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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung, insbesondere eine Hochtemperatur-Wärmespeichervorrichtung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeichervorrichtung, insbesondere eine Hochtemperatur-Wärmespeichervorrichtung bereitzustellen, mittels derer latente und/oder sensible Wärme effektiv speicherbar ist und welche zugleich kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmespeichervorrichtung, insbesondere eine Hochtemperatur-Wärmespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Wärmespeichervorrichtung, insbesondere die Hochtemperatur-Wärmespeichervorrichtung, umfasst vorzugsweise Folgendes:
- einen Wärmespeicherabschnitt, welcher ein Wärmespeichermaterial zum Speichern von latenter und/oder sensibler Wärme umfasst;
- einen Speicherbehälter zur Aufnahme des Wärmespeicherabschnitts;
- eine Beladezuführleitung zum Zuführen eines gasförmigen Wärmeträgermediums in den Speicherbehälter zum Beladen der Wärmespeichervorrichtung und/oder zum Abführen eines gasförmigen Wärmeträgermediums aus dem Speicherbehälter zum Entladen der Wärmespeichervorrichtung,
- wobei die Beladezuführleitung in einem in Schwerkraftrichtung unteren Endbereich des Speicherbehälters in den Speicherbehälter mündet.
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Vorzugsweise mündet die Beladezuführleitung an einem in Schwerkraftrichtung unteren Ende in den Speicherbehälter.
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Der Speicherbehälter begrenzt vorzugsweise einen Innenraum.
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Der Wärmespeicherabschnitt bildet vorzugsweise mindestens 50 %, insbesondere mindestens 70 %, eines Volumens eines Innenraums des Speicherbehälters.
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Der Wärmespeicherabschnitt ist insbesondere vollständig in dem Speicherbehälter aufgenommen.
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Vorzugsweise ist die Wärmespeichervorrichtung eine Feststoff-Regeneratorspeichervorrichtung.
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Als gasförmiges Wärmeträgermedium ist beispielsweise Rauchgas aus einem Gas- oder Kohlekraftwerk und/oder verdichtete Luft aus einem adiabaten Druckluftspeicherkraftwerk dem Speicherbehälter der Wärmespeichervorrichtung zuführbar.
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Günstig kann es sein, wenn eine Höhe des Speicherbehälters größer ist als eine Breite des Speicherbehälters, insbesondere um einen Faktor von mindestens 2, vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 5.
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Der Speicherbehälter weist vorzugsweise eine Höhe von mindestens 20 m, insbesondere von mindestens 35 m, auf.
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Der Speicherbehälter weist vorzugsweise eine Höhe von höchstens 150 m, insbesondere eine Höhe von höchstens 90 m, auf.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass die Beladezuführleitung einen insbesondere vollständig in einem Innenraum des Speicherbehälters angeordneten Zuführkanalabschnitt umfasst, welcher den Wärmespeicherabschnitt parallel zur Schwerkraftrichtung zumindest näherungsweise vollständig durchdringt.
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Vorzugsweise kann somit gasförmiges Wärmeträgermedium an einem in Schwerkraftrichtung unteren Endbereich des Speicherbehälters demselben zugeführt werden und durch den Wärmespeicherabschnitt hindurch in einen in Schwerkraftrichtung oberen Endbereich des Speicherbehälters geleitet werden.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass der Zuführkanalabschnitt eine Zuführkanalwandung umfasst, welche ein keramisches Material, insbesondere eine Oxidkeramik, umfasst oder daraus besteht.
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Günstig kann es sein, wenn die Zuführkanalwandung mehrere gemauerte und/oder gestapelte Formsteine umfasst oder daraus besteht.
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Die Formsteine umfassen insbesondere das Wärmespeichermaterial.
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Vorzugsweise kann somit zumindest ein Teil der Beladezuführleitung einfach und kostengünstig aus Formsteinen gemauert werden, insbesondere wenn die Beladezuführleitung außerhalb des Speicherbehälters druckfest mit einer Speicherbehälterwandung verbunden ist.
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Günstig kann es sein, wenn der Zuführkanalabschnitt eine thermische Isolationsvorrichtung zur thermischen Isolation der Beladezuführleitung, insbesondere des Zuführkanalabschnitts der Beladezuführleitung, von dem Wärmespeicherabschnitt umfasst.
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Die thermische Isolationsvorrichtung umfasst beispielsweise eine zwischen Zuführkanalabschnitt und Wärmespeicherabschnitt angeordnete Wärmedämmschicht, beispielsweise aus Glas- oder Mineralwolle.
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Günstig kann es ferner sein, wenn die thermische Isolationsvorrichtung in Durchtrittsöffnungen der Formsteine der Zuführkanalwandung eingebrachte Glas- oder Mineralwolle umfasst.
