DE102017126959A1 - Heizmodul für einen fluiden Wärmeüberträger sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung - Google Patents

Heizmodul für einen fluiden Wärmeüberträger sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung Download PDF

Info

Publication number
DE102017126959A1
DE102017126959A1 DE102017126959.2A DE102017126959A DE102017126959A1 DE 102017126959 A1 DE102017126959 A1 DE 102017126959A1 DE 102017126959 A DE102017126959 A DE 102017126959A DE 102017126959 A1 DE102017126959 A1 DE 102017126959A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
heat
heat transfer
heating module
storage medium
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102017126959.2A
Other languages
English (en)
Inventor
Dieter Schluckebier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
B S Entw Mbh
B+s Entwicklungsgesellschaft Mbh
Original Assignee
B S Entw Mbh
B+s Entwicklungsgesellschaft Mbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by B S Entw Mbh, B+s Entwicklungsgesellschaft Mbh filed Critical B S Entw Mbh
Priority to DE102017126959.2A priority Critical patent/DE102017126959A1/de
Priority to EP18818977.3A priority patent/EP3710758A1/de
Priority to PCT/DE2018/100890 priority patent/WO2019096344A1/de
Publication of DE102017126959A1 publication Critical patent/DE102017126959A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/02—Air heaters with forced circulation
    • F24H3/04—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element
    • F24H3/0405—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element using electric energy supply, e.g. the heating medium being a resistive element; Heating by direct contact, i.e. with resistive elements, electrodes and fins being bonded together without additional element in-between
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/186—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters using electric heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/05—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly characterised by the type or source of heat, e.g. using nuclear or solar energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/105—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor
    • H05B6/108—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor for heating a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/60—Application making use of surplus or waste energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)

Abstract

Ein Heizmodul für einen fluiden Wärmeübertrager, umfassend Wechselfeld-Erzeugungsmittel zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, ein Ankoppelelement (4) zur induktiven Ankopplung an das elektromagnetische Wechselfeld und ein Wärmetransfervolumen (19) zur Erwärmung des fluiden Wärmeüberträgers, kennzeichnet sich dadurch, dass mindestens ein Wärmetransfer-Element (5) mit dem Ankoppelelement (4) elektrisch in Reihe geschaltet und innerhalb des Wärmetransfervolumens (19) angeordnet ist.
Eine Vorrichtung zur Energiespeicherung, umfassend ein Wärmespeichermedium (9) und mindestens einen Kreislauf (12, 13) für einen fluiden Wärmeüberträger, wobei der mindestens eine Kreislauf (12, 13) des Wärmeüberträgers derart gestaltet ist, dass zur Wärmeeinspeisung in das Wärmespeichermedium (9) und/oder zur Wärmeentnahme aus dem Wärmespeichermedium (9) der Wärmeüberträger das Wärmespeichermedium umströmt und/oder durchströmt, kennzeichnet sich durch ein zur Aufheizung des Wärmeüberträgers dienendes Heizmodul (1) der vorgenannten Art.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Heizmodul zur induktiven Erwärmung eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Energiespeicherung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
  • Der zunehmende Einsatz regenerativer Energien, wie zum Beispiel Solarenergie oder Windenergie, stellt insbesondere aufgrund der schwankenden Verfügbarkeit dieser Energiequellen das Energiesystem vor große Herausforderungen. Es wird versucht, den zeitlich stark schwankenden Energiebedarf und die stark schwankende Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen durch intelligente Vernetzung auszugleichen. Die intelligente Vernetzung zur Steuerung von Stromerzeugern und elektrischen Verbrauchern in einem möglichst großen geografischen Bereich, zum Beispiel Europa, kann zur Sicherstellung der Energieversorgung beitragen. Jedoch bleiben - insbesondere mit zunehmendem Anteil der regenerativen Energiequellen - Energiespeicher unerlässlich. Pumpspeicher sind bewährt, stehen jedoch nicht an beliebigen Orten und auch nicht im beliebigen Umfange zur Verfügung. Es sind somit zusätzliche Speicherkapazitäten erforderlich. Speicheranlagen auf Basis der Batterietechnik bilden grundsätzlich eine Alternative, da inzwischen bereits Anlagen bis 40 MWh realisiert wurden und größere Kapazitäten geplant sind. Batteriesysteme sind jedoch kostenträchtig und umweltbelastend, insbesondere wegen der erforderlichen Rohstoffgewinnung. Nach ihrer Laufzeit bilden Batterien in der Regel giftigen Sondermüll, der Schwermetalle wie Quecksilber, Cadmium und Blei umfasst. Zudem besteht eine gewisse Betriebsgefahr, da Explosionen, Undichtigkeiten und ungewollte chemische Reaktionen schwerlich völlig auszuschließen sind.
