mit Wärmeträgermedium in unmittelbaren Kontakt kommt, umfasst.
Günstig kann es sein, wenn der Innendruck der Wandung ein zwischen der Innenwandung und der Außenwandung herrschender Druck ist.
Es kann vorgesehen sein, dass mittels der Bewegungsvorrichtung ein Druck variierbar ist, welcher durch die Wandung des Wärmeübertragungsabschnitts oder der Wärmeübertragungsabschnitte auf das im Speichermediumbereich angeordnete Speichermedium wirkt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mittels der Kompressionsvorrichtung ein Druck variierbar ist, welcher durch die Innenwandung der Wandung des einen oder der mehreren Wärmeübertragungsabschnitte auf das im Speichermediumbereich angeordnete Speichermedium wirkt.
Mittels der Bewegungsvorrichtung ist vorzugsweise ein Innendruck in der Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte steuerbar und/oder regelbar.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Bewegungsvorrichtung ein Druckfluid umfasst, welches zur Erhöhung eines Innendrucks der Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte einem Innenraum der Wandung zuführbar oder aus demselben entfernbar ist.
Günstig kann es sein, wenn das Druckfluid Druckwasser und/oder Thermoöl umfasst oder aus Druckwasser oder Thermoöl gebildet ist.
Die Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte ist vorzugsweise konusförmig ausgebildet.
Es kann vorgesehen sein, dass die Innenwandung und/oder die Außenwandung der Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte konusförmig ausgebildet ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Innenwandung und/oder die Außenwandung der Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte zylinderförmig ausgebildet ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte, insbesondere die Innenwandung der Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte, bezüglich einer Schwerkraftrichtung nach unten erweiternd ausgebildet ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte einen zumindest näherungsweise ringförmigen Querschnitt aufweist. Eine Innenwandung und/oder eine Außenwandung der Wandung weist dabei vorzugsweise einen von einer Kreisringform abweichenden Querschnitt auf. Beispielsweise kann ein sternförmiger oder regelmäßig polygonaler Querschnitt vorgesehen sein.
Ein Querschnitt ist dabei insbesondere ein in einer senkrecht zur Bewegungsrichtung des Speichermediums verlaufenden Ebene genommener Schnitt.
Die Bewegungsrichtung ist insbesondere diejenige Richtung, in welcher das Speichermedium durch den Wärmeübertragungsabschnitt oder die Wärmeübertragungsabschnitte hindurchführbar ist.
Vorzugsweise ist die Bewegungsrichtung die Schwerkraftrichtung.
Durch die von der Kreisringform abweichende Querschnittsform der Innenwandung und/oder der Außenwandung ist vorzugsweise eine Oberflächenvergrößerung zur Optimierung der Wärmeübertragung realisierbar.
Günstig kann es sein, wenn die Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte abschnittsweise oder vollständig flexibel ausgebildet ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Innenwandung und/oder die Außenwandung einer Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte abschnittsweise oder vollständig flexibel ausgebildet ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn nur die Innenwandung oder nur die Außenwandung einer Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte abschnittsweise oder vollständig flexibel ausgebildet ist. Die Außenwandung bzw. die Innenwandung ist dann entsprechend fest, unflexibel und/oder unnachgiebig ausgebildet.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung eine Zerkleinerungsvorrichtung zum Zerkleinern von erstarrtem Speichermedium umfasst.
Mittels der Zerkleinerungsvorrichtung können insbesondere fest Speichermediumblöcke zerkleinert werden.
Festes Speichermedium ist insbesondere in der Wärmeübertragungsvorrichtung erstarrtes Speichermedium.
Unter "fest" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen der feste Aggregatzustand zu verstehen.
Unter "flüssig" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen der flüssige Aggregatzustand zu verstehen.
Ein Speichermediumblock ist vorzugsweise ein Gebilde aus erstarrtem Speichermedium, welches sich im Speichermediumbereich gebildet hat.
Ein Speichermediumblock ist insbesondere ein Pfropfen.
Vorzugsweise ist ein Speichermediumblock im Wesentlichen komplementär zu dem Speichermediumbereich ausgebildet.