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Vorzugsweise werden sämtliche Durchtrittsöffnungen in Formsteinen der Zuführkanalwandung mittels Glas- oder Mineralwolle vollständig verschlossen.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass der Speicherbehälter zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch zu einer Längsachse des Speicherbehälters ausgebildet ist, wobei die Beladezuführleitung insbesondere konzentrisch zur Längsachse des Speicherbehälters angeordnet ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass der Speicherbehälter eine Speicherbehälterwandung umfasst, wobei die Speicherbehälterwandung insbesondere für einen maximalen Innendruck des Speicherbehälters von mindestens 65 bar, insbesondere von mindestens 80 bar, ausgebildet ist.
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Vorzugsweise entspricht ein maximaler Betriebsdruck der Wärmespeichervorrichtung dem maximalen Innendruck des Speicherbehälters.
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Die Wärmespeichervorrichtung ist somit vorzugsweise zum Speichern von Wärme in einem adiabaten Druckluftspeicher-Kraftwerk verwendbar.
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Die Speicherbehälterwandung ist insbesondere druckfest ausgebildet und begrenzt insbesondere einen Innenraum des Speicherbehälters.
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Der Speicherbehälter ist vorzugsweise ein Druckbehälter.
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Der Speicherbehälter ist mit einem maximalen Innendruck von mindestens 65 bar, insbesondere von mindestens 80 bar, betreibbar.
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Die Speicherbehälterwandung bildet vorzugsweise eine Druckbehälterwandung.
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Günstig kann es sein, wenn der Speicherbehälter, insbesondere die Speicherbehälterwandung, aus Stahl und/oder Stahlbeton gebildet ist.
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Der Stahlbeton umfasst insbesondere Bewehrungsstahl.
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Günstig kann es ferner sein, wenn die Wärmespeichervorrichtung eine thermische Isolationsschicht umfasst, welche auf einer dem Innenraum des Speicherbehälters zugewandten Seite der Speicherbehälterwandung angeordnet ist und diese zumindest näherungsweise vollständig abdeckt.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass die Beladezuführleitung außerhalb des Speicherbehälters druckfest mit der Speicherbehälterwandung verbunden ist.
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Eine druckfeste Verbindung der Beladezuführleitung und der Speicherbehälterwandung ist vorzugsweise für einen maximalen Betriebsdruck der Wärmespeichervorrichtung von mindestens 65 bar, insbesondere von mindestens 80 bar, ausgebildet.
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Günstig kann es sein, wenn die Beladezuführleitung an einem Durchbruch der Speicherbehälterwandung in den Speicherbehälter mündet.
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Vorzugsweise umfasst der Speicherbehälter nur an seinem unteren Endbereich einen oder mehrere Durchbrüche in der Speicherbehälterwandung.
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Insbesondere umfasst die Speicherbehälterwandung an einem oberen Endbereich des Speicherbehälters keine Durchbrüche.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Entladezuführleitung umfasst zum Zuführen eines gasförmigen Wärmeträgermediums in den Speicherbehälter zum Entladen der Wärmespeichervorrichtung und/oder zum Abführen eines gasförmigen Wärmeträgermediums aus dem Speicherbehälter zum Beladen der Wärmespeichervorrichtung, wobei die Entladezuführleitung in einem in Schwerkraftrichtung unteren Endbereich des Speicherbehälters in den Speicherbehälter mündet.
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Vorzugsweise mündet die Entladezuführleitung an einem in Schwerkraftrichtung unteren Ende in den Speicherbehälter.
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Die Entladezuführleitung ist vorzugsweise koaxial zur Beladezuführleitung angeordnet.
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Die Entladezuführleitung umgibt die Beladezuführleitung vorzugsweise konzentrisch.
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Günstig kann es sein, wenn die Entladezuführleitung druckfest mit der Speicherbehälterwandung verbunden ist.
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Eine druckfeste Verbindung der Entladezuführleitung und der Speicherbehälterwandung ist vorzugsweise für einen maximalen Betriebsdruck der Wärmespeichervorrichtung von mindestens 65 bar, insbesondere von mindestens 80 bar, ausgebildet.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass der Wärmespeicherabschnitt mittels eines gasförmigen Wärmeträgermediums durchströmbar ist, insbesondere parallel zur Schwerkraftrichtung.
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Der Wärmespeicherabschnitt bildet insbesondere ein Wärmespeicherbett der Wärmespeichervorrichtung.
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Der Wärmespeicherabschnitt füllt den Innenraum des Speicherbehälters in radialer Richtung, das heißt senkrecht zur Schwerkraftrichtung, vorzugsweise zumindest näherungsweise vollständig aus.
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Der Wärmespeicherabschnitt ist in axialer Richtung, das heißt insbesondere parallel zur Schwerkraftrichtung, von mindestens einem, insbesondere von zwei einander gegenüberliegenden, Endbereichen des Speicherbehälters beabstandet angeordnet.
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Günstig kann es sein, wenn der Wärmespeicherabschnitt in axialer Richtung von einer Innenwandung des Speicherbehälters beabstandet angeordnet ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass durch Durchströmen des Wärmespeicherabschnitts mit einem gasförmigen Wärmeträgermedium zum Beladen der Wärmespeichervorrichtung Wärme von dem gasförmigen Wärmeträgermedium auf das Wärmespeichermaterial des Wärmespeicherabschnitts übertragbar ist und/oder dass durch Durchströmen des Wärmespeicherabschnitts mit einem gasförmigen Wärmeträgermedium zum Entladen der Wärmespeichervorrichtung Wärme von dem Wärmespeichermaterial des Wärmespeicherabschnitts auf das gasförmige Wärmeträgermedium übertragbar ist.
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Wärme ist insbesondere von dem gasförmigen Wärmeträgermedium auf das Wärmespeichermaterial des Wärmespeicherabschnitts übertragbar, wenn das gasförmige Wärmeträgermedium eine höhere Temperatur aufweist als das Wärmespeichermaterial des Wärmespeicherabschnitts.
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Wärme ist insbesondere von dem Wärmespeichermaterial des Wärmespeicherabschnitts auf das gasförmige Wärmeträgermedium übertragbar, wenn das Wärmespeichermaterial des Wärmespeicherabschnitts eine höhere Temperatur aufweist als das gasförmige Wärmeträgermedium.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass das Wärmespeichermaterial ein keramisches Material, insbesondere eine Oxidkeramik, umfasst oder daraus gebildet ist.
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Das Wärmespeichermaterial ist vorzugsweise ein Feststoff-Wärmespeichermaterial.
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Unter einem Feststoff-Wärmespeichermaterial wird im Rahmen dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche vorzugsweise ein im Betrieb der Wärmespeichervorrichtung festes Wärmespeichermaterial verstanden.
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Das keramische Material ist beispielsweise Schamotte, insbesondere Mullitschamotte.
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Alternativ oder ergänzend dazu umfasst das Wärmespeichermaterial vorzugsweise ein Latentwärmespeichermaterial, insbesondere ein Phasenwechselmaterial.
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Dem Wärmespeichermaterial des Wärmespeicherabschnitts ist vorzugsweise Wärme von einem gasförmigen Wärmeträgermedium mit einer Temperatur von höchstens ungefähr 850 °C, insbesondere von höchstens ungefähr 600 °C, zuführbar.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass der Wärmespeicherabschnitt einen oder mehrere Formsteine umfasst, wobei der Wärmespeicherabschnitt insbesondere aus mehreren gemauerten und/oder gestapelten Formsteinen besteht.
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Vorzugsweise sind senkrecht zur Schwerkraftrichtung mehrere Formsteine nebeneinander angeordnet.
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Günstig kann es ferner sein, wenn parallel zur Schwerkraftrichtung mehrere Formsteine übereinander angeordnet sind.
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Der eine oder die mehreren Formsteine sind vorzugsweise zumindest teilweise aus dem Wärmespeichermaterial gebildet.
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Günstig kann es sein, wenn der eine oder die mehreren Formsteine vollständig aus dem Wärmespeichermaterial bestehen.
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Die Formsteine bestehen vorzugsweise aus einem keramischen Material, insbesondere aus einer Oxidkeramik.
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Günstig kann es sein, wenn die Formsteine Ziegelsteine, insbesondere Klinkersteine, sind.
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Die Formsteine sind beispielsweise Lehmziegelsteine.
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Alternativ oder ergänzend zu Formsteinen kann vorgesehen sein, dass der Wärmespeicherabschnitt eine Schüttung aus Wärmespeichermaterial umfasst oder daraus gebildet ist.
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Die Schüttung umfasst beispielsweise Pellets aus Wärmespeichermaterial.
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Günstig kann es sein, wenn der Wärmespeicherabschnitt eine möglichst große wärmeübertragende Oberfläche, insbesondere eine möglichst große mit gasförmigem Wärmeträgermedium überströmbare Oberfläche, umfasst.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass der eine oder die mehreren Formsteine jeweils einen oder mehrere in die Formsteine eingebrachte Strömungskanäle umfassen, welche insbesondere parallel zueinander angeordnet sind.
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Vorzugsweise durchdringen der eine oder die mehreren Strömungskanäle den einen oder die mehreren Formsteine jeweils parallel zur Schwerkraftrichtung vollständig.
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Günstig kann es sein, wenn jeder Formstein in einem senkrecht zur Schwerkraftrichtung genommenen Querschnitt mindestens 200, vorzugsweise mindestens 1000 Strömungskanäle pro m2 umfasst.
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Günstig kann es ferner sein, wenn die Formsteine derart gemauert und/oder gestapelt sind, dass die Strömungskanäle von parallel zur Schwerkraftrichtung übereinander angeordneten Formsteinen axial fluchtend angeordnet sind.
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Vorzugsweise kann ein aus Formsteinen gemauerter Wärmespeicherabschnitt somit parallel zur Schwerkraftrichtung mit einem gasförmigen Wärmeträgermedium mittels der axial fluchtenden Strömungskanäle der Formsteine insbesondere vollständig durchströmt werden.
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Die Formsteine sind insbesondere sogenannte Hochlochziegelsteine.
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Günstig kann es sein, wenn der Wärmespeicherabschnitt in einem senkrecht zur Schwerkraftrichtung genommenen Querschnitt mindestens 200 Strömungskanäle pro m2, vorzugsweise mindestens 500 Strömungskanäle pro m2 umfasst.
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Die Strömungskanäle der Formsteine und/oder des Wärmespeicherabschnitts umfassen senkrecht zu einer Strömungsrichtung eines gasförmigen Wärmeträgermediums, insbesondere senkrecht zur Schwerkraftrichtung, vorzugsweise einen Öffnungsquerschnitt von mindestens 0,5 cm2, insbesondere von mindestens 1 cm2.
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Bei einer Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung ist vorgesehen, dass die Wärmespeichervorrichtung eine in dem Speicherbehälter angeordnete Umleitvorrichtung zum Umleiten von durch die Wärmespeichervorrichtung strömendem gasförmigem Wärmeträgermedium umfasst.
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Mittels der Umleitvorrichtung ist insbesondere eine Strömungsrichtung von in dem Speicherbehälter strömendem gasförmigem Wärmeträgermedium änderbar, insbesondere zumindest näherungsweise um 180° umkehrbar.
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Die Umleitvorrichtung ist insbesondere an einem oberen Endbereich des Speicherbehälters in dem Speicherbehälter angeordnet.
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Günstig kann es sein, wenn die Speicherbehälterwandung die Umleitvorrichtung umfasst oder bildet.
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Vorzugsweise umfasst die Umleitvorrichtung ein oder mehrere Umleitelemente, beispielsweise Umleitbleche und/oder Umleitrohre.
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Die Umleitvorrichtung ist insbesondere derart angeordnet und ausgebildet, dass mittels des Zuführkanalabschnitts der Beladezuführleitung dem Innenraum des Speicherbehälters entgegen der Schwerkraftrichtung zugeführtes gasförmiges Wärmeträgermedium gleichmäßig durch den Wärmespeicherabschnitt hindurch in Schwerkraftrichtung strömen kann.
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Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung eignet sich vorzugsweise zur Verwendung in einem Kraftwerk.
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Die vorliegende Erfindung betrifft daher ferner ein Kraftwerk, welches eine oder mehrere erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtungen umfasst.
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Das Kraftwerk ist beispielsweise ein Solarkraftwerk, ein adiabates Druckluftspeicher-Kraftwerk, ein Kohlekraftwerk und/oder ein Gaskraftwerk.
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Günstig kann es sein, wenn das Kraftwerk ein Dampfkraftwerk ist.
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Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung eignet sich ferner zur Verwendung als Winderhitzer in einem Hochofenprozess.
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Die vorliegende Erfindung betrifft daher ferner die Verwendung einer erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung als Winderhitzer in einem Hochofenprozess.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner auch einen Hochofen, welcher eine erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung umfasst.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung.
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Das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung umfasst vorzugsweise Folgendes:
- Zuführen eines gasförmigen Wärmeträgermediums in den Speicherbehälter zum Beladen der Wärmespeichervorrichtung und/oder Abführen eines gasförmigen Wärmeträgermediums aus dem Speicherbehälter zum Entladen der Wärmespeichervorrichtung.
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Weitere Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Wärmespeichervorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Wärmespeichervorrichtung;
- 3 eine schematische vergrößerte Darstellung des Details D in den 1 und 2 mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines Wärmespeicherabschnitts und einer Beladezuführleitung der Wä rmespeichervorrichtu ng;
- 4 eine schematische vergrößerte Darstellung des Details D in den 1 und 2 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Wärmespeicherabschnitts und einer Beladezuführleitung der Wä rmespeichervorrichtu ng;
- 5 einen Formstein des Wärmespeicherabschnitts aus 3 und 4; und
- 6 eine schematische vergrößerte Darstellung des Details D aus 1 und 2 mit einem dritten Ausführungsbeispiel eines Wärmespeicherabschnitts und einer Beladezuführleitung der Wärmespeichervorrichtung.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Wärmespeichervorrichtung. Die Wärmespeichervorrichtung 100 ist insbesondere eine Hochtemperatur-Wärmespeichervorrichtung 102.
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Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise einen Wärmespeicherabschnitt 104, welcher ein Wärmespeichermaterial 106 zum Speichern von latenter und/oder sensibler Wärme umfasst.
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Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise ferner einen Speicherbehälter 108 zur Aufnahme des Wärmespeicherabschnitts 104.
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Vorzugsweise umfasst die Wärmespeichervorrichtung 100 eine Beladezuführleitung 110 zum Zuführen eines gasförmigen Wärmeträgermediums in den Speicherbehälter 108 zum Beladen der Wärmespeichervorrichtung 100 und/oder zum Abführen eines gasförmigen Wärmeträgermediums aus dem Speicherbehälter 108 zum Entladen der Wärmespeichervorrichtung 100.
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Die Beladezuführleitung 110 mündet insbesondere an einem in Schwerkraftrichtung G unteren Endbereich 112 des Speicherbehälters 108 in den Speicherbehälter 108.
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Die Beladezuführleitung 110 mündet insbesondere an einem in Schwerkraftrichtung G unteren Ende 114 des Speicherbehälters 108 in den Speicherbehälter.
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Der Speicherbehälter 108 begrenzt vorzugsweise einen Innenraum 116.
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Günstig kann es sein, wenn der Wärmespeicherabschnitt 104 mindestens 50 %, insbesondere mindestens 70 %, eines Volumens des Innenraums 116 des Speicherbehälters 108 ausfüllt oder bildet.
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Wie in 1 deutlich zu erkennen ist, ist der Wärmespeicherabschnitt 104 vollständig in dem Speicherbehälter 108 aufgenommen.
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Der Wärmespeichervorrichtung 100 ist vorzugsweise ein gasförmiges Wärmeträgermedium, beispielsweise Rauchgas aus einem Kraftwerk 118, zuführbar.
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Der Wärmespeichervorrichtung 100 ist insbesondere Rauchgas aus einem Gas- oder Kohlekraftwerk und/oder verdichtete Luft aus einem adiabaten Druckluftspeicherkraftwerk zuführbar.
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Der Speicherbehälter 108 weist vorzugsweise eine Höhe 120 und eine Breite 122 auf.
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Günstig kann es sein, wenn die Höhe 120 des Speicherbehälters 108 größer ist als die Breite 122 des Speicherbehälters 108, insbesondere um einen Faktor von mindestens 2, vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 5.
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Der Speicherbehälter 108 weist vorzugsweise eine Höhe 120 von mindestens 20 m, insbesondere von mindestens 35 m auf.
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Der Speicherbehälter 108 weist vorzugsweise eine Höhe 120 von höchstens 150 m, insbesondere von höchstens 90 m auf.
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Vorzugsweise weist die Beladezuführleitung 110 einen Zuführkanalabschnitt 124 auf, welcher insbesondere vollständig in dem Innenraum 116 des Speicherbehälters 108 angeordnet ist.
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Der Zuführkanalabschnitt 124 durchdringt den Wärmespeicherabschnitt 104 parallel zur Schwerkraftrichtung G zumindest näherungsweise vollständig.
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Mittels des Zuführkanalabschnitts 124 der Beladezuführleitung 110 kann vorzugsweise gasförmiges Wärmeträgermedium an dem in Schwerkraftrichtung G unteren Endbereich 112 des Speicherbehälters 108 demselben zugeführt werden und durch den Wärmespeicherabschnitt 104 hindurch in einen in Schwerkraftrichtung G oberen Endbereich 126 des Speicherbehälters 108 geleitet werden.
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Vorzugsweise umfasst der Zuführkanalabschnitt 124 eine Zuführkanalwandung 127.
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Der Speicherbehälter 108 umfasst vorzugsweise eine Speicherbehälterwandung 128.
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Vorzugsweise ist die Beladezuführleitung 110 außerhalb des Speicherbehälters 108 druckfest mit der Speicherbehälterwandung 128 verbunden.
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Der Speicherbehälter 108 ist vorzugsweise zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 130 des Speicherbehälters 108 ausgebildet.
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Die Beladezuführleitung 110 ist insbesondere konzentrisch zur Längsachse 130 des Speicherbehälters 108 angeordnet.
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Die Speicherbehälterwandung 128 ist insbesondere für einen maximalen Innendruck des Speicherbehälters 108 von mindestens 65 bar, insbesondere von mindestens 80 bar, ausgebildet.
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Vorzugsweise entspricht ein maximaler Betriebsdruck der Wärmespeichervorrichtung 100 dem maximalen Innendruck des Speicherbehälters 108.
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Günstig kann es sein, wenn ein maximaler Innendruck des Speicherbehälters 108 derart gewählt ist, dass die Wärmespeichervorrichtung 100 zum Speichern von Wärme in einem adiabaten Druckluftspeicher-Kraftwerk verwendbar ist.
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Die Speicherbehälterwandung 128 ist insbesondere druckfest ausgebildet.
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Die Speicherbehälterwandung 128 begrenzt vorzugsweise den Innenraum 116 des Speicherbehälters 108.
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Der Speicherbehälter 108 ist vorzugsweise ein Druckbehälter 132.
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Die Speicherbehälterwandung 128 bildet dabei insbesondere eine Druckbehälterwandung.
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Der Speicherbehälter 108, insbesondere die Speicherbehälterwandung 128, ist vorzugsweise aus Stahl und/oder Stahlbeton gebildet und/oder hergestellt.
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Der Stahlbeton umfasst insbesondere Bewehrungsstahl.
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Günstig kann es sein, wenn die Wärmespeichervorrichtung 100 eine thermische Isolationsschicht 134 umfasst, welche auf einer dem Innenraum 116 des Speicherbehälters 108 zugewandten Seite der Speicherbehälterwandung 128 angeordnet ist.
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Die Beladezuführleitung 110 ist außerhalb des Speicherbehälters 108 vorzugsweise druckfest mit der Speicherbehälterwandung 128 verbunden.
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Eine druckfeste Verbindung der Beladezuführleitung 110 und der Speicherbehälterwandung 128 ist vorzugsweise für einen maximalen Betriebsdruck der Wärmespeichervorrichtung 100 von mindestens 65 bar, insbesondere von mindestens 80 bar, ausgebildet.
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Günstig kann es sein, wenn die Beladezuführleitung 110 an einem Durchbruch 136 an dem in Schwerkraftrichtung unteren Endbereich 112 in den Speicherbehälter 108 mündet.
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Der Speicherbehälter 108 umfasst vorzugsweise nur an seinem in Schwerkraftrichtung G unteren Endbereich 112 einen oder mehrere Durchbrüche 136.
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Die Speicherbehälterwandung 128 weist an dem in Schwerkraftrichtung G oberen Endbereich 126 vorzugsweise keine Durchbrüche 136 auf.
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Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise eine Entladezuführleitung 138 zum Zuführen eines gasförmigen Wärmeträgermediums in den Speicherbehälter 108 zum Entladen der Wärmespeichervorrichtung 100 und/oder zum Abführen eines gasförmigen Wärmeträgermediums aus dem Speicherbehälter 108 zum Beladen der Wärmespeichervorrichtung 100.
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Die Entladezuführleitung 138 mündet vorzugsweise ebenfalls an dem in Schwerkraftrichtung unteren Endbereich 112 des Speicherbehälters 108 in den Speicherbehälter 108.
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Günstig kann es sein, wenn die Entladezuführleitung 138 ebenfalls an dem in Schwerkraftrichtung unteren Ende 114 des Speicherbehälters in diesen mündet.
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Vorzugsweise ist die Entladezuführleitung 138 dabei koaxial zur Beladezuführleitung 110, insbesondere koaxial zur Längsachse 130 des Speicherbehälters 108, angeordnet.
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Günstig kann es sein, wenn die Entladezuführleitung 138 ebenfalls druckfest mit der Speicherbehälterwandung 128 verbunden ist.
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Eine druckfeste Verbindung der Entladezuführleitung 138 und der Speicherbehälterwandung 128 ist vorzugsweise für einen maximalen Betriebsdruck der Wärmespeichervorrichtung von mindestens 65 bar, insbesondere von mindestens 80 bar, ausgebildet.
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Der Wärmespeicherabschnitt 104 der Wärmespeichervorrichtung 100 ist vorzugsweise mittels eines gasförmigen Wärmeträgermediums durchströmbar, insbesondere parallel zur Schwerkraftrichtung G.
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Der Wärmespeicherabschnitt 104 bildet dabei insbesondere ein Wärmespeicherbett 140 der Wärmespeichervorrichtung 100.
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Der Wärmespeicherabschnitt 104 füllt den Innenraum 116 des Speicherbehälters 108 in radialer Richtung, das heißt senkrecht zur Schwerkraftrichtung G und/oder zur Längsachse 130, vorzugsweise zumindest näherungsweise vollständig aus.
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Der Wärmespeicherabschnitt 104 ist in axialer Richtung, das heißt parallel zur Schwerkraftrichtung G und/oder zur Längsachse 130, vorzugsweise von den beiden einander abgewandten Endbereichen 112, 126 des Speicherbehälters 108 beabstandet angeordnet.
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Günstig kann es insbesondere sein, wenn der Wärmespeicherabschnitt 104 in axialer Richtung von einer Innenwandung 142 des Speicherbehälters beabstandet angeordnet ist.
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Die in 1 gezeigte Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise eine in dem Speicherbehälter 108 angeordnete Umleitvorrichtung 144 zum Umleiten von durch die Wärmespeichervorrichtung 100 strömenden Wärmeträgermedium.
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Mittels der Umleitvorrichtung ist insbesondere eine Strömungsrichtung von in dem Speicherbehälter 108 strömendem gasförmigem Wärmeträgermedium änderbar, insbesondere zumindest näherungsweise um 180° umkehrbar.
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Die Umleitvorrichtung 144 ist insbesondere an dem in Schwerkraftrichtung G oberen Endbereich 126 des Speicherbehälters 108 in dem Speicherbehälter 108 angeordnet.
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Vorzugsweise umfasst oder bildet die Speicherbehälterwandung 128 die Umleitvorrichtung 144.
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Die Umleitvorrichtung 144 umfasst dabei vorzugsweise ein oder mehrere Umleitelemente 146, beispielsweise Umleitbleche und/oder Umleitrohre.
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Die Umleitvorrichtung 144 ist insbesondere derart angeordnet und ausgebildet, dass mittels des Zuführkanalabschnitts 124 der Beladezuführleitung 110 dem Innenraum 116 des Speicherbehälters 108 entgegen der Schwerkraftrichtung G zugeführtes gasförmiges Wärmeträgermedium in Richtung der in 1 gezeigten Pfeile 148 umleitbar ist und gleichmäßig durch den Wärmespeicherabschnitt 104 hindurch in Schwerkraftrichtung G strömen kann.
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Die in 2 gezeigte Wärmespeichervorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100 im Wesentlichen dadurch, dass die Entladezuführleitung 138 bei der in 2 gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100 nicht an dem in Schwerkraftrichtung G unteren Ende 114 des Speicherbehälters 108 in diesen mündet.
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Die Entladezuführleitung 138 mündet bei der in 2 gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100 vorzugsweise radial, das heißt senkrecht zur Schwerkraftrichtung G und/oder zur Längsachse 130 des Speicherbehälters 108, in den Speicherbehälter 108.
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Der Speicherbehälter 108 bzw. die Speicherbehälterwandung 128 umfasst hierzu einen oder mehrere zusätzliche Durchbrüche 136.
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Im Übrigen stimmt das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel überein, so dass auf dessen vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Zuführkanalwandung 127 eines Zuführkanalabschnitts 124 einer Beladezuführleitung 110 und eines Wärmespeicherabschnitts 104 in vergrößerter Darstellung gemäß Detail D der Wärmespeichervorrichtung 100 in 1 und 2.
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Das Wärmespeichermaterial 106 des in 3 gezeigten Wärmespeicherabschnitts 104 ist insbesondere ein Feststoff-Wärmespeichermaterial 150.
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Die Wärmespeichervorrichtung 100 ist dabei vorzugsweise eine Feststoff-Regeneratorspeichervorrichtung 152.
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Das Wärmespeichermaterial 106 umfasst vorzugsweise ein keramisches Material 154, insbesondere eine Oxidkeramik 156, oder ist daraus gebildet.
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Das keramische Material 154 ist beispielsweise Schamotte 158, insbesondere Mullitschamotte 160.
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Der in 3 gezeigte Wärmespeicherabschnitt 104 der Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise mehrere Formsteine 162.
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Der Wärmespeicherabschnitt 104 besteht insbesondere aus mehreren gemauerten Formsteinen 162.
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Dabei sind senkrecht zur Schwerkraftrichtung G insbesondere mehrere Formsteine 162 nebeneinander angeordnet, wobei ferner parallel zur Schwerkraftrichtung G mehrere Formsteine 162 übereinander angeordnet sind.
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Die Formsteine 162 sind vorzugsweise zumindest teilweise aus dem Wärmespeichermaterial 106 gebildet, insbesondere vollständig.
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Vorzugsweise sind die Formsteine 162 Ziegelsteine, insbesondere sogenannte Hochlochziegelsteine.
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Die Formsteine 162 umfassen vorzugsweise jeweils mehrere in die Formsteine 162 eingebrachte Strömungskanäle 164, welche insbesondere parallel zueinander angeordnet sind.
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Vorzugsweise durchdringen die Strömungskanäle 164 die Formsteine 162 parallel zur Schwerkraftrichtung G jeweils vollständig und bilden somit insbesondere Durchtrittsöffnungen 166 in den Formsteinen.
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Vorzugsweise umfasst jeder Formstein 162 in einem senkrecht zur Schwerkraftrichtung G genommenen Querschnitt mindestens 200, vorzugsweise mindestens 500, Strömungskanäle pro m2.
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Die Formsteine 162 sind insbesondere derart gemauert, dass die Strömungskanäle 164 von parallel zur Schwerkraftrichtung G übereinander angeordneten Formsteinen 162 axial fluchtend angeordnet sind, so dass ein aus Formsteinen 162 gemauerter Wärmespeicherabschnitt 104 vorzugsweise parallel zur Schwerkraftrichtung G mit einem gasförmigen Wärmeträgermedium insbesondere vollständig durchströmt werden kann.
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Vorzugsweise umfasst der Wärmespeicherabschnitt 104 dabei in einem senkrecht zur Schwerkraftrichtung G genommenen Querschnitt ebenfalls mindestens 200 Strömungskanäle, vorzugsweise mindestens 500 Strömungskanäle, pro m2.
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Die Strömungskanäle 164 der Formsteine 162 und/oder des Wärmespeicherabschnitts 104 umfassen senkrecht zu einer Strömungsrichtung, insbesondere zur Schwerkraftrichtung G, vorzugsweise einen Öffnungsquerschnitt 168 von mindestens 0,5 cm2, insbesondere von mindestens 1 cm2 (vergl. 5).
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Vorzugsweise umfasst die Zuführkanalwandung 127 ebenfalls mehrere gemauerte Formsteine 162.
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Die Zuführkanalwandung 127 wird insbesondere von mehreren gemauerten Formsteinen 162 begrenzt.
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Vorzugsweise kann somit zumindest ein Teil der Beladezuführleitung 110, welche innerhalb des Speicherbehälters 108 der Wärmespeichervorrichtung 100 angeordnet ist, einfach und kostengünstig aus Formsteinen 162 gemauert werden.
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Das in 4 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel des Zuführkanalwandung 127 und des Wärmespeicherabschnitts 104 unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass der Zuführkanalabschnitt 124 eine thermische Isolationsvorrichtung 170 umfasst zur thermischen Isolation der Beladezuführleitung 110 von dem Wärmespeicherabschnitt 104.
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Die thermische Isolationsvorrichtung 170 umfasst beispielsweise eine zwischen Zuführkanalabschnitt 124 und Wärmespeicherabschnitt 104 angeordnete Wärmedämmschicht, beispielsweise aus Glas- oder Mineralwolle.
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Günstig kann es dabei sein, wenn die thermische Isolationsvorrichtung 170, wie in 4 gezeigt, in Durchtrittsöffnungen 166 der Formsteine 162 der Zuführkanalwandung 127 eingebrachte Glas- oder Mineralwolle umfasst, mittels welcher vorzugsweise sämtliche Durchtrittsöffnungen in Formsteinen 162 der Zuführkanalwandung 127 vollständig verschlossen werden.
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Im Übrigen stimmt das in 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Zuführkanalwandung 127 und des Wärmespeicherabschnitts 104 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit dem in 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel überein, so dass auf dessen Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Zuführkanalwandung 127 und des Wärmespeicherabschnitts 104 der Wärmespeichervorrichtung 100.
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Das in 6 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den in den 3 und 4 dargestellten ersten und zweiten Ausführungsbeispielen im Wesentlichen dadurch, dass das der Wärmespeicherabschnitt 104 eine Schüttung 172 aus Wärmespeichermaterial 106, insbesondere aus Pellets 174, umfasst.
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Das Wärmespeichermaterial 104 ist dabei vorzugsweise ein Latentwärmespeichermaterial 176, insbesondere ein Phasenwechselmaterial 178.
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Die Zuführkanalwandung 127 kann wiederum aus mehreren Formsteinen 162 gemauert sein, welche jedoch nicht zwingend Strömungskanäle 164 aufweisen müssen.
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Die in den 1 bis 6 gezeigten Wärmespeichervorrichtungen 100 funktionieren vorzugsweise wie folgt:
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Mittels der Beladezuführleitung 110 ist zum Beladen der Wärmespeichervorrichtung 100 dem Speicherbehälter 108 ein gasförmiges Wärmeträgermedium zuführbar.
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Der Wärmespeicherabschnitt 104 ist dabei mit dem gasförmigen Wärmeträgermedium zum Beladen der Wärmespeichervorrichtung 100 durchströmbar, wobei Wärme von dem gasförmigen Wärmeträgermedium auf das Wärmespeichermaterial 106 des Wärmespeicherabschnitts 104 übertragbar ist.
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Abgekühltes Wärmeträgermedium kann beim Beladen der Wärmespeichervorrichtung über die Entladezuführleitung 138 abgeführt werden.
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Zum Entladen der Wärmespeichervorrichtung kann gasförmiges Wärmeträgermedium über die Entladezuführleitung 138 dem Speicherbehälter 108 der Wärmespeichervorrichtung zugeführt werden, wobei durch Durchströmen des Wärmespeicherabschnitts 104 mit dem gasförmigen Wärmeträgermedium zum Entladen der Wärmespeichervorrichtung 100 Wärme von dem Wärmespeichermaterial 106 des Wärmespeicherabschnitts 104 auf das gasförmige Wärmeträgermedium übertragbar ist, welches wiederum über die Beladezuführleitung 110 aus dem Speicherbehälter 108 der Wärmespeichervorrichtung 100 abführbar ist.
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Insgesamt kann eine Wärmespeichervorrichtung 100 bereitgestellt werden, mittels derer Wärme einfach und zuverlässig speicherbar ist und welche insbesondere kostengünstig herstellbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Wärmespeichervorrichtung
- 102
- Hochtemperatur-Wärmespeichervorrichtung
- 104
- Wärmespeicherabschnitt
- 106
- Wärmespeichermaterial
- 108
- Speicherbehälter
- 110
- Beladezuführleitung
- 112
- unterer Endbereich
- 114
- unteres Ende
- 116
- Innenraum
- 118
- Kraftwerk
- 120
- Höhe
- 122
- Breite
- 124
- Zuführkanalabschnitt
- 126
- oberer Endbereich
- 127
- Zuführkanalwandung
- 128
- Speicherbehälterwandung
- 130
- Längsachse
- 132
- Druckbehälter
- 134
- thermische Isolationsschicht
- 136
- Durchbruch
- 138
- Entladezuführleitung
- 140
- Wärmespeicherbett
- 142
- Innenwandung
- 144
- Umleitvorrichtung
- 146
- Umleitelement
- 148
- Pfeil
- 150
- Feststoff-Wärmespeichermaterial
- 152
- Feststoff-Regeneratorspeichervorrichtung
- 154
- keramisches Material
- 156
- Oxidkeramik
- 158
- Schamotte
- 160
- Mullitschamotte
- 162
- Formstein
- 164
- Strömungskanal
- 166
- Durchtrittsöffnung
- 168
- Öffnungsquerschnitt
- 170
- thermische Isolationsvorrichtung
- 172
- Schüttung
- 174
- Pellets
- 176
- Latentwärmespeichermaterial
- 178
- Phasenwechselmaterial
- G
- Schwerkraftrichtung