  • Für eine weitere alternative Form der Energiespeicherung wird ein thermoelektrischer Ansatz verfolgt, bei dem überschüssige elektrische Energie mittels Induktion in Wärmeenergie umgewandelt und in einem Wärmespeicher gespeichert wird. Eine nach diesem Prinzip arbeitende Vorrichtung zur Energiespeicherung der eingangs genannten Art sowie ein hierfür geeignetes Heizmodul sind aus der EP 28330290 B1 bekannt. Dort ist eine Energiespeichervorrichtung offenbart, welche mindestens ein Ankoppelelement umfasst, das mittels einer Transformatorschaltung induktiv erwärmt wird. Ein fluider Wärmeüberträger, zum Beispiel Luft, wird unmittelbar in oder an dem Ankoppelelement erhitzt und gibt die aufgenommene Wärme an ein Wärmespeichermedium, zum Beispiel Steine, ab. Das Wärmespeichermedium befindet sich in einem wärmeisolierten Speicher, der eine mittelfristige Speicherung des Wärmeinhalts erlaubt. Das Wärmespeichermedium kann zum Beispiel auf eine Temperatur von 1000°C und mehr gebracht werden.
  • In einem Entnahmekreislauf wird über den gleichen oder einen anderen fluiden Wärmeüberträger die Wärme aus dem Speicher entnommen und einem Verbraucher, zum Beispiel einer Wärme-Kraft-Kopplung in Form einer Dampfturbine, zugeführt, wenn an einem Verbraucher oder in einem angeschlossenen Stromnetz ein entsprechender Energiebedarf festgestellt wird.
  • Zu Zwecken der Wärmeeinspeisung offenbart die EP 2833092 B1 , deren Offenbarungsgehalt im vollen Umfange einbezogen wird, in einer Variante ein außerhalb des Speichers angeordnetes Heizmodul sowie eine Vorrichtung zur Energiespeicherung der eingangs genannten Art. Bei dem bekannten Heizmodul wird ein elektromagnetisches Wechselfeld in einer Primärspule erzeugt wird und ein Ankoppelelement als Sekundärwicklung um einen magnetischen Kern geführt ist. Das Ankoppelelement, zum Beispiel in Form eines metallischen Rohres, ist gleichzeitig Teil des Kreislaufes für den fluiden Wärmeüberträger und stellt das Wärmeübertragungsvolumen zur Erwärmung des fluiden Wärmeüberträgers zur Verfügung. Die Erwärmung erfolgt unmittelbar durch den Kontakt des fluiden Wärmeüberträgers mit den Wänden des Ankoppelelements.
  • Der hier betroffenen Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Heizungsmodul der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Energiespeicherung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Wirkungsgrad aufweisen.
  • Bei einem Heizmodul der eingangs genannten Art wird das technische Problem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
  • Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Somit wird zur Erwärmung eines fluiden Wärmeüberträgers, der z.B. zur Erhitzung eines Wärmespeichermediums vorgesehen ist, ein Heizmodul eingesetzt, welches Wechselfeld-Erzeugungsmittel zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, ein Ankoppelelement zur induktiven Ankopplung an das elektromagnetische Wechselfeld und ein Wärmetransfervolumen zur Erwärmung des fluiden Wärmeüberträgers umfasst. Erfindungsgemäß weist das Heizmodul mindestens ein Wärmetransfer-Element auf, welches mit dem Ankoppelelement elektrisch in Reihe geschaltet und innerhalb des Wärmetransfervolumens angeordnet ist. Somit wird das mindestens eine Wärmetransfer-Element mittels des ohmschen Widerstands eines über das Ankoppelelement gelieferten elektrischen Stromes erhitzt. Im Wärmetransfervolumen fließt der fluide Wärmeüberträger um das mindestens eine Wärmetransfer-Element herum und wird auf diese Weise erhitzt. Damit kann eine sehr effektive Erwärmung des Wärmeüberträgers mit einem hohen Wirkungsgrad erreicht werden.
  • Das Wärmetransfervolumen kann an ein Fluidleitungssystem, z.B. mit Fluidleitungselementen eines Fluidkreislaufs, angeschlossen werden und umgibt das mindestens eine Wärmetransfer-Element, vorzugsweise mit seitlichen Wandungen, welche sich zwischen einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung für den fluiden Wärmeüberträger erstrecken. Einlassöffnung und Auslassöffnung können senkrecht zur Hauptfließrichtung des Wärmeüberträgers im Querschnitt kleiner sein als das Wärmetransfervolumen oder aber auch eine gleiche oder größere Querschnittsfläche aufweisen. In Hauptfließrichtung gesehen wird der Beginn des Wärmeübertragungsvolumens durch den Querschnitt definiert, an dem der Wärmeüberträger erstmals auf das Wärmetransfer-Element oder mindestens eines der Wärmetransfer-Elemente treffen kann. Das Ende des Wärmeübertragungsvolumens ist dann entsprechend durch den Querschnitt definiert, an dem der Wärmeüberträger erstmalig das Wärmetransfer-Element oder mindestens eines der Wärmetransfer-Elemente nicht mehr berühren kann.
