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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepufferspeichervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Im Zusammenhang mit unbeständiger, regenerativer Energie besteht ein zunehmender Bedarf an Energiespeichern. Hierzu zählen auch Wärmepufferspeichervorrichtungen. Im Gegensatz zu anderen Wärmespeichervorrichtungen wird bei einer solchen Wärmepufferspeichervorrichtung nicht ein zur Wärmespeicherung verwendetes Wärmespeicherfluid entnommen. Eine solche Wärmepufferspeichervorrichtung umfasst einen Wärmespeicherfluidbehälter, ein Wärmespeicherfluidheizmittel und einen Wärmetauscher. Das Wärmespeicherfluidheizmittel wird mit Strom aus regenerativen Quellen versorgt. Als Wärmespeicherfluid wird vorzugsweise Wasser verwendet, das von dem Wärmespeicherfluidheizmittel auf eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur des Wassers von ca. 100 °C erwärmt wird.
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Ein Nachteil solcher Wärmepufferspeichervorrichtungen besteht darin, dass sie aufgrund der begrenzten Maximaltemperatur des Wärmespeicherfluids nur eine geringe relative Wärmespeicherkapazität (Wärmeenergie/Speichervolumen) aufweisen und dementsprechend relativ viel Platz beanspruchen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Wärmepufferspeichervorrichtung zu schaffen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Wärmepufferspeichervorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung betrifft eine Wärmepufferspeichervorrichtung mit einem Wärmespeicherfluidbehälter, einem Wärmespeicherfluidheizmittel und einem Wärmetauscher, wobei der Wärmespeicherfluidbehälter als Überdruckbehälter ausgebildet ist, der einem Überdruck vom mindestens 10 bar, vorzugsweise mindestens 15 bar, bevorzugter mindestens 20 bar, noch bevorzugter mindestens 23 bar, standhält. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, bedeutet, dass der Überdruckbehälter einem gewissen Überdruck standhält, dass der Überdruckbehälter nicht versagt, wenn in ihm für eine Zeitdauer von über einer Stunde dieser Überdruck herrscht. Aufgrund einer erforderlichen Sicherheitstoleranz hält der Überdruckbehälter, der bei einem Überdruck von über 20 bar verwendet wird, vorzugsweise einem Überdruck von über 30 bar oder sogar über 40 bar stand. Auch kann ein Sicherheitsventil an dem Überdruckbehälter vorgesehen sein, das dafür sorgt, dass der Überdruck in dem Überdruckbehälter nicht über 30 bar, vorzugsweise nicht über 25 bar, ansteigt. In dem Wärmespeicherfluidbehälter ist ein Wärmespeicherfluid gespeichert. Der Druck in dem Überdruckbehälter wird vorzugsweise in einem oberen oder höchsten Punkt gemessen, in dem sich vorzugsweise kein Wärmespeicherfluid befindet. Als Wärmespeicherfluid wird vorzugsweise demineralisiertes Wasser verwendet. Der Überdruckbehälter ermöglicht es, Wasser auf über 100°C zu erhitzen und zu speichern. Bei einem Überdruck von 23 bar beträgt die Wassertemperatur in etwa 220 °C. Vorteilhafterweise, kann das Wärmespeicherfluid in Gegensatz zu herkömmlichen Wärmepufferspeichervorrichtungen mit einer wesentlich höheren Temperatur und somit einer entsprechend höheren Energiedichte gespeichert werden. Eine erfindungsgemäße Wärmepufferspeichervorrichtung, die in der Lage ist, dieselbe Wärmeenergie wie eine herkömmliche Wärmepufferspeichervorrichtung, kann dementsprechend kleiner ausgebildet werden. Außerdem ist Wasser umweltfreundlich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Vorteilhafterweise ermöglichen Plattenwärmetauscher einen besonders effizienten Wärmeaustausch.
