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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Üblicherweise wird Wärme zur Rückgewinnung von Energie, beispielsweise durch Verstromung, einem zu kühlenden Kreislauf durch einen Wärmetauscher entzogen und dann mittels eines Arbeitsfluids zu einem weiteren Wärmetauscher übertragen, welcher wiederrum die Wärme an ein Speichermedium, wie z. B. eine Flüssigkeit, abgibt.
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Derartige Wärmespeichersysteme weisen aufgrund der zwei Wärmetauscher jedoch durch die Wärmetauscher begrenzte Wirkungsgrade auf.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wärmespeicher mit einer verbesserten Effizienz bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmespeicher nach Anspruch 1 und dessen Verwendung nach Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Wärmespeicher umfasst eine Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung, welche dafür eingerichtet ist, von einem Wärmetransportfluid umströmt zu werden, einen Einspeiseanschluss und einen Entnahmeanschluss für das Wärmetransportfluid, eine den Einspeiseanschluss mit dem Entnahmeanschluss verbindende Wärmefluidführung, welche eine Hauptströmungsrichtung des Wärmetransportfluids in dem Wärmespeicher definiert, gekennzeichnet durch mindestens ein Strömungsführungsmittel, welches dazu eingerichtet ist, eine Strömungsrichtungskomponente einer Strömung des Wärmetransportfluids quer zur Hauptströmungsrichtung innerhalb der Wärmefluidführung zu führen und/oder zu erzeugen. Die Hauptströmungsrichtung kann im Wesentlichen mit der Transportrichtung des Wärmetransportfluids in dem Wärmespeicher übereinstimmen. Der Wärmespeicher kann im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet sein und in diesem Fall kann die Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen dem Rohrverlauf folgen. Der Wärmespeicher kann im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die Hauptströmungsrichtung entlang der Zylinderachse verlaufen kann. Die Strömungsrichtungskomponente einer Strömung des Wärmetransportfluids quer zur Hauptströmungsrichtung beschreibt vorzugsweise eine Zirkulationsbewegung des Wärmetransportfluids in der Wärmefluidführung. Wird eine Geschwindigkeitsverteilung des Wärmetransportfluids in einer Ebene quer oder senkrecht zur Hauptströmungsrichtung betrachtet, so ist diese nicht null, da die Strömungsrichtungskomponente einer Strömung des Wärmetransportfluids quer zur Hauptströmungsrichtung vorliegt. Insbesondre kann die Geschwindigkeitsverteilung des Wärmetransportfluids in einer Ebene quer oder senkrecht zur Hauptströmungsrichtung als ein Wirbelfeld beschrieben werden. Vorzugsweise ist die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung innerhalb der Wärmefluidführung angeordnet. Bei dem Wärmetransportfluid kann es sich um Wasser oder ein Thermoöl handeln.
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Dadurch, dass eine Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung innerhalb der Wärmefluidführung vorliegt, kann eine Fläche der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung gleichmäßig von dem Wärmetransportfluid umströmt werden, sodass die Wärme nicht lokal, sondern über eine große Fläche an die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung abgegeben wird, was die Effizienz des Wärmespeichers erhöht, da die Wärme schneller mit dem Wärmetransportfluid getauscht werden kann. Ferner können in dem Wärmespeicher an der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung „anhaftende“ Laminarschichten des Wärmetransportfluids, welche eine Wärmeisolierung darstellen können, abgerissen werden und es kann im Wesentlichen durchgehend neu anströmendes Wärmetransportfluid in direkten Kontakt mit der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung gebracht werden, wodurch der Wärmetransport zwischen den Wärmetransportfluid und der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung verbessert wird.