Vorzugsweise weist der Speichermediumblock eine durch die innere Oberfläche der Innenwandung einer Wandung eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte vorgegebene Form auf.
Der Speichermediumblock ist vorzugsweise durch Zuführen, insbesondere Nachführen, von flüssigem Speichermedium zu dem Speichermediumbereich aus dem Speichermediumbereich entfernbar, insbesondere herausdrückbar.
Mittels der Zerkleinerungsvorrichtung ist das erstarrte Speichermedium vorzugsweise mechanisch bearbeitbar, insbesondere granulierbar.
Günstig kann es sein, wenn die Wärmeübertragungsvorrichtung einen oder mehrere Wärmeübertragungsabschnitte umfasst.
Jeder Wärmeübertragungsabschnitt umfasst vorzugsweise einen bezüglich einer Schwerkraftrichtung nach unten hin öffnenden Speichermediumbereich.
Eine Zerkleinerungsvorrichtung der Wärmeübertragungsvorrichtung schließt sich vorzugsweise in der Schwerkraftrichtung nach unten hin an den einen oder die mehreren Speichermediumbereiche an.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zerkleinerungsvorrichtung eine Abschervorrichtung zum Abscheren von aus dem Speichermediumbereich herausbewegtem Speichermedium ist.
Mittels der Zerkleinerungsvorrichtung ist vorzugsweise aus dem Speichermediumbereich herausbewegtes Speichermedium granulierbar.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Wärmespeichervorrichtung.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Wärmespeichervorrichtung, welche insbesondere einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der Wärmeübertragungsvorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweist.
Die Wärmespeichervorrichtung umfasst vorzugsweise eine oder mehrere erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtungen.
Ferner umfasst die Wärmespeichervorrichtung vorzugsweise Folgendes:
einen als Flüssigspeicher ausgebildeten Speicherbehälter zur Aufnahme und/oder Speicherung von flüssigem Speichermedium; und/oder
einen als Feststoffspeicher ausgebildeten Speicherbehälter zur Aufnahme
und/oder Speicherung von festem Speichermedium; und/oder eine Schmelzvorrichtung zum Aufschmelzen von festem Speichermedium;
und/oder
eine Fördervorrichtung zum Fördern von festem Speichermedium von der Wärmeübertragungsvorrichtung zu dem Feststoffspeicher und/oder von dem Feststoffspeicher zu der Schmelzvorrichtung und/oder von der Wärmeübertragungsvorrichtung zu der Schmelzvorrichtung; und/oder
eine Pumpvorrichtung zum Fördern von flüssigem Speichermedium von der Schmelzvorrichtung zu dem Flüssigspeicher und/oder von dem Flüssigspeicher zu der Wärmeübertragungsvorrichtung und/oder von der Schmelzvorrichtung zu der Wärmeübertragungsvorrichtung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Übertragen von Wärme von einem Speichermedium auf ein Wärmeträgermedium.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem eine effiziente Wärmeübertragung durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Übertragen von Wärme von einem Speichermedium auf ein Wärmeträgermedium gelöst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Zuführen von Wärmeträgermedium und von flüssigem Speichermedium zu einem oder mehreren Wärmeübertragungsabschnitten einer Wärmeübertragungsvorrichtung, wobei das Wärmeträgermedium und das Speichermedium mittels einer Wandung des einen oder der mehreren Wärmeübertragungsabschnitte voneinander getrennt sind;
Übertragen von Wärme von dem flüssigen Speichermedium auf das Wärmeträgermedium, wodurch das flüssige Speichermedium erstarrt;
Herausbewegen des erstarrten Speichermediums aus dem Wärmeübertragungsabschnitt.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung und/oder der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Vorzugsweise eignen sich die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ferner sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen vorzugsweise ausgebildet und eingerichtet, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Innendruck der Wandung des einen oder der mehreren Wärmeübertragungsabschnitte alternierend abgesenkt und/oder erhöht wird, insbesondere derart, dass ein höherer Druck vorliegt, wenn flüssiges Speichermedium im Wärmeübertragungsabschnitt angeordnet ist und/oder Wärme auf das Wärmeträgermedium übertragen wird, und/oder dass ein geringerer Druck vorliegt, wenn erstarrtes Speichermedium im Wärmeübertragungsabschnitt angeordnet ist und/oder aus dem Wärmeübertragungsabschnitt entfernt wird.