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In noch einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wärmepufferspeichervorrichtung einen Primärkreislauf in dem ein Wärmeträgerfluid zirkuliert. Vorzugsweise zirkuliert das Wärmeträgerfluid durch eine Leitung, die durch den oder an dem Wärmespeicherfluidbehälter und durch den oder an dem Wärmetauscher verläuft. Vorzugsweise umfasst die Wärmepufferspeichervorrichtung ferner einen Leitungsabschnitt eines Sekundärkreislaufs, der durch den oder an dem Wärmetauscher verläuft. Das Wärmeträgerfluid nimmt Wärme von dem Wärmespeicherfluid auf, das in dem Wärmespeicherfluidbehälter von dem Wärmespeicherfluidheizmittel erwärmt wird. Der Primärkreis und der Sekundärkreis verlaufen vorzugsweise ohne Fluidverbindung durch den Wärmetauscher, wo eine Wärmeübertragung von dem Wärmeträgerfluid in dem Primärkreis auf das Fluid in dem Sekundärkreis stattfindet. Vorzugsweise ist das Wärmeträgerfluid bei Atmosphärendruck bis zu einer Temperatur von mindestens 220 °C, vorzugsweise mindestens 250 °C, thermisch stabil und verdampft nicht.
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In einer Weiterbildung der letztgenannten bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmeträgerfluid ein Wärmeträgeröl. Vorzugsweise wird als Wärmeträgeröl beispielsweise Mobiltherm 605 verwendet. Im Gegensatz zu dem herkömmlicherweise verwendeten Wasser, ist das Wärmeträgeröl für die Aufnahme von Wärme von dem sehr heißen, unter Überdruck stehenden Wasser in dem Wärmespeicherfluidbehälter geeignet.
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In noch einer Weiterbildung der letztgenannten bevorzugten Ausführungsform weist der Primärkreislauf einen Leitungsabschnitt auf, der im Inneren des Wärmespeicherfluidbehälters vorgesehen ist. Dieser Leitungsabschnitt dient zur Wärmeübertragung von dem Wärmespeicherfluid in dem Wärmespeicherfluidbehälter auf das Wärmeträgerfluid, das sich in diesem Leitungsabschnitt befindet.
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In noch einer Weiterbildung der letztgenannten bevorzugten Ausführungsform ist der Leitungsabschnitt (an seinem Anfang und seinem Ende) an dem Wärmespeicherfluidbehälter befestigt. Vorzugsweise ist der Leitungsabschnitt an einem Oberteil des Wärmespeicherfluidbehälters befestigt. Der Oberteil ist vorzugsweise kuppleförmig ausgebildet und mit einem zylindrischen Mittelteil des Wärmespeicherfluidbehälters verschweißt.
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In noch einer Weiterbildung der letztgenannten bevorzugten Ausführungsform weist der Primärkreislauf eine doppelte Rohrwendel auf. Diese doppelte Rohrwendel ist vorzugsweise ein Teil des Leitungsabschnitts. Vorzugsweise läuft das Wärmespeicherfluidheizmittel innerhalb der Rohrwendel zunächst nach unten und dann wieder nach oben. Dadurch lässt sich eine gute Übertragung der Wärme auf das Wärmeträgerfluid erreichen.
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In noch einer Weiterbildung der letztgenannten bevorzugten Ausführungsform weist der Primärkreislauf ein Ausdehnungsgefäß für das Wärmeträgerfluid auf. Vorzugsweise ist das Ausdehnungsgefäß an einem Leitungsabschnitt des Primärkreislaufs auf Höhe des Oberteils des Wärmespeicherfluidbehälters oder über dem Oberteil des Wärmespeicherfluidbehälters vorgesehen.
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In noch einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmespeicherfluidheizmittel oben an dem Wärmespeicherfluidbehälter befestigt. Vorzugsweise ist das Wärmespeicherfluidheizmittel in eine Öffnung in einem Oberteil des Wärmespeicherfluidbehälters eingesetzt und mit dem Oberteil lösbar verschraubt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Vorderansicht der Wärmepufferspeichervorrichtung;
- 2 eine Seitenansicht der Wärmepufferspeichervorrichtung;
- 3 eine Rückansicht einer Wärmepufferspeichervorrichtung; und
- 4 die Seitenansicht der Wärmepufferspeichervorrichtung aus 2, in der eine Wand des Wärmespeicherfluidbehälters aufgeschnitten dargestellt ist.
