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Die Erfindung betrifft eine Dampfbadsaunaanlage mit einer Saunakabine, einer Verdampfungseinrichtung.
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Bei Saunas unterscheidet man grundsätzlich zwischen einer herkömmlichen Sauna, auch finnische Sauna genannt, und einer Dampfbadsauna mit niedrigerer Temperatur und höherer Luftfeuchtigkeit. Während des Betriebs einer Sauna wird eine relativ große Wärmemenge benötigt, um Dampf und/oder Heißluft zu erzeugen. Im Stand der Technik wird deshalb der Einsatz thermischer Energiespeicher vorgeschlagen, in denen zumindest ein Teil der für den Betrieb einer Sauna benötigten Wärmemenge während einer Aufladeperiode auch vor der Saunabenutzung gespeichert und bei Bedarf während einer Entladeperiode abgegeben werden kann. Durch die Verwendung thermischer Energiespeicher kann auf den Einsatz teurer und ökologisch weniger nachhaltiger elektrischer Energiespeicher verzichtet werden. Erzeugte thermische Energie kann direkt als solche in einem thermischen Energiespeicher gespeichert werden und muss nicht erst zur Speicherung in elektrischen Strom umgewandelt und anschließend wieder in thermische Energie rückumgewandelt werden.
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Thermische Energiespeicher sind nicht nur auf dem Gebiet der Saunatechnik bekannt, weshalb im Folgenden der Vollständigkeit halber zunächst im Allgemeinen auf vorbekannte thermische Energiespeicher eingegangen wird.
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Aus der
DE 10 2013 211 249 A1 ist ein Solarturm-Kraftwerk mit einem Receiver, in dem ein Wärmeträgermedium, nämlich Luft, mittels Sonnenenergie erhitzt und der größte Teil der erhitzten Luft einer Dampfturbinenanlage zugeführt wird, um heißen Dampf zur Stromerzeugung zu erzeugen, bekannt. Das Solarturm-Kraftwerk umfasst auch einen thermischen Energiespeicher mit einem Wärmespeichermaterial, insbesondere einem Feststoffwärmespeichermaterial, in Form einer Wabenstruktur mit Kanälen, durch die heiße Luft durchgeleitet wird, um hierbei Wärme an das Wärmespeichermaterial in unmittelbarem Kontakt mit diesem abzugeben. Die im thermischen Energiespeicher gespeicherte Wärme wird dann genutzt, um bei der Dampferzeugung abgekühlte Luft erneut zu erwärmen. Hierzu wird die kalte Luft ebenfalls durch den thermischen Energiespeicher geleitet und hierbei aufgeheizt. Der thermische Energiespeicher der
DE 10 2013 211 249 A1 ist somit nicht zur Dampferzeugung geeignet, denn diese erfolgt in einer separaten Einheit außerhalb des thermischen Energiespeichers.
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In der
WO 2015/056260 A1 ist ein thermischer Energiespeicher zum Einsatz bei der Stromerzeugung mittels Dampfturbinen beziehungsweise zum Einsatz in Solarparks beschrieben. Der thermische Energiespeicher umfasst einen Behälter, in dessen Aufnahmeraum sich ein Phasenwechselmaterial befindet. Von einer solarthermischen Anlage führt eine Wärmeträgerfluidrohrleitung in den Aufnahmeraum, erstreckt sich in dessen Längsrichtung und tritt dann auf derselben Seite des Behälters wieder aus dem Behälter hinaus, um sich unter Bildung eines Wärmeträgerfluidkreislaufs zurück zu der solarthermischen Anlage zu erstrecken. Auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters führt eine Wärmeaufnahmerohrleitung in den Aufnahmeraum des Behälters hinein, erstreckt sich in dessen Längsrichtung und tritt dann auf derselben Seite des Behälters wieder aus dem Behälter hinaus. An einem Ende der Wärmeaufnahmerohrleitung wird kühles Wasser zugeführt, das am anderen Ende der Wärmeaufnahmerohrleitung als heißes Wasser oder Dampf austritt. Nachteilig bei dem System der
WO 2015/056260 A1 ist jedoch, dass die von der solarthermischen Anlage zur Verfügung gestellte thermische Energie nicht optimal ausgenutzt werden kann.
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Im Folgenden wird auf vorbekannte thermische Energiespeicher auf dem Gebiet der Saunatechnik eingegangen.
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Aus der
DE 10 2007 047 567 A1 ist beispielsweise ein thermischer Energiespeicher für Saunas bekannt, der mittels regenerativer Energiequellen aufgeheizt werden kann. Hierbei wird Wasser, das sich in dem Energiespeicher befindet, auf eine Temperatur zwischen 65°C und 95°C aufgeheizt. Der Energiespeicher dient nur zum Aufheizen eines Saunaraums, eine Verdampfung des sich im Energiespeicher befindlichen Wassers ist nicht vorgesehen. Aus dem Stand der Technik sind auch rein elektrisch betriebene Saunas und/oder Saunas bekannt, bei denen durch einen Netzanschluss - gegebenenfalls einen Starkstromanschluss - bereitgestellte elektrische Energie beispielsweise mittels einer Widerstandsheizung in thermische Energie umgewandelt und dann in einem thermischen Energiespeicher gespeichert wird.
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Eine weitere Heizanlage für eine Sauna mit einem thermischen Energiespeicher ist in der
DE 20 2012 101 501 U1 beschrieben. Diese Heizanlage ist für das vorübergehende Verdampfen von Flüssigkeit in einer Sauna bestimmt und umfasst einen Behälter, der an seinem Boden eine mit einem Röhrensiphon verbundene Flüssigkeitsauslassöffnung und in der Nähe des Bodens eine Luftzufuhröffnung aufweist. An seiner Oberseite ist der Behälter offen ausgebildet. Innerhalb des Behälters ist ein thermischer Energiespeicher in Form eines Schüttguts aus Steinen oder Latentwärmespeichern angeordnet. Der Einsatz eines Latentwärmespeichers, der Phasenwechselmaterialien nutzt, ermöglicht verglichen mit herkömmlichen Speichermedien wie beispielsweise Steinen eine Speicherung deutlich größerer Energiemengen.
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Auch kann thermische Energie durch den Einsatz eines Phasenwechselmaterials größtenteils bei konstanter Temperatur gespeichert werden, so dass zur Verdampfung größerer Wassermengen keine hohe Speichermaterialtemperatur nötig ist. In Mitten des Schüttguts befinden sich Heizmittel zur Erwärmung des thermischen Energiespeichers. Des Weiteren umfasst die Heizanlage ein Luftgebläse sowie eine Zuführeinrichtung für eine zu verdampfende Flüssigkeit.
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Während des Betriebs der Heizanlage wird der thermische Energiespeicher zunächst mit Hilfe der Heizmittel beladen. Bei der Bereitung eines Saunaaufgusses wird eine Flüssigkeit mit Hilfe der Zuführeinrichtung auf die Oberfläche des beladenen thermischen Energiespeichers aufgegossen, um sie zu verdampfen, wodurch der thermische Energiespeicher zumindest teilweise entladen wird. Gleichzeitig wird von dem Luftgebläse ein Luftstrom erzeugt, der über die Luftzuführöffnung in den Innenraum des Behälters gelangt und das mit der Flüssigkeit begossene Schüttgut von unten nach oben durchströmt, um den erzeugten Dampf durch die offene Oberseite des Behälters auszutragen. Nicht verdampfte Flüssigkeit verlässt den Behälter über den Röhrensiphon.
