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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher mit einem Latentwärmespeichermedium zur Speicherung von Wärme sowie ein Wärmespeichersystem, das eine Vielzahl von Wärmespeichern umfasst.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Wärmespeicher bekannt, die zum langzeitigen Speichern von mittels einer thermischen Solaranlage oder anderweitigen Wärmeerzeugungsquellen erzeugten Wärme ausgelegt sind. Derartige Wärmespeicher umfassen einen druckfesten Speicherbehälter zur Aufnahme eines Wärmespeichermediums. In dem Speicherbehälter ist ferner ein Wärmetauscher realisiert, der mit einem Vorlauf zum Zuführen eines Wärmeträgermediums und einem Rücklauf zum Abführen des Wärmeträgermediums verbunden ist. Als Wärmeträgermedium kommt bevorzugt Wasser zum Einsatz. Über das im Wärmetauscher zirkulierende Wärmeträgermedium kann dem Wärmespeicher Wärme zugeführt und im Bedarfsfall wieder entnommen werden. Zugeführte Wärme wird an das Wärmespeichermedium abgegeben, das die Wärme langzeitig zu speichern vermag. Die im Wärmespeichermedium gespeicherte Wärme kann bei Bedarf wieder an das Wärmeträgermedium abgegeben werden, das die Wärme dann an einen Verbraucher (z.B. Heizungssystem oder Warmwasserversorgungssystem) abführt.
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Um Wärme langfristig speichern zu können, ist aus dem Stand der Technik der Einsatz verschiedenster Latentwärmespeichermedien bekannt. Diese können unter Ausnutzung von reversiblen thermodynamischen Zustandsänderungen (Phasenübergängen) große Mengen an Wärmeenergie speichern und wieder abgeben. Bevorzugt kommen Salzhydrate, wie beispielsweise Natriumacetat-Trihydrat, zum Einsatz, die eine geringe Schmelztemperatur (58 °C bei Natriumacetat-Trihydrat) und eine hohe Schmelzenthalpie aufweisen. Die zum Schmelzen des im festen Aggregatzustand vorliegenden Salzhydrats erforderliche Wärmeenergie ist im flüssigen Salzhydrat gespeichert. Die beim Phasenübergang absorbierte Wärmemenge wird als latente Wärme bezeichnet, da sie keine nennenswerte Temperaturänderung des Latentwärmespeichermediums nach sich zieht. Selbstverständlich kann die Salzhydrat-Schmelze Wärme auch in Form von sensibler oder fühlbarer Wärme speichern. Die im Latentwärmespeichermedium speicherbare sensible Wärme hängt von der spezifischen Wärmespeicherkapazität des Mediums ab und ist wesentlich geringer als die durch Phasenübergang speicherbare latente Wärme.
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Um die in der Salzhydrat-Schmelze gespeicherte latente Wärme abgreifen zu können wird diese auf einen metastabilen, unterkühlten Zustand abgekühlt und anschließend kristallisiert. Die beim Abkühlvorgang freiwerdende sensible Wärme kann einem Wärmeverbraucher zugeführt werden. Ferner kann bei Bedarf die unterkühlte Salzhydrat-Schmelze kontrolliert zur Kristallisation gebracht werden, wobei das Salzhydrat bei seinem Übergang in den festen Aggregatzustand die vorher zum Aufschmelzen aufgewandte latente Wärmemenge wieder freisetzt.
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Aus der
AT 382 636 B ist ein Wärmespeichersystem bekannt, das aus einer Vielzahl von Wärmespeichern aufgebaut ist, die jeweils zur Speicherung von sensibler und latenter Wärme vorgesehen sind. Ein jeder Wärmespeicher des Wärmespeichersystems besteht aus einem Druckbehälter zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums (ein Salzhydrat). Insbesondere umfasst jeder Wärmespeicher eine Aktivierungseinrichtung, die dazu vorgesehen ist, die unterkühlte Schmelze zu aktivieren, d.h. den Kristallisationsvorgang der unterkühlten flüssigen Schmelze auszulösen. Die dabei schlagartig auftretende latente Wärme wird an einen Wärmetauschersystem abgeführt. Die Druckbehälter sind zur Aufnahme einer größeren Menge von Latentwärmespeichermedium vorgesehen. Zur Steuerung der Wärmeenergieabgabe eines jeden Wärmespeichers des Wärmespeichersystems ist eine Steuereinheit mit Sensorik und Steuerventilen vorgesehen.
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Aus der
EP 2 273 226 B1 ist ferner ein Wärmespeichersystem bekannt, das aus einer Vielzahl von Druckbehältern besteht, in denen sich jeweils ein Latentwärmespeichermedium befindet. Ferner ist im Zentrum eines jeden Druckbehälters ein Wärmetauscher angeordnet, der zum Austausch von Wärme zwischen dem Wärmeträgermedium des Wärmetauschers und dem Wärmespeichermedium im Behälter vorgesehen ist.
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Aus der
DE 10 2012 024 211 A1 ist ferner ein Wärmespeicher bekannt, der einen zylinderförmigen Druckbhehälter zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums sowie einen Wärmetauscher mit Vorlauf- und Rücklaufleitungen aufweist. Der Wärmetauscher weist eine Vielzahl von Rohren auf, die um die zentrale Behälterachse umfangsmäßig verteilt angeordnet sind. Die Rohre des Wärmetauschers erstrecken sich durch einen Stapel von Platten, die zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeübertragungsfläche dienen.
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Bei den im Stand der Technik beschriebenen Wärmespeichern ergeben sich, bedingt durch das Druckbehälterdesign und die Anordnung der Wärmetauscher, Effizienzprobleme bei der Speicherung und Abgabe von Wärmeenergie. Ferner sind die Wärmespeicher störungsanfällig, da in den Druckbehältern relativ große Mengen an Latentwärmespeichermedium lagern, wodurch die Häufigkeit an Spontan-Kristallisationen in der unterkühlten Schmelze zunimmt. Ferner sind aufwendige Druckbehälterkonstruktionen notwendig, die Druckänderungen im Wärmespeicherbehälter bedingt durch Volumenänderungen des Latentwärmespeichermediums beim Phasenwechsel standhalten.
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Kurzer Abriss
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmespeicher sowie ein Wärmespeichersystem zur Speicherung von Wärme bereitzustellen, welche die obengenannten Probleme beseitigen und eine effizientere Wärmespeicherung ermöglicht.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe durch einen Wärmespeicher gelöst, der einen Behälter, der einen ersten Behälterabschnitt und einen zweiten Behälterabschnitt aufweist, sowie eine Vielzahl von Wärmespeicherelementen umfasst, die jeweils zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums vorgesehen sind. Im ersten Behälterabschnitt ist ein erster Hohlraum ausgebildet, der zur Aufnahme der Vielzahl von Wärmespeicherelementen vorgesehen ist und mit einem Wärmeträgermedium befüllbar ist, das die Wärmespeicherelemente umgibt. Im zweiten Behälterabschnitt ist ein mit Latentwärmespeichermedium befüllbarer zweiter Hohlraum sowie ein mit dem Wärmeträgermedium befüllbarer dritter Hohlraum ausgebildet. Ferner sind die im ersten Behälterabschnitt aufgenommenen Wärmespeicherelemente zum zweiten Hohlraum des zweiten Behälterabschnitts hin offen ausgebildet, derart dass ein jedes Wärmespeicherelement mit dem zweiten Hohlraum in Verbindung steht.
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Der im zweiten Behälterabschnitt ausgebildete zweite Hohlraum bildet somit eine Verbindung zwischen den im ersten Behälterabschnitt angeordneten Wärmespeicherelementen. Der zweite Hohlraum kann zumindest teilweise oder ganz mit dem Latentwärmespeichermedium befüllt sein. Inbesondere kann die Befüllung eines jeden Wärmespeicherelements über den zweiten Hohlraum des zweiten Behälterabschnitts erfolgen. Der im zweiten Hohlraum aufgenommene Anteil des Latentwärmespeichermedium bildet somit eine Kopplung zwischen den in den einzelnen Wärmespeicherelementen aufgenommenen Anteilen des Latentwärmespeichermediums. Insbesondere sorgt der im zweiten Hohlraum aufgenommene Anteil des Latentwärmespeichermediums im Betrieb des Wärmespeichers dafür, dass die Anteile in den Wärmespeicherelementen jederzeit dieselben thermodynamischen (Gleichgewichts-)Zustände annehmen.
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Der Wärmespeicher kann ferner eine Einrichtung zur Aktivierung eines Phasenwechsels des Latentwärmespeichermediums umfassen. Mit Aktivierung ist das gesteuerte Auslösen bzw. Herbeiführen eines Phasenwechsels des Latentwärmespeichermediums gemeint. Konkret wird bei der Aktivierung das im Zustand einer unterkühlten Schmelze vorliegende Latentwärmespeichermedium zur Kristallisation gebracht, wodurch die unterkühlte Schmelze in ihren kristallinen Phasenzustand übergeht und die dabei frei werdende latente Wärme an die Umgebung abgibt. Die Aktivierungseinrichtung kann in Form einer Druckerzeugungseinrichtung oder Schwingungseinrichtung implementiert sein, die zur Erzeugung einer Druckwelle in der Schmelze vorgesehen ist. Denkbar ist aber auch eine Aktivierungseinrichtung aus mehreren Peltier-Elementen zur lokalen Abkühlung der Schmelze, wie sie beispielsweise aus der
EP 3 056 848 A1 bekannt ist.
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Die Aktivierungseinrichtung kann im zweiten Hohlraum des zweiten Behälterabschnitts angeordnet sein. Die Aktivierungseinrichtung kann hierbei mit dem im zweiten Hohlraum aufgenommenen Latentwärmespeichermedium in Kontakt stehen. Durch Betätigung der Aktivierungseinrichtung kann das im unterkühlten Schmelzzustand befindliche Latentwärmespeichermedium im zweiten Hohlraum zur Kristallisation gebracht werden. Die im zweiten Hohlraum einsetzende Kristallisation des Latentwärmespeichermediums kann sich im Latentwärmespeichermedium der einzelnen Wärmespeicherelemente fortsetzen. Das Latentwärmespeichermedium der einzelnen Wärmespeicherelemente wird somit nahezu gleichzeitig und durch einen einzigen Auslösemechanismus zur Kristallisation gebracht. Einzelne Auslösemechanismen für die jeweiligen Wärmespeicherelemente sind somit nicht notwendig, wodurch der konstruktionstechnische Aufwand erheblich verringert wird.