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Vorzugsweise ist die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung als eines der oder das Strömungsführungsmittel ausgebildet, welches vorzugsweise mindestens eine Anordnungsschicht umfasst, welche durch plattenförmige Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten ausgebildet sein kann, wobei die oder jede Anordnungsschicht sich quer zur Hauptströmungsrichtung erstrecken kann. Hierdurch kann die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung eine Doppelfunktion aufweisen. Ist die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung als eine Anordnungsschicht ausgebildet, welche sich quer zur Hauptströmungsrichtung erstreckt, so kann die Strömungsrichtungskomponente des Wärmetransportfluids quer zur Hauptströmungsrichtung dafür Sorge tragen, dass das Wärmetransportfluid im Wesentlichen über die gesamte Anordnungsschicht gleichmäßig verteilt wird. Ist die Anordnungsschicht durch plattenförmige Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten ausgebildet, so können besonders einfach Strukturen innerhalb der Anordnungsschicht, wie z. B. Durchlassbereiche, ausgebildet werden. Ferner lassen sich aus Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten Anordnungsschichten unterschiedlicher Dimensionen herstellen.
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Es wird bevorzugt, dass die oder jede der Anordnungsschichten einen Durchströmungsabschnitt umfasst, welcher dafür eingerichtet ist, von dem Wärmetransportfluid mit einer Strömungsrichtungskomponente in Hauptströmungsrichtung durchströmt zu werden, wobei vorzugsweise der Wärmespeicher ein Anordnungsschichtenpaar aus zwei bezüglich der Hauptströmungsrichtung direkt benachbarten Anordnungsschichten umfasst, wobei eine erste Anordnungsschicht aus dem Anordnungsschichtenpaar bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromaufwärts bezüglich einer zweiten Anordnungsschicht aus dem Anordnungsschichtenpaar angeordnet ist, und wobei in der ersten Anordnungsschicht mindestens eine Teil des Durchströmungsabschnitts so angeordnet ist, dass eine Strömung des Wärmetransportfluids durch diesen Teil in Richtung der Hauptströmungsrichtung durch die zweite Anordnungsschicht, vorzugsweise durch eine plattenförmige Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheit der zweiten Anordnungsschicht, blockiert ist. Die zweite Anordnungsschicht liegt stromabwärts der ersten Anordnungsschicht. Der Durchströmungsabschnitt erlaubt dem Wärmetransportfluid ein Passieren der Anordnungsschicht ohne einen besonders hohen Strömungswiderstand dem Wärmetransportfluid entgegenzusetzen. Dadurch, dass in einem Anordnungsschichtenpaar ein durch einen Teil eines Durchströmungsabschnitts strömendes Wärmetransportfluid auf einen nicht durchdringbaren Teil der zweiten Anordnungsschicht trifft, wird die Strömung des Wärmetransportfluids in eine Richtung quer zur Hauptströmungsrichtung gelenkt und dies trägt zur Aufrechterhaltung der vorteilhaften Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung bei oder erzeugt eine solche Komponente.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung PCM, vorzugsweise mindestens eine PCM-gefüllte plattenförmige Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheit, welche eine Disk-Form aufweisen kann. PCM (Phasenwechselmaterialen) eignen sich besonders gut, um Wärme zu speichern und die Effizienz des Wärmespeichers kann durch die an die Betriebstemperatur des Wärmespeichers angepasste Auswahl des PCM erhöht werden. Die Verwendung einer Disk-Form der plattenförmigen Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheit erlaubt eine besonders einfache Anordnung der plattenförmigen Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten zu einer Anordnungsschicht bzw. einem Anordnungsschichtenpaar. Werden Diskförmige Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten in einer Ebene angeordnet, so entstehen im Wesentlichen automatisch vorteilhafte Durchströmungsabschnitte aufgrund der Form der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten. Unter einer Disk-Form kann eine dreidimensionale Form verstanden werden, die in einer Aufsicht in einer X-Y Ebene, welche vorzugsweise im montierten Zustand der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheit in dem Wärmespeicher quer zur Hauptströmungsrichtung liegt, eine abgerundete Form hat, wie z.B. im Wesentlichen die Form eines Kreises oder einer Ellipse; ferner hat diese dreidimensionale Form in der Z-Richtung, welche senkrecht zu der X- und Y-Richtung liegt, eine Ausdehnung die wesentlich kleiner ist als in der X- und in Y- Richtung, z.B. um mindestens den Faktor 2 bis 4 oder besonders bevorzugt um mindestens den Faktor 5. Beispiele für Objekte mit einer Disk-Form sind Zylinderscheiben, wobei die Kreisform in der X-Y Ebene liegt, und abgeplattete Ellipsoide sowie abgeplattete Rotationsellipsoide, deren kürzeste Halbachse in der Z-Richtung ausgerichtet ist, wobei die obige Einschränkung in Bezug auf die Ausdehnung in Z-Richtung erfüllt ist.
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Es wird weiterhin bevorzugt, dass die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung eine Oberflächenstruktur aufweist, welche bei einer Anströmung durch das Wärmetransportfluid dazu geeignet ist, die Erzeugung von Wirbeln/Turbulenzen zu unterstützen und/ oder Wirbel/Turbulenzen zu erzeugen. Die Erzeugung von vorzugsweise lokalen Wirbeln und/oder Turbulenzen verstärkt den Abriss von Laminarschichten von der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung, wodurch diese von der isolierenden Laminarschicht befreit wird und im Wesentlichen durchgehend in Kontakt mit neu heranströmenden Wärmetransportfluid gebracht werden kann. Die Oberflächenstruktur kann durch eine oder eine Mehrzahl von Sicken oder Vertiefungen ausgebildet sein.
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Das oder eines der Strömungsführungsmittel kann als eine Lochplatte mit Durchgängen ausgebildet sein, wobei vorzugsweise die Durchgänge an einem Rand der Lochplatte einen größeren Durchmesser aufweisen als Durchgänge in der Lochplatte, welche weiter von dem Rand entfernt liegen. Eine Lochplatte ist ein besonders einfach herzustellendes Element, sodass die Kosten des Wärmespeichers reduziert werden können. Weisen die Durchgänge außen einen größeren Durchmesser als im Inneren (also weiter entfernt von dem Rand) auf, so unterstützt eine derartige Lochplatte an ihrem Rand einen stärkeren Durchfluss des Wärmetransportfluids als entfernt von ihrem Rand, wodurch eine Zirkulationsbewegung des Wärmetransportfluids in einer Ebene quer zur Hauptströmungsrichtung unterstützt wird, da diese in einem Außenbereich in Radialrichtung eine stärkere Strömung als in einem Innenbereich aufweist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Durchgang der Lochplatte in einer Richtung schräg zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet, um eine Strömungsrichtungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung zu unterstützen bzw. zu erzeugen. Besonders bevorzugt ist es, dass alle Durchgänge der Lochplatte im Wesentlichen in eine Richtung schräg zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sind, besonders bevorzugt in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet sind. Die gemeinsame Richtung kann eine Zirkulationssteigungsrichtung sein, wobei hierunter eine Richtung zwischen einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung des Durchgangs in der Lochplatte zu verstehen ist, bei welchem, bei Betrachtung in Zylinderkoordinaten,
- - in der Z-Richtung (Höhe) der unterschied der Koordinaten der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung durch die Dicke der Lochplatte gegeben ist;
- - in der Winkelrichtung die Austrittsöffnung gegenüber der Eintrittsöffnung um einen Winkelwert versetzt ist, wobei der Winkelwert nicht null ist und für alle Durchgänge das gleiche Vorzeichen und vorzugsweise einen festen Absolutbetrag aufweist;
- - während die Radialkomponente der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung sich nur geringfügig ändert, vorzugsweise konstant bleibt.
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Wird bei einem festem Winkelversatz Δ zwischen Austrittsöffnung und der Eintrittsöffnung und konstanter Radiuskoordinate (was nicht der Radius der Austrittsöffnung oder Eintrittsöffnung ist) der Austrittsöffnung und der Eintrittsöffnung die Differenz der Koordinaten z.B. der Zentren der Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung gebildet, so ist dieser bei einer festen Lochplattendicke s in Zylinderkoordinaten konstant (0, Δ, s) (für die Koordinatenreihenfolge, Radius, Polarwinkel, Höhe) und beschreib einen Sonderfall der Zirkulationssteigungsrichtung.
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Vorzugsweise ist eine solche Eintrittsöffnung mit einer solchen Austrittsöffnung durch einen geraden Kanal der des Durchgangs verbunden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eines der oder das Strömungsführungsmittel als ein bezüglich der Hauptströmungsrichtung im Anfangsbereich der Wärmefluidführung angeordnetes Strömungserzeugungsmittel ausgebildet, welches dafür eingerichtet ist, eine Initialströmungsrichtungskomponente der Strömung des Wärmetransportfluids quer zur Hauptströmungsrichtung zu erzeugen. Durch das Strömungserzeugungsmittel wird die vorteilhafte Strömungsrichtungskomponente der Strömung des Wärmetransportfluids quer zur Hauptströmungsrichtung erzeugt, sodass es nicht mehr notwendig ist, dass diese von einem oder mehreren weiteren Strömungsführungsmitteln des Wärmespeichers erzeugt wird. Es wird jedoch bevorzugt, dass die vorteilhafte Strömungsrichtungskomponente der Strömung des Wärmetransportfluids quer zur Hauptströmungsrichtung unterstützend durch eine oder mehrere weitere Strömungsführungsmitteln aufrechterhalten wird. Insbesondere kann so die vorteilhafte Strömungsrichtungskomponente der Strömung des Wärmetransportfluids quer zur Hauptströmungsrichtung vor Eintritt des Wärmetransportfluids in die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung ausgebildet werden, sodass auch die stromaufwärts bezüglich der Hauptströmungsrichtung gelegenen Abschnitte der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung flächig umströmt werden.
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Der Wärmespeicher, wie er oben beschrieben worden ist, kann verwendet werden, um Wärme von dem durch den Einspeiseanschluss eintretendem Wärmetransportfluid an die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung zu übertragen, wenn die Temperatur des Wärmetransportfluids oberhalb der Temperatur der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung liegt; oder/und, um Wärme an das durch den Einspeiseanschluss eintretende Wärmetransportfluid von der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung zu übertragen, wenn die Temperatur des Wärmetransportfluids unterhalb der Temperatur der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung liegt. Die Vorteile des oben beschriebenen Wärmespeichers übertragen sich im Wesentlichen auch auf seine Verwendung. Insbesondere wird bevorzugt, dass der Wärmespeicher in einem Temperaturbereich verwendet wird, in dem ein Phasenübergang des PCM stattfindet und somit viel Wärme aufgenommen bzw. abgegeben werden kann, obwohl nur kleine Temperaturänderungen in dem Wärmetransportfluid sich ergeben oder vorliegen. Es wird ferner bevorzugt bei der Verwendung des Wärmespeichers, das Wärmetransportfluid dem Wärmespeicher bei einer Geschwindigkeit zuzuführen, so dass sich in dem Wärmespeicher eine turbulente Strömung ausbildet.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Zuhilfenahme von Figuren beschrieben, in welchen zeigen:
- 1: eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmespeichers der Erfindung;
- 2: einen schematischen Schnitt durch den Wärmespeicher aus 1;
- 3: einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Lochplatte aus 2;
- 4 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform einer Lochplatte aus 2;
- 5a Strömungskomponenten einer Strömung eines Wärmetransportfluid quer zur Hauptströmungsrichtung in einer rechteckigen Wärmefluidführung; und
- 5b Strömungskomponenten einer Strömung eines Wärmetransportfluid quer zur Hauptströmungsrichtung in einer runden Wärmefluidführung.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmespeicher 2 mit einem Einspeiseanschluss 4 und einem Entnahmeanschluss 6. In dem Wärmespeicher 2 ist eine Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 angeordnet, welche von einer Wärmefluidführung 10 des Wärmespeichers 2, vorzugsweise einem Zylindermantel, umschlossen sein kann. Die Wärmefluidführung 10 verbindet den Einspeiseanschluss 4 und den Entnahmeanschluss 6. Die Wärmefluidführung 10 definiert eine Hauptströmungsrichtung (z.B. die Richtung HS) in dem Wärmespeicher 2. Der Wärmespeicher 2 kann zylindrisch ausgebildet sein und die Hauptströmungsrichtung kann entsprechend im Wesentlichen entlang des Pfeils HS in 1, und somit im Wesentlichen entlang der Zylinderachse des Wärmespeichers 2, verlaufen. Vorzugsweise ist die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung aus Anordnungsschichten 12a - 12p ausgebildet. Die Anordnungsschichten 12a - 12p erstrecken sich im Wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung HS, wobei quer im Rahmen dieser Anmeldung einen Winkelbereich von 90° +- 45° umfassen soll. Die einzelnen Anordnungsschichten 12a - 12p sind vorzugsweise aus plattenförmigen Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten 14 ausgebildet, welche eine Disk-Form aufweisen können. Die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 kann ein PCM umfassen, welches vorzugsweise als Füllung 16 der plattenförmigen Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten 14 vorliegen kann. In einer besonders einfachen Ausführungsform können die Anordnungsschichten 12a - 12p durch Aufschichten der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten 14 in der Wärmefluidführung 10, vorzugsweise dem Zylindermantel, ausgebildet werden. In einer nicht bevorzugten Ausführungsform ist es alternativ möglich, diese Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten 14 auf einem Gitter oder einem Gestell zu befestigen.
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Die Oberflächenstruktur der jeweiligen Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten 14 kann eine Sicke oder mehrere Sicken aufweisen, wodurch bei Anströmung durch ein Wärmetransportfluid Wirbelströmungen erzeugt werden können. Hierdurch können laminare Schichten des Wärmetransportfluids von den jeweiligen Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten 14 abgerissen werden, welche als eine Isolierungsschicht zwischen dem neu heranströmenden Wärmetransportfluid und der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung fungieren, sodass der Wärmetransport zwischen dem Wärmetransportfluid und der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung verbessert werden kann.
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In der hier gezeigten Ausführungsform des Wärmespeichers 2 liegen drei Strömungsführungsmittel vor, welche jedoch auch einzeln oder in einer Kombination von nur zweien der Strömungsführungsmittel in der Erfindung verwendet werden können. Die Strömungsführungsmittel werden im Folgenden beschrieben:
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Ein erstes Strömungsführungsmittel kann durch die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 ausgebildet sein. In der vorliegenden Ausführungsform strömt das Wärmetransportfluid durch den Einspeiseanschluss 4 und erreicht einen Durchströmungsabschnitt 18a in der Anordnungsschicht 12a (vorzugsweise liegen Durchströmungsabschnitte in allen Anordnungsschichten vor, diese sind in 2 erkennbar, wurden der Übersicht halber jedoch, abgesehen vom Durchströmungsabschnitt 18b in der Anordnungsschicht 12b, nicht explizit mit einem Bezugszeichen versehen). Das Wärmetransportfluid kann im Wesentlichen in der Hauptströmungsrichtung HS durch den Durchströmungsabschnitt 18a hindurchströmen. Weiter stromabwärts in der Hauptströmungsrichtung HS trifft jedoch zumindest ein Teil des Wärmetransportfluids, welches den Durchströmungsabschnitt 18a passiert hat, einen von dem Wärmetransportfluid nicht durchströmbaren Bereich der stromabwärtsliegenden direkt benachbarten Anordnungsschicht 12b; bei diesem von dem Wärmetransportfluid nicht durchströmbaren Bereich der Anordnungsschicht 12b kann es sich um eine Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheit 14 der Anordnungsschicht 12b handeln. Die Strömung des Wärmetransportfluids wird durch den von dem Wärmetransportfluid nicht durchströmbaren Bereich der Anordnungsschicht 12b abgelenkt in eine Richtung quer zur Hauptströmungsrichtung HS (gezeigt durch den Pfeil 20ab zwischen dem Durchströmungsabschnitt 18a und dem Durchströmungsabschnitt 18b). Die Strömung des Wärmetransportfluids zwischen dem Durchströmungsabschnitt 18a und dem Durchströmungsabschnitt 18b erfolgt vorzugsweise entlang eines Strömungspfades, wie er zwischen zwei Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten in der 2 gezeigt ist, wobei ein solcher beispielhafter Strömungspfad mit dem Bezugszeichen 21 versehen ist. Die für die Anordnungsschicht 12b stromaufwärts bezüglich der Hauptströmungsrichtung HS liegende Anordnungsschicht 12a und die Anordnungsschicht 12b, welche entsprechend für die Anordnungsschicht 12a bezüglich der Hauptströmungsrichtung HS stromabwärts liegt, sind bezüglich der Hauptströmungsrichtung HS direkt benachbart und bilden ein Anordnungsschichtenpaar aus. Dieses Anordnungsschichtenpaar ist dafür eingerichtet, eine Strömungskomponente des Wärmetransportfluids quer, hier durch den Pfeil 20ab angedeutet, bezüglich der Hauptströmungsrichtung HS innerhalb der Wärmefluidführung 10 zu führen bzw. diese Strömungskomponente zu erzeugen. Ein entsprechendes Verhalten bezüglich der Strömungsführung wird durch das Anordnungsschichtenpaar aus den Schichten 12b und 12c, 12c und 12d, ... sowie 12o und 12p gezeigt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform resultiert die Erzeugung bzw. Führung der Strömungskomponente des Wärmetransportfluids quer bezüglich der Hauptströmungsrichtung HS durch das Strömungsführungsmittel, welches durch die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 ausgebildet ist, in einer Zirkulationsbewegung in der ersten Richtung des Wärmetransportfluids in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung HS. Es ist anzumerken, dass bei einer Zirkulationsbewegung in einer Ebene quer zu der Hauptströmungsrichtung die Projektion dieser Zirkulationsbewegung in die Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung HS nicht verschwindet, und somit in diesem Fall auch eine Zirkulationsbewegung in einer ersten Richtung des Wärmetransportfluids in der Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung HS vorliegt.
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Beispiele von Zirkulationsbewegungen 40, 40' des Wärmetransportfluids in einer ersten Richtung in der Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung HS sind für eine rechteckige Wärmefluidführung 10' in der 5a und für die zylindrische Wärmefluidführung 10 in der 5b schematisch gezeigt, wobei die erste Strömungsrichtung durch Pfeile angegeben ist. Die Hauptströmungsrichtung HS kann senkrecht in oder aus der Ebene jeweils der 5a und 5b verlaufen.
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Die Funktion eines durch die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 ausgebildeten Strömungsführungsmittels wird verstärkt, wenn die eintretende Strömung des Wärmetransportfluid bereits eine Strömungsrichtungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung aufweist, welche durch das durch die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 ausgebildeten Strömungsführungsmittel verstärkt wird. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Strömung des Wärmetransportfluids, welches in die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 eintritt, eine Richtungskomponente aufweist, die mit der Strömungsrichtungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen übereinstimmt, welche durch das durch die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 ausgebildeten Strömungsführungsmittel unterstützt oder erzeugt wird.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann dies der Fall sein, wenn die Strömung des Wärmetransportfluids, welches in die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 eintritt, eine Richtungskomponente aufweist, welche mit der Richtung des Pfeils 20ab übereinstimmt. Wird wie oben beschrieben die Zirkulationsbewegung des Wärmetransportfluids in der ersten Richtung in der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 unterstützt, so wird besonders bevorzugt, dass das eintretende Wärmetransportfluid in die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 ebenso eine Zirkulationsbewegung in der ersten Richtung vollführt.
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Eine Strömungsrichtungskomponente des Wärmetransportfluids quer zur Hauptströmungsrichtung kann z. B. erzeugt werden, indem ein zusätzliches, oder als einzelnes Element vorliegendes, Strömungsführungsmittel im Anfangsbereich bezüglich der Hauptströmungsrichtung HS der Wärmefluidführung 10 vorgesehen wird, z. B. direkt am Einspeiseanschluss 4 vorgesehen wird. Ein solches Strömungsführungsmittel kann ein Strömungserzeugungsmittel ausbilden. Das Strömungserzeugungsmittel kann z. B. als ein Winkelstück 22 des Wärmespeichers 2 ausgebildet sein, welches durch die gestrichelte Linie 22 in 2 angedeutet ist. Das Winkelstück 22 kann einer Wärmefluidströmung, die nur in der Hauptströmungsrichtung HS durch den Einspeiseanschluss 4 in den Wärmespeicher 2 eintritt, eine Initialströmungsrichtungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung HS erzeugen, welche sich in einem Vorraum 24 der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8, innerhalb der Wärmefluidführung 10, ausbilden kann. Vorzugsweise ist das Winkelstück 22 so ausgerichtet, dass eine Zirkulationsbewegung des Wärmetransportfluids in dem Vorraum 24 ausgebildet wird.
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Eine weitere Möglichkeit durch ein Strömungsführungsmittel eine Strömungsrichtungskomponente des Wärmetransportfluids quer zur Hauptströmungsrichtung innerhalb der Wärmefluidführung 10 zu führen und/oder zu erzeugen, ist ein Vorsehen des Wärmespeichers 2 mit einer Lochplatte 26 im Bereich des einspeisungsseitigen Endes des Wärmespeichers 2. Vorzugsweise weist die Lochplatte 26 eine runde Form auf und füllt den Innenquerschnitt des zylinderförmigen Wärmespeichers 2 aus. Die Lochplatte 26 kann Durchgänge aufweisen. Die Lochplatte 26 kann am Rand 36 Durchgänge 34 mit einem größeren Durchmesser aufweisen als die Durchmesser der Durchgänge 38 im Innenbereich der Lochplatte 26, also weiter entfernt vom Rand 36, z.B. nahe am Zentrum der Lochplatte 26. Der Erfinder hat herausgefunden, dass durch eine so ausgebildete Lochplatte 26 eine Zirkulationsbewegung des Wärmetransportfluids in der zylinderförmigen Wärmefluidführung 10 geführt und/oder erzeugt wird, da ein verstärkter Durchfluss am Rand durch die größeren Durchgänge 34 eine Zirkulationsbewegung des Wärmetransportfluids begünstigt. Dieser Effekt kann in besonders starkem Maße unterstützt oder je nach genauer Ausbildung des Wärmespeichers 2 ausgelöst werden, indem die Durchgänge in der Lochplatte in einer Richtung quer zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sind. Eine Zirkulationsbewegung des Wärmetransportfluids kann sich mit einer Bewegung des Wärmetransportfluids in der Hauptströmungsrichtung HS überlagern.
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Dies kann dadurch realisiert werden, dass bei einer Betrachtung in Richtung des Zentrums Z (in 3 durch eine Mittelachse angedeutet) einer kreisförmigen Lochplatte 26 alle Durchgänge 30 (welche mit den Durchgängen 34 und 38 übereinstimmen können), welche zwischen dem Betrachter und dem Zentrum der Lochplatte 26 liegen, in dieselbe Richtung ausgerichtet, in 3 z.B. nach rechts, geneigt sind. Es ist entsprechend klar, dass in dieser Ausführungsform auf der dem Betrachter abgewandten Seite der Lochplatte 26, vom Standpunkt des Betrachters hinter dem Zentrum Z, die Durchgänge in die andere Richtung ausgerichtet, in 3 also nach links, geneigt sind, wie durch den Durchgang 32 angedeutet ist.
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Um eine Komponente der Fluidströmung quer zur Hauptströmungsrichtung HS am entnahmeseitigen Ende des Wärmespeichers 2 nicht durch eine Stauung des Wärmetransportfluids zu behindern, weist der Wärmespeicher 2 vorzugsweise eine gleichartig ausgebildete Lochplatte 28 an dem entnahmeseitigen Ende der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 auf.
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Insbesondere können die Wärmespeicher-/Wärmeabgabeeinheiten 14 der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung 8 zwischen den Lochplatten 26 und 28 eingespannt sein, wodurch ihre Lage zueinander stabilisiert wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform resultiert die Erzeugung bzw. Führung der Strömungskomponente des Wärmetransportfluids quer bezüglich der Hauptströmungsrichtung HS durch eines oder jedes der Strömungsführungsmittel in einer Zirkulationsbewegung in der ersten Richtung des Wärmetransportfluids in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung HS.
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Der Wärmespeicher 2, wie oben beschrieben, wird vorzugsweise in einem System zur Energierückgewinnung verwendet, wo z. B. ein flächiges Element, auch als Thermomanagementboard bezeichnet, eine Abwärme von einer Wärmequelle zur Rückgewinnung aufnimmt und diese an das Wärmetransportfluid übertragt. Ist zum Beispiel die Anlage zur Rückverstromung der Wärme nicht in der Lage die gesamte Wärme sofort in elektrische Energie umzusetzen, oder soll die Wärme über einen längeren Zeitraum verstrom werden, so kann die Wärme in dem Wärmespeicher 2 gespeichert werden, indem das Wärmetransportfluid durch den Wärmespeicher 2 geleitet wird. Die Speicherung findet dann statt, wenn die Temperatur des Wärmetransportfluids oberhalb der Temperatur der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung liegt und der umgekehrte Wärmetransport von der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung zu dem Wärmetransportfluid findet statt, wenn die Temperatur des Wärmetransportfluids unterhalb der Temperatur der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung liegt.
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Solche Wärmespeicher können insbesondere in Systemen verwendet werden, in welchen die Temperatur nur um wenige Grad Celsius schwankt, bei denen jedoch eine große Wärmemenge aufgenommen werden kann. Hierzu kann das PCM derart gewählt werden, dass der Phasenübergang des PCM innerhalb dieser Temperaturschwankung liegt. Der Fachmann kann PCM Produkte mit einem Phasenübergang speziell in dem gewünschten Temperaturbereich auswählen, wobei zum Beispiel die Firma Rubitherm Technologies GmbH aus Berlin unterschiedliche PCM anbietet, und damit einen Temperaturbereich von -9 °C bis 90 °C abdeckt.
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Um die Effizienz des Wärmespeichers zu erhöhen, kann der Fachmann die Geschwindigkeit des Wärmetransportfluids in dem Wärmespeicher 2 durch Experimente derart wählen, dass eine hohe Wärmeübertragungsrate stattfindet. Der Erfinder glaubt, dass bei einer geeigneten Einströmungsgeschwindigkeit sich innerhalb des Wärmespeichers eine turbulente Strömung ausbildet und dadurch die Isolierung zwischen dem hereinströmenden Wärmetransportfluid und der Wärmespeicher-/Wärmeabgabeanordnung durch die anhaftenden Laminarschichten entfällt.