Durch diese Variation des Innendrucks der Wandung des einen oder der mehreren Wärmeübertragungsabschnitte kann insbesondere ein einfaches Entfernen von erstarrtem Speichermedium aus dem jeweiligen Wärmeübertragungsabschnitt ermöglicht werden.
Günstig kann es sein, wenn aus dem Wärmeübertragungsabschnitt entferntes erstarrtes Speichermedium zerkleinert, insbesondere granuliert wird.
Das Speichermedium und das Wärmeträgermedium werden vorzugsweise in einander entgegengesetzten Richtungen durch den oder die Wärmeübertragungsabschnitte hindurchgeführt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Speichermedium in der Schwerkraftrichtung nach unten durch den einen oder die mehreren Wärmeübertragungsabschnitte hindurchgeführt wird.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium entgegen der Schwerkraftrichtung nach oben durch den einen oder die mehreren Wärmeübertragungsabschnitte hindurchgeführt wird.
Es kann jedoch auch eine umgekehrte Hindurchführung des Speichermediums und/oder des Wärmeträgermediums durch den einen oder die mehreren Wärmeübertragungsabschnitte vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und/oder das erfindungsgemäße Verfahren dienen insbesondere zur Bereitstellung von Dampf, insbesondere Wasserdampf.
Das Wärmeträgermedium ist vorzugsweise Wasser, welches insbesondere flüssig zu der Wärmeübertragungsvorrichtung zugeführt und dampfförmig aus der Wärmeübertragungsvorrichtung abgeführt wird.
Vorzugsweise wird bei der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung und/oder der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung ein Ort der Wärmeübertragung von dem Ort der Wärmespeicherung getrennt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Wärmeübertragungsleistung von der Wärmespeicherkapazität getrennt wird oder trennbar ist.
Durch Variation des dem einen oder den mehreren Wärmeübertragungsabschnitten zugeführten Speichermediummassenstroms und/oder Speichermediumvolumenstroms kann vorzugsweise eine Wärmeübertragungsleistung und/oder ein Wärmekapazitätsstrom eingestellt, insbesondere gesteuert und/oder geregelt werden.
Vorzugsweise kann ein Massenstrom und/oder ein Volumenstrom des der Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere dem einen oder den mehreren Wärmeübertragungsabschnitten, zugeführten Wärmeträgermediums variiert, insbesondere gesteuert und/oder geregelt werden.
Durch geeignete Wahl der Massenströme und/oder Volumenströme des Speichermediums und/oder des Wärmeträgermediums kann vorzugsweise eine abgegebene thermische Leistung bei konstanten Austrittsbedingungen optimiert werden.
Vorzugsweise kann die Wärmeübertragungsvorrichtung ohne wärmeübertragende Strukturen, beispielsweise Rippenstrukturen aus Aluminium oder sonstige wärmeübertragende Elemente, auskommen. Hierdurch ist ein besonders einfacher Aufbau mit geringem Bauraumbedarf möglich.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Wärmespeichervorrichtung, welche eine Wärmeübertragungsvorrichtung umfasst;
2 eine schematische Schnittdarstellung der Wärmeübertragungsvorrichtung aus 1;
3 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines Wärmeübertragungsabschnitts der Wärmeübertragungsvorrichtung aus 2; und
4 einen schematischen Querschnitt durch den Wärmeübertragungsabschnitt aus 3 längs der Linie 4-4 in 3.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Wärmespeichervorrichtung dient zur Aufnahme, Speicherung und/oder Bereitstellung von Wärme.
Die Wärmespeichervorrichtung 100 kann beispielsweise in verschiedenen Kraftwerken und Industrieprozessen zur Anwendung kommen, insbesondere um Wärme unabhängig von einer Wärmequelle bereitstellen zu können.
Die Wärmespeichervorrichtung 100 kann beispielsweise genutzt werden, um Wasserdampf für ein Dampfkraftwerk bereitzustellen.
Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst eine Wärmeübertragungsvorrichtung 102, mittels welcher Wärme von einem Speichermedium 104 auf ein Wärmeträgermedium 106 übertragbar ist.
Das Speichermedium 104 ist insbesondere ein Latentwärmespeichermaterial.
Das Wärmeträgermedium 106 ist insbesondere Wasser.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 102 umfasst vorzugsweise eine Zuführvorrichtung 108 zur Zuführung von Wärmeträgermedium 106 zu mehreren Wärmeübertragungsabschnitten 110 der Wärmeübertragungsvorrichtung 102.
Mittels einer Abführvorrichtung 112 der Wärmeübertragungsvorrichtung 102 kann vorzugsweise erhitztes, insbesondere verdampftes, Wärmeträgermedium 106 von den Wärmeübertragungsabschnitten 110 entfernt werden.
Die Zuführvorrichtung 108 ist insbesondere eine Flüssigkeitsleitung 114.
Die Abführvorrichtung 112 ist insbesondere eine Dampfleitung 116.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 102 ist insbesondere eine Verdampfungsvorrichtung 118 zum Verdampfen von Wärmeträgermedium 106.
Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst ferner einen Speicherbehälter 120, welcher als Flüssigspeicher 122 ausgebildet ist, und einen Speicherbehälter 120, welcher als Feststoffspeicher 124 ausgebildet ist.
Der Flüssigspeicher 122 dient der Aufnahme von flüssigem Speichermedium 104.
Der Feststoffspeicher 124 dient der Aufnahme von Speichermedium 104 im festen Aggregatzustand.
Mittels einer Pumpenvorrichtung 126 der Wärmespeichervorrichtung 100 kann flüssiges Speichermedium 104 gefördert werden.
Mittels einer Fördervorrichtung 128 der Wärmespeichervorrichtung 100 kann festes Speichermedium 104 gefördert werden.
Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst schließlich noch eine Schmelzvorrichtung 130 zum Aufschmelzen von festem Speichermedium 104.
Die Schmelzvorrichtung 130 umfasst insbesondere eine Heizvorrichtung 132 zur Zuführung von Wärme und somit zum Aufheizen und Verflüssigen des Speichermediums 104.
Mittels der Fördervorrichtung 128 kann insbesondere in der Wärmeübertragungsvorrichtung 102 erstarrtes Speichermedium 104 zu dem Speicherbehälter 120, welcher als Feststoffspeicher 124 ausgebildet ist, und/oder zu der Schmelzvorrichtung 130 zugeführt werden.
Mittels der Pumpenvorrichtung 126 kann insbesondere flüssiges Speichermedium 104 aus der Schmelzvorrichtung 130 zu dem Speicherbehälter 120, welcher als Flüssigspeicher 122 ausgebildet ist, und/oder zu der Wärmeübertragungsvorrichtung 102 zugeführt werden.
Wie der vergrößerten Darstellung der Wärmeübertragungsvorrichtung 102 in 2 zu entnehmen ist, umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 102 mehrere Wärmeübertragungsabschnitte 110, welche insbesondere jeweils eine Wandung 134 umfassen.
Die Wandung 134 trennt einen Wärmeträgermediumbereich 136 von einem Speichermediumbereich 138.
Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das Wärmeträgermedium 106 in direkten Kontakt mit dem Speichermedium 104 gelangt.
Der Speichermediumbereich 138 ist vorzugsweise bezüglich der Schwerkraftrichtung g nach unten erweiternd ausgebildet.
Insbesondere ist ein im Wesentlichen konusförmiger Verlauf des von der Wandung 134 umgebenen Speichermediumbereichs 138 vorgesehen (siehe auch 3).
Mittels einer Verteilerleitung 140 der Wärmeübertragungsvorrichtung 102 kann vorzugsweise flüssiges Speichermedium 104 zu den Speichermediumbereichen 138 der Wärmeübertragungsabschnitte 110 zugeführt werden.
Die in dem flüssigen Speichermedium 104 enthaltene Wärme ist insbesondere durch die Wandungen 134 auf das in dem Wärmeträgermediumbereich 136 angeordnete Wärmeträgermedium 106 übertragbar.