  • Das erfindungsgemäße Heizmodul kann so ausgebildet werden, dass die Wechselfeld-Erzeugungsmittel und mindestens ein die Wechselfeld-Erzeugungsmittel zumindest zum Teil umlaufender Teil des Ankoppelelements außerhalb des Wärmetransfervolumens angeordnet sind. Es ist somit eine räumliche Trennung zwischen zumindest einem Teil des Ankoppelelements und dem mindestens einen Wärmetransfer-Element gegeben. Das Ankoppelelement ist zumindest nicht in seiner vollen Erstreckung dem fluiden Wärmeüberträger ausgesetzt und kann auf relativ niedrigen Temperaturen betrieben werden, womit der spezifische Widerstand entsprechend gering gehalten werden kann.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Oberfläche des mindestens einen Wärmetransfer-Elements im Verhältnis zum Wärmetransfervolumen groß ist. Daher wird vorgeschlagen, dass in einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizmoduls das Wärmetransfer-Element oder die Wärmetransfer-Elemente derart dimensioniert ist (sind), dass das Verhältnis aller für den Kontakt mit dem Fluid vorgesehenen Flächen des Wärmetransfer-Elementes oder der Wärmetransfer-Elemente zu dem Wärmetransfervolumen mindestens 100 m2/m3, vorzugsweise mindestens 150 m2/m3 beträgt.
  • Auf diese Weise kann bei hoher Leistungsübertragung ein großer Wirkungsgrad der Wärmeübertragung auf geringem Raum erreicht werden. Diese hocheffiziente Art der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie kann besonders vorteilhaft zur Speicherung von Energie genutzt werden, z.B. von Energie aus regenerativen Energiequellen, wie z.B. Solaranlagen oder Windkraft.
  • Das erfindungsgemäße Heizmodul kann so ausgebildet sein, dass die Wechselfeld-Erzeugungsmittel eine das elektromagnetische Wechselfeld erzeugende Primärwicklung und einen zugehörigen Spulenkern aufweisen und das Ankoppelelement um zumindest einen Teil des magnetischen Spulenkerns geführt ist. In diesem Fall bildet das Ankoppelelement eine Sekundärwicklung, die beispielsweise aus einer einzigen Windung oder Teilwindung bestehen kann.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Heizmoduls ist das Ankoppelelement bandförmig, weist also im Vergleich zu seiner Dicke eine große Breite auf. Beispielsweise könnte das Ankoppelelement eine Breite von 1000 mm und eine Dicke von 5 bis 10 mm aufweisen und aus einem elektrisch leitfähigen Metall, z.B. Kupfer bestehen. In der Breitenrichtung kann das Ankoppelelement, wie auch die Wärmetransferelemente, in voneinander getrennte Segmente unterteilt sein, um Problemen der thermischen Längenausdehnung zu begegnen.
  • Das erfindungsgemäße Heizmodul kann so ausgebildet sein, dass mindestens zwei Wärmetransfer-Elemente vorgesehen sind. Dabei können mindestens zwei der Wärmetransfer-Elemente elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind mindestens 10, weiter vorteilhaft mindestens 15, 20, 25, 40, 50, 100 oder 150 Wärmetransfer-Elemente in dem Wärmetransfervolumen angeordnet.
  • Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn das erfindungsgemäße Heizmodul so ausgebildet ist, dass das mindesten eine Wärmetransfer-Element plattenförmig oder schalenförmig ist. Demnach weist ein Wärmetransfer-Element Flachseiten auf, die senkrecht zu seiner Dickenrichtung um mindestens eine Größenordnung größer dimensioniert sind als die Dicke. Bei einem plattenförmigen Wärmetransfer-Element sind die Flachseiten eben, während bei einem schalenförmigen Wärmetransfer-Element die Flachseiten einfach oder mehrfach gekrümmt sein können.
  • Das mindestens eine Wärmetransfer-Element kann auch Lochungen aufweisen und/oder auf seinen Flachseiten anderweitig, zum Beispiel durch Rippen oder Dellen, strukturiert sein, um die Wärme transferierende Oberfläche weiter zu vergrößern. Andere Formen der Wärmetransfer-Elemente, wie z.B. Rohre, sind ebenfalls denkbar. Im Falle von Rohren kann das Fluid alternativ zum Umfließen der Außenseiten durch die Rohre fließen. Die Rohre können z.B. an ihren Umfängen in Axialrichtung unmittelbar, oder mittelbar durch Zwischenstücke, aneinander fixiert sein, z.B. durch Schweißen. Dabei kann eine Mehrzahl zusammengeschweißter Rohre beispielsweise jeweils eine wandartige Struktur bilden, wobei der Strom senkrecht zur Axialrichtung der Rohre über die Umfänge der Rohre fließt. Die wandartigen Strukturen können wiederum in Reihe geschaltet und derart angeordnet werden, dass benachbarte Wandstrukturen gegensinnig vom Strom durchlaufen werden.