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Jedes Wärmespeicherelement kann als Hohlkörper ausgebildet sein mit einer den Hohlkörper räumlich begrenzenden Ummantelung. Der Hohlkörper kann ein in Längsrichtung des Hohlkörpers ausgebildetes offenes erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes geschlossenes zweites Ende aufweisen. Im eingebauten Zustand kann das offene erste Ende ein oberes Ende sein, das mit dem zweiten Hohlraum des zweiten Behälterabschnitts gekoppelt ist. Entsprechend kann das zweite Ende des Hohlkörpers ein dem oberen Ende gegenüberliegendes unteres Ende sein, das einen mit der Ummantelung gekoppelten Bodenabschnitt aufweist. Gemäß einer Variante kann die Ummantelung und der Bodenabschnitt eines jeden Wärmeelements einstückig ausgebildet sein.
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Der Hohlkörper kann derart dimensioniert sein, dass er ein vorgegebenes Volumen zur Aufnahme einer vorgegebenen Menge des Latentwärmespeichermedium aufweist. Gemäß einer Variante ist der Hohlkörper eines jeden Wärmespeicherelements zur Aufnahme von ≤ 500 Litern, bevorzugt von ≤ 300 Litern, noch bevorzugter von ≤ 100 Litern, besonders bevorzugt von ≤ 20 Litern Latentwärmespeichermedium ausgebildet. Durch die Aufteilung des Latentwärmespeichermediums auf eine Vielzahl von Wärmespeicherelementen mit geringen Volumenabmessungen kann nicht nur ein effizienter und schneller Wärmeaustausch zwischen dem Latentewärmespeichermedium und dem Wärmeträgermedium erreicht werden, sondern auch Spontan-Aktivierungen des Latentewärmespeichermediums aufgrund von Verunreinigungen oder im Medium auftretenden Fluktuationen erheblich verringert werden. Somit wird der Wärmespeicher insgesamt stabiler und effizienter.
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Die Ummantelung eines jeden Wärmespeicherelements dient zur fluidischen Entkopplung des im Hohlkörper aufgenommenen Latentwärmespeichermediums von dem im ersten Holraum des ersten Behälterabschnitts vorhandenen Wärmeträgermedium. Um eine gute thermische Kopplung zwischen Latentwärmespeichermedium und Wärmeträgermedium zu ermöglichen, kann die Ummantelung aus einem starren oder flexiblen wärmeleitfähigen Material, insbesondere einem gut wärmeleitfähigen Metall, einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial oder einer wärmeleitfähigen Keramik hergestellt sein. Denkbar ist beispielsweise die Verwendung einer wärmeleitfähigen Edelstahl-Ummantelung. Denkbar ist aber auch die Verwendung von flexiblen Kunststoff-Umwandungen, die bei Volumenausdehnung/Volumenkontraktion beim Phasenübergang des Latentwärmespeichermediums sich entsprechend ausdehnt oder zusammenzieht. Die Wandstärke der Ummantelung kann abhängig vom verwendeten Material auf eine die Stabilität des Wärmespeicherelements nicht beeinträchtigende Mindestwandstärke beschränkt sein. Typische Wandstärken können im Bereich von 0.1 bis 2.0 mm, bevorzugt im Bereich von 0.2 bis 1.0 mm, liegen.
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Der Hohlkörper eines jeden Wärmespeicherelements kann in Richtungen senkrecht zu seiner Längsrichtung derart dimensioniert sein, dass ein jedes Volumenelement des im Hohlkörper aufgenommenen Latentwärmespeichermediums einen kürzesten Abstand zur Ummantelung aufweist, der ≤ 35 mm, bevorzugt ≤ 20 mm ist. Mit anderen Worten ist der Hohlkörper in den Richtungen senkrecht zu seiner Längsrichtung (und somit senkrecht zur Ummantelung) derart dimensioniert, dass der Abstand vom Hohlkörperzentrum zur Ummantelung einen Wert von ≤ 35 mm, bevorzugt von ≤ 20 mm annimmt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei Eintritt der Kristallisation des Latentwärmespeichermediums nicht nur die in unmittelbaren Nähe der Ummantelung frei werdende latente Wärme, sondern auch die im Hohlkörperzentrum frei werdende latente Wärme vollständig und schnell an das umgebende Wärmeträgermedium abgeführt werden kann.
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Der Hohlkörper eines jeden Wärmespeicherelements kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein mit einer in Längsrichtung des Hohlkörpers verlaufenden Rotationsachse. Bevorzugt kann der Hohlkörper rohrförmig ausgebildet sein mit einer kreisrunden Ummantelung. Denkbar sind jedoch auch Wärmespeicherelemente mit Ummantelungen, die eine elliptische oder polygone (z.B. n-eckige, mit n ≥ 4) Form aufweisen.
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Die Dimensionierung und Anzahl der Wärmespeicherelemente im Wärmespeicher kann derart gewählt sein, dass das von den Wärmespeicherelementen aufgenommene Wärmespeichermediumvolumen zu dem im ersten Behälterabschnitt aufgenommenen Wärmeträgermedium im Verhältnis ≥4:1 ist. Auf diese Weise wird ein Wärmespeicher mit hoher Wärmespeicherdichte realisiert.
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Die Wärmespeicherelemente im Inneren des Behälters können gemäß einem vorgegeben Anordnungsmuster angeordnet sein. Um das Volumenverhältnis von ≥4:1 zwischen Latentwärmespeichermedium und Wärmeträgermedium zu erreichen, können die Wärmespeicherelemente im Inneren des ersten Behälterabschnitts möglichst dicht gepackt angeordnet sein. Denkbar ist die Anordnung der Wärmespeicherelemente gemäß einem hexagonalen Anordnungsmuster, wobei benachbarte Wärmespeicherelemente voneinander beabstandet im Anordnungsmuster angeordnet sind. Der Minimalabstand benachbarter Wärmespeicherelemente im hexagonalen Anordnungsmuster kann im Bereich von 2 mm bis 10 mm, bevorzugt im Bereich von 4 mm bis 6 mm liegen. Der Abstand ermöglicht eine vollständige Umspülung eines jeden Wärmespeicherelement mit Wärmeträgermedium, wodurch der Wärmeaustausch zwischen dem Latentwärmespeichermedium und dem Wärmeträgermedium optimiert wird.
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Der Wärmespeicher kann ferner am Übergang zwischen dem ersten Behälterabschnitt und dem zweiten Behälterabschnitt eine Lagereinrichtung umfassen, die zur Lagerung (Aufhängung) der Wärmespeicherelemente vorgesehen ist. Die Wärmespeicherelemente können mit ihrem oberen, offenen Ende an der Lagereinrichtung befestigt sein, um eine stabile Lagerung (Aufhängung) der Wärmespeicherelemente im ersten Behälterabschnitt zu ermöglichen. Gemäß einer Variante kann die Lagereinrichtung plattenförmig ausgebildet, die den im zweiten behälterabschnitt ausgebildeten zweiten Hohlraum vom im ersten Behälterabschnitt ausgebildeten ersten Hohlraum fluidisch trennt. Die plattenförmige Lagereinrichtung kann Durchgangsöffnungen aufweisen, an denen die Wärmespeicherelemente mit ihrem offenen ersten Ende gekoppelt sind.
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Der Wärmespeicher kann ferner wenigstens einen Durchlasskanal umfassen, der den dritten Hohlraum mit dem ersten Hohlraum fluidisch koppelt. Ferner kann der Wärmespeicher wenigstens einen Wärmeträgermedium-Vorlaufanschluss zum Zuführen des Wärmeträgermediums und wenigstens einen Wärmeträgermedium-Rücklaufanschluss zum Abführen des Wärmeträgermediums umfassen. Gemäß einer Variante kann der Vorlauf im Bodenbereich des ersten Behälterabschnitts angeordnet sein, während der Rücklauf im Kopfbereich des zweiten Behälterabschnitts angeordnet ist.
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Der dritte Hohlraum des zweiten Behälterabschnitts kann derart ausgebildet und angeordnet sein, dass er den zweiten Hohlraum des zweiten Behälterabschnitts in Umfangsrichtung umgibt. Über den mit Wärmeträgermedium befüllbaren / befüllten dritten Hohlraum kann dem Latentwärmespeichermedium im zweiten Hohlraum schnell Wärme zugeführt und wieder entnommen werden.
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Als Latentwärmespeichermedium kann ein Salzhydrat, bevorzugt Natriumacetat-Trihydrat, zum Einsatz kommen. Salzhydrate haben sich bewährt, da sie einerseits günstig in der Anschaffung sind, und andererseits eine hohe Wärmespeicherfähigkeit aufweisen. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung anderer Speichermedien wie beispielsweise Paraffine. Als Wärmeträgermedium kann ein Fluid zum Einsatz kommen. Bevorzugt kann Wasser als Wärmeträgermedium zum Einsatz kommen. Denkbar sind jedoch auch andere Fluide, wie beispielsweise Öle.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Wärmespeichersystem zur Speicherung von Wärme bereitgestellt, das umfasst: eine Anordnung von wenigstens zwei Wärmespeichern wie oben beschrieben, wobei die wenigstens zwei Wärmespeicher derart angeordnet und miteinander gekoppelt sind, dass die Anordnung wahlweise in Parallelschaltung oder in Reihenschaltung betreibbar ist.
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Zum Betreiben der wenigstens zwei Wärmespeicher kann das Wärmespeichersystem ferner eine Steuereinrichtung umfassen, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Anordnung abhängig vom Energiebedarf in Parallelschaltung oder Reihenschaltung zu betreiben. Die Steuereinrichtung kann hierbei eine elektronische Steuereinrichtung sowie eine hydraulische Steuereinrichtung in Form von Ventilen umfassen, welche bei Empfang von entsprechenden Steuersignalen durch die elektronische Steuereinrichtung entweder in eine geöffnete oder in eine geschlossene Stellung (optional auch in eine gedrosselte Stellung) schalten.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen weiter beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen Teil eines Wärmespeichers in dreidimensionaler Form gemäß einer Ausführung;
- 2a-2c verschiedene Ansichten des in 1 dargestellten Wärmespeichers.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt in dreidimensionaler Form eine Hälfte eines Wärmespeichers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Wärmespeicher 100 ist in 1 in liegend er Position abgebildet. Es versteht sich, dass der Wärmespeicher 100 in aufrechter Position betrieben wird.
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Der Wärmespeicher 100 umfasst einen Behälter 105 mit einem ersten Abschnitt (Behälterabschnitt 110) und einen zweiten Abschnitt (Behälterabschnitt 120) sowie eine Vielzahl von im ersten Wärmespeicherabschnitt 110 angeordneten Wärmespeicherelementen 180. Ferner umfasst der Wärmespeicher 100 eine Aktivierungseinrichtung, die zur kontrollierten Auslösung einer Kristallisation eines im Wärmespeicher 100 aufgenommenen Latentwärmespeichermediums vorgesehen ist. Die Aktivierungseinrichtung ist in 1 nicht zu sehen.
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Der erste Behälterabschnitt 110 weist einen zylinderförmigen ersten Hohlraum 113 auf, der durch eine zylinderförmige Ummantelung 111 begrenzt ist. Ferner weist der Behälterabschnitt 110 an seinem unteren Ende ein Bodenelement 112 auf, das den Hohlraum 113 zum unteren Ende hin begrenzt. An seinem dem unteren Ende gegenüberliegenden oberen Ende ist der erste Behälterabschnitt 110 offen ausgebildet. An ihn schließt sich der zweite Behälterabschnitt 120 an.
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Der zweite Behälterabschnitt 120 ist ebenso zylinderförmig ausgebildet und konzentrisch zum ersten Behälterabschnitt 110 angeordnet. Der zweite Behälterabschnitt 120 weist eine Innenwandung 122 auf, die einen innen liegenden zweiten Hohlraum 123 des Wärmespeichers 100 definiert. Ferner weist der zweite Behälterabschnitt 120 eine zur Innenwandung 123 beabstandet angeordnete Außenwandung 124 auf. Zwischen der Außenwandung 124 und der Innenwandung 122 befindet sich ein dritter Hohlraum 125 des Wärmespeichers 100, der den zweiten Hohlraum 123 in Umfangsrichtung umgibt.
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Der zweite Behälterabschnitt 120 kann an seinem oberen Ende 127 eine Abdeckung aufweisen (in der 1 nicht dargestellt), die zur Abschirmung des Wärmespeichers 100 gegenüber der Umwelt ausgebildet ist. Als Abdeckung kann beispielsweise eine Membran zum Einsatz kommen, die in beiden Richtungen luftdurchlässig ist. Die Membran ermöglicht somit einen effektiven Druckausgleich im Inneren des Wärmespeichers 100. Mit anderen Worten entspricht der Druck im Inneren des Wärmespeichers 100 unabhängig von seinem Betriebszustand (also unabhängig davon, ob der Wärmespeicher 100 mit Energie beladen oder entladen ist) jeweils in etwa dem Umgebungsdruck.
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Am Übergang zwischen dem ersten Behälterabschnitt 110 und dem zweiten Behälterabschnitt 120 ist eine Lagereinrichtung 140 in Form einer Platte (im Folgenden kurz Lagerplatte 140 genannt) zur Lagerung der Vielzahl der Wärmespeicherelemente 180 ausgebildet. In der in 1 gezeigten Implementierung ist die Lagerplatte 140 als Bodenteil des zweiten Behälterabschnitts 120 konzipiert und dient zur fluidischen Entkopplung des im zweiten Behälterabschnitt 110 ausgebildeten zweiten Hohlraums 123 vom im ersten Behälterabschnitt 110 ausgebildeten ersten Hohlraum 113. Die Wärmespeicherelemente 180 sind mit ihrem offenen Ende an (der Unterseite) der Lagerplatte 140 montiert. Die Lagerplatte 140 weist ferner Durchgangsöffnungen 142 (Durchgangsbohrungen 142) auf, die mit den offenen Enden der Wärmespeicherelemente 180 fluchten. Über die Durchgangsöffnungen 142 sind die Wärmespeicherelemente 180 (jedoch nicht der erste Holraum 113) mit dem zweiten Hohlraum 123 fluidisch miteinander verbunden.
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Der im ersten Behälterabschnitt 110 ausgebildete erste Hohlraum 113 ist mit dem im zweiten Behälterabschnitt 120 ausgebildeten dritten Hohlraum 125 über wenigstens einen Durchlass 176 fluidisch gekoppelt. Ferner weist der erste Behälterabschnitt 110 und der zweite Behälterabschnitt 120 jeweils Anschlüsse 172, 174 zum Abführen bzw. Zuführen eines Wärmeträgermediums auf. Das Wärmeträgermedium kann somit über den Vorlaufanschluss 172 dem ersten und dritten Hohlraum 113, 125 zugeführt und über den Rücklaufanschluss 174 wieder abgeführt werden. Mit anderen Worten bilden die beiden Hohlräume 113, 125 zusammen mit dem Vorlaufanschluss 172 und dem Rücklaufanschluss 174 (sowie mit den an den Vorlaufanschluss 172 und Rücklaufanschluss 174 gekoppelten Zuleitungen und Ableitungen) einen Kreislauf zum Austausch von Wärme.
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Die beiden Behälterabschnitte 110, 120 sind aus Edelstahl, Kunststoff oder einem anderweitigen Material oder Verbundmaterial gefertigt. Material und Stärke der Wandungen 122, 123 bzw. der Ummantelung 111 sind derart gewählt und auf die Größe des Wärmespeichers 100 abgestimmt, dass sie im Betrieb größeren Druckschwankungen problemlos standhalten können. Ferner können die beiden Behälterabschnitte 110, 120 nach außen wärmeisoliert ausgebildet sein (Wärmeisolierung ist in 1 nicht dargestellt).
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Die Aktivierungseinrichtung ist im zweiten Hohlraum 123 angeordnet und steht in Verbindung mit dem im zweiten Hohlraum 123 aufgenommenen Latentwärmespeichermedium. Als Aktivierungseinrichtung kann eine Schwingungseinrichtung oder Druckerzeugungseinrichtung zum Einsatz kommen, die eine Störung in Form von Druckwellen in der unterkühlten Schmelze erzeugt und somit eine Kristallisation der unterkühlten Schmelze hervorruft.
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Die Wärmespeicherelemente 180 sind im ersten Behälterabschnitt 110 (genauer gesagt im ersten Hohlraum 113) des Wärmespeichers 100 angeordnet. Jedes Wärmespeicherelement 180 weist einen länglichen Hohlkörper 128 zur Aufnahme des Latentwärmespeichermediums auf. Der Hohlkörper 182 ist von einer dünnen Ummantelung 184 umgeben, die das im Hohlkörper 182 aufgenommene Latentwärmespeichermedium von dem im ersten Hohlraum 113 aufgenommenen Wärmeträgermedium trennt. Jedes Wärmespeicherelement 180 weist in Längsrichtung ein dem zweiten Hohlraum 123 zugewandtes offenes erstes Ende 186 sowie ein dem Boden 112 des Wärmespeichers 110 zugewandtes geschlossenes zweites Ende 188 auf (siehe auch 2b und 2c). Über sein offenes erstes Ende 186 kann jedes Wärmespeicherelemente 180 mit Latentwärmespeichermedium befüllt werden.
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Die Ummantelung 184 eines jeden Wärmespeicherelements 180 ist aus einem wärmeleitfähigen Metall, bevorzugt aus Edelstahl, einem wärmeleitfähigen Kunststoff oder einer wärmeleitfähigen Keramik aufgebaut. Die Stärke der Ummantelung 184 kann je nach verwendetem Material im Bereich zwischen 0.1 mm und 2 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 0.2 mm und 1 mm liegen. Die Wahl einer möglichst dünnwandigen Ummantelung ermöglicht eine schnelle und verlustfreie Übertragung von Wärme zwischen dem Wärmespeichermedium in den Wärmespeicherelementen 180 und dem die Wärmespeicherelemente 180 umgebenden Wärmeträgermedium.
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Die in 1 gezeigten Wärmespeicherelemente 180 weisen jeweils einen zylinderförmigen Hohlkörper 182 auf, der von einer kreisrunden Ummantelung 184 begrenzt ist. Andere von der in 1 gezeigten zylindrischen Hohlkörperform abweichende Formen sind ebenso denkbar. Der am zweiten Ende 188 der Ummantelung 184 sich anschließende Boden 189 ist nach unten gewölbt ausgebildet. Die Ummantelung 184 geht somit nahtlos und ohne Abstufung oder Bildung von Eckbereichen in den Boden 189 über. Boden 189 und Ummantelung 184 können je nach Wahl des Materials verklebt oder verschweißt werden. Klebestellen oder Schweißnähte sind bevorzugt an der Außenseite der Ummantelung 184 angebracht. Glatte Innenwände und nach Möglichkeit ein glatter Übergang zwischen Boden 189 und Ummantelung 184 sind notwendig, da sich gezeigt hat, dass Unebenheiten, Ecken, Schweißnähte oder Klebestellen an der Mantelinnenwand Störungen darstellen, die spontane Kristallisationen der unterkühlten Schmelze auslösen können.
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In Zusammenhang mit den 2a bis 2c wird der erfindungsgemäße Wärmespeicher 100 weiter beschrieben.
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2a zeigt eine Seitenansicht des Wärmespeichers 100 mit zylinderförmigen unterem Abschnitt 110 und oberem Abschnitt 120, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. 2b zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A. 2c zeigt eine Sicht von oben auf den Wärmespeicher 100.
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Der erste Behälterabschnitt 110 weist einen zylinderförmig ausgebildeten ersten Hohlraum 113 auf. Der Durchmesser des zylinderförmigen Hohlraums 113 liegt bevorzugt im Bereich von 300 mm bis 800 mm, noch bevorzugter im Bereich von 400 mm bis 600 mm. Die Höhe (Länge) des zylinderförmigen ersten Hohlraums 113 liegt im Bereich von 500 mm bis 3000 mm, bevorzugt im Bereich von 1000 mm bis 2000 mm.
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Der im zweiten Behälterabschnitt 120 ausgebildete zweite Hohlraum 123 ist ebenso zylinderförmig ausgebildet mit einem Durchmesser, der in etwa dem Durchmesser des ersten Hohlraums 113 entspricht. Die Höhe des zweiten Hohlraums 123 kann abhängig vom aufzunehmenden Volumen des Latentwärmespeichermediums variieren. Der ebenso im zweiten Behälterabschnitt 120 ausgebildete dritte Hohlraum 125 umgibt den zweiten Hohlraum 123 ringförmig. Es versteht sich, dass der erste und zweite Behälterabschnitt 110, 120 je nach Einsatz von den oben genannten Dimensionen und Formen auch abweichen können.
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Der dritte Hohlraum 125 ist mit dem ersten Hohlraum 113 fluidisch gekoppelt und zur Aufnahme des Wärmeträgermediums vorgesehen. Der zweite Hohlraum 123 ist in Kommunikation mit den im ersten Behälterabschnitt 110 (genauer gesagt im ersten Hohlraum 113) angeordneten Wärmespeicherelementen 180. Der zweite Hohlraum 123 ist wenigstens teilweise mit Latentwärmespeichermedium gefüllt und dient als Aufnahme- und Vorratsbehälter des Wärmespeichers 100, wie weiter unten noch näher beschrieben wird.
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In Zusammenhang mit den 2b und 2c wird die Anordnung der Wärmespeicherelemente 180 weiter beschrieben. Die Wärmespeicherelemente 180 sind im ersten Hohlraum 113 gemäß einer hexagonalen Anordnungsstruktur angeordnet. In 2c ist die hexagonale Anordnung der Wärmespeicherelemente 180 schematisch angedeutet. Durch Realisierung einer hexagonalen Anordnungsstruktur können möglichst viele Wärmespeicherelemente 180 im ersten Hohlraum 113 untergebracht werden. Somit kann der erste Hohlraum 113 optimal ausgenutzt werden, wodurch eine Realisierung von Volumenverhältnissen zwischen dem in den Wärmespeicherelementen 180 insgesamt aufgenommenen Latentwärmespeichermedium und dem im ersten Hohlraum 113 aufgenommenen Wärmeträgermedium von ≥ 4:1 erst möglich wird.
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Um einen schnellen und effektiven Wärmeaustausch zwischen dem Latentwärmespeichermedium der Wärmespeicherelemente 180 und dem Wärmeträgermedium im ersten Hohlraum 113 zu ermöglichen, können die in hexagonaler Struktur angeordneten Wärmespeicherelemente 180 um einen vorgegebenen Minimalabstand voneinander beabstandet angeordnet, in Abweichung zu den in den 2b und 2c gezeigten Darstellungen. Dieser Minimalabstand kann im Bereich von 2 mm bis 10 mm, bevorzugt im Bereich von 4 mm bis 6 mm liegen.
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Ferner kann der Hohlkörper 182 eines jeden Wärmespeicherelement 180 derart dimensioniert sein, dass er ein Aufnahmevolumen von ≤ 500 Litern, bevorzugt von ≤ 200 Litern, noch bevorzugter von ≤ 100 Litern, besonders bevorzugt von ≤ 20 Litern Latentwärmespeichermedium aufweist. Um bei derartigen Aufnahmevolumen die latente Wärme schnell und effektiv aus dem Latentwärmespeichermedium abführen zu können, ist der Hohlkörper 182 eines jeden Wärmespeicherelements 180 entlang seiner Längsrichtung wesentlich größer dimensioniert als in Richtungen senkrecht zur Längsrichtung. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Hohlkörper 182 eines jeden Wärmespeicherelements 180 senkrecht zur Längsrichtung derart zu dimensionieren, dass ein jedes Volumenelement im Hohlkörper 182 einen kürzesten Abstand zur Ummantelung 184 von ≤ 35 mm, bevorzugt von ≤ 20 mm aufweist. Für die in den 2b und 2c gezeigten zylinderförmig ausgebildeten Hohlkörpern 182 bedeutet dies, dass ihr Radius jeweils ≤ 35 mm, bevorzugt ≤ 20 mm ist.
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Die Länge (Höhe) der Hohlkörper 182 hängt von der Länge (Höhe) des ersten Wärmespeicherabschnitts 110 ab. Die Länge (Höhe) der Hohlkörper 182 kann nur unwesentlich kleiner als die Länge des ersten Behälterabschnitts 110 sein. Sie kann im Bereich zwischen 500 mm bis 3000 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 1000 mm und 2000 mm liegen.
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Die Funktionsweise des Wärmespeichers 100 wird im Folgenden näher erläutert. Die im ersten Behälterabschnitt 110 angeordneten und zum zweiten Hohlraum 123 des zweiten Behälterabschnitts 120 offenen Wärmespeicherelemente 180 können über den zweiten Hohlraum 123 befüllt werden. Als Latentwärmespeichermedium kann hierbei Natriumacetat-Trihydrat Anwendung finden. Es wird so viel Latentwärmespeichermedium in den Behälter 105 gegeben, bis die Wärmespeicherelemente 180 vollständig und zumindest ein unterer Abschnitt des zweiten Hohlraums 123 mit dem Latentwärmespeichermedium befüllt sind. Der im zweiten Hohlraum 123 aufgenommene Anteil an Latentwärmespeichermedium stellt eine Kopplung zwischen den in den einzelnen Wärmespeicherelementen 180 aufgenommenen Anteilen dar.
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Der über den wenigstens einen Durchlasskanal 176 fluidisch miteinander gekoppelte erste Hohlraum 113 und dritte Hohlraum 125 werden über eine Zuleitung und den mit der Zuleitung gekoppelten Vorlaufanschluss 172 mit einem von einer Wärmeerzeugungsquelle (z.B. thermische Solaranlage) erwärmten Wärmeträgermedium befüllt. Als Wärmeträgermedium kann bevorzugt Wasser zum Einsatz kommen. Die im Wärmeträgermedium gespeicherte Wärme kann im ersten Hohlraum 113 an das in den Wärmespeicherelementen 180 aufgenommene Wärmespeichermedium und im dritten Hohlraum 125 an das im zweiten Hohlraum 123 aufgenommene Latentwärmespeichermedium abgegeben werden. Durch die Abgabe der Wärme wird das Latentwärmespeichermedium erwärmt. Bei Erreichen seiner Schmelztemperatur geht das Latentwärmespeichermedium von seinem festen in seinen flüssigen Zustand über. Die beim Aufschmelzen absorbierte Wärme wird in Form von latenter Wärme gespeichert.
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Die gespeicherte latente Wärme kann im Latentwärmespeichermedium langfristig gespeichert werden. Das Medium wird hierbei in einem unterkühlten Schmelzzustand im Wärmespeicher 100 gehalten.
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Bei Wärmebedarf eines mit dem Rücklaufanschluss 174 fluidisch gekoppelten Wärmeverbrauchers (z.B. Heizung) wird die im Latentwärmespeichermedium gespeicherte latente Wärme kontrolliert abgerufen. Hierbei wird die im zweiten Hohlraum 123 angeordnete und mit dem Latentwärmespeichermedium in Kontakt stehende Auslösereinrichtung aktiviert, wodurch eine Kristallisation des im unterkühlten Schmelzzustand vorliegende Latentwärmespeichermediums ausgelöst wird. Die im Latentwärmespeichermedium des zweiten Hohlraums einsetzende Kristallisation pflanzt sich in den einzelnen Wärmespeicherelementen 180 fort. Die dabei schlagartig frei werdende latent Wärme wird an das in den ersten Hohlraum 113 und dritten Hohlraum 125 aufgenommene Wärmeträgermedium abgegeben, das über den Rücklaufanschluss zum Wärmeverbraucher strömt. Da gemäß dem hier beschriebene Wärmespeicherdesign das Wärmeträgermedium nicht nur die Wärmespeicherelemente 180 sondern auch den zweiten Hohlraum 123 umströmt, kann die frei werdende Energie über die gesamte Länge des Wärmespeichers 100 effizient und schnell abgegriffen werden.
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Das hier beschriebene Wärmespeicherdesign hat viele Vorteile. Zum einen verbessert die Portionierung des Wärmespeichermediums in kleine Mengen und Verteilung über viele Wärmespeicherelemente 180 den störungsfreien (und damit kontrollierbaren) Betrieb des Wärmespeichers 100. Ein spontanes Rekristallisieren der unterkühlten Schmelze wird somit unwahrscheinlicher. Zum anderen ermöglich das hier beschriebene Design der Wärmespeicherelemente 180 und deren hexagonale Anordnungsstruktur eine hohe Wärmespeicherdichte bei gleichzeitig verbessertem Wärmetransfer zwischen Latentwärmespeichermedium und Wärmeträgermedium. Ferner kann der mit den Wärmespeicherelementen 180 gekoppelte zweite Hohlraum 123 als Volumenausgleichsbehälter fungieren, wodurch der Wärmespeicher in jedem Betriebszustand bei Normaldruck betreibbar ist.
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Anwendungsbeispiel
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Der erste Hohlraum 113 des Wärmespeichers 100 ist zylinderförmig ausgestaltet mit einer Länge (Höhe) von 1500 mm und einem Radius von 200 mm. Somit beträgt das gesamte Fassungsvolumen des ersten Hohlraums 113 ungefähr 188.5 Liter.
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Im ersten Hohlraum 113 sind ferner rohrförmige Wärmespeicherelemente 180 angeordnet, die einen Innenradius von 25 mm und eine Länge von ungefähr 1500 mm aufweisen. Ein jedes Speicherelement 180 realisiert somit einen Hohlkörper 128 mit einem Fassungsvermögen für das Latentwärmespeichermedium von ungefähr 2.95 Liter.
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Jedes Wärmespeicherelement 180 weist ferner eine 1 mm starke Ummantelung auf. Die Wärmespeicherelemente 180 sind im ersten Behälterabschnitt 110 in einer hexagonalen Anordnungsstruktur angeordnet, wobei der Mindestabstand zwischen benachbarten Wärmespeicherelementen 180 in der hexagonalen Anordnungsstruktur 4 mm beträgt. Somit können ungefähr 48 Wärmespeicherelemente im ersten Hohlraum 113 des ersten Behälterabschnitts 110 untergebracht werden.
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Die 48 Wärmespeicherelemente 180 können zusammen ungefähr 142 Liter Latentwärmespeichermedium aufnehmen. Das für das Wärmeträgermedium freistehende Restvolumen des ersten Hohlraums 113 kann unter Abzug des durch die 48 Wärmespeicherelemente verbrauchten Volumenanteils von ungefähr 153 Litern auf 35.5 Liter geschätzt werden. Das Verhältnis zwischen im ersten Hohlraum 113 aufgenommenen Latentwärmespeichermedium zu Wärmeträgermedium beträgt 142l: 35.5l und somit 4:1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 382636 B [0005]
- EP 2273226 B1 [0006]
- DE 102012024211 A1 [0007]
- EP 3056848 A1 [0012]