Dieses Wärmeträgermedium 106 strömt vorzugsweise entgegen der Schwerkraftrichtung g durch die Wärmeübertragungsabschnitte 110.
Die Wärmeübertragung erfolgt somit im Gegenstromprinzip.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 102 umfasst ferner vorzugsweise eine Zerkleinerungsvorrichtung 142.
Die Zerkleinerungsvorrichtung 142 ist insbesondere eine Abschervorrichtung 144.
Vorzugsweise ist die Zerkleinerungsvorrichtung 142 bezüglich der Schwerkraftrichtung g direkt unter den Wärmeübertragungsabschnitten 110 angeordnet.
Die als Abschervorrichtung 144 ausgebildete Zerkleinerungsvorrichtung 142 umfasst vorzugsweise ein Abscherelement 146, welches relativ zu den Wärmeübertragungsabschnitten 110 bewegbar ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Abscherelement 146 um eine Rotationsachse 148 drehbar ist.
Mittels des Abscherelements 146 kann insbesondere nach unten aus den Wärmeübertragungsabschnitten 110, insbesondere aus den Speichermediumbereichen 138 der Wärmeübertragungsabschnitte 110, herausragendes oder herausgedrücktes erstarrtes Speichermedium 104 abgeschert werden.
Das erstarrte Speichermedium 104 ist insbesondere granulierbar.
Das Abscherelement 146 der Zerkleinerungsvorrichtung 142 kann beispielsweise als eine rotierende Lochscheibe ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist mittels des Abscherelements 146 ein Auslass des Speichermediumbereichs 138 eines jeden Wärmeübertragungsabschnitts 110 alternierend verschließbar und freigebbar.
Unter der Zerkleinerungsvorrichtung 142 ist vorzugsweise die Fördervorrichtung 128 oder zumindest ein Teil der Fördervorrichtung 128 angeordnet.
Die Fördervorrichtung 128 umfasst beispielsweise ein Förderband 150, mittels welchem das zerkleinerte, insbesondere granulierte, Speichermedium 104 auffangbar und zu dem Speicherbehälter 120, welcher als Feststoffspeicher 124 ausgebildet ist, förderbar ist.
Wie insbesondere den 3 und 4 zu entnehmen ist, umfasst die Wandung 134 eines jeden Wärmeübertragungsabschnitts 110 vorzugsweise eine Innenwandung 152 und eine Außenwandung 154 sowie einen dazwischen angeordneten Innenraum 156.
Die Innenwandung 152 der Wandung 134 kommt vorzugsweise unmittelbar mit dem Speichermedium 104 in Kontakt.
Die Außenwandung 154 kommt vorzugsweise unmittelbar mit dem Wärmeträgermedium 106 in Kontakt.
Der Innenraum 156 dient vorzugsweise als Druckkammer 158.
Der Innenraum 156 ist insbesondere mit einem Druckfluid 160 füllbar.
Vorzugsweise umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 102 eine Bewegungsvorrichtung 162 zum Bewegen des Speichermediums 104, insbesondere zum Herausbewegen des Speichermediums 104 aus dem Speichermediumbereich 138.
Die Bewegungsvorrichtung 162 umfasst vorzugsweise eine Kompressionsvorrichtung 164, mittels welcher der Innenraum 156 zwischen der Innenwandung 152 und der Außenwandung 154 einer jeden Wandung 134 mit einem variierenden Druck beaufschlagbar ist.
Die Innenwandung 152 und/oder die Außenwandung 154 ist vorzugsweise zumindest abschnittsweise flexibel ausgebildet.
Der im Innenraum 156 der Wandung 134 herrschende Druck kann somit auf das Speichermedium 104 bzw. das Wärmeträgermedium 106 wirken.
Wie insbesondere 4 zu entnehmen ist, kann die Außenwandung 154 beispielsweise zylindrisch ausgebildet sein.
Insbesondere kann eine Kreiszylinderform der Außenwandung 154 vorgesehen sein.