  • Es kann vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Heizmodul so auszubilden, dass mindestens zwei der Wärmetransfer-Elemente mit ihren Flachseiten einander zugewandt angeordnet sind. Auf diese Weise werden zwischen den Wärmetransfer-Elementen Spalten gebildet, durch die der Wärmeüberträger fließen kann. Die Spaltdicken und somit die Abstände zwischen benachbarten Wärmetransfer-Elementen senkrecht zu den Flachseiten können vorzugsweise höchstens 30 mm, höchstens 25 mm, höchsten 20 mm, höchstens 15 mm oder höchstens 10 mm betragen. Die Spaltdicken können auch je nach Anforderung andere Werte aufweisen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die mit ihren Flachseiten einander zugewandten Wärmetransfer-Elemente parallel zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch können gleichmäßige Spaltdicken erreicht werden.
  • Mit den dargestellten Strukturen lassen sich sehr hohe Wirkungsgrade erreichen. Die Nutzung der elektromagnetischen Induktion im erfindungsgemäßen Heizmodul zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Umwandlung von Strom zu Wärme nahezu verlustlos erreicht werden kann. Dies wird zum einen ermöglicht durch den hohen ohmschen Widerstand in den in Reihe geschalteten Wärmetransfer-Elementen. Bei einer Anordnung der Wärmetransfer-Elemente, bei der die Stromrichtung zueinander benachbarter Wärmetransfer-Elemente gegensinnig ist, z.B. mäanderartig, heben sich die induzierten magnetischen Felder weitgehend auf und der induktive Widerstand ist vernachlässigbar gering. Zusammen ergibt sich bei einer der Realität nahe kommenden Annahme eines gegen unendlich gehenden ohmschen Widerstand und gegen Null gehenden induktiven Widerstand ein Leistungsfaktor von 1. Bei sinusförmigem Strom durch das Wechselfeld-Erzeugungsmittel bedeutet dies auch in der Realität einen Wirkfaktor (Verhältnis der Wirkleistung zur Scheinleistung) von cos Φ ≈ 1, womit ein hoher elektrischer Wirkungsgrad von etwa 99% einhergeht.
  • Die so eingesetzte induktive Technik ermöglicht damit, insbesondere zusammen mit der erreichbaren hohen Dichte an Wärmetransfer-Elementen, hohe Leistungsdichten und Leistungsübertragungen im Heizmodul, wobei hierfür als Wärmeüberträger auch Luft in großen Mengen eingesetzt werden kann. Für bislang aus dem Stand der Technik bekannte Varianten, z.B. eine Widerstandsbeheizung von Fluiden mittels in Rohren angebrachten Heizwendeln, sind vergleichbar hohe Leistungsdichten nicht als realisierbar betrachtet worden. Das Verhältnis aller für den Kontakt mit dem Fluid vorgesehenen Flächen zum umgebenden Wärmetransfervolumen beträgt gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Varianten in der Regel bis 10 m2/m3.
  • Gase, wie z.B. Luft, als Wärmeüberträger erhöhen die Betriebssicherheit, da sie ungiftig, umweltfreundlich und auch anderweitig unproblematisch eingesetzt werden können. Zudem sind mit Gasen hohe Speichertemperaturen von bis zu 1.000°C möglich, was sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad eines Kraftwerkes auswirkt, welches die so gespeicherte Wärme als Quelle nutzen kann.
  • Bei einer Vorrichtung zur Energiespeicherung, umfassend ein Wärmespeichermedium und mindestens einen Kreislauf für einen fluiden Wärmeüberträger, wobei der mindestens eine Kreislauf des Wärmeüberträgers derart gestaltet ist, dass zur Wärmeeinspeisung in das Wärmespeichermedium und/oder zur Wärmeentnahme aus dem Wärmespeichermedium der Wärmeüberträger das Wärmespeichermedium umströmt und/oder durchströmt, wird vorgeschlagen, ein zur Aufheizung des Wärmeüberträgers dienendes Heizmodul gemäß einer der oben dargestellten erfindungsgemäßen Ausgestaltungen einzusetzen. Wegen der hohen Effektivität des Heizmoduls kann gegenüber dem Stand der Technik eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades der Vorrichtung zur Energiespeicherung erreicht werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so ausgebildet sein, dass das Wärmespeichermedium einen Feststoff aufweist. Der Feststoff kann zum Beispiel mineralische Stoffe umfassen, insbesondere Steine, die sich durch eine hohe Wärmekapazität auszeichnen. In vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass zur Wärmeeinspeisung in das Wärmespeichermedium und/oder zur Wärmeentnahme aus dem Wärmespeichermedium der Wärmeüberträger das Wärmespeichermedium unmittelbar kontaktiert. Auch hierdurch kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung deutlich erhöht werden.