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Die Heizanlage der
DE 20 2012 101 501 U1 ist lediglich für eine kurzfristige Erzeugung von Dampf während eines Aufgusses, nicht jedoch für ein kontinuierliches Verdampfen einer Flüssigkeit für den Betrieb einer Dampfbadsauna vorgesehen und ist auch nicht dazu geeignet. Bei der Heizanlage der
DE 20 2012 101 501 U1 tropft die zu verdampfende Flüssigkeit direkt auf das Schüttgut, kommt also unmittelbar mit den Latentwärmespeichern in Kontakt. Die Flüssigkeit sickert so lange in das Schüttgut ein und steht somit so lange in thermischem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial, bis sie genügend Wärme aufgenommen hat, um zu verdampfen. Es kann sein, das eine erste Flüssigkeitsmenge, die zu Beginn des Aufgusses auf einen vollständig beladenen thermischen Energiespeicher trifft, direkt in der obersten Schüttgutschicht verdampft. Ebenso ist es möglich, dass eine weitere Flüssigkeitsmenge in einer bereits entladenen und abgekühlten ersten Schüttgutschicht nicht genug Wärme aufnehmen kann, um dort zu verdampfen. Diese Flüssigkeitsmenge dringt dann in tiefere Schüttgutschichten ein und verdampft erst dort. Auf die zuvor beschriebene Weise kann kein Dampf gleichbleibender Qualität, d.h. insbesondere gleichbleibender Dampfmenge und/ oder Dampftemperatur, erzeugt werden, der für den Betrieb einer Dampfbadsauna benötigt wird.
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Demgegenüber schlägt die
DE 43 45 141 A1 einen als Latentwärmespeicher benutzten Behälter, der einen Innenraum definiert, der mit Paraffin als Phasenwechselmaterial gefüllt ist und durch den Rohre verlaufen, vor. Die Rohre sind in thermischem Kontakt mit dem Paraffin, um eine Wärmeleitung von einem Rohr in das Paraffin und umgekehrt zu ermöglichen. Zum einen kann ein Wärmeträgermedium, das durch eine Heizung oder Solaranlage erhitzt wurde, zwecks einer Wärmeabgabe an das Paraffin über ein Rohr in den Behälter eingeleitet, durch den Innenraum des Behälters geführt und anschließend wieder aus dem Behälter geführt werden. Daraufhin wird das erkaltete Wärmeträgermedium zur erneuten Wärmeaufnahme zur Solaranlage zurückgeführt. Zum anderen kann Brauchwasser über ein weiteres Rohr den Behälter durchströmen und wird hierbei unter Kristallisierung des Paraffins erhitzt, bevor es zum Gebrauch wieder entnommen wird. Bei dem Behälter beziehungsweise dessen Innenraum handelt es sich insbesondere um Hohlräume in Sitzbänken oder Wänden eines Saunaraumes, wobei die gespeicherte Wärme an Saunagäste abgegeben werden kann. Nachteilig bei dem System der
DE 43 45 141 A1 ist jedoch, dass die von der Solaranlage zur Verfügung gestellte thermische Energie nicht optimal ausgenutzt werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dampfbadsaunaanlage bereit zu stellen, die möglichst effizient betrieben werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Dampfbadsaunaanlage vor mit einer Saunakabine, einer Verdampfungseinrichtung mit einem Behälter, der einen Aufnahmeraum für ein Phasenwechselmaterial definiert, und Heizmitteln, die ausgebildet sind, um thermische Energie an den Aufnahmeraum abzugeben und ein Aufschmelzen eines darin befindlichen Phasenwechselmaterials zu bewirken, wobei mindestens ein als Verdampfungskanal ausgebildeter Wärmeaufnahmekanal innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist, der an seinem einen Ende einen Anschluss zur Zuleitung einer unter Wärmeaufnahme zu verdampfenden Flüssigkeit und an seinem anderen Ende eine Dampfaustrittsöffnung aufweist, und einem Energiebereitstellungssystem, das über Leitungen mit den Heizmitteln der Verdampfungseinrichtung verbunden ist, wobei das Energiebereitstellungssystem eine Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie umfasst und die Heizmittel der Verdampfungseinrichtung einen Wärmeträgerfluidkanal umfassen, der innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist und endseitig Anschlüsse aufweist, die über Wärmeträgerfluidleitungen unter Bildung eines geschlossenen Wärmeträgerfluidkreislaufs mit der Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie verbunden sind, wobei die Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie derart ausgebildet ist, dass ein zweiphasiges Wärmeträgerfluid bei einem Wärmeeintrag in der Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie verdampft, um im dampfförmigen Zustand dem Wärmeträgerfluidkanal zugeleitet zu werden, um dort durch Abgabe von thermischer Energie an den Aufnahmeraum zu kondensieren.
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Der Erfindung liegt somit die Überlegung zugrunde, einen Verdampfungskanal innerhalb des Aufnahmeraums eines Behälters einer Verdampfungseinrichtung vorzusehen, der einen Weg vorgibt, entlang dem eine zu verdampfende Flüssigkeit den Behälter durchströmt. Während des Durchströmens des Verdampfungskanals steht die Flüssigkeit über die Wandung des Verdampfungskanals in einem mittelbaren thermischen Kontakt mit einem Phasenwechselmaterial, das sich während des Betriebs der Verdampfungseinrichtung innerhalb des Behälters befindet. Das Phasenwechselmaterial kann eine Schmelztemperatur zwischen 110 °C und 140 °C, bevorzugt zwischen 110 °C und 120 °C haben. Bevorzugt handelt es sich bei dem Phasenwechselmaterial um Erythritol. Da das Phasenwechselmaterial auch in thermischem Kontakt mit den Heizmitteln steht, kann dem Phasenwechselmaterial bei einem sogenannten Beladungsvorgang thermische Energie zugeführt werden, was zu einer Phasenumwandlung, insbesondere einem Aufschmelzen, zumindest eines Teils des Phasenwechselmaterials führt, wodurch thermische Energie im Phasenwechselmaterial gespeichert wird. Bei einem sogenannten Entladungsvorgang, der entweder gleichzeitig mit der Beladung oder zeitlich versetzt zu dieser erfolgen kann, wird in dem Phasenwechselmaterial gespeicherte thermische Energie durch eine Phasenrückumwandlung, insbesondere ein Erstarren, zumindest eines Teils des Phasenwechselmaterials freigesetzt und über die Wandung des Verdampfungskanals an die zu verdampfende Flüssigkeit innerhalb des Verdampfungskanals abgegeben. Die Zeit, in der die zu verdampfende Flüssigkeit in thermischem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial steht und somit ein Wärmeeintrag in die zu verdampfende Flüssigkeit stattfinden kann, lässt sich über die Länge des erfindungsgemäßen Verdampfungskanals und/oder über die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch den Verdampfungskanal einstellen. Somit lässt sich der Wärmeeintrag in die zu verdampfende Flüssigkeit steuern, ohne die Heizleistung des Phasenwechselmaterials anpassen zu müssen. Durch eine derartige Steuerung des Verdampfungsprozesses kann ein Dampf gleichbleibender Qualität erzeugt werden.
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Da die Dampfbadsaunaanlage ein eigenes Energiebereitstellungssystem aufweist, kann sie unabhängig vom Vorhandensein eines allgemeinen Stromnetzes betrieben werden. Die Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie ist insbesondere ein solarthermischer Kollektor zum Umwandeln von Sonnenenergie in thermische Energie und/oder ein aerothermischer Generator zum Umwandeln von Windenergie in thermische Energie. Sowohl der solarthermische Kollektor als auch der aerothermische Generator erzeugen einen heißen Wärmeträgerfluidstrom. Durch die Nutzung von thermischer Energie kann zumindest teilweise auf die Nutzung von elektrischer Energie aus nicht ökologisch nachhaltigen Energiequellen verzichtet werden. Durch den Einsatz ökologisch nachhaltiger Energiequellen werden während dem Betrieb der Dampfbadsaunaanlage keine Schadstoffe oder Treibhausgase erzeugt, wie dies bei klassischen Saunas, die mit Holz oder Gas betrieben werden, der Fall ist.