Die Innenwandung 152 ist vorzugsweise im Wesentlichen konusförmig ausgebildet, weist dabei jedoch vorzugsweise keine Kreisform als Basisform auf. Vielmehr kann beispielsweise eine sternförmige Querschnittsform der Innenwandung 152 vorgesehen sein. Hierdurch kann insbesondere eine vergrößerte Oberfläche zur optimierten Wärmeübertragung gebildet sein.
Die vorstehend beschriebene Wärmespeichervorrichtung 100, insbesondere die Wärmeübertragungsvorrichtung 102, funktioniert wie folgt:
Über die Verteilerleitung 140 wird flüssiges Speichermedium 104 in die Speichermediumbereiche 138 der Wärmeübertragungsabschnitte 110 eingeleitet.
Zudem wird über die Zuführvorrichtung 108 Wärmeträgermedium 106 in die Wärmeträgermediumbereiche 136 der Wärmeübertragungsabschnitte 110 eingeleitet.
Aufgrund der bestehenden Temperaturunterschiede, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass das Speichermedium 104 eine höhere Temperatur aufweist als das Wärmeträgermedium 106, ergibt sich eine Wärmeübertragung, vorzugsweise von dem Speichermedium 104 auf das Wärmeträgermedium 106.
Das Speichermedium 104 kann dabei erstarren. Das Wärmeträgermedium 106 kann dabei verdampfen.
Das erstarrte Speichermedium 104 wird vorzugsweise aus den Speichermediumbereichen 138 der Wärmeübertragungsabschnitte 110 entfernt. Hierzu ist insbesondere eine als Losbrecheinrichtung dienende Bewegungsvorrichtung 162 vorgesehen.
Diese Bewegungsvorrichtung 162 funktioniert wie folgt:
Während der Zuführung von flüssigem Speichermedium 104 und/oder während der Wärmeübertragung von dem Speichermedium 104 auf das Wärmeträgermedium 106 liegt vorzugsweise in größerer Druck im Innenraum 156 an, als wenn das erstarrte Speichermedium 104 aus den Speichermediumbereichen 138 entfernt werden soll. Aufgrund der vorzugsweise flexiblen Ausgestaltung der Innenwandung 152 kann hierdurch während des Erstarrens des Speichermediums 104 eine gewünschte maximale Ausdehnung des Speichermediums 104 im Speichermediumbereich 138 vorgegeben werden.
Durch anschließende Druckreduktion im Innenraum 156 kann das erstarrte Speichermedium 104 einfach von der Innenwandung 152 abgelöst und aus dem Speichermediumbereich 138 entfernt werden.
Insbesondere kann durch einen erhöhten Druck des über die Verteilerleitung 140 zugeführten flüssigen Speichermediums 104 bewirkt werden, dass das erstarrte Speichermedium 104 bezüglich der Schwerkraftrichtung g nach unten aus den Speichermediumbereichen 138 herausgedrückt wird.
Dadurch, dass den Wärmeübertragungsabschnitten 110 regelmäßig frisches heißes, insbesondere flüssiges, Speichermedium 104 zuführbar ist, kann die Wärmeübertragung in den Wärmeübertragungsabschnitten 110 besonders effizient und auf kompaktem Raum durchgeführt werden.
Insbesondere kann hierdurch einfach und effizient dampfförmiges Wärmeträgermedium 106 bereitgestellt werden.
Für den weiteren Betrieb der Wärmespeichervorrichtung 100 kann vorgesehen sein, dass mittels einer Zerkleinerungsvorrichtung 142 das erstarrte Speichermedium 104 zerkleinert, insbesondere granuliert, wird.
Das erstarrte Speichermedium 104 wird dann insbesondere mittels der Fördervorrichtung 128 dem als Feststoffspeicher 124 ausgebildeten Speicherbehälter 120 zugeführt und dort zwischengelagert.
Zur erneuten Aufnahme von Wärme mittels der Wärmespeichervorrichtung 100 wird die Schmelzvorrichtung 130 in Betrieb genommen.
Hierzu wird festes Speichermedium 104 zu der Schmelzvorrichtung 130 zugeführt und mittels der Heizvorrichtung 132 erhitzt.
Durch dieses Erhitzen des Speichermediums 104 wird dieses verflüssigt und kann dann in flüssiger Form in dem als Flüssigspeicher 122 ausgebildeten Speicherbehälter 120 zwischengespeichert werden.
