DE102017125669A1

DE102017125669A1 - heat storage

Info

Publication number: DE102017125669A1
Application number: DE102017125669.5A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: H M Heizkoerper & Co KG GmbH; Hm Heizkorper & Co KG GmbH
Current assignee: H M Heizkoerper & Co KG GmbH; Hm Heizkorper & Co KG GmbH
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Es wird ein Wärmespeicher mit einem Latentwärmespeichermedium zur Speicherung von Wärme bereitgestellt. Der Wärmespeicher umfasst einen Behälter 105, der einen ersten Behälterabschnitt 110 und einen zweiten Behälterabschnitt 120 aufweist, sowie eine Vielzahl von Wärmespeicherelementen 180, die jeweils zur Aufnahme des Latentwärmespeichermediums vorgesehen sind. Im ersten Behälterabschnitt 110 ist ein erster Hohlraum 113 ausgebildet, der zur Aufnahme der Vielzahl von Wärmespeicherelementen 180 vorgesehen ist und mit einem Wärmeträgermedium befüllbar ist, das die Wärmespeicherelemente 180 umgibt. Im zweiten Behälterabschnitt 120 ist ein mit Latentwärmespeichermedium befüllbarer zweiter Hohlraum 123 sowie ein mit dem Wärmeträgermedium befüllbarer dritter Hohlraum 125 ausgebildet. Ferner sind die im ersten Behälterabschnitt 110 aufgenommenen Wärmespeicherelemente 180 zum zweiten Hohlraum 123 des zweiten Behälterabschnitts 120 hin offen ausgebildet, derart dass ein jedes Wärmespeicherelement 180 mit dem zweiten Hohlraum 123 in Verbindung steht. Ferner bereitgestellt wird ein Wärmespeichersystem, das aus wenigstens zwei der oben genannten Wärmespeicher aufgebaut ist.

There is provided a heat storage with a latent heat storage medium for storing heat. The heat accumulator comprises a container 105 having a first container portion 110 and a second container portion 120, and a plurality of heat storage elements 180, which are each provided for receiving the latent heat storage medium. In the first container portion 110, a first cavity 113 is formed, which is provided for receiving the plurality of heat storage elements 180 and can be filled with a heat transfer medium, which surrounds the heat storage elements 180. In the second container section 120, a second cavity 123, which can be filled with latent heat storage medium, and a third cavity 125, which can be filled with the heat transfer medium, are formed. Furthermore, the heat storage elements 180 accommodated in the first container section 110 are open towards the second cavity 123 of the second container section 120, such that each heat storage element 180 communicates with the second cavity 123. Further provided is a heat storage system constructed of at least two of the above-mentioned heat accumulators.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher mit einem Latentwärmespeichermedium zur Speicherung von Wärme sowie ein Wärmespeichersystem, das eine Vielzahl von Wärmespeichern umfasst.The invention relates to a heat accumulator with a latent heat storage medium for storing heat and a heat storage system comprising a plurality of heat accumulators.

Stand der TechnikState of the art

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.Heat storage devices are known from the prior art, which are designed for the long-term storage of heat generated by means of a solar thermal system or other heat generation sources. Such heat accumulators comprise a pressure-resistant storage container for receiving a heat storage medium. In the storage container, a heat exchanger is further realized, which is connected to a flow for supplying a heat transfer medium and a return for discharging the heat transfer medium. The heat transfer medium is preferably water used. About the heat transfer medium circulating in the heat exchanger heat can be supplied to the heat storage and removed if necessary again. Supplied heat is transferred to the heat storage medium, which is able to store the heat for a long time. If necessary, the heat stored in the heat storage medium can be returned to the heat transfer medium, which then transfers the heat to a consumer (e.g., heating system or hot water supply system).

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.In order to be able to store heat for a long time, the use of a wide variety of latent heat storage media is known from the prior art. By utilizing reversible thermodynamic state changes (phase transitions), these can store and release large amounts of heat energy. Preference is given to using salt hydrates, for example sodium acetate trihydrate, which have a low melting temperature (58 ° C. for sodium acetate trihydrate) and a high enthalpy of fusion. The heat energy required to melt the salt hydrate in the solid state is stored in the liquid salt hydrate. The amount of heat absorbed during the phase transition is called latent heat, since it does not cause a significant change in the temperature of the latent heat storage medium. Of course, the salt hydrate melt can also store heat in the form of sensible or sensible heat. The sensible heat storable in the latent heat storage medium depends on the specific heat storage capacity of the medium and is substantially lower than the latent heat storable by phase transition.

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.In order to be able to tap the latent heat stored in the salt hydrate melt, it is cooled to a metastable, supercooled state and then crystallized. The released during the cooling process sensitive heat can be supplied to a heat consumer. Further, if necessary, the supercooled salt hydrate melt can be controlled to crystallize, wherein the salt hydrate releases the previously spent for melting latent heat amount in its transition to the solid state.

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.From the AT 382 636 B For example, a heat storage system is known, which is made up of a plurality of heat accumulators, which are respectively provided for the storage of sensible and latent heat. Each heat storage of the heat storage system consists of a pressure vessel for receiving a latent heat storage medium (a salt hydrate). In particular, each heat accumulator comprises an activation device, which is intended to activate the supercooled melt, ie to trigger the crystallization process of the supercooled liquid melt. The thereby occurring suddenly latent heat is dissipated to a heat exchanger system. The pressure vessels are provided for receiving a larger amount of latent heat storage medium. For controlling the heat energy output of each heat accumulator of the heat storage system, a control unit is provided with sensors and control valves.

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.From the EP 2 273 226 B1 Furthermore, a heat storage system is known, which consists of a plurality of pressure vessels in each of which a latent heat storage medium is located. Further, in the center of each pressure vessel, a heat exchanger is arranged, which is provided for the exchange of heat between the heat transfer medium of the heat exchanger and the heat storage medium in the container.

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.From the DE 10 2012 024 211 A1 Furthermore, a heat accumulator is known, which has a cylindrical Druckbhehälter for receiving a latent heat storage medium and a heat exchanger with flow and return lines. The heat exchanger has a plurality of tubes which are arranged distributed circumferentially around the central container axis. The tubes of the heat exchanger extend through a stack of plates which serve to increase the effective heat transfer area.

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.Due to the pressure vessel design and the arrangement of the heat exchangers, the heat accumulators described in the prior art give rise to efficiency problems in the storage and release of heat energy. Furthermore, the heat storage are prone to failure, as in the Store relatively large amounts of latent heat storage medium pressure vessels, which increases the frequency of spontaneous crystallizations in the supercooled melt. Furthermore, complex pressure vessel designs are necessary to withstand the pressure changes in the heat storage tank due to volume changes of the latent heat storage medium during the phase change.

Kurzer AbrissShort outline

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.The object of the present invention is to provide a heat accumulator and a heat storage system for storing heat, which eliminate the above problems and allow more efficient heat storage.

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.According to a first aspect, this object is achieved by a heat accumulator comprising a container having a first container portion and a second container portion, and a plurality of heat storage elements, which are each provided for receiving a latent heat storage medium. In the first container portion, a first cavity is formed, which is provided for receiving the plurality of heat storage elements and can be filled with a heat transfer medium, which surrounds the heat storage elements. In the second container portion, a latent heat storage medium filled with a second cavity and a fillable with the heat transfer medium third cavity is formed. Further, the heat storage elements received in the first container portion are open to the second cavity of the second container portion such that each heat storage element is in communication with the second cavity.

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.The second cavity formed in the second container section thus forms a connection between the heat storage elements arranged in the first container section. The second cavity may be at least partially or completely filled with the latent heat storage medium. In particular, the filling of each heat storage element can take place via the second cavity of the second container section. The portion of the latent heat storage medium accommodated in the second cavity thus forms a coupling between the portions of the latent heat storage medium accommodated in the individual heat storage elements. In particular, the portion of the latent heat storage medium received in the second cavity during operation of the heat accumulator ensures that the proportions in the heat accumulator elements always assume the same thermodynamic (equilibrium) states.

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.The heat accumulator may further comprise means for activating a phase change of the latent heat storage medium. By activation is meant the controlled triggering or causing of a phase change of the latent heat storage medium. Specifically, during activation, the latent heat storage medium present in the state of a supercooled melt is crystallized, as a result of which the supercooled melt changes into its crystalline phase state and releases the latent heat released thereby to the environment. The activation device can be implemented in the form of a pressure generating device or vibration device, which is provided for generating a pressure wave in the melt. It is also conceivable, however, an activation device of several Peltier elements for local cooling of the melt, as for example from the EP 3 056 848 A1 is known.

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.The activation device can be arranged in the second cavity of the second container section. The activation device can in this case be in contact with the latent heat storage medium accommodated in the second cavity. By actuating the activation device, the latent heat storage medium located in the supercooled melt state can be crystallized in the second cavity. The onset of crystallization in the second cavity of the latent heat storage medium can continue in the latent heat storage medium of the individual heat storage elements. The latent heat storage medium of the individual heat storage elements is thus brought to crystallization almost simultaneously and by a single triggering mechanism. Individual triggering mechanisms for the respective heat storage elements are therefore not necessary, whereby the construction-technical effort is significantly reduced.

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.Each heat storage element may be formed as a hollow body with a hollow body spatially limiting sheath. The hollow body may have an open first end formed in the longitudinal direction of the hollow body and a closed second end opposite the first end. When installed, the open first end may be an upper end coupled to the second cavity of the second container portion. Accordingly, the second end of the hollow body may be a lower end opposite the upper end, which has a bottom portion coupled to the casing. According to a variant, the casing and the bottom portion of each heat element may be integrally formed.

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.The hollow body may be dimensioned such that it has a predetermined volume for receiving a predetermined amount of the latent heat storage medium. According to a variant is the hollow body of each heat storage element for receiving ≤ 500 liters, preferably formed by ≤ 300 liters, more preferably ≤ 100 liters, particularly preferably ≤ 20 liters of latent heat storage medium. By dividing the latent heat storage medium on a plurality of heat storage elements with small volume dimensions not only an efficient and fast heat exchange between the latent heat storage medium and the heat transfer medium can be achieved, but also spontaneous activations of the latent heat storage medium due to impurities or fluctuations occurring in the medium can be significantly reduced. This makes the heat accumulator more stable and efficient overall.

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.The sheathing of each heat storage element is used for the fluidic decoupling of the latent heat storage medium received in the hollow body from the heat transfer medium present in the first hollow space of the first container section. In order to enable a good thermal coupling between latent heat storage medium and heat transfer medium, the sheath may be made of a rigid or flexible thermally conductive material, in particular a good heat conductive metal, a thermally conductive plastic material or a thermally conductive ceramic. It is conceivable, for example, the use of a thermally conductive stainless steel sheath. It is also conceivable, however, the use of flexible plastic transformations, which expands or contracts at volume expansion / volume contraction during the phase transition of the latent heat storage medium. Depending on the material used, the wall thickness of the casing can be limited to a minimum wall thickness that does not impair the stability of the heat storage element. Typical wall thicknesses may be in the range of 0.1 to 2.0 mm, preferably in the range of 0.2 to 1.0 mm.

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.The hollow body of each heat storage element can be dimensioned in directions perpendicular to its longitudinal direction such that each volume element of the latent heat storage medium accommodated in the hollow body has a shortest distance to the casing, which is ≦ 35 mm, preferably ≦ 20 mm. In other words, the hollow body is dimensioned in the directions perpendicular to its longitudinal direction (and thus perpendicular to the casing) such that the distance from the hollow body center to the casing assumes a value of ≦ 35 mm, preferably of ≦ 20 mm. In this way, it is ensured that upon the onset of crystallization of the latent heat storage medium, not only the latent heat released in the immediate vicinity of the shroud, but also the latent heat released in the hollow body center can be completely and quickly discharged to the surrounding heat transfer medium.

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.The hollow body of each heat storage element can be rotationally symmetrical with a rotation axis extending in the longitudinal direction of the hollow body. Preferably, the hollow body may be tubular with a circular sheath. However, heat storage elements with sheaths which have an elliptical or polygonal (for example, n-angular, with n ≥ 4) shape are also conceivable.

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.The dimensioning and number of heat storage elements in the heat accumulator can be selected such that the heat storage medium volume received by the heat storage elements is in the ratio ≥4: 1 to the heat transfer medium accommodated in the first container section. In this way, a heat accumulator with high heat storage density is realized.

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.The heat storage elements inside the container may be arranged according to a predetermined arrangement pattern. In order to achieve the volume ratio of ≥4: 1 between the latent heat storage medium and the heat transfer medium, the heat storage elements can be arranged as close as possible packed inside the first container section. It is conceivable arrangement of the heat storage elements according to a hexagonal arrangement pattern, wherein adjacent heat storage elements spaced from each other are arranged in the arrangement pattern. The minimum distance of adjacent heat storage elements in the hexagonal arrangement pattern may be in the range of 2 mm to 10 mm, preferably in the range of 4 mm to 6 mm. The distance allows a complete flushing of each heat storage element with heat transfer medium, whereby the heat exchange between the latent heat storage medium and the heat transfer medium is optimized.

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.The heat accumulator may further comprise, at the transition between the first container portion and the second container portion, a bearing device provided for supporting (suspending) the heat storage elements. The heat storage elements may be fastened with their upper, open end to the storage device in order to enable stable storage (suspension) of the heat storage elements in the first container portion. According to a variant, the bearing device may be plate-shaped, which fluidly separates the second cavity formed in the second container section from the first cavity formed in the first container section. The plate-shaped bearing device may have passage openings, at which the heat storage elements are coupled with their open first end.

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. The heat accumulator may further include at least one passageway fluidly coupling the third cavity to the first cavity. Furthermore, the heat accumulator may comprise at least one heat transfer medium supply connection for supplying the heat transfer medium and at least one heat transfer medium return connection for discharging the heat transfer medium. According to a variant, the feed can be arranged in the bottom region of the first container section, while the return is arranged in the head region of the second container section.

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.The third cavity of the second container portion may be formed and arranged to circumferentially surround the second cavity of the second container portion. Heat can be quickly supplied to the latent heat storage medium in the second cavity and removed again via the third hollow space which can be filled / filled with the heat transfer medium.

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.The latent heat storage medium used can be a salt hydrate, preferably sodium acetate trihydrate. Salt hydrates have been proven, since they are on the one hand low in the purchase, and on the other hand have a high heat storage capacity. It is also conceivable, however, the use of other storage media such as paraffins. As a heat transfer medium, a fluid can be used. Preferably, water can be used as the heat transfer medium. However, other fluids are conceivable, such as oils.

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.In another aspect, there is provided a heat storage system for storing heat, comprising: an array of at least two heat stores as described above, wherein the at least two heat stores are arranged and coupled together such that the arrangement is selectively operable in parallel or in series.

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.For operating the at least two heat accumulators, the heat storage system may further comprise a control device, wherein the control device is designed to operate the arrangement in parallel connection or series connection depending on the energy requirement. The control device may in this case comprise an electronic control device and a hydraulic control device in the form of valves, which switch upon receipt of corresponding control signals by the electronic control device either in an open or in a closed position (optionally also in a throttled position).

Figurenlistelist of figures

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.

Further details and advantages of the invention will be further described with reference to embodiments shown in the figures. Show it:

1 a part of a heat accumulator in three-dimensional form according to an embodiment;
2a-2c different views of the in 1 illustrated heat storage.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

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. 1 shows in three-dimensional form one half of a heat storage 100 according to the present invention. The heat storage 100 is in 1 pictured in a lying position. It is understood that the heat storage 100 is operated in an upright position.

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.The heat storage 100 includes a container 105 with a first section (container section 110 ) and a second section (container section 120 ) and a plurality of in the first heat storage section 110 arranged heat storage elements 180 , Furthermore, the heat accumulator includes 100 an activation device for the controlled triggering of a crystallization of a heat storage 100 recorded latent heat storage medium is provided. The activation device is in 1 not to be seen.

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.The first container section 110 has a cylindrical first cavity 113 on, passing through a cylindrical shell 111 is limited. Furthermore, the container section 110 at its lower end a floor element 112 on top of that, the cavity 113 Limited to the lower end. At its upper end opposite the lower end is the first container portion 110 open. It is followed by the second container section 120 on.

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.The second container section 120 is also cylindrical and concentric with the first container portion 110 arranged. The second container section 120 has an inner wall 122 on, which has an internal second cavity 123 the heat storage 100 Are defined. Furthermore, the second container section 120 one to the inner wall 123 spaced outside wall 124 on. Between the outer wall 124 and the inner wall 122 there is a third cavity 125 the heat storage 100 that the second cavity 123 surrounds in the circumferential direction.

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.The second container section 120 can at its upper end 127 have a cover (in the 1 not shown), the Shielding of the heat accumulator 100 trained in the environment. As a cover, for example, a membrane can be used, which is permeable to air in both directions. The membrane thus enables effective pressure equalization in the interior of the heat accumulator 100 , In other words, the pressure inside the heat accumulator corresponds 100 regardless of its operating state (that is, regardless of whether the heat storage 100 charged or discharged with energy) in each case approximately to the ambient pressure.

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.At the transition between the first container section 110 and the second container portion 120 is a storage facility 140 in the form of a plate (hereafter briefly bearing plate 140 called) for storage of the plurality of heat storage elements 180 educated. In the in 1 The implementation shown is the bearing plate 140 as the bottom part of the second container section 120 designed and used for fluidic decoupling of the second container section 110 formed second cavity 123 in the first container section 110 trained first cavity 113 , The heat storage elements 180 are with their open end on (the bottom) of the bearing plate 140 assembled. The bearing plate 140 also has passage openings 142 (Through holes 142 ), which are connected to the open ends of the heat storage elements 180 aligned. About the passage openings 142 are the heat storage elements 180 (but not the first holraum 113 ) with the second cavity 123 fluidly connected.

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.The one in the first container section 110 trained first cavity 113 is with the second container section 120 trained third cavity 125 via at least one passage 176 fluidly coupled. Furthermore, the first container section 110 and the second container portion 120 each connections 172 . 174 for discharging or supplying a heat transfer medium. The heat transfer medium can thus via the flow connection 172 the first and third cavities 113 . 125 supplied and via the return port 174 be discharged again. In other words, the two cavities form 113 . 125 together with the supply connection 172 and the return port 174 (as well as with the to the supply connection 172 and return port 174 coupled feeders and outlets) a circuit for the exchange of heat.

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).The two container sections 110 . 120 are made of stainless steel, plastic or any other material or composite material. Material and thickness of the walls 122 . 123 or the sheath 111 are chosen and on the size of the heat storage 100 that they can easily withstand larger pressure fluctuations during operation. Furthermore, the two container sections 110 . 120 be thermally insulated from the outside (heat insulation is in 1 not shown).

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.The activation device is in the second cavity 123 arranged and in communication with the second cavity 123 recorded latent heat storage medium. The activation device can be a vibration device or pressure generating device which generates a disturbance in the form of pressure waves in the supercooled melt and thus causes a crystallization of the supercooled melt.

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.The heat storage elements 180 are in the first container section 110 (more precisely in the first cavity 113 ) of the heat storage 100 arranged. Each heat storage element 180 has an elongated hollow body 128 for receiving the latent heat storage medium. The hollow body 182 is of a thin sheath 184 surrounded in the hollow body 182 recorded latent heat storage medium of the first cavity 113 absorbed heat transfer medium separates. Each heat storage element 180 has a second cavity in the longitudinal direction 123 facing open first end 186 as well as the ground 112 the heat storage 110 facing closed second end 188 on (see also 2 B and 2c) , About his open first end 186 can any heat storage elements 180 be filled with latent heat storage medium.

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.The jacket 184 of each heat storage element 180 is made of a thermally conductive metal, preferably made of stainless steel, a thermally conductive plastic or a thermally conductive ceramic. The strength of the sheath 184 depending on the material used in the range between 0.1 mm and 2 mm, preferably in the range between 0.2 mm and 1 mm. The choice of a thin-walled casing allows a fast and lossless transfer of heat between the heat storage medium in the heat storage elements 180 and the heat storage elements 180 surrounding heat transfer medium.

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.In the 1 shown heat storage elements 180 each have a cylindrical hollow body 182 on top of a circular casing 184 is limited. Others from the in 1 shown cylindrical hollow body shape deviating shapes are also conceivable. The second end 188 the sheath 184 adjoining ground 189 is formed curved down. The jacket 184 thus goes seamlessly and without grading or formation of corner areas in the ground 189 over. ground 189 and sheath 184 can be glued or welded depending on the choice of material become. Splices or welds are preferably on the outside of the sheath 184 appropriate. Smooth interior walls and, if possible, a smooth transition between the floor 189 and sheath 184 are necessary because it has been shown that bumps, corners, welds or splices on the shell inner wall represent disturbances that can trigger spontaneous crystallizations of the supercooled melt.

In Zusammenhang mit den 2a bis 2c wird der erfindungsgemäße Wärmespeicher 100 weiter beschrieben.In connection with the 2a to 2c is the heat storage according to the invention 100 further described.

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. 2a shows a side view of the heat accumulator 100 with cylindrical lower section 110 and upper section 120 which are arranged concentrically with each other. 2 B shows a sectional view taken along the line AA. 2c shows a view from above of the heat storage 100 ,

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.The first container section 110 has a cylindrically shaped first cavity 113 on. The diameter of the cylindrical cavity 113 is preferably in the range of 300 mm to 800 mm, more preferably in the range of 400 mm to 600 mm. The height (length) of the cylindrical first cavity 113 is in the range of 500 mm to 3000 mm, preferably in the range of 1000 mm to 2000 mm.

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.The in the second container section 120 trained second cavity 123 is also cylindrical in shape with a diameter which is approximately the diameter of the first cavity 113 equivalent. The height of the second cavity 123 may vary depending on the volume of latent heat storage medium to be recorded. The same in the second container section 120 trained third cavity 125 surrounds the second cavity 123 annular. It is understood that the first and second container section 110 . 120 Depending on the use of the above dimensions and shapes may differ.

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.The third cavity 125 is with the first cavity 113 fluidly coupled and provided for receiving the heat transfer medium. The second cavity 123 is in communication with those in the first container section 110 (more precisely in the first cavity 113 ) arranged heat storage elements 180 , The second cavity 123 is at least partially filled with latent heat storage medium and serves as a receiving and storage container of the heat storage 100 , as described in more detail below.

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.In connection with the 2 B and 2c becomes the arrangement of the heat storage elements 180 further described. The heat storage elements 180 are in the first cavity 113 arranged according to a hexagonal arrangement structure. In 2c is the hexagonal arrangement of the heat storage elements 180 indicated schematically. By implementing a hexagonal arrangement structure as many heat storage elements can 180 in the first cavity 113 be housed. Thus, the first cavity 113 be optimally exploited, creating a realization of volume ratios between the in the heat storage elements 180 Total recorded latent heat storage medium and the first cavity 113 absorbed heat transfer medium of ≥ 4: 1 is only possible.

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.For a quick and effective heat exchange between the latent heat storage medium of the heat storage elements 180 and the heat transfer medium in the first cavity 113 to enable, arranged in a hexagonal structure heat storage elements 180 spaced apart from each other by a predetermined minimum distance, unlike those in Figs 2 B and 2c shown representations. This minimum distance may be in the range of 2 mm to 10 mm, preferably in the range of 4 mm to 6 mm.

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.Furthermore, the hollow body 182 each heat storage element 180 be dimensioned so that it has a receiving volume of ≤ 500 liters, preferably of ≤ 200 liters, more preferably of ≤ 100 liters, more preferably of ≤ 20 liters of latent heat storage medium. In order to be able to dissipate the latent heat quickly and effectively from the latent heat storage medium in such receiving volume, is the hollow body 182 of each heat storage element 180 dimensioned much larger along its longitudinal direction than in directions perpendicular to the longitudinal direction. It has proved to be advantageous, the hollow body 182 of each heat storage element 180 perpendicular to the longitudinal direction to dimension such that each volume element in the hollow body 182 a shortest distance to the casing 184 of ≤ 35 mm, preferably ≤ 20 mm. For those in the 2 B and 2c shown cylindrical shaped hollow bodies 182 this means that their radius is in each case ≦ 35 mm, preferably ≦ 20 mm.

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.The length (height) of the hollow body 182 depends on the length (height) of the first heat storage section 110 from. The length (height) of the hollow body 182 can only slightly smaller than the length of the first container section 110 his. It can be in the range between 500 mm to 3000 mm, preferably in the range between 1000 mm and 2000 mm.

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.The functioning of the heat accumulator 100 will be explained in more detail below. The first container section 110 arranged and the second cavity 123 of the second container section 120 open heat storage elements 180 can over the second cavity 123 be filled. In this case, sodium acetate trihydrate can be used as the latent heat storage medium. There is so much latent heat storage medium in the container 105 given until the heat storage elements 180 complete and at least a lower portion of the second cavity 123 are filled with the latent heat storage medium. The in the second cavity 123 absorbed proportion of latent heat storage medium provides a coupling between the in the individual heat storage elements 180 taken up.

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.The on the at least one passageway 176 fluidly coupled together first cavity 113 and third cavity 125 are connected via a supply line and the supply connection coupled to the supply line 172 filled with a heat transfer medium heated by a heat generation source (eg thermal solar system). As a heat transfer medium may preferably be used water. The stored heat in the heat transfer medium can in the first cavity 113 to the in the heat storage elements 180 absorbed heat storage medium and in the third cavity 125 at the second cavity 123 absorbed latent heat storage medium are delivered. By the release of heat, the latent heat storage medium is heated. Upon reaching its melting temperature, the latent heat storage medium goes from its solid to its liquid state. The heat absorbed during melting is stored in the form of latent heat.

Die gespeicherte latente Wärme kann im Latentwärmespeichermedium langfristig gespeichert werden. Das Medium wird hierbei in einem unterkühlten Schmelzzustand im Wärmespeicher 100 gehalten.The stored latent heat can be stored long-term in the latent heat storage medium. The medium is in this case in a supercooled melting state in the heat storage 100 held.

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.For heat demand one with the return connection 174 fluidly coupled heat consumer (eg heating), the latent heat stored in the latent heat storage medium is retrieved controlled. Here, in the second cavity 123 arranged and connected to the latent heat storage medium in contact trigger device activated, whereby a crystallization of the present in the supercooled state melt latent heat storage medium is triggered. The onset of latent heat storage medium of the second cavity crystallization is planted in the individual heat storage elements 180 continued. The suddenly released latent heat becomes that in the first cavity 113 and third cavity 125 delivered heat transfer medium discharged, which flows through the return port to the heat consumer. Since according to the heat storage design described here, the heat transfer medium not only the heat storage elements 180 but also the second cavity 123 flows around, the released energy over the entire length of the heat storage 100 be tapped efficiently and quickly.

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.The heat storage design described here has many advantages. On the one hand improves the portioning of the heat storage medium in small quantities and distribution over many heat storage elements 180 the trouble-free (and thus controllable) operation of the heat accumulator 100 , A spontaneous recrystallization of the supercooled melt is thus less likely. On the other hand, the design described here allows the heat storage elements 180 and their hexagonal arrangement structure a high heat storage density with improved heat transfer between latent heat storage medium and heat transfer medium. Furthermore, with the heat storage elements 180 coupled second cavity 123 act as a volume expansion tank, whereby the heat accumulator is operable in normal operating pressure in any operating condition.

Anwendungsbeispielexample

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.The first cavity 113 the heat storage 100 is cylindrical with a length (height) of 1500 mm and a radius of 200 mm. Thus, the total capacity of the first cavity is 113 about 188.5 liters.

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.In the first cavity 113 are also tubular heat storage elements 180 arranged having an inner radius of 25 mm and a length of about 1500 mm. Each memory element 180 thus realizes a hollow body 128 with a latent heat storage capacity of about 2.95 liters.

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.Each heat storage element 180 also has a 1 mm thick sheath. The heat storage elements 180 are in the first container section 110 arranged in a hexagonal arrangement structure, wherein the minimum distance between adjacent heat storage elements 180 in the hexagonal array structure is 4 mm. Thus, about 48 Heat storage elements in the first cavity 113 of the first container section 110 be housed.

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.The 48 Heat storage elements 180 Together they can hold about 142 liters of latent heat storage medium. The freestanding for the heat transfer medium residual volume of the first cavity 113 can with deduction of the consumed by the 48 heat storage elements volume fraction of about 153 liters to 35.5 liters. The ratio between in the first cavity 113 absorbed latent heat storage medium to heat transfer medium is 142l: 35.5l and thus 4: 1.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

AT 382636 B [0005]
EP 2273226 B1 [0006]
DE 102012024211 A1 [0007]
EP 3056848 A1 [0012]

Claims

Heat storage (100) for storing heat, comprising: a container (105) having a first container portion (110) and a second container portion (120); and a plurality of heat storage elements (180) each provided for receiving a latent heat storage medium; wherein in the first container portion (110) a first cavity (113) is formed, which is provided for receiving the plurality of heat storage elements (180) and can be filled with a heat transfer medium, which surrounds the heat storage elements (180), wherein in the second container portion (120) can be filled with the latent heat storage medium second cavity (123) and a fillable with the heat transfer medium third cavity (125), and wherein the heat storage elements (180) are open to the second cavity (123) of the second container portion (120) so that each heat storage element (180) communicates with the second cavity (123).

Heat storage (100) after Claim 1 , further comprising means for activating a phase change of the latent heat storage medium, wherein the activation means is at least partially disposed in the second cavity (123) of the second container portion (120).

Heat storage device (100) according to one of the preceding claims, wherein each heat storage element (180) is formed as a hollow body (182), wherein the hollow body (182) has a casing (184) with an open first end (186) and a closed second end (188 ) having.

Heat storage (100) after Claim 3 wherein each heat storage element (180) is coupled with its open first end (186) to the second cavity (123) of the second container portion (120).

Heat storage (100) after Claim 3 or 4 wherein the hollow body (182) of each heat storage element (180) is dimensioned to provide a receiving volume of ≤ 500 l, preferably ≤ 300 l, more preferably ≤ 100 l for the latent heat storage medium.

Heat storage (100) according to one of Claims 3 to 5 wherein the hollow body (182) of each heat storage element (180) in directions perpendicular to its longitudinal direction is dimensioned such that each volume element in the hollow body (182) a shortest distance to the casing (184) of ≤ 35 mm, preferably ≤ 20 mm having.

Heat storage (100) according to one of Claims 3 to 6 wherein the hollow body (182) is rotationally symmetrical with a rotational axis extending in the longitudinal direction of the hollow body (182).

Heat storage (100) according to one of Claims 3 to 7 wherein the sheath (184) of the hollow body (182) consists of a rigid or flexible thermally conductive material.

The heat accumulator (100) according to any one of the preceding claims, wherein the heat storage elements (180) are arranged inside the first container portion (110) according to a predetermined arrangement pattern.

Heat storage (100) after Claim 9 , wherein the arrangement pattern is selected such that at least one of the following conditions is met: - adjacent heat storage elements (180) have a predetermined minimum distance to each other; and - the volume ratio between the latent heat storage medium received in the heat storage elements (180) and the heat transfer medium received in the first tank section (110) is ≥ 4: 1.

Heat storage device (100) according to one of the preceding claims, further comprising a storage device (140) arranged at the transition between the first container section (110) and the second container section (120) for supporting the heat storage elements (180).

The heat accumulator (100) of any one of the preceding claims, further comprising at least one passageway (176) fluidly coupling the first cavity (113) to the third cavity (125).

Heat storage (100) according to any one of the preceding claims, further comprising at least one heat transfer medium flow connection (172) for supplying the heat transfer medium and at least one heat transfer medium return port (174) for discharging the heat transfer medium.

Heat storage (100) after Claim 13 wherein the at least one heat transfer medium supply connection (172) opens into the first or third cavity (113, 125) and the at least one heat transfer medium return connection (174) opens into the third or first cavity (125, 113).

Heat storage device (100) according to one of the preceding claims, wherein the first cavity of the second container portion is formed and arranged such that it forms the second cavity of the surrounds the second container portion in the circumferential direction.

Heat storage (100) according to any one of the preceding claims, wherein the latent heat storage medium is a salt hydrate, preferably sodium acetate trihydrate, and / or wherein the heat transfer medium is water.

A heat storage system comprising: an arrangement of at least two heat accumulators (100) according to one of the preceding claims; wherein the at least two heat accumulators (100) are arranged and coupled to each other such that the arrangement is selectively operable in parallel or in series.

Heat storage system according to Claim 17 , further comprising a control device, wherein the control device is designed to operate the arrangement in parallel or series connection depending on the energy requirement.