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1, 2, 3 und 4 zeigen eine Vorderansicht der Wärmepufferspeichervorrichtung, eine Seitenansicht der Wärmepufferspeichervorrichtung, eine Rückansicht einer Wärmepufferspeichervorrichtung bzw. die Seitenansicht der Wärmepufferspeichervorrichtung aus 2, in der eine Wand des Wärmespeicherfluidbehälters aufgeschnitten dargestellt ist. Die Wärmepufferspeichervorrichtung umfasst einen Wärmespeicherfluidbehälter 1, ein Wärmespeicherfluidheizmittel 2, einen Primärkreislauf 3, einen Leitungsabschnitt des Sekundärkreislaufs 13 und einen Wärmetauscher 4. Der Wärmespeicherfluidbehälter 1 ist als Überdruckbehälter 1 für einen Überdruck von mindestens 23 bar ausgelegt, hat typischerweise ein Volumen zwischen 80 1 und 1000 1 und weist einen kuppelförmigen Oberteil 19, einen aufrechten, zylindrischen Mittelteil 20 und einen Unterteil 21 in Form einer inversen Kuppel auf. Der Oberteil 19 und der Unterteil 21 sind jeweils an dem Mittelteil 20 angeschweißt. Die Isolierungen der Leitungen des Primärkreislaufs 3, des Sekundärkreislaufs 13 und des Wärmespeicherfluidbehälters 1, die mit abnehmbaren Blechen verkleidet sind, sind für den Fachmann selbstverständlich und nicht dargestellt, weil sie die wesentlichen Bestandteile verbergen würden. Ebenso sind die erforderlichen Signal- und Stromleitungen für den Fachmann selbstverständlich und zur Vereinfachung der Darstellung ebenfalls nicht gezeigt. Einzelne Rohre sind typischerweise durch Flanschverbindungen miteinander verbunden, was nicht extra erwähnt wird. Als Wärmespeicherfluid wird demineralisiertes Wasser verwendet. Das Wärmespeicherfluidheizmittel 2 umfasst eine Steuerung, einen Temperatursensor (nicht gezeigt) zur Messung der Temperatur des Wärmespeicherfluids und einen Heizstab mit einer Leistung von typischerweise maximal 10 kW und ist in eine obere, druckdicht verschlossene Öffnung in dem Oberteil 19 eingesetzt und ragt in den Überdruckbehälter 1 senkrecht nach unten. Das Wärmespeicherfluidheizmittel 2 wird mit Strom aus regenerativen Quellen wie einer Photovoltaikanlage mit Strom versorgt und heizt das in dem Überdruckbehälter 1 befindliche Wasser auf. Dabei befindet sich der Heizstab 2 auf der Mittelachse des Überdruckbehälters 1 und einer doppelten Rohrwendel 18, die einen Leitungsabschnitt des Primärkreislaufs 3 bildet. An dem Unterteil 21 des Überdruckbehälters 1 ist ein absperrbarer Auslass 5 für das demineralisierte Wasser ausgebildet. Am oberen Ende des Überdruckbehälters 1 ist ein Manometer 6 vorgesehen, welches entfernt werden kann, so dass ein Zugang geschaffen werden kann, um deminderalisiertes Wasser in den Überdruckbehälter 1 nachzufüllen. Wenn das Manometer 6 einen Überdruck von typischerweise 23 bar oder mehr misst, oder wenn der Temperatursensor des Wärmespeicherfluidheizmittels 2 eine Temperatur von 220 °C oder mehr misst, sendet es ein Ausschaltsignal an die Steuerung des Wärmespeicherfluidheizmittels 2. Der Heizstab heizt auf den Empfang des Ausschaltsignals das demineralisierte Wasser in dem Überdruckbehälter 1 nicht weiter auf. Seitlich an dem Überdruckbehälter 1 ist eine Anzeige 7 einer Füllstandsmesseinrichtung beispielsweise mit einem Schwimmer vorgesehen. Der