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Dadurch, dass der Wärmeträgerfluidkanal innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist, kommt seine Wandung in thermischem Kontakt mit einem sich in dem Aufnahmeraum befindlichen Phasenwechselmaterial. Durch die Verdampfung des Wärmeträgerfluides in der Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie kann die von derselben zur Verfügung gestellte thermische Energie optimal ausgenutzt werden. Da sowohl das Wärmeträgerfluid als auch das Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel vollziehen und dabei bei beiden Stoffen die Temperatur im Wesentlichen konstant bleibt, wird zur Erzeugung eines ausreichenden Wärmestromes nur eine geringe Temperaturdifferenz benötigt. Eine geringere Temperaturdifferenz führt wiederum zu einer geringeren Entropieerzeugung und dadurch einer geringeren Energievernichtung. Zudem kann bei einem zweiphasigen Betrieb des Wärmeträgerfluidkreislaufs durch die zusätzlich ausgenutzte Verdampfungsenthalpie verglichen mit einem einphasigen Betrieb des Wärmeträgerfluidkreislaufs eine größere Wärmemenge transportiert werden.
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Zweckmäßigerweise verzweigt sich der Verdampfungskanal innerhalb des Behälters hinter seinem Anschluss in mehrere parallel durchströmte Kanalabschnitte, die vor der Dampfaustrittsöffnung des Verdampfungskanals wieder zusammengeführt werden, wobei die Kanalabschnitte insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Mehrere parallel durchströmte Kanalabschnitte des Verdampfungskanals sind vorteilhaft, da sie einen Wärmeeintrag in die zu verdampfende Flüssigkeit nicht nur an einer Stelle, sondern gleichzeitig an mehreren unterschiedlichen Stellen innerhalb des Behälters ermöglichen, wodurch das Phasenwechselmaterial gleichmäßig entladen wird. Zudem erhöht sich bei mehreren parallel durchströmten Kanalabschnitten im Vergleich mit einem einzigen nicht verzweigten Verdampfungskanal die Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Phasenwechselmaterial und der zu verdampfenden Flüssigkeit, so dass die zu verdampfende Flüssigkeit schneller erhitzt werden kann. Ferner lässt sich durch eine geeignete Dimensionierung des Gesamtströmungsquerschnitts der parallelen Kanalabschnitte im Innenraum des Behälters in Bezug auf den Strömungsquerschnitt des nicht verzweigten Verdampfungskanals die Strömungsgeschwindigkeit der zu verdampfenden Flüssigkeit im Innenraum des Behälters einstellen. Ist der Gesamtströmungsquerschnitt, der sich durch die Summe der Querschnitte der Kanalabschnitte ergibt, größer als der Strömungsquerschnitt des nicht verzweigten Verdampfungskanals, so weist die Flüssigkeit innerhalb der Kanalabschnitte eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit auf als innerhalb des nicht verzweigten Verdampfungskanals. Eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit ist beispielsweise sinnvoll, wenn das Phasenwechselmaterial eine geringe Heizleistung aufweist. Ist der Gesamtströmungsquerschnitt hingegen kleiner als der Strömungsquerschnitt des nicht verzweigten Verdampfungskanals, so weist die Flüssigkeit innerhalb der Kanalabschnitte eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit auf. Verlaufen die Kanalabschnitte parallel zueinander ist dies besonders platzsparend.
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In mindestens einem der Kanalabschnitte kann ein Ventil angeordnet sein, das mittels einer Steuerung geöffnet und geschlossen werden kann, um eine Durchströmung des hinter dem Ventil liegenden Teils des Kanalabschnitts zu ermöglichen oder zu verhindern. Wird durch ein Schließen eines Ventils die Durchströmung des entsprechenden Kanalabschnitts verhindert, so verringert sich automatisch die in dem verzweigten Bereich zur Verfügung stehende Gesamtströmungsquerschnittsfläche, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit der zu verdampfenden Flüssigkeit innerhalb der verbleibenden Kanalabschnitte erhöht, ohne dass hierfür der Volumenstrom der zugeführten Flüssigkeit insgesamt verändert werden muss.
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Vorteilhaft befinden sich die beiden Enden des Verdampfungskanals jeweils innerhalb einer zugehörigen Durchgangsöffnung der Wandung des Behälters. Alternativ können die beiden Enden des Verdampfungskanals aus dem Behälter ragen, wodurch sie sich beispielsweise problemlos mit einem Zuleitungsrohr für eine zu verdampfende Flüssigkeit und/oder mit einem Ableitungsrohr für erzeugten Dampf verschweißen lassen.
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Der Behälter weist bevorzugt eine hohlzylindrische Form auf. Ferner kann die Verdampfungseinrichtung einen wärmeisolierenden, die Wandung des Behälters zumindest teilweise umschließenden Außenmantel umfassen und/oder kann der Behälter mit einer Vakuumisolierung versehen sein. Durch den wärmeisolierenden Außenmantel und/oder die Vakuumisolierung lassen sich Wärmeverluste verringern und somit die Energieeffizienz der Verdampfungseinrichtung steigern.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verzweigt sich der Wärmeträgerfluidkanal innerhalb des Behälters hinter seinem einen Anschluss in mehrere parallel durchströmte Kanalabschnitte, die vor dem anderen Anschluss des Wärmeträgerfluidkanals wieder zusammengeführt werden, wobei die Kanalabschnitte insbesondere im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Wie in den Kanalabschnitten des Verdampfungskanals kann auch in mindestens einem Kanalabschnitt des Wärmeträgerfluidkanals ein Ventil angeordnet sein, das mittels einer Steuerung geöffnet und geschlossen werden kann, um eine Durchströmung des hinter dem Ventil liegenden Teils des Kanalabschnitts zu ermöglichen oder zu verhindern. Durch die Verzweigung des Wärmeträgerfluidkanals und die darin angeordneten Ventile ergeben sich ähnliche Vorteile wie bereits im Zusammenhang mit dem Verdampfungskanal beschrieben. Vorteilhaft befinden sich die beiden Enden des Wärmeträgerfluidkanals innerhalb einer zugehörigen Durchgangsöffnung der Wandung des Behälters. Alternativ können die beiden Enden des Wärmeträgerfluidkanals aus dem Behälter ragen, wodurch sie sich beispielsweise problemlos mit den Wärmeträgerfluidleitungen verschweißen lassen.
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Bevorzugt ist der Wärmeaufnahmekanal und/oder der Wärmeträgerfluidkanal mit einer Wärmeleitstruktur versehen, die Rippen umfasst. Auf diese Weise wird selbst im Falle einer relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechsel- oder Speichermaterials eine relativ hohe Be- und Entladeleistung gewährleistet. Die Wärmeleitfähigkeit kann weiter verbessert werden, indem die Rippen Verzweigungen aufweisen. Der Wärmeträgerfluidkanal und der Wärmeaufnahmekanal sind insbesondere mit Wärmeleitstrukturen unterschiedlicher Art versehen.
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Bei den Rippen kann es sich um Tellerrippen handeln, die von dem Wärmeaufnahmekanal und/oder dem Wärmeträgerfluidkanal radial nach außen abragen - weshalb sie auch als radiale Tellerrippen bezeichnet werden können - und in Axialrichtung voneinander beanstandet sind, wobei die Tellerrippen bevorzugt parallel zueinander verlaufen. Im Falle eines verzweigten Wärmeaufnahmekanals und/oder Wärmeträgerfluidkanals können bevorzugt alle Kanalabschnitte jeweils mit einer Wärmeleitstruktur versehen sein.