  • Im Folgenden werden beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen des Heizmoduls sowie der Vorrichtung zur Energiespeicherung anhand von Figuren dargestellt.
  • Es zeigt schematisch
    • 1: den prinzipiellen Aufbau eines Heizmoduls und
    • 2: eine Vorrichtung zur Energiespeicherung mit drei Heizmodulen, einem Wärmespeicher und einer Wärme-Kraft-Kopplung.
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Heizmoduls 1 in Form einer Transformatorschaltung mit einer in einem Transformatorraum 22 angeordneten Spule 2 als Primärwicklung, einem Magnetkern 3 und einem als Sekundärwicklung dienenden Ankoppelelement 4, welches bandförmig ist und mit einer Vielzahl von als Wärmetransfer-Elemente dienende Heizplatten 5 elektrisch in Reihe geschaltet ist. 1 zeigt der besseren Übersicht halber eine relativ geringe Anzahl von Heizplatten 5, deren Anzahl in tatsächlichen Anlagen vorzugsweise größer ist, z.B. 40 bis 150. Die elektrische Kontaktierung der Heizplatten 5 untereinander ist in der Figur schematisch durch Halbkreise dargestellt. Tatsächlich können die Heizplatten 5 auch auf diese Weise einstückig miteinander verbunden sein, so dass sich ein einziger mäanderförmig verlaufender Körper ergibt, der die Heizplatten 5 bildet.
  • Das Ankoppelelement 4 ist an Übergangsstellen 18 an den äußersten Heizplatten 5 elektrisch kontaktiert. Die Heizplatten 5 haben eine auf die Darstellung in 5 bezogene, senkrecht zur Bildebene gemessene Tiefe von z.B. 1 m oder 1,5 m. Das bandförmige Ankoppelelement 4 kann vorzugsweise in dieselbe Richtung gemessen dieselbe oder eine ähnliche Tiefe oder Bandbreite aufweisen. Die Heizplatten 5 und/oder das Ankoppelelement 4 können senkrecht zur Bildebene gesehen auch in Segmente von z.B. 200 mm oder 250 mm Breite unterteilt sein, um Problemen im Zusammenhang mit der thermischen Längenänderung entgegen zu wirken. Der vom Ankoppelelement 4 um die Spule 2 und den Magnetkern 3 geschlagene Halbkreis kann z.B. einen Durchmesser von etwa 1 m aufweisen.
  • Die Heizplatten 5 sind innerhalb eines Wärmetransfervolumens 19 angeordnet, welches in der Bildebene einen Querschnitt von z.B. 1 m2 aufweist und von Seitenwänden 20 sowie einer Abgrenzungswand 21 umgeben ist. Die Abgrenzungswand 21 dient zur räumlichen Abgrenzung gegenüber dem Transformatorraum 22 und ist - wie die Seitenwände 20 auch - thermisch isolierend. Das Wärmetransfervolumen 19 kann an Fluidleitungselemente 6 eines Fluidkreislaufs 13 angeschlossen werden. Hinsichtlich des Fluidkreislaufs 13 und des Fluidleitungselements 6 wird auf die Beschreibung zu 2 verwiesen. Der Bereich der Übergangsstellen 18 ist - anders als in 1 zur besseren Übersicht dargestellt - vorzugsweise ebenfalls weitgehend thermisch isolierend und einen Stoffaustausch verhindernd oder zumindest erschwerend ausgebildet, z.B. durch ein Isolationsmaterial. Die Heizplatten 5 können - wie auch in anderen als der hier beschriebenen konkreten Ausführungsform des Heizmoduls 1 - stehend oder hängend angeordnet werden.
  • Mithilfe der Spule 2 und dem Magnetkern 3 wird über ein elektromagnetisches Wechselfeld im Ankoppelelement 4 ein Heizstrom erzeugt, der aufgrund des in den Heizplatten 5 gegebenen hohen ohmschen Widerstandes diese erhitzt. Die Heizplatten 5 dienen wiederum zur Erwärmung eines hier nicht dargestellten fluiden Wärmeüberträgers, der an den Heizplatten 5 entlang vorzugsweise senkrecht zur Zeichnungsebene fließt. Es ist denkbar, auch den Transformatorraum 22 von einem Fluid durchfließen zu lassen, um das Ankoppelelement 4 zu kühlen, z.B. mittels eines hier nicht dargestellten gesonderten Fluidkreislaufs. Dabei kann es sich auch um den noch kühlen fluiden Wärmeüberträger handeln, der dadurch bereits erwärmt werden kann. Der Transformatorenraum 22 weist vorzugsweise thermisch isolierende Wände 23 auf.