Das im Flüssigspeicher 122 gespeicherte Speichermedium 104 steht dann zur erneuten Wärmebereitstellung zur Verfügung und kann somit erneut der Wärmeübertragungsvorrichtung 102 zugeführt werden.
Aufgrund der räumlichen Trennung der Wärmeübertragung von dem Speicherort kann die Speicherkapazität durch geeignete Dimensionierung der Speicherbehälter 120 beliebig gewählt werden. Insbesondere kann die Speicherkapazität unabhängig von einer ebenfalls beliebig wählbaren Wärmeübertragungskapazität festgelegt werden.
Die Wärmeübertragungskapazität hängt im Wesentlichen von der Ausgestaltung und dem Betrieb der Wärmeübertragungsvorrichtung 102 ab. Beispielsweise kann durch eine geeignete Wahl der Anzahl der Wärmeübertragungsabschnitte 110 und/oder durch Variation des Massenstroms und/oder Volumenstroms des zugeführten Speichermediums 104 und/oder des zugeführten Wärmeträgermediums 106 eine gewünschte Wärmeübertragungsleistung eingestellt werden.
Bezugszeichenliste

100: Wärmespeichervorrichtung
102: Wärmeübertragungsvorrichtung
104: Speichermedium
106: Wärmeträgermedium
108: Zuführvorrichtung
110: Wärmeübertragungsabschnitt
112: Abführvorrichtung
114: Flüssigkeitsleitung
116: Dampfleitung
118: Verdampfungsvorrichtung
120: Speicherbehälter
122: Flüssigspeicher
124: Feststoffspeicher
126: Pumpvorrichtung
128: Fördervorrichtung
130: Schmelzvorrichtung
132: Heizvorrichtung
134: Wandung
136: Wärmeträgermediumbereich
138: Speichermediumbereich
140: Verteilerleitung
142: Zerkleinerungsvorrichtung
144: Abschervorrichtung
146: Abscherelement
148: Rotationsachse
150: Förderband
152: Innenwandung
154: Außenwandung
156: Innenraum
158: Druckkammer
160: Druckfluid
162: Bewegungsvorrichtung
164: Kompressionsvorrichtung
g: Schwerkraftrichtung

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 102013208973 A1 [0003]
US 4911232 A [0003]
DE 102010009181 A1 [0003]
DE 2826058 A1 [0003]
WO 96/14543 A1 [0003]

Claims

Wärmeübertragungsvorrichtung (102) zur Übertragung von Wärme von einem Speichermedium (104) auf ein Wärmeträgermedium (106), wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung (102) Folgendes umfasst: – einen oder mehrere Wärmeübertragungsabschnitte (110), wobei jeder Wärmeübertragungsabschnitt (110) eine Wandung (134) aufweist, die einen Speichermediumbereich (138) zur Aufnahme von Speichermedium (104) von einem Wärmeträgermediumbereich (136) zur Aufnahme von Wärmeträgermedium (106) trennt; – eine Bewegungsvorrichtung (162) zum Herausbewegen von Speichermedium (104) aus dem Speichermediumbereich (138).
Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (104) ein Latentwärmespeichermaterial ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung (162) eine Kompressionsvorrichtung (164) umfasst, mittels welcher ein Innendruck in der Wandung (134) eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte (110) variierbar ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (134) eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte (110) eine Innenwandung (152), welche mit Speichermedium (104) in unmittelbaren Kontakt kommt, und/oder eine Außenwandung (154), welche mit Wärmeträgermedium (106) in unmittelbaren Kontakt kommt, umfasst.
Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung (162) ein Druckfluid (160) umfasst, welches zur Erhöhung eines Innendrucks der Wandung (134) eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte (110) einem Innenraum (156) der Wandung (134) zuführbar ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (134) eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte (110) konusförmig ausgebildet ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung (134) eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte (110) einen zumindest näherungsweise ringförmigen Querschnitt aufweist, wobei eine Innenwandung (152) und/oder eine Außenwandung (154) der Wandung (134) einen von einer Kreisringform abweichenden Querschnitt, beispielsweise einen sternförmigen oder regelmäßig polygonalen Querschnitt, aufweist.
Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (134) eines oder mehrerer Wärmeübertragungsabschnitte (110) abschnittsweise oder vollständig flexibel ausgebildet ist.
Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (102) eine Zerkleinerungsvorrichtung (142) zum Zerkleinern von erstarrtem Speichermedium (104), insbesondere zum Zerkleinern von festen Speichermediumblöcken, umfasst.
Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (102) einen oder mehrere Wärmeübertragungsabschnitte (110) umfasst, wobei jeder Wärmeübertragungsabschnitt (110) einen sich bezüglich einer Schwerkraftrichtung (g) nach unten hin öffnenden Speichermediumbereich (138) umfasst, wobei eine Zerkleinerungsvorrichtung (142) der Wärmeübertragungsvorrichtung (102) sich in der Schwerkraftrichtung (g) nach unten hin an den einen oder die mehreren Speichermediumbereiche (138) anschließt.
Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungsvorrichtung (142) eine Abschervorrichtung (144) zum Abscheren von aus dem Speichermediumbereich (138) herausbewegtem Speichermedium (104) ist.
Wärmespeichervorrichtung (100), umfassend eine Wärmeübertragungsvorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (100) ferner Folgendes umfasst: – einen als Flüssigspeicher (122) ausgebildeten Speicherbehälter (120) zur Aufnahme und Speicherung von flüssigem Speichermedium (104); und/oder – einen als Feststoffspeicher (124) ausgebildeten Speicherbehälter (120) zur Aufnahme und Speicherung von festem Speichermedium (104); und/oder – eine Schmelzvorrichtung (130) zum Aufschmelzen von festem Speichermedium (104); und/oder – eine Fördervorrichtung (128) zum Fördern von festem Speichermedium (104) von der Wärmeübertragungsvorrichtung (102) zu dem Feststoffspeicher (124) und/oder von dem Feststoffspeicher (124) zu der Schmelzvorrichtung (130) und/oder von der Wärmeübertragungsvorrichtung (102) zu der Schmelzvorrichtung (130); und/oder – eine Pumpvorrichtung (126) zum Fördern von flüssigem Speichermedium (104) von der Schmelzvorrichtung (130) zu dem Flüssigspeicher (122) und/oder von dem Flüssigspeicher (122) zu der Wärmeübertragungsvorrichtung (102) und/oder von der Schmelzvorrichtung (130) zu der Wärmeübertragungsvorrichtung (102).
Verfahren zum Übertragen von Wärme von einem Speichermedium (104) auf ein Wärmeträgermedium (106), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: – Zuführen von Wärmeträgermedium (106) und von flüssigem Speichermedium (104) zu einem oder mehreren Wärmeübertragungsabschnitten (110) einer Wärmeübertragungsvorrichtung (102), wobei das Wärmeträgermedium (106) und das Speichermedium (104) mittels einer Wandung (134) des einen oder der mehreren Wärmeübertragungsabschnitte (110) voneinander getrennt sind; – Übertragen von Wärme von dem flüssigen Speichermedium (104) auf das Wärmeträgermedium (106), wodurch das flüssige Speichermedium (104) erstarrt; – Herausbewegen des erstarrten Speichermediums (104) aus dem Wärmeübertragungsabschnitt (110).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innendruck der Wandung (134) des einen oder der mehreren Wärmeübertragungsabschnitte (110) alternierend abgesenkt und/oder erhöht wird, insbesondere derart, dass ein höherer Druck vorliegt, wenn flüssiges Speichermedium (104) im Wärmeübertragungsabschnitt (110) angeordnet ist und Wärme auf das Wärmeträgermedium (106) übertragen wird, und/oder dass ein geringerer Druck vorliegt, wenn erstarrtes Speichermedium (104) im Wärmeübertragungsabschnitt (110) angeordnet ist und/oder aus dem Wärmeübertragungsabschnitt (110) entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Wärmeübertragungsabschnitt (110) entferntes erstarrtes Speichermedium (104) zerkleinert, insbesondere granuliert, wird.