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Alternativ kann die Wärmeleitstruktur mehrere Ringsegmente umfassen, die nach außen abragende Rippen tragen, wobei die Ringsegmente in der Umfangsrichtung des Wärmeaufnahmekanals und/oder des Wärmeträgerfluidkanals und/oder eines Kanalabschnitts im Falle eines verzweigten Kanals nebeneinander liegen und den Wärmeaufnahmekanal und/oder den Wärmeträgerfluidkanal jeweils entlang eines Teils seines Umfangs umgreifen und wobei benachbarte Ringsegmente insbesondere mittels federelastischer Spannmittel, beispielsweise aus Stahl, insbesondere Federstahl, aneinander befestigt sind. Aufgrund ihrer Federelastizität stellen die Spannmittel einen guten thermischen Kontakt zwischen dem jeweiligen Kanal oder Kanalabschnitt und den Ringsegmenten und entsprechend eine gute wärmetechnische Anbindung zwischen dem jeweiligen Kanal oder Kanalabschnitt und den Rippen sicher, da sie auf thermische Materialausdehnungen, insbesondere auf eine unterschiedliche Wärmeausdehnung unterschiedlicher Materialien der miteinander verbundenen Komponenten flexibel reagieren.
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Die federelastischen Spannmittel können als elastische Klammerelemente ausgebildet sein, die im Querschnitt eine C-förmige Grundform mit einem Basisabschnitt und zwei von gegenüberliegenden Seiten des Basisabschnitts abragenden Klammerabschnitten, deren freie Enden insbesondere aufeinander zu laufen, aufweisen. Die Ringsegmente weisen in diesem Fall an ihren in Umfangsrichtung weisenden Enden nach außen ragende Verklammerungsstege auf, wobei die nebeneinander liegenden Verklammerungsstege von jeweils zwei benachbarten Ringsegmenten von den Klammerelementen, die als Biegeteile ausgebildet werden können, umgriffen werden, um die Ringsegmente gegeneinander zu spannen. An die freien Enden der Klammerabschnitte können sich voneinander weg weisende Endabschnitte anschließen, so dass die Klammerelemente jeweils einen im Wesentlichen Omega-förmigen Querschnitt aufweisen. Die Endabschnitte dienen als Aufschiebehilfe, wenn die Klammerelemente axial auf die Verklammerungsstege der Ringsegmente aufgeschoben werden. Die Verklammerungsstege erstrecken sich wie die Rippen vorzugsweise über die gesamte Länge der Ringsegmente und in vorteilhafter Weise erstrecken sich die Klammerelemente wiederum in Längsrichtung des jeweiligen Kanals oder Kanalabschnitts entlang der gesamten Länge der Verklammerungsstege, um die Ringsegmente über ihre gesamte Länge gegeneinander zu spannen und damit in thermischen Kontakt mit dem jeweiligen Kanal oder Kanalabschnitt zu halten.
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Bevorzugt sind die Ringsegmente als Strangpressprofile ausgebildet und sind die Rippen axial extrudierte Rippen. Beim Strangpressen handelt es sich um ein preiswertes Herstellungsverfahren. Außerdem ist in diesem Fall der Querschnitt der Rippen in Längsrichtung des jeweiligen Kanals oder Kanalabschnitts konstant, was eine freie Volumenausdehnung eines sich in dem Behälter der Verdampfungseinrichtung befindlichen Phasenwechselmaterials in Längsrichtung des jeweiligen Kanals oder Kanalabschnitts gestattet. Somit können thermomechanische Spannungen, die durch die Volumenausdehnung des Phasenwechselmaterials verursacht werden, eliminiert oder zumindest reduziert werden.
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Vorteilhafterweise sind die Geometrie des jeweiligen Kanals oder Kanalabschnitts und die der Ringsegmente derart aufeinander abgestimmt, dass die Ringsegmente zumindest im Wesentlichen vollflächig an dem jeweiligen Kanal oder Kanalabschnitt anliegen. Auf diese Weise wird ein guter Wärmeübergang von dem jeweiligen Kanal oder Kanalabschnitt auf die Ringsegmente sichergestellt.
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Zweckmäßigerweise erstrecken sich der mindestens eine Verdampfungskanal und/oder der mindestens eine Wärmeträgerfluidkanal zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Behälters, beispielsweise in vertikaler Richtung. Die Verdampfungs- und Wärmeträgerfluidkanäle können zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Verdampfungskanal und dem Wärmeträgerfluidkanal um gegenläufig durchströmte Kanäle. Beispielsweise kann der Verdampfungskanal von einer zu verdampfenden Flüssigkeit von unten nach oben durchströmt werden, wohingegen der Wärmeträgerfluidkanal von einem Wärmeträgerfluid entsprechend von oben nach unten durchströmt wird. Eine Durchströmung des Verdampfungskanals von unten nach oben ist sinnvoll, da der heiße Dampf der verdampften Flüssigkeit physikalisch bedingt, also ohne eine zwingend benötigte Pumpe oder Ventilator, den Verdampfungskanal oben aus seiner Dampfaustrittsöffnung verlässt.
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Bevorzugt sind der mindestens eine Verdampfungskanal und/oder der mindestens eine Wärmeträgerfluidkanal als Rohrleitungen, insbesondere als geradlinige, hohlzylindrische Rohrleitungen und/oder als insbesondere geradlinige Schächte mit einem zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Der Aufbau des Behälters mit den Kanälen kann also dem eines Rohrbündelwärmeübertrager und/oder Plattenwärmeübertragers ähneln. Insbesondere hohlzylindrische Rohrleitungen sind in den unterschiedlichsten Ausführungen auf dem Markt erhältlich, leicht herzustellen und kostengünstig zu erwerben.
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Zusätzlich oder alternativ zu dem mindestens einen Wärmeträgerfluidkanal können die Heizmittel eine elektrisch betriebene Heizvorrichtung, insbesondere eine Widerstandsheizung, eine Strahlungsheizung und/oder eine Induktionsheizung, umfassen.
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Zweckmäßigerweise ist in einer Wärmeträgerfluidleitung zwischen der Verdampfungseinrichtung und der Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie eine Pumpe zum Bewegen eines Wärmeträgerfluides innerhalb des Wärmeträgerfluidkreislaufs angeordnet.
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Vorteilhaft umfasst die Dampfbadsaunaanlage weiter einen Wärmeträgerfluidanschluss zum Zuführen und/oder Nachfüllen von Wärmeträgerfluid in den Wärmeträgerfluidkreislauf, der über ein Leitungsstück mit einer der Wärmeträgerfluidleitungen fluidverbunden ist. Ein Nachfüllen des Wärmeträgerfluides ist in regelmäßigen Zeitabständen beispielsweise aufgrund von kleinen Leckagen nötig. Das Wärmeträgerfluid kann Thermoöl, Wasser oder eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist in einer Wärmeträgerfluidleitung zwischen dem Wärmeträgerfluidkanal und der Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie stromabwärts des Wärmeträgerfluidkanals - also in Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids nach dem Wärmeträgerfluidkanal - ein sensibler Wärmespeicher angeordnet und ist der Wärmeträgerfluidkreislauf derart ausgebildet, dass das Wärmeträgerfluid innerhalb des Wärmeträgerfluidkanals auf eine Temperatur unterhalb der Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials abgekühlt und zumindest ein Teil der restlichen Wärme, gegebenenfalls die gesamte restliche Wärme, des Wärmeträgerfluids in dem sensiblen Wärmespeicher aufgenommen wird.