  • Die Heizplatten 5 sind derart dimensioniert und im Wärmetransfervolumen 19 so angeordnet, dass das Verhältnis der Gesamtfläche der für das Aufheizen des Fluids vorgesehenen Flachseiten der Heizplatten 5 zu dem die Heizplatten 5 aufnehmenden Wärmetransfervolumen 19 mindestens 100 m2/m3, vorzugsweise mindestens 150 m2/m3 beträgt. Auf diese Weise ist es möglich, das aufzuheizende Fluid, vorzugsweise Luft, auf 1000 °C oder mehr zu erwärmen.
  • Die vorgenannten beispielhaften Abmessungen wurden beispielhaft angegeben und können vorteilhaft im Zusammenhang mit einer Vorrichtung zur Energiespeicherung sein, die in 2 näher dargestellt wird. Aber auch in diesem Zusammenhang sind andere Abmessungen selbstverständlich möglich. Tatsächlich kann das erfindungsgemäße Heizmodul auch für andere Zwecke genutzt werden, um Fluide zu erwärmen. Dann können je nach Temperatur- oder Leistungsanforderung gänzlich andere Abmessungen sinnvoll sein. Auch müssen die Wärmetransfer-Elemente nicht als Heizplatte 5 ausgebildet sein. Andere Formen, wie z.B. Rohre, sind in der Beschreibungseinleitung dargestellt.
  • 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Energiespeicherung mit drei in Hinblick auf den Fluidfluss in Reihe angeordneten Heizmodulen 1, einem Wärmespeicher 7 und einer Wärme-Kraft-Kopplung 8. Die Heizmodule 1 sind hier nur symbolhaft dargestellt und können dem in 1 dargestellten Heizmodul 1 entsprechen.
  • Im wärmeisolierten Wärmespeicher 7 ist ein Wärmespeichermedium 9, zum Beispiel Steine in einer Schüttung, angeordnet. Das Wärmespeichermedium 9 soll mithilfe des wärmeübertragenden Fluids, vorzugsweise Luft, auf eine maximale Temperatur, zum Beispiel 1000 °C, erhitzt werden. Das Fluid selbst wird mithilfe der Heizmodule 1 auf eine entsprechende Temperatur gebracht. Die Heizmodule 1 werden über Stromleitungen 25 mit elektrischer Leistung aus einen Stromnetz oder einer bestimmten Energiequelle, zum Beispiel einem oder mehreren Windrädern 24, versorgt. Insbesondere kann hierfür elektrische Leistung vorgesehen werden, die im Stromnetz gerade nicht gebraucht, also überschüssig, ist.
  • Zum Beladen des Wärmespeichers 7 wird das Fluid in einem ersten Kreislauf 13 mittels eines ersten Ventilators 10 durch Fluidleitungselemente 6 hindurch über die Wärmetransfervolumina 19 (siehe 1) der Heizmodule 1 und den Wärmespeicher 7 geführt. Die Fluidleitungselemente 6 gehen jeweils über mindestens einen hier nicht dargestellten Eingang und Ausgang in das Wärmetransfervolumen 19 des angeschlossenen Heizmoduls 1 über. Das Fluid wird in den Heizmodulen 1 letztendlich auf eine Heiztemperatur, zum Beispiel 1000 °C, gebracht und kontaktiert anschließend im Wärmespeicher 7 das Wärmespeichermedium 9, vorzugsweise unmittelbar. Dies erfolgte so lange, bis das Wärmespeichermedium über die gesamte Höhe der Mediumschüttung seine maximale Temperatur erreicht hat.
  • Zum Entladen des Wärmespeichers 7 wird das Fluid mittels eines zweiten Ventilators 11 in einem zweiten Kreislauf 12 über den Wärmespeicher 7 und einen Wärmetauscher 14 geführt. Der Wärmetauscher 14 gehört zu der Wärme-Kraft-Kopplung 8, durch die mittels einer Turbine 15 elektrischer Strom erzeugt wird, der dem Stromnetz oder einem unmittelbaren Verbraucher (hier nicht dargestellt) zur Verfügung gestellt wird.