Überdruckbehälter 1 ruht auf drei höhenverstellbaren Standfüßen 8, die unten an diesem befestigt sind und es ermöglichen, Unebenheiten auszugleichen. In dem Primärkreislauf 3 zirkulieren 10 bis 20 1 Wärmeträgerfluid in Form eines Wärmeträgeröls, das von einer Pumpe 9 mit Frequenzumrichtersteuerung und einer Nennleistung von typischerweise 0,5 W angetrieben wird. Das Wärmeträgeröl fließt dabei in dem Primärkreislauf 3 zunächst von der Pumpe 9 durch ein Rohr zu dem Wärmetauscher 9, der als Plattenwärmetauscher 9 ausgebildet ist, dann durch den Wärmetauscher 9 hindurch, weiter durch eine Wärmeträgerfluidvorlaufleitung 16, in der ein Temperatursensor (nicht gezeigt) vorgesehen ist, noch weiter durch ein Einlassrohr 10, welches durch eine dichte Öffnung in der oberen Kuppel des Überdruckbehälters 1 verläuft, noch weiter die doppelte Rohrwendel 18 runter und wieder hoch, noch weiter durch ein Auslassrohr 11, welches durch eine dichte Öffnung in der oberen Kuppel des Überdruckbehälters 1 verläuft, und schließlich weiter durch eine Wärmeträgerfluidrücklaufleitung 17, an der oben ein Ausdehnungsgefäß 12 für das Wärmeträgeröl in Fluidverbindung vorgesehen ist, zurück zu der Pumpe 9. Über das Ausdehnungsgefäß kann der Primärkreislauf 3 auch mit weiterem Wärmeträgeröl befüllt werden. Ein Leitungsabschnitt eines Sekundärkreislaufs 13 umfasst eine Vorlaufleitung 14, über welches das in dem Sekundärkreislauf 13 strömende Fluid, bei dem es sich um demineralisiertes Wasser handelt, zu dem Plattenwärmetauscher 4 zugeführt wird, und eine Rücklaufleitung 15, über welche das in dem Sekundärkreislauf 13 strömende Fluid von dem Plattenwärmetauscher 9 abgeführt wird. Soweit der Sekundärkreislauf 13 zu der Wärmepufferspeichervorrichtung gehört, ist er auf einen Druck von bis zu 6 bar ausgelegt. Im Plattenwärmetauscher 4 findet eine Übertragung von Wärmenergie von dem Wärmeträgeröl in dem Primärkreislauf 3 auf das zu erwärmende Fluid in dem Sekundärkreislauf statt, wobei das Wärmeträgeröl Wärme auf das zu erwärmende Fluid überträgt, und das Wärmeträgeröl und das zu erwärmende Fluid in getrennten Leitungen laufen. Die Vorlaufleitung 14 und die Rücklaufleitung 15 sind mit Leitungen eines oder mehrerer Verbraucher verbunden. In der Vorlaufleitung 14 und der Rücklaufleitung 15 ist jeweils ein weiterer Temperatursensor (nicht gezeigt) vorgesehen. Die Pumpe 9 wird abhängig von den in der Vorlaufleitung 14, der Rücklaufleitung 15 und der Wärmeträgerfluidvorlaufleitung 16 gemessenen Temperaturen gesteuert. Die gesamte Verrohrung, die Flansche, der Überdruckbehälter, die Standfüße und der Wärmetauscher sind aus einem hochwertigen, speziell für Druckbehälter geeigneten Stahl hergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Überdruckbehälter
- 2
- Wärmespeicherfluidheizmittel
- 3
- Primärkreislauf
- 4
- Wärmetauscher
- 5
- absperrbarer Auslass
- 6
- Manometer
- 7
- Füllstandsmesseinrichtung
- 8
- Standfuß
- 9
- Pumpe
- 10
- Einlassrohr
- 11
- Auslassrohr
- 12
- Ausdehnungsgefäß
- 13
- Sekundärkreislauf
- 14
- Vorlaufleitung
- 15
- Rücklaufleitung
- 16
- Wärmeträgerfluidvorlaufleitung
- 17
- Wärmeträgerfluidrücklaufleitung
- 18
- doppelte Rohrwendel
- 19
- Oberteil
- 20
- Mittelteil
- 21
- Unterteil