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Ein Abschnitt einer Frischwasserleitung zwischen einem Frischwasseranschluss und dem Anschluss zur Zuleitung der unter Wärmeaufnahme zu verdampfenden Flüssigkeit des Wärmeaufnahmekanals kann derart durch einen sensiblen Wärmespeicher, bevorzugt den zuvor beschriebenen sensiblen Wärmespeicher innerhalb des Wärmeträgerfluidkreislaufs, verlaufen, dass die Flüssigkeit in thermischem Kontakt mit einem sensiblen Speichermaterial des sensiblen Wärmespeichers steht, um von diesem vorgewärmt zu werden, bevor die Flüssigkeit zur weiteren Wärmeaufnahme durch den Wärmeaufnahmekanal strömt. Beim Fließen der Flüssigkeit durch den Wärmeaufnahmekanal wird der Latentwärmespeicher zumindest teilweise entladen. Somit kann die in dem sensiblen Wärmespeicher gespeicherte Wärme sinnvoll genutzt werden, um die Flüssigkeit vorzuwärmen.
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Beispielsweise beträgt die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials 118°C und wird das Wärmeträgerfluid innerhalb des Wärmeträgerfluidkanals auf 100°C abgekühlt. In diesem Fall ist das Wärmeträgerfluid noch relativ heiß, weshalb die restliche Wärme in dem sensiblen Wärmespeicher mit einem sensiblen Speichermaterial, beispielsweise Wasser, aufgenommen werden kann, wobei sich das sensible Speichermaterial erhitzt.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Energiebereitstellungssystem eine Bereitstellungsvorrichtung für elektrische Energie, insbesondere eine Photovoltaikanlage zum Umwandeln von Sonnenenergie in elektrische Energie und/oder einen Windgenerator zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Energie, umfassen. Die erzeugte elektrische Energie kann in einem elektrischen Energiespeicher, also einer Batterie, gespeichert werden, wird jedoch bevorzugt direkt in thermische Energie umgewandelt. Beispielsweise ist die Bereitstellungsvorrichtung für elektrische Energie über eine elektrische Leitung mit einer elektrisch betriebenen Heizvorrichtung, insbesondere eine Widerstandsheizung, eine Strahlungsheizung und/oder eine Induktionsheizung, der Verdampfungseinrichtung verbunden, um dieser die erzeugte elektrische Energie direkt zuzuführen.
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Zweckmäßigerweise ist eine Steuerung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Abgabe von thermischer Energie an den Aufnahmeraum der Verdampfungseinrichtung zu regeln. Die Steuerung ist bevorzugt dazu eingerichtet, die Strömung des Wärmeträgerfluides innerhalb des Wärmeträgerfluidkreislaufs zu regeln. Eine solche Regelung kann in einem Erhöhen oder Erniedrigen der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgerfluides und/oder in einem Schließen oder Öffnen von Ventilen innerhalb des Wärmeträgerfluidkanals bestehen. Durch Regelung der Strömung des Wärmeträgerfluides wird die Zeit gesteuert, die das Wärmeträgerfluid in thermischem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial steht.
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Vorteilhafterweise befindet sich die Verdampfungseinrichtung innerhalb der Saunakabine und steht die Dampfaustrittsöffnung der Verdampfungseinrichtung in Fluidverbindung mit dem Innenraum der Saunakabine. Auf diese Weise tragen Wärmeverluste der Verdampfungseinrichtung zur Aufheizung der Saunakabine bei.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Dampfbadsaunaanlage einen thermoelektrischen Generator zum Umwandeln von in dem sich in dem Aufnahmeraum befindlichen Phasenwechselmaterial gespeicherter thermischer Energie in elektrische Energie umfassen, um in der Dampfbadsaunaanlage benötigte elektrische Geräte zu betreiben. Bei diesen Geräten kann es sich beispielsweise um Beleuchtungen, Pumpen, etc. handeln.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Verdampfungseinrichtung sowie jeweils zweier Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dampfbadsaunaanlage unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer Verdampfungseinrichtung;
- 2 eine schematische Ansicht einer Verdampfungseinrichtung;
- 3 eine schematische Ansicht einer Dampfbadsaunaanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Ansicht einer Dampfbadsaunaanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine schematische Ansicht einer Heizanlage;
- 6 eine schematische Ansicht einer Heizanlage;
- 7 eine schematische perspektivische Ansicht eines mit axial extrudierten Rippen versehenen Wärmeträgerfluidkanals; und
- 8 eine schematische perspektivische Ansicht eines mit radialen Tellerrippen versehenen Wärmeträgerfluidkanals.
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Verdampfungseinrichtung 1, insbesondere für den Betrieb einer Dampfbadsauna. Die Verdampfungseinrichtung 1 umfasst einen hohlzylindrischen Behälter 2 mit einem Boden 3 und einem Deckel, der die Oberseite des Behälters 2 verschließt, wie durch einen Pfeil 4 in der 3 angedeutet ist. Der Behälter 2 definiert einen Aufnahmeraum 5. Die Wandung 6 des Behälters 2 ist allseitig von einem wärmeisolierenden Außenmantel 7 umgeben. Im Bereich des Bodens 3 und des Deckels des Behälters 2 sind die Wandung 6 und der Außenmantel 7 des Behälters 2 von zwei Durchgangsöffnungen 8 durchsetzt.
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Die Verdampfungseinrichtung 1 umfasst weiter Heizmittel 9, 10, die ausgebildet sind, um thermische Energie an den Aufnahmeraum 5 abzugeben. Die Heizmittel 9, 10 umfassen eine elektrisch betriebene Heizvorrichtung 9 in Form einer Widerstandsheizung, die innerhalb des Aufnahmeraumes 5 angeordnet ist. Des Weiteren umfassen die Heizmittel 9, 10 einen Wärmeträgerfluidkanal 10, der ebenfalls innerhalb des Aufnahmeraumes 5 angeordnet ist und der an seinen beiden Enden 11, 12 Anschlüsse zum Verbinden mit Wärmeträgerfluidleitungen 13, 14 eines Wärmeträgerfluidkreislaufs aufweist. Die Anschlüsse sind in der Zeichnung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Innerhalb des Aufnahmeraumes 5 ist zudem ein als Verdampfungskanal ausgebildeter Wärmeaufnahmekanal 15 angeordnet, der an seinem einen Ende 16 einen Anschluss für eine Zuleitung einer unter Wärmeaufnahme zu verdampfenden Flüssigkeit 17 beziehungsweise eine Flüssigkeitseintrittsöffnung 42 und an seinem anderen Ende 18 eine Dampfaustrittsöffnung 19 aufweist. Auch dieser Anschluss ist in der Zeichnung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Der Verdampfungskanal 15 ermöglicht eine Steuerung der Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit 17 in mittelbarem Kontakt mit dem Aufnahmeraum 5 durch den Behälter 2 strömt, und somit der Zeit, in der die Flüssigkeit 17 in mittelbarem Kontakt mit dem Aufnahmeraum 5 steht.
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Der Wärmeträgerfluidkanal 10 und der Verdampfungskanal 15 sind als geradlinige, hohlzylindrische Rohrleitungen ausgebildet und erstrecken sich parallel zueinander verlaufend in vertikaler Richtung zwischen dem Boden 3 und dem Deckel des Behälters 2, so dass sie im Wesentlichen einen rechten Winkel mit einer Bodenebene und einer Deckelebene bilden. Die beiden Enden 11, 12 des Wärmeträgerfluidkanals 10 und die beiden Enden 16, 18 des Verdampfungskanals 15 erstrecken sich jeweils durch eine der DurchgangsÖffnungen 8 und schließen bündig mit der Außenfläche des Außenmantels 7 des Behälters 2 ab.
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Der Aufnahmeraum 5 des Behälters 2 ist mit dem Phasenwechselmaterial Erythritol 20 gefüllt, welches eine Schmelztemperatur von in etwa 120 °C aufweist und in thermischem Kontakt sowohl mit der Widerstandsheizung 9 als auch mit den Wandungen des Wärmeträgerfluidkanals 10 und des Verdampfungskanals 15 steht.
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Die 2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Verdampfungseinrichtung 1. Die zweite Ausführungsform der Verdampfungseinrichtung 1 entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform der Verdampfungseinrichtung 1, mit dem Unterschied, dass sich der Verdampfungskanal 15 in der zweiten Ausführungsform innerhalb des Behälters 2 hinter seinem einen Ende 16 in mehrere parallel zueinander verlaufende und parallel durchströmte Kanalabschnitte 21, 22 verzweigt, die vor dem anderen Ende 18 des Verdampfungskanals 15 wieder zusammengeführt sind. Der Durchmesser der als hohlzylindrische Rohrleitungen ausgebildeten Kanalabschnitte 21, 22 ist hierbei so gewählt, dass die Summe der Querschnitte der Kanalabschnitte 21, 22 dem Querschnitt des nicht verzweigten Verdampfungskanals 15 entspricht. In der 2 ist beispielhaft eine Verzweigung in zwei Kanalabschnitte 21, 22 gezeigt. Eine derartige Verzweigung bewirkt eine Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Phasenwechselmaterial 20 und dem zu verdampfenden Wasser 17. Zudem ermöglichen mehrere Kanalabschnitte 21, 22, das Phasenwechselmaterial 20 an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Behälters 2 zu entladen. In einem dem Boden 3 des Behälters 2 zugewandten Endbereich jedes Kanalabschnitts 21, 22 ist jeweils ein Ventil 25 zum Öffnen und Verschließen eines hinter dem Ventil 25 liegenden Teils des Kanalabschnitts 21, 22 angeordnet. Durch Schließen eines der Ventile 25 wird eine Durchströmung eines der Kanalabschnitte 21, 22 durch das Wasser 17 verhindert, wodurch sich die für eine Durchströmung des Verdampfungskanals 15 zur Verfügung stehende Querschnittsfläche verringert und sich die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers 17 innerhalb des zumindest einen verbleibenden Kanalabschnitts 21, 22 vergrößert. Im dargestellten Fall von zwei Kanalabschnitten 21, 22 halbiert sich die Strömungsquerschnittsfläche und verdoppelt sich die Strömungsgeschwindigkeit.
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Auf eine ähnliche Weise verzweigt sich der Wärmeträgerfluidkanal 10 innerhalb des Behälters 2 hinter seinem einen Ende 11 in mehrere parallel zueinander verlaufende und parallel durchströmte Kanalabschnitte 23, 24, die vor dem anderen Ende 12 des Wärmeträgerfluidkanals 10 wieder zusammengeführt sind. Der Durchmesser der als hohlzylindrische Rohrleitungen ausgebildeten Kanalabschnitte 23, 24 ist so gewählt, dass die Summe der Querschnitte der Kanalabschnitte 23, 24 dem Querschnitt des nicht verzweigten Wärmeträgerfluidkanals 10 entspricht. In der 2 ist beispielhaft eine Verzweigung in zwei Kanalabschnitte 23, 24 gezeigt. Eine derartige Verzweigung bewirkt eine Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Wärmeträgerfluid 34 und dem Phasenwechselmaterial 20. Zudem ermöglichen mehrere Kanalabschnitte 23, 24, das Phasenwechselmaterial 20 an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Behälters 2 zu beladen. In einem dem Deckel des Behälters 2 zugewandten Endbereich jedes Kanalabschnitts 23, 24 ist jeweils ein Ventil 25 zum Öffnen und Verschließen eines hinter dem Ventil 25 liegenden Teils des Kanalabschnitts 23, 24 angeordnet. Durch Schließen eines der Ventile 25 der Kanalabschnitte 23, 24 wird eine Durchströmung eines der Kanalabschnitte 23, 24 durch das Wärmeträgerfluid 34 verhindert, wodurch sich die für eine Durchströmung des Wärmeträgerfluidkanals 10 zur Verfügung stehende Querschnittsfläche verringert und sich die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgerfluides 34 innerhalb des zumindest einen verbleibenden Kanalabschnitts 23, 24 vergrößert. Im dargestellten Fall von zwei Kanalabschnitten 23, 24 halbiert sich die Strömungsquerschnittsfläche und verdoppelt sich die Strömungsgeschwindigkeit.
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Die 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Dampfbadsaunaanlage 26 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese umfasst eine Saunakabine 27 mit vier Wänden, einem Boden und einem Dach, die einen Innenraum 28 definiert. Innerhalb der Saunakabine 27 befindet sich eine Verdampfungseinrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, so dass die Dampfaustrittsöffnung 19 der Verdampfungseinrichtung 1 in Fluidverbindung mit dem Innenraum 28 der Saunakabine 27 steht. Im Innenraum 28 der Saunakabine 27 befindet sich ebenfalls eine Sitz- und/oder Liegebank 29 für Dampfbadsaunagäste.
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Die Dampfbadsaunaanlage 26 weist auch ein von ökologisch nachhaltigen Energiequellen gespeistes Energiebereitstellungssystem 30 auf, welches eine Bereitstellungsvorrichtung für elektrische Energie 31, nämlich einen Windgenerator zum Umwandeln von Windenergie in elektrische Energie, umfasst. Der Windgenerator 31 ist auf dem Dach der Saunakabine 27 montiert und über eine elektrische Leitung 32 mit der Widerstandsheizung 9 verbunden. Zudem umfasst das Energiebereitstellungssystem 30 eine Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie 33, nämlich einen solarthermischen Kollektor zum Umwandeln von Sonnenenergie in thermische Energie. Der solarthermische Kollektor 33 ist ebenfalls auf dem Dach der Saunakabine 27 montiert und über Wärmeträgerfluidleitungen 13, 14 unter Bildung eines geschlossenen Wärmeträgerfluidkreislaufs mit den Anschlüssen des Wärmeträgerfluidkanals 10 verbunden. Bei dem im Wärmeträgerfluidkreislauf zirkulierenden Wärmeträgerfluid 34 handelt es sich um Wasser. In einer der Wände der Saunakabine 27 ist ein Wärmeträgerfluidanschluss 35 zum Zuführen und/oder Nachfüllen von Wärmeträgerfluid 34 in den Wärmeträgerfluidkreislauf angeordnet, der über ein Leitungsstück 36 mit der Wärmeträgerfluidleitung 14 fluidverbunden ist. In derselben Wärmeträgerfluidleitung 14 ist eine Pumpe 37 zum Bewegen des Wärmeträgerfluides 34 innerhalb des Wärmeträgerfluidkreislaufs angeordnet.
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Die Dampfbadsaunaanlage 26 umfasst zudem eine Steuerung 38, die dazu eingerichtet ist, die Abgabe von thermischer Energie an den Aufnahmeraum 5 der Verdampfungseinrichtung 1 zu steuern.
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Des Weiterem umfasst die Dampfbadsaunaanlage 26 einen Drucksensor zum Messen des Drucks des Wärmeträgerfluides 34 sowie eine Druckregulierungsvorrichtung zum Einstellen des Druckes des Wärmeträgerfluides 34. Der Übersichtlichkeit halber sind weder der Drucksensor noch die Druckregulierungsvorrichtung in der Zeichnung gezeigt.
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Bei der zu verdampfenden Flüssigkeit 17 handelt es sich um Frischwasser, das über eine Frischwasserleitung 39, die an ihrem einen Ende mit einem Anschluss des Verdampfungskanals 15 und an ihrem anderen Ende mit einem Frischwasseranschluss 40 verbunden ist, der in der Wand der Saunakabine 27 angeordnet ist, in der sich auch der Wärmeträgerfluidanschluss 35 befindet, dem Verdampfungskanal 15 zugeleitet werden kann.
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Während des Betriebs der Dampfbadsaunaanlage 26 werden die Wärmeträgerfluid- 10 und Verdampfungskanäle 15 gegenläufig mit Wasser 17, 34 durchströmt. Während das Wärmeträgerfluid 34 den Wärmeträgerfluidkanal 10 von oben nach unten durchströmt, durchströmt das Frischwasser 17 den Verdampfungskanal 15 von unten nach oben.
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Die Dampfbadsaunaanlage 26 wird mittels der Steuerung 38 derart gesteuert, dass das in dem Wärmeträgerfluidkreislauf zirkulierende Wasser 34 während des Vorgangs der Beladung des Phasenwechselmaterials 20 die Phase wechselt. Zunächst wird der Druck des Wassers 34 mittels der Druckregulierungsvorrichtung von 1 bar auf 2,7 bar erhöht, wodurch sich die Verdampfungstemperatur des Wassers 34 von 100 °C auf 130 °C erhöht. Das Wasser 34 verdampft dann bei einem Wärmeeintrag durch solare Strahlung im solarthermischen Kollektor 33 und wird unter dem Sog der Pumpe 37 im dampfförmigen Zustand 34b dem Wärmeträgerfluidkanal 10 zugeleitet. Innerhalb des Wärmeträgerfluidkanals 10 kondensiert das Wasser 34 bei Abgabe der Latentwärme vom dampfförmigen 34b in den flüssigen Zustand 34a. Ein Teil der abgegebenen Latentwärme wird über die Wandung des Wärmeträgerfluidkanals 10 an das Phasenwechselmaterial 20 im Aufnahmeraum 5 des Behälters 2 übertragen und von diesem aufgenommen, so dass ein Teil 20b des Phasenwechselmaterials 20 aufschmilzt. Das Aufschmelzen des Phasenwechselmaterials 20 wird mittels der Widerstandsheizung 9 unterstützt, die mit elektrischem Strom aus dem Windgenerator 26 betrieben wird. Zur vollständigen Beladung des Phasenwechselmaterials 20 wird so lange thermische Energie von dem Wärmeträgerfluid 34 beziehungsweise von der Widerstandsheizung 9 an das Phasenwechselmaterial 20 abgegeben, bis das Phasenwechselmaterial 20 vollständig aufgeschmolzen ist. Mittels der Steuerung 38 wird die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers 34 an den Beladungszustand des Phasenwechselmaterials 20 und/oder an die Temperatur des Dampfes 34b angepasst, um dadurch die zur Verfügung stehende Wärmeübertragungszeit zu erhöhen oder zu verringern.
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Während einem Entladungsvorgang des Phasenwechselmaterials 20 wird ein Teil der in dem Phasenwechselmaterial 20 gespeicherten thermischen Energie über die Wandung des Verdampfungskanals 15 an das flüssige Frischwasser 17a übertragen, welches mit einem Druck von 1 bar und einer Verdampfungstemperatur von etwa 100 °C auf Meeresniveau durch den Verdampfungskanal 15 strömt. Da die Verdampfungstemperatur des Frischwassers 17 unterhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials 20 liegt, kommt es zu einer Entladung des Phasenwechselmaterials 20 und einer Verdampfung des Frischwassers 17. Durch die Entladung erstarrt ein Teil 20a des Phasenwechselmaterials 20. Der erzeugte Wasserdampf 17b wird anschließend durch die Dampfaustrittsöffnung 19 in den Innenraum 28 der Saunakabine 27 geleitet, wobei die Temperatur und der Dampfgehalt innerhalb der Saunakabine 27 durch die erzeugte Dampfmenge und/oder die Dampftemperatur geregelt werden können.
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Je nachdem zu welcher Tages- und/oder Nachtzeit die Dampfbadsaunaanlage benutzt wird, erfolgen die Be- und Entladung des Phasenwechselmaterials 20 gleichzeitig oder zeitlich versetzt.
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Die 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Dampfbadsaunaanlage 26 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform der Dampfbadsaunaanlage 26 entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform der Dampfbadsaunaanlage 26, mit dem Unterschied, dass in einem Abschnitt der Wärmeträgerfluidleitung 14 zwischen dem Wärmeträgerfluidkanal 10 und der Pumpe 37 zusätzlich ein sensibler Wärmespeicher 43 angeordnet ist, der Wasser als sensibles Speichermaterial nutzt. Der sensible Wärmespeicher 43 befindet sich also stromabwärts des Wärmeträgerfluidkanals 10. Ein Abschnitt der Frischwasserleitung 39 zwischen dem Frischwasseranschluss 40 und dem Anschluss zur Zuleitung der unter Wärmeaufnahme zu verdampfenden Flüssigkeit 17 - hier Frischwasser - des Wärmeaufnahmekanals 15 verläuft derart durch den sensiblen Wärmespeicher 43, dass das Frischwasser während es die Frischwasserleitung 39 durchströmt in thermischem Kontakt mit dem sensiblen Speichermaterial des sensiblen Wärmespeichers 43 steht.
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Der Wärmeträgerfluidkreislauf ist derart ausgebildet, dass das Wärmeträgerfluid 34 innerhalb des Wärmeträgerfluidkanals 10 auf eine Temperatur von etwa 100°C, die offensichtlich unterhalb der Phasenwechseltemperatur von etwa 120°C des Phasenwechselmaterials 20 liegt, abgekühlt und zumindest ein Teil der restlichen Wärme des Wärmeträgerfluids 34 in dem sensiblen Wärmespeicher 43 aufgenommen wird, wobei sich das sensible Speichermaterial erhitzt. Der auf diese Weise beladene sensible Wärmespeicher 43 wird nun genutzt, um darin Frischwasser vorzuwärmen, bevor dieses zur weiteren Wärmeaufnahme und Verdampfung durch den Wärmeaufnahmekanal 15 strömt.
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Die 5 zeigt eine schematische Ansicht einer Heizanlage 41, die ähnlich arbeitet und aufgebaut ist wie die zuvor beschriebene Dampfbadsaunaanlage 26.. Die Komponenten der Heizanlage 41 entsprechen im Wesentlichen denen der zuvor beschriebenen Dampfbadsaunaanlage 26. Die Heizanlage 41 weist jedoch keine Widerstandsheizung 9 sowie keinen Frischwasseranschluss 40 und keine Frischwasserleitung 39 auf. Denn der Wärmeaufnahmekanal 15 der Heizanlage 41 ist im Gegensatz zu dem Wärmeaufnahmekanal 15 der Verdampfungseinrichtung 1 nicht als Verdampfungskanal für Wasser 17 ausgebildet. Auch die Saunakabine 27, innerhalb der sich die Heizanlage 41 befinden kann, ist in der 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Dementsprechend unterscheidet sich der Betrieb der Heizanlage 41 nur in wenigen Einzelheiten von dem zuvor beschriebenen Betrieb einer Dampfbadsaunaanlage 26. So wird in dem Wärmeaufnahmekanal 15 der Heizanlage 41 kein Wasser 17, sondern Luft aufgeheizt, wobei die aufgeheizte Luft den Wärmeaufnahmekanal 15 über eine Luftaustrittsöffnung 19 verlässt und aufzuheizende Luft über eine Lufteintrittsöffnung 42 nachströmt.
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Die 6 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Heizanlage 41. Die Heizanlage 41 entspricht im Wesentlichen der zuvor beschriebenen Heizanlage 41, mit dem Unterschied, dass in einem Abschnitt der Wärmeträgerfluidleitung 14 zwischen dem Wärmeträgerfluidkanal 10 und der Pumpe 37 zusätzlich ein sensibler Wärmespeicher 43 angeordnet ist, der Wasser als sensibles Speichermaterial nutzt. Der sensible Wärmespeicher 43 befindet sich also stromabwärts des Wärmeträgerfluidkanals 10. Des Weiteren sind in 6 ein Frischluftanschluss 40 und eine Frischluftleitung 39, die eine Lufteintrittsöffnung 42 des Wärmeaufnahmekanals 15 mit dem Frischluftanschluss 40 verbindet, dargestellt. Ein Abschnitt der Frischluftleitung 39 verläuft derart durch den sensiblen Wärmespeicher 43, dass Frischluft während sie die Frischluftleitung 39 durchströmt in thermischem Kontakt mit dem sensiblen Speichermaterial des sensiblen Wärmespeichers 43 steht.
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Die Heizanlage 41 ist mittels der Steuerung derart gesteuert, dass das Wärmeträgerfluid 34 innerhalb des Wärmeträgerfluidkanals 10 auf eine Temperatur von etwa 100°C, die offensichtlich unterhalb der Phasenwechseltemperatur von etwa 120°C des Phasenwechselmaterials 20 liegt, abgekühlt und zumindest ein Teil der restlichen Wärme des Wärmeträgerfluids 34 in dem sensiblen Wärmespeicher 43 aufgenommen wird, wobei sich das sensible Speichermaterial erhitzt. Der auf diese Weise beladene sensible Wärmespeicher 43 wird nun genutzt, um darin Frischluft vorzuwärmen, bevor diese zur weiteren Wärmeaufnahme durch den Wärmeaufnahmekanal 15 strömt. In einer alternativen Ausführungsform kann die Heizanlage 41 selbstverständlich auch als Verdampfungseinrichtung 1 betrieben werden.
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Die 7 und 8 zeigen schematische perspektivische Ansichten eines mit einer Wärmeleitstruktur 44 versehenen und als hohlzylindrische Rohrleitung ausgebildeten Wärmeträgerfluidkanals 10. Die Wärmeleitstruktur 44 gewährleistet bei einer relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials 20 eine relativ hohe Be- und Entladeleistung.
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Bei der Ausgestaltung nach 7 umfasst die Wärmeleitstruktur 44 zwei Ringsegmente 45, die nach außen abragende Rippen 46 tragen, die wiederum Verzweigungen 47 aufweisen. Die Ringsegmente 45 liegen in der Umfangsrichtung des Wärmeträgerfluidkanals 10 nebeneinander und umgreifen den Wärmeträgerfluidkanal 10 jeweils entlang eines Teils seines Umfangs, wobei benachbarte Ringsegmente 45 mittels zweier federelastischer Spannmittel, die in der 7 nicht dargestellt sind, aneinander befestigt sind. Hierzu weisen die Ringsegmente 45 an ihren in Umfangsrichtung weisenden Enden nach außen ragende Verklammerungsstege 48 auf. Die federelastischen Spannmittel sind als elastische Klammerelemente ausgebildet und die nebeneinander liegenden Verklammerungsstege 48 von jeweils zwei benachbarten Ringsegmenten 45 werden von den Klammerelementen umgriffen, um die Ringsegmente 45 gegeneinander zu spannen. Die Verklammerungsstege 48 erstrecken sich wie die Rippen 46 über die gesamte Länge der Ringsegmente 45 und die Klammerelemente erstrecken sich wiederum in Längsrichtung des Wärmeträgerfluidkanals 10 entlang der gesamten Länge der Verklammerungsstege 48, um die Ringsegmente 45 über ihre gesamte Länge gegeneinander zu spannen. Die Ringsegmente 45 sind als Strangpressprofile ausgebildet und die Rippen 46 sind axial extrudierte Rippen 46. Die Innenkontur der Ringsegmente 45 ist derart auf die Geometrie des Wärmeträgerfluidkanals 10 abgestimmt, dass die Ringsegmente 45 vollflächig am Wärmeträgerfluidkanal 10 anliegen.
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Bei der Ausgestaltung nach 8 umfasst die Wärmeleitstruktur 44 ebenfalls Rippen 46, die allerdings als radiale Tellerrippen ausgebildet sind, die von dem Wärmeträgerfluidkanal 10 radial nach außen abragen und in Axialrichtung voneinander beabstandet sind. Hierbei sind die Abstände zwischen den Tellerrippen gleichmäßig. Ferner verlaufen die Tellerrippen parallel zueinander.
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Obwohl im Zusammenhang mit den 7 und 8 von einem Wärmeträgerfluidkanal 10 die Rede ist, kann es sich hierbei selbstverständlich auch um einen Wärmeaufnahmekanal 15 oder einen entsprechenden Kanalabschnitt im Falle eines verzweigten Kanals handeln. Jeder Kanal oder Kanalabschnitt der Heizanlagen 41, einschließlich der als Verdampfungseinrichtung 1 ausgebildeten Heizanlagen 41, der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, kann mit einer der Wärmeleitstrukturen 44 der 7 und 8 versehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdampfungseinrichtung
- 2
- Behälter
- 3
- Boden
- 4
- Pfeil
- 5
- Aufnahmeraum
- 6
- Wandung des Behälters
- 7
- Außenmantel
- 8
- Durchgangsöffnungen
- 9
- Widerstandsheizung
- 10
- Wärmeträgerfluidkanal
- 11
- Ende des Wärmeträgerfluidkanals
- 12
- Ende des Wärmeträgerfluidkanals
- 13
- Wärmeträgerfluidleitung
- 14
- Wärmeträgerfluidleitung
- 15
- Wärmeaufnahmekanal
- 16
- Ende des Wärmeaufnahmekanals
- 17
- zu verdampfende Flüssigkeit
- 17a
- flüssiges Frischwasser
- 17b
- Frischwasserdampf
- 18
- Ende des Wärmeaufnahmekanals
- 19
- Dampf- und/oder Luftaustrittsöffnung
- 20
- Phasenwechselmaterial (PCM)
- 20a
- festes PCM
- 20b
- flüssiges PCM
- 21
- Kanalabschnitt des Wärmeaufnahmekanals
- 22
- Kanalabschnitt des Wärmeaufnahmekanals
- 23
- Kanalabschnitt des Wärmeträgerfluidkanals
- 24
- Kanalabschnitt des Wärmeträgerfluidkanals
- 25
- Ventil
- 26
- Dampfbadsauna(anlage)
- 27
- Saunakabine
- 28
- Innenraum
- 29
- Sitz- und/oder Liegebank
- 30
- Energiebereitstellungssystem
- 31
- Bereitstellungsvorrichtung für elektrische Energie (z.B. Windgenerator)
- 32
- elektrische Leitung
- 33
- Bereitstellungsvorrichtung für thermische Energie (z.B. solarthermischer Kollektor)
- 34
- Wärmeträgerfluid
- 34a
- flüssiges Wärmeträgerfluid
- 34b
- dampfförmiges Wärmeträgerfluid
- 35
- Wärmeträgerfluidanschluss
- 36
- Leitungsstück
- 37
- Pumpe
- 38
- Steuerung
- 39
- Frischwasser- und/oder Frischluftleitung
- 40
- Frischwasser- und/oder Frischluftanschluss
- 41
- Heizanlage
- 42
- Flüssigkeits- und/oder Lufteintrittsöffnung
- 43
- sensibler Wärmespeicher
- 44
- Wärmeleitstruktur
- 45
- Ringsegment
- 46
- Rippen
- 47
- Verzweigung
- 48
- Verklammerungssteg