  • Im zweiten Kreislauf 12 wird das Fluid im Wärmespeicher 7 durch den unmittelbaren Kontakt mit dem Wärmespeichermedium 9 auf die Maximaltemperatur, zum Beispiel 1000 °C, gebracht. Im Wärmetauscher 14 wird ein in einem Leitungssystem 16 befindliches Betriebsfluid, z.B. Luft, für die Wärme-Kraft-Kopplung 8 erhitzt. In 2 ist beispielhaft als Wärme-Kraft-Kopplung 8 ein Gasturbinenkraftwerk gezeigt. Alternativ kann auch z.B. ein Dampfturbinenkraftwerk oder eine Kombination aus Gasturbinenkraftwerk und Dampfturbinenkraftwerk zur Energieerzeugung genutzt werden. Das in 2 gezeigte Gasturbinenkraftwerk verdichtet mittels eines Verdichters 17 das Betriebsfluid, z.B. aus der Umgebung stammende Luft, und führt es mittels der Rohrleitung 16 über den Wärmetauscher 14 zur Turbine 15, wo das abgekühlte Betriebsfluid dann der Umgebung zugeführt oder zur weiteren Nutzung verwendet wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizmodul
    2
    Spule
    3
    Magnetkern
    4
    Ankoppelelement
    5
    Heizplatte
    6
    Fluidleitungselement
    7
    Wärmespeicher
    8
    Wärme-Kraft-Kopplung
    9
    Wärmespeichermedium
    10
    erster Ventilator
    11
    zweiter Ventilator
    12
    zweiter Kreislauf
    13
    erster Kreislauf
    14
    Wärmetauscher
    15
    Turbine
    16
    Rohrleitung
    17
    Verdichter
    18
    Übergangsstelle
    19
    Wärmetransfervolumen
    20
    Seitenwand
    21
    Abgrenzungswand
    22
    Transformatorraum
    23
    Wand
    24
    Windrad
    25
    Stromleitungen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 28330290 B1 [0003]
    • EP 2833092 B1 [0005]

Claims (13)

  1. Heizmodul für einen fluiden Wärmeüberträger, umfassend a) Wechselfeld-Erzeugungsmittel zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, b) ein Ankoppelelement (4) zur induktiven Ankopplung an das elektromagnetische Wechselfeld und c) ein Wärmetransfervolumen (19) zur Erwärmung des fluiden Wärmeüberträgers, dadurch gekennzeichnet, dass d) mindestens ein Wärmetransfer-Element (5) mit dem Ankoppelelement (4) elektrisch in Reihe geschaltet und innerhalb des Wärmetransfervolumens (19) angeordnet ist.
  2. Heizmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselfeld-Erzeugungsmittel und mindestens ein die Wechselfeld-Erzeugungsmittel zumindest zum Teil umlaufender Teil des Ankoppelelements (4) außerhalb des Wärmetransfervolumens (19) angeordnet sind.
  3. Heizmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransfer-Element (5) oder die Wärmetransfer-Elemente (5) derart dimensioniert ist (sind), dass das Verhältnis aller für den Kontakt mit dem Fluid vorgesehenen Flächen des Wärmetransfer-Elementes (5) oder der Wärmetransfer-Elemente (5) zu dem Wärmetransfervolumen (19) mindestens 100 m2/m3, vorzugsweise mindestens 150 m2/m3 beträgt.
  4. Heizmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselfeld-Erzeugungsmittel eine das elektromagnetische Wechselfeld erzeugende Primärwicklung (2) und einen zugehörigen Spulenkern (3) aufweisen und das Ankoppelelement (4) um zumindest einen Teil des magnetischen Spulenkerns (3) geführt ist.
  5. Heizmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankoppelelement (4) bandförmig ist.
  6. Heizmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wärmetransfer-Elemente (5) vorgesehen sind.
  7. Heizmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei der Wärmetransfer-Elemente (5) elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.
  8. Heizmodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindesten eine Wärmetransfer-Element (5) plattenförmig oder schalenförmig ist.
  9. Heizmodul nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Wärmetransfer-Elemente (5) mit ihren Flachseiten einander zugewandt angeordnet sind.
  10. Heizmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mit ihren Flachseiten einander zugewandten Wärmetransfer-Elemente (5) parallel zueinander ausgerichtet sind.
  11. Vorrichtung zur Energiespeicherung, umfassend ein Wärmespeichermedium (9) und mindestens einen Kreislauf (12, 13) für einen fluiden Wärmeüberträger, wobei der mindestens eine Kreislauf (12, 13) des Wärmeüberträgers derart gestaltet ist, dass zur Wärmeeinspeisung in das Wärmespeichermedium (9) und/oder zur Wärmeentnahme aus dem Wärmespeichermedium (9) der Wärmeüberträger das Wärmespeichermedium umströmt und/oder durchströmt, gekennzeichnet durch ein zur Aufheizung des Wärmeüberträgers dienendes Heizmodul (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (9) einen Feststoff aufweist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeeinspeisung in das Wärmespeichermedium (9) und/oder zur Wärmeentnahme aus dem Wärmespeichermedium (9) der Wärmeüberträger das Wärmespeichermedium (9) unmittelbar kontaktiert.
DE102017126959.2A 2017-11-16 2017-11-16 Heizmodul für einen fluiden Wärmeüberträger sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung Withdrawn DE102017126959A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017126959.2A DE102017126959A1 (de) 2017-11-16 2017-11-16 Heizmodul für einen fluiden Wärmeüberträger sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung
EP18818977.3A EP3710758A1 (de) 2017-11-16 2018-11-02 Heizmodul für einen fluiden wärmeüberträger sowie vorrichtung zur energiespeicherung
PCT/DE2018/100890 WO2019096344A1 (de) 2017-11-16 2018-11-02 Heizmodul für einen fluiden wärmeüberträger sowie vorrichtung zur energiespeicherung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017126959.2A DE102017126959A1 (de) 2017-11-16 2017-11-16 Heizmodul für einen fluiden Wärmeüberträger sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017126959A1 true DE102017126959A1 (de) 2019-05-16

Family

ID=64664551

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017126959.2A Withdrawn DE102017126959A1 (de) 2017-11-16 2017-11-16 Heizmodul für einen fluiden Wärmeüberträger sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3710758A1 (de)
DE (1) DE102017126959A1 (de)
WO (1) WO2019096344A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0062706A2 (de) * 1981-04-10 1982-10-20 Robert Bosch Gmbh Heizvorrichtung
EP2830290A1 (de) 2013-07-26 2015-01-28 Sap Se Kommunikation von Seiten über ein digitales zellulares Telekommunikationsnetzwerk
EP2833092A2 (de) 2013-08-01 2015-02-04 Dieter Schluckebier Verfahren sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3390251A (en) * 1965-10-22 1968-06-25 Joshua D. Lowenfish Heating device
US6901213B2 (en) * 2001-05-23 2005-05-31 Bai Bing Electric heater
EP2101051A1 (de) * 2008-03-12 2009-09-16 Siemens Aktiengesellschaft Speicherung elektrischer Energie mit Wärmespeicher und Rückverstromung mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0062706A2 (de) * 1981-04-10 1982-10-20 Robert Bosch Gmbh Heizvorrichtung
EP2830290A1 (de) 2013-07-26 2015-01-28 Sap Se Kommunikation von Seiten über ein digitales zellulares Telekommunikationsnetzwerk
EP2833092A2 (de) 2013-08-01 2015-02-04 Dieter Schluckebier Verfahren sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung
DE102013108319A1 (de) * 2013-08-01 2015-02-05 Dieter Schluckebier Verfahren sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung

Also Published As

Publication number Publication date
EP3710758A1 (de) 2020-09-23
WO2019096344A1 (de) 2019-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69724792T2 (de) Brennstoffzellensystem zur stromerzeugung, heizung und kühlung und ventilation
DE112016004590T5 (de) Induktionsheizvorrichtung und Stromerzeugungssystem
EP3002528B1 (de) Wärmespeicher und Verfahren zum Betreiben eines Wärmespeichers
EP2557372A1 (de) Thermoelektrischer Energiespeicher
EP2764215B1 (de) Energiespeichervorrichtung mit offenem ladekreislauf zur speicherung saisonal anfallender elektrischer überschussenergie
EP2158432B1 (de) Allzweckwärmespeicher zur speicherung verschiedener arten von energie
DE102010033956B4 (de) Druckgasspeichervorrichtung mit mindestens einem Druckgastank und mit einer Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere mit einem Wärmetauscher
DE102016119668A1 (de) Induktiver Wärmespeicher und Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie
DE102010054640A1 (de) Wärmetauscher
DE102017126959A1 (de) Heizmodul für einen fluiden Wärmeüberträger sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung
DE102006047342B3 (de) Doppelwandiger Stahlschornstein zur Gewinnung elektrischer Energie
DE202009016576U1 (de) Vorrichtung zur Wärmegewinnung umfassend zwei Wärmepumpen
DE102013108319A1 (de) Verfahren sowie Vorrichtung zur Energiespeicherung
DE2433790A1 (de) Heizvorrichtung, insbesondere heizstab
DE102018105965A1 (de) Heizgerät
DE102009057769A1 (de) Vorrichtung zum Erzeugen eines Gases
WO2003027595A2 (de) Hochtemperatur-akkumulator
DE102012014513B4 (de) Energieversorgungsanlage
DE102015213862B3 (de) Verbrennungskraftwerksanlage mit verbesserter Effizienz durch korrosionsbeständige Wärmeübertrager
DE102016112752A1 (de) Thermoelektrische Generatorvorrichtung mit einer Wärmerohreinrichtung, Verfahren zum Betreiben einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung
DE112022003879T5 (de) Koaxialer wirbel-rohrheizkörper
DE109377C (de)
DE102022105661A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers
EP4332423A1 (de) Brenngasspeichersystem
DE102014201232A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Fluiderwärmung

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee