DE102021115368A1 - Mobiler Wärmespeicherbehälter - Google Patents

Abstract

Wärmetransportcontainer, vorzugsweise in Form von Sattelaufliegern, dienen erfindungsgemäß als mobile Wärmespeicherbehälter. Dauerheizleistungen oberhalb von 200 kW und kurzzeitige Spitzenheizleistungen von bis zu 800 kW werden so realisiert.

Description

• Hintergrund der Erfindung
• Der Klimaschutz erfordert die Vermeidung von CO₂ Emissionen. Da im Wärmesektor noch sehr viel CO₂ freigesetzt wird, ergeben sich hier sehr große Einsparpotentiale. Denn Wärme wird häufig durch das Verbrennen fossiler Energieträger wie Erdöl oder Erdgas erzeugt. Der Brennstoff speichert dabei die Energie chemisch und gibt diese durch eine Redoxreaktion unter Abgabe von Energie in Form von Wärme und Licht frei. Ein Reaktionsprodukt der Verbrennung ist das zu vermeidende CO₂, sodass auf der einen Seite für diese Form der Heizungen überzeugende Alternativen gefragt sind.
• Auf der anderen Seite entsteht in vielen Betrieben „überschüssige“ Abwärme, die dem Arbeitsprozess durch Kühlanlagen entzogen werden muss. Da diese wertvolle Wärme am Ort der Entstehung nicht genutzt werden kann, wird sie häufig in die Umgebung „entsorgt“.
• Die Erkenntnis, dass sich diese Wärmequellen und -senken sinnvoll miteinander verbinden lassen, wird heutzutage schon genutzt - durch den Betrieb von Nah- und Fernwärmenetzen. Dabei werden Energiequellen, wie beispielsweise Müllverbrennungsanlagen, mit Energiesenken, wie beispielsweise Gebäudeheizungen, durch im Erdreich vergrabene isolierte Rohrsysteme verbunden, durch die ein flüssiges Wärmespeichermedium die Wärmeverbindung herstellt.
• Diese Art der Energieversorgung kann immer dann kostengünstig betrieben werden, wenn die Abstände zwischen Wärmequelle und -senke so gering sind, dass der Erlös aus der zu transportierenden Wärmemenge den Investitionskosten der Leitung, der anfallenden Wartung und möglichst geringen Wärmeverlusten entsprechen.
• Wenn Wärmequellen und -senken allerdings zu weit voneinander entfernt liegen, schwer zu überwindende Barrieren (wie beispielsweise Flüsse, Autobahnen oder Bahntrassen) zwischen ihnen liegen, diese saisonal wechseln, die zu transportierende Wärmemenge stark variiert oder der Wärmebedarf im Verhältnis zur Leitungslänge relativ gering ist, ist ein Wärmenetz zu unwirtschaftlich und/oder zu unflexibel.
• Beispielsweise passen Biogasanlagen im ländlichen Raum (Wärmequellen) energetisch hervorragend zu Schwimmbädern in der Stadt (Wärmesenken) - allein eine geeignete Verbindung fehlt.
• Somit existieren auf der einen Seite weiterhin viele Wärmequellen, die ihre Wärme nicht an geeignete Wärmesenken abgeben können - und auf der anderen Seite viele Wärmesenken, die weiterhin konventionell mit fossilen Energieträgern beheizt werden. Durch eine intelligente Verknüpfung von entsprechenden Wärmequellen und -senken wird eine klimafreundliche Lösung möglich.
• Figurenliste
• Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Zur Vereinfachung sind verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zur Klarheit beliebig vergrößert oder verkleinert dargestellt sein. Weiterhin können Merkmale vereinfacht oder in ihrer Anzahl reduziert dargestellt sein, um ihr strukturelles Prinzip besser zu verdeutlichen.
• In den Zeichnungen werden Bezugszeichen verwendet, die sich auf die Funktion eines strukturellen Merkmals beziehen, nicht aber auf einen bestimmten Einsatzort. So ist beispielsweise eine Pumpe P1 in jedem Ausführungsbeispiel eine Pumpe, sie kann allerdings an einer anderen Stelle eingesetzt sein. Der genaue Verwendungszweck ergibt sich aus dem Zusammenhang und/oder wird für jedes Ausführungsbeispiel beschrieben.
• 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen mobilen Wärmespeicherbehälters MS in einer bevorzugten Ausführungsform, hier montiert auf einen Sattelauflieger SA;
• 2 zeigt eine Rückansicht der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform mit den Sicherheitsventilen für Luft und Wärmetauschermedium WM;
• 3 zeigt eine Schnittansicht in Längsrichtung der in 1 dargestellten Ausführungsform;
• 4 zeigt eine Schnittansicht in Längsrichtung der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform; die Rohre des Wärmetauschers WT sind in Kopfplatten eingeschweißt und die Umlenkung erfolgt in Umlenkkammern UK;
• 5 zeigt ein Entlüftungssystem, das mithilfe einer Druckausgleichskammer DK entwichenes Wärmetauschermedium WM in den Tank-Container TC zurückführt;
• 6 zeigt eine Pneumatikschaltung gegen eine Heizungswasser-Verlagerung, die durch temperaturbedingte Dichteunterschiede des Wärmetauschermediums WM zwischen Wärmequelle und -senke entsteht;
• 7 zeigt eine Schnittansicht in Querrichtung der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform, mit mehrflutigen Wärmetauscherrohren WT, die von mindestens einem Schwallblech SB getragen werden;
• 8 zeigt ein Diagramm einer beispielhaften Entladekurve mit dem Bereich der sensiblen Wärme SW, dem Latentwärmebereich LW und den Bereich der Tiefenentladung TE;
• 9 zeigt ein Blockschaltbild einer reinen Speicherentladung ohne den Einsatz einer Wärmepumpe;
• 10 zeigt in einer Ausführungsform ein Blockschaltbild einer Installation mit einer Wärmepumpe WP in einem Betriebszustand der reinen Entladung gemäß 9, die Wärmepumpe ruht;
• 11 zeigt die Ausführungsform gemäß 10 in einem Betriebszustand, in dem durch die Wärmepumpe WP die Vorlauftemperatur an einer Übergabestation ÜS zur Wärmesenke angehoben wird;
• 12 zeigt die Ausführungsform der 10 in einem Betriebszustand, in dem die Übergabestation der Wärmesenke ausschließlich durch die Wärmepumpe WP versorgt wird, die Wärme aus dem Tank erwärmt ausschließlich einen Verdampfer VD der Wärmepumpe WP;
• 13 zeigt eine Überlagerungsschaltung von zwei mobilen Wärmespeicherbehältern an einer Wärmesenke: Es erfolgt eine Vorwärmung durch einen mobilen Wärmespeicherbehälter MS1 im Latentwärmebereich für einen mobilen Wärmespeicherbehälter MS2 im sensiblen Bereich (MS2 ≥ MS1);
• 14 zeigt die Überlagerungsschaltung aus 13 nach einem Austausch des thermisch entleerten mobilen Wärmespeicherbehälters MS1 durch einen gefüllten mobilen Wärmespeicherbehälter MS3: Über die Ventile W1, W2 und UV1 werden die Flussrichtungen an den Seitenwechsel der Vorwärmung angepasst (MS3 ≥ MS2); und
• 15 zeigt eine Temperaturregelung bei der Mischung von zwei Wärmeströmen.
• Darstellung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen mobilen Wärmespeicherbehälter. Mit dem erfindungsgemäßen mobilen Wärmespeicherbehälter werden Wärmequellen flexibel mit Wärmesenken verbunden.
• Wärmespeichermedium
• Der Vorteil eines Latentwärmespeichers liegt in der hohen Wärmespeicherkapazität. Erfindungsgemäß werden durch eine geeignete Wahl des Wärmespeichermediums möglichst hohe Energiedichten pro Volumen und Gewicht realisiert, um die transportierte Wärmemenge pro Umfuhr zu optimieren.
• Ein Latentwärmemedium speichert zwar auch thermische Energie (sensible Energie), einen Großteil der Energie speichert es allerdings als Umwandlungsenthalpie, die an einem Phasenübergang isotherm umgesetzt wird. Beim Phasenübergang wird bei einer vom Speichermedium spezifischen Temperatur viel Wärme gespeichert bzw. bei Entladung abgegeben, sodass diese durch die geeignete Auswahl des Wärmespeichermediums für die Temperaturen der Wärmequelle und -senke optimiert wird.
• Erfindungsgemäß wird mindestens ein Phasenübergang des Wärmespeichermediums genutzt, um die am Phasenübergang besonders hohen Mengen an Latentwärme aufzunehmen (Schmelzenthalpie) und später abzugeben (Kristallisationswärme).
• Die Phasenübergangstemperatur des Wärmespeichermediums liegt dabei bevorzugt unterhalb der Quellentemperatur und/oder oberhalb des Senkentemperaturbedarfs. Dafür eignen sich beispielsweise bestimmte Salzlösungen, deren Lagerung und Transport unbedenklich ist. Das bedeutet, dass das Wärmespeichermedium in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ungiftig, nicht umweltgefährdend und/oder nicht korrosiv ist.
• In einer Ausführungsform wird als Speichermedium beispielsweise eine Lösung aus Natriumacetat in Wasser (Natriumacetat-Trihydrat) gewählt, bevorzugt in Form einer 50% bis 70%igen Lösung (Massenprozent) und besonders bevorzugt als 57%ige Lösung (Massenprozent) mit einem geringen Kristallwasserüberschuss.
• Die Kapazität des mobilen Wärmespeichers wird zudem durch die Einfüllmenge des Wärmespeichermediums bestimmt. Durch einen bevorzugten Leichtbau kann diese in einem Ausführungsbeispiel bis zu 22.000 kg betragen. Daraus resultiert eine Wärmespeicherkapazität von 2,6 MWh im Temperaturbereich von 35°C bis 105° C mit Dauerleistungen oberhalb von 200 kW und kurzzeitigen Spitzenleistungen von bis zu 800 kW.
• In 8 ist eine mögliche Entladekurve dargestellt. Die Rücklauftemperatur und die abgegebene Leistung sind darin im zeitlichen Verlauf einer Entladung aufgetragen. Deutlich sind drei Bereiche einer Entladung ersichtlich. Am Anfang einer Entladung im Bereich der sensiblen Wärme SW liegt die Temperatur für eine Kristallisation der Schmelze noch zu hoch und es wird vorrangig sensible Wärme geliefert. Sobald der Tank-Container TC in den Latentwärmebereich LW entladen ist, sorgt die einsetzende Kristallisation für Kristallisationswärme, die die Temperatur über einen langen Zeitraum konstant hält. Im Latentwärmebereich LW wird ein Großteil der Energie bereitgestellt. Erst nach einer Durchkristallisation der Schmelze im gesamten Tankvolumen schließt sich der Bereich der Tiefenentladung TE an, in dem die Temperatur weiter sinkt, nun auch unter die Kristallisationstemperatur. Hierbei werden überwiegend die sensible Wärme und Restanteile der Kristallisationswärme aus den oberen Fluten ausgekoppelt.
• Aufbau und Anschluss des Wärmetauschers
• Der mobile Wärmespeicherbehälter MS weist im Tank-Container TC vorzugsweise einen Wärmetauscher WT mit einem für die Wärmeübertragung hocheffizienten Rohrbündel auf.
• Der Wärmetauscher WT wird an der Wärmequelle und -senke von einem Wärmetauschermedium WM durchströmt, in einem Ausführungsbeispiel von Wasser, beispielsweise Heizungswasser.
• Die 1 und 2 zeigen Außenansichten des mobilen Wärmespeicherbehälters, 1 eine Seiten- und 2 eine Heckansicht. Die 3 und 4 zeigen Schnittansichten des Tanks, einmal in Längs- und einmal in Querrichtung.
• Der mobile Wärmespeicherbehälter kann auf einem Sattelauflieger, einem Anhänger oder einem LKW montiert oder als Container, insbesondere ISO Container, oder Wechselbrücke aufgebaut sein. 1 zeigt einen bevorzugten mobilen Wärmespeicherbehälter MS, der auf einem Sattelauflieger SA montiert ist.
• Eine Außenhülle AH umgibt einen Tank-Container TC, der Zwischenraum kann als Wärmeisolierung zur Reduzierung von Wärmeverlusten ausgestaltet sein und nimmt zusätzliche Anbauten wie beispielsweise Steigrohre oder eine Steuerung auf. Ein Domschacht DO kann zum Befüllen des Tanks eingesetzt werden und dient als Revisionsöffnung.
• Ferner sind Temperatursensoren TS und Drucksensoren DS im Salz- und Tankraum eingebaut. Optional ist auch ein Durchflusssensor DF mit einem eichfähigen Wärmemengenzähler zur Abrechnung der gelieferten Wärmemenge vorhanden. Per GPS wird der Standort des entsprechenden mobilen Wärmespeichers detektiert. Die Messdaten werden per Funk übertragen, sodass eine kontinuierliche Überwachung des mobilen Wärmespeicherbehälters MS möglich wird. Anhand der fernübertragenen Daten des Wärmemengenzählers kann die Umfuhr der mobilen Wärmespeicherbehälters MS organisiert werden.
• Um eine Langzeitstabilität sicherzustellen, ist der Tank-Container TC vorzugsweise ein geschlossenes System. Das hat den Vorteil, dass aus der Atmosphäre keine Fremdstoffe aufgenommen werden können und dass das Wärmespeichermedium chemisch konserviert wird. Beispielsweise wird ein Ausdampfen des Wärmespeichermedium erschwert, durch das sich insbesondere die Konzentration einer Salzlösung verändern könnte.
• Dieses Konstruktionsprinzip eines geschlossenen Systems hat wiederum zur Folge, dass große Volumenänderung, bei Natriumacetattrihydrat etwa 14%, durch konstruktive, sicherheitstechnische Maßnahmen abgefangen werden müssen.
• Oberhalb des Füllstandes FS, der beispielsweise in 3 dargestellt ist, wird deshalb ein Gasvolumen, beispielsweise von etwa 20% Luft, vorgesehen, das über ein Überdruck- und ein Unterdruckventil abgesichert ist. Die Köpfe des Speichers eignen sich für diese Ventile nicht, da sie bedingt durch die Straßenlasten durch die schwappende Salzsäule dynamisch belastet werden und zumindest das Überdruckventil durch diese Last kurzzeitig öffnen könnte. Vorzugsweise wird deshalb innerhalb des Speichers eine Druckleitung bis in den Bereich des Domschachts DO (Mitte des Speichers) verlegt, um die Belastung des Ventils durch das Wärmespeichermedium zu minimieren.
• In den 1 und 2 sind die Anschlüsse AW für das Wärmetauschermedium dargestellt, sie befinden sich bevorzugt an der Heckseite des mobilen Wärmespeicherbehälters MS. Von einem dieser Anschlüsse führt ein Steigrohr zwischen der Außenhülle AH und dem Tank-Container TC nach oben und knapp unterhalb des Füllstandes FS in den Tank-Container TC. Von dort führt das Rohrbündel des Wärmetauschers WT zur Vorderseite des Tanks. In 3 ist vereinfacht dargestellt, wie sich der Weg des Rohrbündels fortsetzt: Es mäandert in Längsrichtung und nach unten durch den Tank-Container TC. Unten angekommen verlässt das Rohr den Tank-Container TC und führt zum anderen der beiden Anschlüsse AW für das Wärmetauschermedium.
• Dargestellt sind lediglich zwei Mäanderschleifen zwischen Heck- und Stirnseite, es können allerdings auch mehr sein, beispielsweise zwischen 3 und 16.
• In 2 sind außerdem exemplarisch Drucksensoren D1 und D2, Temperatursensoren TS, ein Entlüftungsventil des Wärmetauschers EW, ein Luftauslass eines Sicherheitsventils LA und ein Durchflusssensor DF gezeigt. Die genannten Komponenten sind optional vorhanden und können sich jeweils auch auf der Stirnseite des Tank-Containers TC befinden.
• Die Konstruktion lässt ohne grundsätzliche Konzeptveränderung eine Verlängerung des mobilen Wärmespeicherbehälters MS und damit eine Erhöhung der Speicherkapazität zu, beispielsweise für Länder, die eine höhere Achslast eines Sattelaufliegers SA zulassen (z.B.: Dänemark). In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden Aufnahmepunkte zwischen Speicher und Sattelauflieger SA dabei nicht verändert und damit werden keine kostspieligen Sonderzulassungen erforderlich.
• In 4 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Rohre in Kopfplatten montiert, vorzugsweise eingeschweißt, sind. In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Rohre des Wärmetauschers WT in die Kopfplatten zunächst eingerollt und können dann zusätzlich angeschweißt sein. Durch das Einrollen kann Spaltkorrosion verhindert werden, die optional zusätzliche Verschweißung sorgt für zusätzliche Stabilität der Verbindung. Die Umlenkung bzw. Umkehrung der Flussrichtung geschieht in Umlenkkammern UK, die aus an der Frontseite des Tanks angeschweißten Kästen bestehen können und in denen entsprechend der Flutzuordnung Trennbleche TB eingebracht, vorzugsweise eingeschweißt, sind. Zur besseren Entlüftung können in die Trennbleche Entlüftungsbohrungen EB (s. Detailansicht in 5), beispielsweise in Fahrtrichtung mittig im Trennblech und/oder mit einem Durchmesser von 6 bis 8 mm, eingebracht sein, beispielsweise in jedes Trennblech TB mindestens zwei. Durch die Entlüftungsbohrungen EB kann beim Befüllen und späterem Betrieb die Luft besser abgeführt werden.
• In 4 sind Umlenkkammern UK für die Stirnseite des Tank-Containers TC gezeigt, es können allerdings auch beide Seiten des Tank-Containers TC entsprechende Umlenkkammern UK aufweisen, so dass die Rohre des Wärmetauschers WT vorzugsweise keine Krümmung aufweisen, da die Flussrichtung dann hauptsächlich in den Umlenkkammern UK geändert wird. Die entsprechende Umlenkkammer UK an der Heckseite ist vorzugsweise ebenfalls von außen an den Tank-Container TC angebracht und weist ebenfalls Trennbleche TB mit optionalen Entlüftungsbohrungen EB und einer Flutzuordnung auf. In dem dazugehörigen Ausführungsbeispiel mäandert das Wärmetauschermedium durch den Tank-Container TC, insbesondere abwechselnd geführt durch gerade Rohre und Umlenkkammern UK.
• Der Wärmetauscher WT wird vorzugsweise so ausgelegt, dass eine Be- und Entladung der ein- und auszukoppelnden Wärmemenge innerhalb von 8 Stunden erfolgen kann. Die tatsächliche Umladezeit hängt dann von der Leistungsfähigkeit der Wärmequelle und der benötigten Heizleistung der Wärmesenke ab. Sie wird vorzugsweise durch eine elektronische Steuerung zur Anbindung an die Heizsysteme am Be- und Entladeort optimiert.
• Um die Wärmeübertragung des Wärmetauschers WT zu optimieren, werden in einem Ausführungsbeispiel die Abstände zwischen den Wärmetauscherrohren soweit reduziert, dass eine Wärmediffusion die effiziente Nutzung des gesamten Speichervolumens des Tank-Containers TC ermöglicht. In einem Ausführungsbeispiel wird zur effizienten Nutzung durch einen geeigneten Rohrabstand eine konvektive Auftriebsströmung des Wärmespeichermediums begünstigt.
• Die Rohre des Wärmetauschers WT sind dazu erfindungsgemäß mehrflutig ausgestaltet und sorgen an sich oder in Kombination mit den bereits beschriebenen Umlenkkammern UK dafür, dass das Wärmetauschermedium in geeignetem Abstand zwischen hinten und vorne von oben nach unten durch das Speichervolumen des Tank-Containers TC mäandert, so dass die Speicherfluten horizontal angeordnet sind. Der Rohrabstand, der Rohrquerschnitt und die Rohrlänge der Wärmetauschermatrix sowie der Durchsatz des Wärmetauschermediums durch die Rohre beeinflussen dabei die Auskoppelleistung in einem breiten Nutzbereich.
• Die Wärmetauscherfläche, die Rohrquerschnitte und die Ausbildung der Wärmetauschermatrix werden gezielt optimiert, da moderne Heizungssysteme neben bestimmten Vorlauftemperaturen auch eine große Durchsatzvarianz ohne Leistungseinbruch erfordern. In einem Ausführungsbeispiel weist die für eine Wärmeübertragung vorhandene Oberfläche der Wärmetauscherrohre mehr als 300 m² auf.
• Zusätzlich können Schwallbleche SB zur Abstützung der Rohre eingesetzt werden. Die Schwallbleche SB stehen senkrecht zu den Rohren und stützen sich an der Tankinnenseite ab. Die Rohre sind vorzugsweise nicht an den Schwallblechen SB angeschweißt, sondern sie sind lediglich gesteckt. In einem Ausführungsbeispiel wird die geometrische Grundform vor dem Einstecken der Rohre durch Zuganker gewährleistet, die an die Schwallbleche SB geheftet sind. Vorzugsweise wird dieser vorgefertigte Käfig in Tank-Container TC eingefahren und erst dort mit den Rohren bestückt.
• Für sich genommen oder im Verbund mit den optionalen Umlenkkammern UK sorgen die Schwallbleche SB für eine zusätzliche Steifigkeit des mobilen Wärmespeicherbehälters MS, durch die hohe Wandstärken des Tank-Containers TC vermieden werden können.
• Während des Transports wird das Wärmespeichermedium durch Straßenlasten beschleunigt, beispielsweise hervorgerufen durch Anfahren, Bremsen, Kurven oder Schläge durch Unebenheiten. Die Kammern zwischen den Schwallblechen SB nehmen die dazugehörigen Kräfte auf. Schubkräfte (in Längsrichtung) können durch Entlastungsbohrungen bzw. Aussparungen AS in den Schwallblechen SB reduziert werden, vgl. dazu auch die 7. Durch das Durchströmen der Aussparungen AS erfolgt eine vorteilhafte Durchmischung aller Kammern, sodass einer Entmischung hervorgerufen durch Stagnation entgegengewirkt wird. Insbesondere Keimbildner in der Schmelze werden so wieder verteilt.
• Eine weitere Aufgabe der Schwallbleche SB ist eine Schwingungsabstützung der Rohre, die durch ihre Anzahl, bevorzugt 2 bis 10 und besonders bevorzugt 4 bis 6, und ihren gegenseitigen Abstand beispielsweise von 1 bis 3 m, optimiert ist. Hier sind schwingungstechnische Anforderungen gegeben, die erforderliche Anzahl der Schwallbleche SB ergibt sich aus den Belastungen beispielsweise in Form von Anregungen.
• In einem Ausführungsbeispiel sind 6 Schwallbleche SB vorgesehen, um zusätzlich zur zuverlässigen Schwingungsdämpfung alle vom Wärmespeichermedium aufgebrachten Lasten zuverlässig aufzunehmen.
• In einem Ausführungsbeispiel wird ein Wärmetauscherkäfig bestehend aus den Rohren und den Schwallblechen SB vormontiert und dann in den Speicher eingefahren. Am unteren Ende der Schwallbleche SB kann sich eine Ausnehmung befinden, die das Risiko des Verkantens beim Einfahren des Wärmetauscherkäfigs reduziert.
• Im Bereich der Ausnehmung befinden sich im Tank-Container TC keine Rohre und es entsteht dort eine über die Länge des gesamten Tank-Containers TC zusammenhängende Kristallgeburtskammer KG, die aufgrund des reduzierten Wärmeaustausches auch nach einer vollständigen Aufladung einen Restkristallvorrat aufweisen kann. Dieser Restkristallvorrat sorgt in Verbindung mit den durchmischenden Beschleunigungen auf dem Weg zur Wärmesenke und einer Durchströmung mit möglichst kaltem Wärmetauschermedium WM für eine zuverlässigen Kristallisation bzw. Wärmeabgabe. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmetauschermediums WM im Wärmetauscher WT wird vorzugsweise gezielt geregelt und dem Wärmebedarf und dem Beladungszustand angepasst. Die optimierte Geschwindigkeit und Menge der Wärmeübertragung sorgt für eine effiziente Nutzung des Wärmespeichers.
• Die Wärmeübertragung an der Wärmequelle erfolgt insbesondere durch Anschließen des mobilen Wärmespeicherbehälters MS an einen kundenseitig herzustellenden Sekundärkreislauf, wobei durch die im Wärmetauschermedium WM enthaltene Wärmeenergie das Speichermaterial aufschmilzt.
• Die Schmelze hat in der Regel eine geringere Dichte als die Salzkristalle, sie dehnt sich also aus. Bei Natriumacetattrihydrat kann diese Volumendifferenz beispielsweise bis zu 14% betragen. Durch diese Volumenänderung des Salzes entstehen am Phasenübergang Spannungen, die zum Schutz des Tank-Containers TC möglichst vermieden werden.
• Deshalb erfolgt das Erwärmen des Tank-Containers TC von oben, sodass sich die entstehende Schmelze in den freien Raum oberhalb des Füllstandes FS des Tank-Containers TC ausdehnen kann. Die obersten Rohre des Wärmetauschers sind nur soweit bedeckt, dass sich im Salz beim Aufschmelzen Risse bilden können, durch die die Schmelze nach oben ausfließen kann. Dadurch wird eine Beschädigung der Rohre bei der Ausdehnung der Schmelze vermieden. Ein durch die Ausdehnung etwaig entstehender Grenz-Überdruck entweicht durch Luft, die über ein Überdruckventil aus dem Container ausströmt. Dieses Überdruckventil ist ein Sicherheitsventil, das im Normalbetrieb nicht auslöst, da keine exotherme Reaktion stattfindet. Die Sicherheitsventile SV erfüllen die Anforderungen der Druckbehälterverordnung (TRB Technische Regeln zur Druckbehälterverordnung - Druckbehälter). Zusätzlich findet in einem Ausführungsbeispiel durch Drucksensoren DS1, DS2 eine ständige Drucküberwachung an Bord statt.
• Wie beschrieben wird das Wasser also an der Wärmequelle von oben durch den Wärmetauscher WT geführt, wohingegen es an der Wärmesenke von unten durch den Wärmetauscher fließt. Um dem Bedienpersonal die Überlegungen zur optimalen Flussrichtung abzunehmen und Anschlussfehler auszuschließen, sorgen in einem Ausführungsbeispiel verschiedenartige Schlauchanschlüsse AW am Wärmetauscher WT dafür, dass die Flussrichtung an Wärmequelle und -senke vorgeben ist und ihre jeweilige Umkehr automatisch erfolgt. Durch diese Maßnahme wird eine Beschädigung des Tank-Containers TC zuverlässig vermieden.
• Die zum Anschluss erforderlichen Schlauchleitungen sind einseitig fest mittels selbstsichernder Kupplungen G2" (NW50) bzw. G2 1/2" (NW65) mit der Be- bzw.
• Entladestation verbunden. Containerseitig sind die Vaterkupplungsteile der Trockenkupplungen gemäß NATO STANAG 3756 Typ DryCon angebracht und an den Schläuchen die Mutterteile, über diese wird der Container mit den Stationen sicher verbunden.
• An der Wärmesenke wird der mobile Wärmespeicherbehälter MS an den Heizkreislauf angeschlossen - je nach Auslegung der Anlage direkt oder über einen weiteren Wärmetauscher und einen Sekundärkreislauf. Durch den Wegfall des weiteren Wärmetauschers bei einem direkten Anschluss kann eine effizientere Wärmeübertragung verwirklicht werden. Ein optionales Leitfähigkeitsmesssystem kann dabei die Qualität des Anlagenwassers absichern und eventuelle Defekte, insbesondere Undichtigkeiten, im Salzraum bzw. Tank-Container TC zuverlässig detektieren.
• Mit dem Durchströmen des kälteren Anlagenwassers wird die im mobilen Wärmespeicherbehälter MS gespeicherte Wärme an das Heizsystem übertragen. Bei der Wärmeabgabe kristallisiert das Speichermaterial aus. Das abkühlende Wasser wird dabei von unten durch den Wärmetauscher WT geführt, so dass die entstehenden Kristalle vom Boden des Tank-Containers TC aus nach oben wachsen, ohne dabei Hohlräume zu bilden. Bei diesem Zusammenziehen durch Kristallisation kann die Schmelze von oben nachfließen und die Wärmeübertragung an den darüber liegenden Rohren durch stille Konvektion begünstigen.
• Sicherheitsventil mit Rückführung des Wärmetauschermediums
• Der Luftraum oberhalb des Füllstandes FS im Tank-Container TC muss gegen Überdruck gesichert werden. Beim Auslösen eines Überdruckventils besteht allerdings die Gefahr, dass Wärmespeichermedium aus dem Tank-Container TC austritt (flüssig oder gasförmig).
• Um das zu vermeiden und um die Sicherheitsventile SV aus dem Salzwirkbereich herauszunehmen, wird in einem Ausführungsbeispiel gemäß 5 eine Druckleitung DL, vorzugsweise ein Druckschlauch, der druck- und temperaturbeständig ist, insbesondere aus PTFE, von einer Bohrung im Domschacht DO nach vorne oder hinten zu einer Druckausgleichskammer DK geführt. In den Domschacht DO wird für den Anschluss der Druckleitung DL eine Tülle eingeschweißt, deren Lage von oben gesehen vorzugsweise zur Deckelverschraubung des Domschachts DO versetzt ist.
• Die Druckausgleichskammer DK liegt oberhalb einer obersten vorderen oder hinteren Umlenkkammer UK. In einem Ausführungsbeispiel ist die Umlenkkammer UK aus demselben Material wie die Druckausgleichskammer DK gefertigt, in einem weiteren ist die Umlenkkammer UK aus Schwarz- und die Druckausgleichskammer DK aus Edelstahl gefertigt. Edelstahl bietet sich als Wandmaterial der Druckausgleichskammer DK an, da in ihr anders als in den Umlenkkammern UK dauerhaft Luft vorhanden ist und sich damit die Korrosionsneigung erhöht. Eine vorzugsweise spaltfreie Fügung von Umlenkkammer UK und Druckausgleichskammer DK unterbindet die Spaltkorrosion.
• Der Zugang zur Druckausgleichskammer DK erfolgt von oben durch einen Einschweißbogen, an den der Druckschlauch DS angeschlossen ist. Ein Steigrohr SR führt von der Innenseite des Einschweißbogens in den unteren Bereich der Druckausgleichskammer DK, die Öffnung des Steigrohrs liegt knapp oberhalb des Bodens der Druckausgleichskammer DK.
• An der Druckausgleichskammer DK wird oberhalb der Öffnung des Steigohrs ein Sicherheitsventil SV angeschlossen, das möglichen Überdruck des Tank-Containers TC nach außen abführt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird neben dem Sicherheitsventil SV ein weiteres Sicherheitsventil angeschlossen, das einen möglichen Unterdruck des Tank-Containers TC von außen ausgleicht. Beide Sicherheitsventile sind mit Kunststoffleitungen verbunden, die in den unteren Bereich des mobilen Wärmespeicherbehälters MS führen.
• In der Druckausgleichskammer DK kann sich dem Tank-Container TC entwichenes Wärmespeichermedium sammeln, beispielsweise Wasserkondensat. Bei erneutem Druckaufbau wird dieses dann automatisch über das Steigrohr in den Tank-Container TC zurückgeführt. Bei einem Aufbau von Unterdruck wird das in die Druckausgleichskammer DK entwichene Wärmespeichermedium in den Tank-Container TC zurückgesaugt. Diese Pumpwirkungen sind wartungsfrei und selbstregulierend.
• Volumenausgleich des Wärmetauschermediums
• Durch die jeweils verschiedenen Wärmetauschertemperaturen beim Abkoppeln des Wärmetauschers WT besteht durch den temperaturbedingten Dichteunterschied die Gefahr, dass beständig Heizungswasser von der Wärmesenke zur -quelle transportiert wird. Ein am Tank montiertes Druckausgleichsgefäß wirkt in einem Ausführungsbeispiel diesem Effekt entgegen. An der Wärmesenke muss dann kein Wärmetauschermedium WM (Heizungswasser) ersetzt werden, das an der Wärmequelle verloren geht. So können Maßnahmen zur Wasserenthärtung und personeller Aufwand reduziert werden.
• Zusätzlich zu einem lediglich passiv wirkenden Druckausgleichsgefäß wird in weiteren Ausführungsbeispielen eine aktive Regelung eingesetzt. Ein Beispiel ist eine Pneumatikschaltung, bei der Luft zum Austreiben des Wassers aus dem Ausgleichsgefäß genutzt wird. Durch den Einsatz von Druckluft kann bei einem 80 I Ausgleichsgefäß das gesamte Ausgleichsvolumen von 76 I genutzt werden.
• Mit dieser Schaltung wird im mobilen Wärmespeicherbehälter MS jeweils am Ende eines Be- oder Endladevorgangs über einen Druckausgleich die ursprüngliche Menge an Wärmetauschermedium WM an Bord des mobilen Wärmespeicherbehälters MS wieder hergestellt, bevor er abgekoppelt wird. Es handelt sich dabei vorzugsweise um ein selbstregelndes System, das insbesondere auf unterschiedliche Be- und Entladetemperaturen reagiert.
• In einem Ausführungsbeispiel, das in 6 dargestellt ist, ist das Ausgleichsgefäß ein Membranausdehnungsgefäß MAG, beispielsweise mit einem Volumen von 80 Litern, das eine Membran MB, beispielsweise aus Gummi, enthält, die das Wärmetauschermedium WM von einem Gaspolster LU, beispielsweise Luft, trennt. Die Membran MB sorgt in Verbindung mit dem komprimierbaren Gaspolster LU für einen konstanten Druck im Wärmetauschermedium WM. Der Anschluss an das Wärmetauschermedium WM erfolgt vorzugsweise an einer Umlenkkammer UK.
• Die aktive Druckregulierung des Gaspolsters LU erfolgt über ein daran angeschlossenes 3/3 Ventil DWV, das in Ruhestellung vorzugsweise selbstschließend ist. Es wird über Datenleitungen DLT angesteuert und zum Befüllen geöffnet, sobald ein Minimaldruck des Gaspolsters LU unterschritten ist, beispielsweise unterhalb von 2,3 bar. In einem so geöffneten Zustand kann die Seite des Gaspolsters LU mit einem Kompressor oder einem Druckluftbehälter verbunden sein. Für den Fall eines zu reduzierenden Drucks im Gaspolster LU schaltet das 3/3 Ventil DWV eine Entlüftung EL frei.
• Die Druckluftverbindung zum 3/3 Ventil DWV erfolgt über ein Rückschlagventil RV, vorzugsweise mit Feder, und ein einstellbares Druckbegrenzungsventil DV, das den Druck beispielsweise auf 3 bar begrenzt. Der Kompressor und/oder Druckluftbehälter können ein fest montierter Bestandteil des mobilen Wärmespeicherbehälters MS sein oder sie können von außen über einen freien Druckluftanschluss DA angeschlossen werden. Der freie Druckluftanschluss DA wird vorzugsweise durch eine beidseitig absperrende Schnellkupplung realisiert.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Luftdruck aus der Druckluftversorgungsanlage der umgebenden Fahrzeugtechnik genutzt. Dazu wird vorzugsweise ein in der Fahrzeugtechnik üblicher Hilfsanschluss genutzt, der standardmäßig beispielsweise für die Not-Befüllung eines Reifens vorgesehen ist. Im Falle eines Sattelaufliegers SA kann eine Verbindung mit dessen Druckluftspeicher LS hergestellt werden. Auch eine direkte Verbindung mit dem Kompressor einer Zugmaschine ist optional möglich. Eine Zugmaschine liefert so beispielsweise gereinigte, getrocknete Pressluft mit 8 bis 10 bar.
• Wenn der Kompressor der Antriebsmaschine genutzt wird, kann das Gewicht eines zusätzlichen Kompressors samt Anbauten wie einem Lufttrockner eingespart werden. Vorzugsweise wird der Hilfsanschluss durch eine strukturelle Ausgestaltung nur dann freigeschaltet, wenn sich der mobile Wärmespeicherbehälter MS im Stillstand befindet, insbesondere wenn die Feststellbremse aktiviert ist.
• Einleitung der Kristallisation
• Salzhydrate, wie beispielsweise Natriumacetattrihydrat, lassen sich unter die Temperatur des Phasenübergangs abkühlen, ohne dass eine Kristallisation eintritt. Diese sogenannte Unterkühlung der Schmelze verhindert zumindest anfänglich die Abgabe der Schmelzenthalpie, so dass sie für einen zuverlässigen Betrieb möglichst vermieden werden muss.
• Um das Phänomen einer unterkühlten Schmelze insbesondere zu Beginn des Entladevorgangs zu verhindern, wird die Kristallisation vorzugsweise unterstützend eingeleitet. An der Wärmesenke wird daher in einem Ausführungsbeispiel nicht wie üblich das Kaltwasser aus dem unteren Teil eines Schicht-Speichers durch den Wärmetauscher geleitet, sondern direkt der Rücklauf mit der niedrigsten Temperatur.
• In einem Schwimmbad kann dieser kühlste Rücklauf beispielsweise der Beckenrücklauf sein. Durch diese größtmögliche Temperaturdifferenz zwischen mobilem Wärmespeicherbehälter MS und Heizwasser wird eine Kristallisation des Wärmespeichermediums zuverlässig eingeleitet. Zusätzlich sorgt der große Temperaturunterschied zwischen Wärmetauscher WT und Wärmespeichermedium für eine zügige und maximale Entladung des mobilen Wärmespeicherbehälters MS.
• Um eine Kristallisation zuverlässig einzuleiten, liegen in einem Ausführungsbeispiel die Rohre des Wärmetauschers WT im unteren Bereich des Tank-Containers TC enger beieinander als in einem oberen Bereich. In 7 ist eine entsprechende Ausgestaltung skizziert. Durch diesen verringerten Abstand wird die Schmelze im unteren Bereich des Tank-Containers TC schneller abgekühlt und dadurch eine Kristallisation eingeleitet, die sich nach oben fortpflanzt.
• Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung der Unterkühlung der Schmelze ist die bereits erwähnte Unterstützung der Keimbildung. Keimbildner müssen nicht nur ausreichend vorhanden, sondern auch möglichst homogen in der Schmelze verteilt sein.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das bereits im Zusammenhang mit 3 angesprochen wurde, werden daher die Schwallbleche SB, von denen die Wärmetauscherrohre getragen werden, gezielt mit zusätzlichen Aussparungen AS versehen. Durch übliche Fahrbewegungen, insbesondere beim Beschleunigen oder Abbremsen, wird die Schmelze beim vorzugsweise turbulenten Durchströmen der Aussparungen AS durchmischt, was für eine optimierte Verteilung vorhandener Keimbildner sorgt. So durchmischt startet die Kristallisation der Schmelze bei einer Abkühlung zuverlässig.
• Das Schwallblech SB in 7 bildet im unteren Teil mit dem Tank-Container TC eine Öffnung, die zum einen der leichteren Montage dient und zum anderen eine Kristallgeburtskammer KG im gesamten unteren Bereich des Tank-Containers TC definiert.
• In der Kristallgeburtskammer KG bleiben beim Aufladen des mobilen Wärmespeichercontainers MS kleine Kristallreste zurück, die zu Beginn der Entladung einen Kristallisationsstart begünstigen.
• An der Wärmesenke wird heißes Wasser aus dem mobilen Wärmespeicherbehälter MS vorzugsweise in den oberen Teil eines Schichtspeichers eingespeist, kühleres dann weiter unten. Sinkt die Temperatur weiter, wird das Wasser in einem Ausführungsbeispiel in den Vorlauf eines BHKWs gegeben. Auf diese Weise wird die aus dem mobilen Wärmespeicherbehälter MS gelieferte Wärme immer an der zur momentan gelieferten Temperatur passenden optimalen Stelle eingespeist.
• Hochtemperatur-Wärmepumpe
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Entladung durch eine Wärmepumpe WP, vorzugsweise durch eine Hochtemperatur-Wärmepumpe (HTWP), unterstützt. Bestandsgebäude können so umweltschonend mit einer Wärmepumpe WP beheizt werden, ohne dass Bodenkollektoren oder eine Grundwasseranzapfung erforderlich werden. Auch Neubauquartiere, denen keine entsprechende Fläche zur Wärmegewinnung zur Verfügung steht, können so flexibel gespeist werden.
• Die Wärmepumpe WP kann direkt an dem mobilen Wärmespeicherbehälter MS montiert sein. Die Wärmepumpe WP kann allerdings auch Bestandteil eines mobilen Übergabepunktes sein, montiert beispielsweise in einem 20 Fußcontainer. In diesem mobilen Übergabepunkt können sich auch Anbauten wie eine Hydraulik, eine Steuerung und ein oder mehrere Pufferspeicher befinden.
• Der mobile Übergabepunkt kann dauerhaft oder zeitlich befristet als Übergabestation an einer Wärmesenke, beispielsweise einem Nahwärmeversorgungspunkt, aufgestellt werden. Die Standfläche kann beispielsweise aus wiederverwendbaren Bodenplatten, beispielsweise Betonplatten, bestehen. Durch den mobilen Übergabepunkt kann beispielsweise ein Nahwärmenetz versorgt werden, solange eine geplante Nahwärmeleitung noch nicht fertiggestellt ist. Danach kann die gesamte mobile Versorgung samt mobilem Übergabepunkt demontiert und an einem neuen Ort eingesetzt werden.
• Durch den Einsatz einer Wärmepumpe WP lässt sich der mobile Wärmespeicherbehälter MS schneller entladen, da die Wärmepumpe WP den Temperaturgradienten zwischen mobilem Wärmespeicherbehälter MS und Abnahmestelle aufrechterhält oder sogar erhöht. Eine Tiefenentleerung ist dadurch zuverlässig möglich. Es lassen sich durch eine Wärmepumpe WP zudem konstante Entladetemperaturen an einer Übergabestation ÜS erzeugen, die die Einbindung in die Haustechnik HT, beispielsweise in ein bestehendes Heizsystem, vereinfachen.
• Als Ausgangspunkt für den Einsatz der Wärmepumpe wird in 9 zunächst ein reiner Entladevorgang ohne Unterstützung skizziert. Aus dem Wärmetauscher WT im Tank-Container TC strömt mit Hilfe einer Pumpe P1 das erwärmte Wärmetauschermedium WM und gibt an einer Übergabestation ÜS die Wärme an die Wärmesenke, beispielsweise die Haustechnik HT, ab. Der Rücklauf hat danach noch etwa eine Temperatur von 30 bis 50 °C. Über ein Mischventil MV1 kann aus Vor- und Rücklauf eine einstellbare maximale Abgabetemperatur bereitgestellt werden, beispielsweise etwa 70 °C.
• In einer Anordnung mit der Wärmepumpe WP lässt sich dieser reine Entladevorgang ebenfalls realisieren, beispielsweise wenn im Bereich der sensiblen Wärme SW eine für die Wärmesenke ausreichend hohe Temperatur vorhanden ist. 10 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel: Die Wärmepumpe WP ruht bei einem reinen Entladevorgang ohne Unterstützung. Im oberen Teil der 10 lässt sich demgemäß der reine Entladevorgang aus 9 wiedererkennen. Zur Unterstützung des Massenstroms kann eine zusätzliche Pumpe P4 im Rücklauf vorhanden sein.
• Ein optionales Umschaltventil UV4 ermöglicht dabei die geregelte Abgabetemperatur für die Übergabestation ÜS durch eine Zumischung aus dem Rücklauf. Das optionale Umschaltventil UV4 ist in den 11 und 12 nicht erneut eingezeichnet, kann allerdings auch dort vorgesehen sein - dann in einer Schaltstellung, die einen Zwischenspeicher ZS mit dem Mischventil MV1 verbindet.
• 11 zeigt dieselbe Anordnung bei einem Entladevorgang mit aktiver Wärmepumpe WP. Die Wärmepumpe WP kann eine Leistung zwischen 50 kW und 300 kW, beispielsweise 150 kW, aufweisen. Sie enthält zumindest einen Verdampfer VD, ein Expansionsventil EV, einen Verdichter V und einen Kondensator K.
• In diesem Ausführungsbeispiel wird durch die Beschaltung der Ventile MV1 und UV3 ein Teil des Vorlaufs in den bereits erwähnten Zwischenspeicher ZS geleitet, der von der Wärmepumpe WP weiter erwärmt wird. Aus dem Zwischenspeicher ZS wird dem Vorlauf auf dem Weg zur Übergabestation ÜS über ein Mischventil MV1 heißes Wärmetauschermedium zugemischt, sodass eine einstellbare Übergabetemperatur oberhalb der Vorlauftemperatur des mobilen Wärmespeicherbehälters MS möglich wird.
• Die Wärmepumpe WP zieht die Wärme aus dem Rücklauf, der über einen Wärmetauscher an einen Verdampferkreislauf der Wärmepumpe WP gekoppelt ist. Eine Pumpe P2 und ein Mischventil MV2 sorgen in diesem Verdampferkreislauf für eine geregelte Wärmeversorgung der Wärmepumpe WP.
• Die Wärme wird von der Wärmepumpe WP an einem Kondensator K mithilfe einer Pumpe P3 und einem Mischventil MV3 geregelt an den Zwischenspeicher ZS abgegeben. So kann sich der Zwischenspeicher ZS, der ein Volumen zwischen 500 I und 5000 I, beispielsweise 3000 I, aufweist, auf vorzugsweise 70 bis 85 °C erwärmen.
• Dieselbe Anordnung kann in einer weiteren Ausführungsform gemäß 12 so betrieben werden, dass der Vorlauf aus dem Wärmetauscher WT des mobilen Wärmecontainers MS nur den Verdampferkreislauf der Wärmepumpe WP speist. Dazu wird über Ventile UV1, UV2, UV3 und AV1 der Zulauf zur Übergabestation umgeleitet zum Wärmetauscher WT des Verdampferkreislaufs. Die Übergabestation ÜS wird dann ausschließlich aus dem Zwischenspeicher ZS versorgt.
• Dieser Betriebszustand ist auf der einen Seite dazu geeignet, eine Tiefenentladung zu bewerkstelligen, bei der der Tank-Container TC beispielsweise am Ende abgekühlt (beispielsweise nur noch handwarm) ist, die Übergabetemperatur aber weiterhin hoch, beispielsweise bei etwa 70 °C, liegen soll. Eine Mischung aus Vorlauf und Zwischenspeicher würde diese Übergabetemperatur nicht mehr erreichen.
• Auf der anderen Seite lässt sich in diesem Betriebszustand eine Wärmesenke versorgen, die eine hohe Rücklauftemperatur hat, die also eine Wärmeversorgung auf einem höheren Temperaturniveau benötigt als das vom Wärmespeichermedium bereitgestellte. Auch hier würde eine Mischung von Wärmetauschermedium WM aus Vorlauf und Zwischenspeicher die benötigte Übergabetemperatur unterschreiten.
• In einer Ausführungsform werden die Betriebszustände bei einem Entladevorgang miteinander kombiniert. So kann beispielsweise mit dem Betriebszustand der reinen Entladung gemäß 10 begonnen werden (ohne Einsatz der Wärmepumpe WP), bei dem die sensible Wärme eine ausreichend hohe Temperatur bereitstellt. Im Latentwärmebereich LW kann dann in einen ersten Betriebszustand mit Wärmepumpe gemäß 11 gewechselt werden, um am Ende des Entladevorgangs in einem zweiten Betriebszustand mit Wärmepumpe WP gemäß 12 die Tiefenentladung zu realisieren.
• Überlagerungsschaltung mit hydraulischer Kopplung
• In einer weiteren Ausführungsform wird an der Wärmesenke durch eine geschickte Anordnung der erfindungsgemäßen mobilen Wärmespeicherbehälter MS beständig eine Abgabetemperatur erreicht, die oberhalb der Temperatur des Phasenübergangs liegt. Obwohl der Anteil der sensiblen Wärme im Vergleich zur Latentwärme nur gering ist, reicht sie bei dieser Ausführungsform in überraschender Weise aus, um die zu entladende Wärmemenge nahezu komplett auf eine einstellbare Temperatur oberhalb des Latentwärmebereichs LW zu bringen.
• Es kann dafür gemäß 13 eine Anordnung gewählt werden bestehend aus zwei seriell angeschlossenen erfindungsgemäßen mobilen Wärmespeicherbehältern MS, wobei eine hydraulische Kopplung an einer Wärmesenke so eingerichtet ist, dass ein erster mobiler Wärmespeicherbehälter MS1, der aus dem Bereich der sensiblen Wärme SW bereits in den Latentwärmebereich LW entladen ist, das Wärmetauschermedium WM auf die Temperatur des Phasenübergangs mit Latentwärme vorwärmt und der zweite seriell angeschlossene mobile Wärmespeicherbehälter MS2, der noch oberhalb des Latentwärmebereichs LW aufgeladen ist, die Temperatur des Wärmetauschermediums WM durch sensible Wärme auf eine einstellbare höhere Temperatur weiter anhebt.
• Die hydraulische Kopplung kann so eingerichtet sein, dass der erste mobile Wärmespeicherbehälter MS1 nach seiner Entladung durch einen vollständig aufgeladenen dritten mobilen Wärmespeicherbehälter MS3 getauscht werden kann, wobei dann das Wärmetauschermedium WM im zweiten mobilen Wärmespeicherbehälter MS2 im Latentwärmebereich LW auf die Phasenübergangstemperatur vorwärmt und der dritte seriell angeschlossene mobile Wärmespeicherbehälter MS3, der noch oberhalb des Latentwärmebereichs LW aufgeladen ist, die Temperatur des Wärmetauschermediums WM durch sensible Wärme auf die einstellbare höhere Temperatur weiter anhebt.
• Eine entsprechende hydraulische Kopplung wird mit Bezug auf 13 nun näher erläutert. Zwei mobile Wärmespeicherbehälter MS1 und MS2 stehen bereit, im dargestellten Beispiel ist der mobile Wärmespeicherbehälter MS2 wärmer als MS1 (MS2 ≥ MS1). Warme Strömungen sind mit grauen Pfeilen versehen, wobei die durchgezogenen Pfeile Temperaturen im sensiblen Bereich SW oberhalb des latenten Bereichs LW und die gestrichelte Pfeile Temperaturen im latenten Bereich darstellen. Die schwarzen Pfeile betreffen Temperaturen im Bereich der Tiefenentladung TE (sensibler Bereich unterhalb des latenten Bereichs LW).
• Über ein Umschaltventil UV1 und zwei Verteilerventile W1 und W2 wird der Rücklauf von der Übergabestation zunächst in MS1 vorgewärmt, um dann in MS2 in den sensiblen Bereich angehoben zu werden. In einer Mischkammer MK wird dann der Strom aus MS2 mit einem weiteren Strom aus MS1 so gemischt, dass die gewünschte Übergabetemperatur erreicht wird.
• Sobald MS2 in den latenten Bereich abgekühlt und/oder MS1 entleert ist, wird MS1 durch einen neuen vollgeladenen mobilen Wärmespeicherbehälter MS3 ersetzt und die erwähnten Ventile werden so umgeschaltet, dass die Ströme für die Situation MS3 ≥ MS2 analog zum vorstehend Beschriebenen fließen. Dieser neue Schaltzustand ist in 14 dargestellt.
• Die hydraulische Kopplung sorgt so dafür, dass wechselseitig mobile Wärmespeicherbehälter MS getauscht werden und längerfristig Temperaturen im sensiblen Bereich SW angeboten werden können. Außerdem kann durch die hydraulische Kopplung verglichen mit einem einzelnen mobilen Wärmespeicherbehälter MS eine höhere konstante Leistung bereitgestellt werden, da diese sich aus der Summe aus den Leistungsabgaben der mobilen Wärmespeicherbehälter MS1 und MS2 bzw. MS2 und MS3 ergibt.
• Da die wertvolle sensible Wärme nur die kleine Temperaturdifferenz zwischen dem latenten Bereich LW der Vorwärmung und der gewünschten Übergabetemperatur überbrücken muss, passen die beiden Entladevorgänge zeitlich zusammen, obwohl oder gerade weil bei der Vorwärmung eine wesentlich größere latente Wärmemenge zur Verfügung steht als die sensible Wärmemenge im mobilen Wärmespeicherbehälter für die weitere Anhebung.
• Temperaturregelung bei zwei Wärmeströmen
• In einer Mischkammer bzw. an einem Mischventil soll die Wärme aus den beiden mobilen Wärmespeicherbehältern MS auf eine konstante Temperatur T₃ zusammengeführt werden. Eine entsprechende Anordnung ist in 15 skizziert. Die beiden Wärmeströme 1 und 2 werden jeweils durch eine Pumpe P1 und P2 bewegt, so dass im Folgenden dargelegt wird, wie diese Pumpen geeignet geregelt werden können, um konstant die einstellbare Temperatur T₃ zu erhalten.
• Werden zwei Energieströme mit dem Durchsatz ṁ₁ und ṁ₂ mit den jeweiligen Temperaturen T₁ und T₂ miteinander zu einem Massenstrom m₃ mit einer Temperatur T₃ gemischt, so lässt sich die resultierende Temperatur T₃ durch folgendes Mischungsverhältnis erzielen, c_p ist dabei die spezifische Wärmekapazität des Wärmetauschermediums WM: $$\dot{Q}1+\dot{Q}2=\dot{Q}3$$

  

  $$c_p\left({\dot{m}}_1{T}_1+{\dot{m}}_2{T}_2\right)=c_p{\dot{m}}_3{T}_3$$

  

  $${\dot{m}}_1{T}_1+{\dot{m}}_2{T}_2={\dot{m}}_3{T}_3$$

  

  $${\dot{m}}_1{T}_1+{\dot{m}}_2{T}_2=\left({\dot{m}}_1+{\dot{m}}_2\right)T_3$$

  

  $${\dot{m}}_1{T}_1+{\dot{m}}_2{T}_2={\dot{m}}_1{T}_3+{\dot{m}}_2{T}_3$$

  

  $${\dot{m}}_1\left(T_1+T_3\right)={\dot{m}}_2\left(T_3-T_2\right)$$

  

  $$\frac{{\dot{m}}_1}{{\dot{m}}_2}=\frac{T_3-T_2}{T_1-T_3}$$

  
• Dieses Massenstromverhältnis kann in einem Ausführungsbeispiel durch die Leistungsregelung der Pumpen P1 und P2 für die Massenströme ṁ₁ und ṁ₂ realisiert werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Mischventil bzw. ein Mengenteiler dieses Verhältnis herstellen. Solange einer der beiden mobilen Wärmespeicherbehälter MS im Latentwärmebereich LW und einer im Bereich der sensiblen Wärme SW darüber liegt, sorgt das Massenstromverhältnis nach Formel 1 für eine konstante Temperatur T₃ an der Übergabestation.
• Für den Fall, dass keiner der beiden mobilen Wärmespeicherbehälter mehr oberhalb der Temperatur T₃ liegt, kann die bereits beschriebene Wärmepumpe WP einen der beiden Energieströme auf eine Temperatur oberhalb von T₃ anheben, vorzugsweise den wärmeren. Alternativ dazu kann auch der nach dem Mischen resultierende Massenstrom ṁ₃ auf T₃ angehoben werden.
• Bezugszeichenliste

1, 2, 3

Wärmestrom

AH

Außenhülle

AS

Aussparung

AVx

Absperrventil

AW

Anschlüsse für das Wärmetauschermedium

DA

freier Druckluftanschluss

DF

Durchflusssensor

DK

Druckausgleichskammer

DL

Druckleitung

DO

Domschacht

DS1

Drucksensor im Luftvolumen des Containers

DS2

Drucksensor im Wärmespeichermedium

DTL

Datenleitung

DV

Druckbegrenzungsventil

DWV

3/3 Ventil

EB

Entlüftungsbohrung

EL

Entlüftung

EW

Entlüftungsventil des Wärmetauschers

EV

Expansionsventil

FS

Füllstand des Wärmespeichermediums

HT

Haustechnik

K

Kondensator

KG

Kristallgeburtskammer

LA

Luftauslass des Sicherheitsventils

LS

Druckluftspeicher

LU

Luft

LW

Latentwärmebereich

MAG

Membranausdehnungsgefäß

MB

Membran

MK

Mischkammer

MSx

Mobiler Wärmespeicherbehälter

MVx

Mischventil

Px

Pumpe

RV

Rückschlagventil

SA

Sattelauflieger

SB

Schwallblech

SR

Steigrohr

SV

Sicherheitsventil

SW

Bereich der sensiblen Wärme

TB

Trennblech

TC

Tank-Container

TE

Bereich der Tiefenentladung

TS

Temperatursensor

Tx

Temperatur

UK

Umlenkkammer

ÜS

Übergabestation

UVx

Umschaltventil

V

Verdichter

VD

Verdampfer

Wx

Verteilventil

WM

Wärmetauschermedium

WP

Wärmepumpe

WT

Wärmetauscher

ZS

Zwischenspeicher

Claims (17)

1. Mobiler Wärmespeicherbehälter zur Errichtung eines Wärmenetzes mit mindestens einer Wärmequelle und mindestens einer Wärmesenke, der durch einen in seinem Tank-Container angeordneten mehrflutigen Wärmetauscher durch eine Durchströmung mit einem Wärmetauschermedium, insbesondere Wasser, an der mindestens einen Wärmequelle mit Wärmeenergie aufgeladen und an der mindestens einen Wärmesenke wieder entladen wird, wobei der größere Teil der Wärmeenergie an einem Phasenübergang eines Wärmespeichermediums als Latentwärme gespeichert wird, wobei der mobile Wärmespeicherbehälter auf einem Sattelauflieger, einem Anhänger oder einem LKW montiert oder als ISO-Container oder Wechselbrücke aufgebaut ist.
2. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der mehrflutige Wärmetauscher Wärmetauscherrohre oder Wärmetauscherrohre mit Umlenkkammern aufweist, durch die das Wärmetauschermedium durch den Tank-Container mäandert und deren Abstand zueinander so auf die Wärmeübertragungseigenschaften des Wärmespeichermediums abgestimmt ist, dass das gesamte Wärmespeichermedium im Speichervolumen des Tank-Containers während einer Be- oder Entladezeit thermisch so an den mehrflutigen Wärmetauscher gekoppelt ist, dass eine homogene Be- oder Entladung resultiert.
3. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre in mehreren übereinanderliegenden Fluten in einer Längsrichtung des Tank-Containers verlaufen und vorne und/oder hinten in Umlenkkammern eingerollt und/oder eingeschweißt sind, so dass jeweils zwei übereinanderliegende Fluten miteinander verbunden sind.
4. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkammern zwischen zwei benachbarten jeweils miteinander verbundenen Fluten Trennbleche aufweisen, die eingeschweißt sind und die Entlüftungsbohrungen aufweisen.
5. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach einem der Ansprüche 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Wärmetauscherrohre der Fluten im unteren Speichervolumen geringer sind als im oberen.
6. Mobiler Wärmespeicherbehälter einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anschlüsse des mehrflutigen Wärmetauschers baulich so unterscheiden, dass der mehrflutige Wärmetauscher an der Wärmequelle nur von oben nach unten und an der Wärmesenke nur von unten nach oben durchströmt werden kann.
7. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre im Speichervolumen von Schwallblechen getragen werden, die gezielt so mit Aussparungen versehen sind, dass eine homogene Verteilung von Keimbildnern im Wärmespeichermedium erreicht wird, insbesondere beim Durchströmen dieser Aussparungen infolge von Beschleunigungen während eines Transports.
8. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Schwallbelche im unteren Bereich eine Ausnehmung aufweisen, die das Risiko des Verkantens beim Einfahren in den Tank-Container reduzieren und die im Tank-Container im unteren Bereich eine Kristallgeburtskammer definieren, in der keine Wärmetauscherrohre verlaufen und in der sich Keimbildner und auch bei vollständiger Aufladung ein Restkristallvorrat befinden.
9. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass er ein Ausgleichsgefäß aufweist, das das Gewicht der an Bord mitgeführten Menge an Wärmetauschermedium trotz wechselnder Temperaturen konstant hält.
10. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsgefäß ein Membranausdehnungsgefäß ist, das das Wärmetauschermedium durch eine Membran von Luft trennt, wobei das Membranausdehnungsgefäß auf der Luftseite der Membran durch eine Pneumatikschaltung aktiv mit einem Druck beaufschlagt wird.
11. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium eine Lösung aus Natriumacetat in Wasser oder Natriumacetat-Trihydrat ist, bevorzugt als Lösung mit einem Massenanteil zwischen von 50 % und 70 %, besonders bevorzugt mit einem Massenanteil von 57 %.
12. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Tank-Container ein geschlossenes System ist, das nur durch an eine separate Druckausgleichskammer angeschlossene Sicherheitsventile Unter- und Überdruck mit der Umgebung ausgleicht.
13. Mobiler Wärmespeicherbehälter nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichskammer in ihr angesammeltes Wärmespeichermedium über ein Steigrohr und eine Druckleitung allein durch die Auswirkung von Unter- oder Überdruck im Tank-Container in den Tank-Container zurückführt.
14. Anordnung, bestehend aus zwei seriell angeschlossene mobilen Wärmespeicherbehältern gemäß einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine hydraulische Kopplung an der mindestens einen Wärmesenke so eingerichtet ist, dass ein erster mobiler Wärmespeicherbehälter, der bereits in den Latentwärmebereich entladen ist, das Wärmetauschermedium auf die Temperatur des Phasenübergangs mit Latentwärme vorwärmt und der zweite seriell angeschlossene mobile Wärmespeicherbehälter, der noch oberhalb des Latentwärmebereichs aufgeladen ist, die Temperatur des Wärmetauschermediums durch sensible Wärme auf eine einstellbare höhere Temperatur weiter anhebt.
15. Anordnung gemäß geltendem Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Kopplung so eingerichtet ist, dass der erste mobile Wärmetransportbehälter nach seiner Entladung durch einen aufgeladenen dritten mobilen Wärmespeicherbehälter getauscht werden kann, wobei dann das Wärmetauschermedium im zweiten mobilen Wärmespeicherbehälter im Latentwärmebereich auf die Phasenübergangstemperatur vorwärmt und der dritte seriell angeschlossene mobile Wärmespeicherbehälter, der noch oberhalb des Latentwärmebereichs aufgeladen ist, die Temperatur des Wärmetauschermediums durch sensible Wärme auf die einstellbare höhere Temperatur weiter anhebt.
16. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 14 und 15 dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Kopplung auf einem Sattelauflieger, einem Anhänger oder einem LKW montiert oder als ISO-Container oder Wechselbrücke aufgebaut ist, so dass sie mit Mitteln der Logistik von der mindestens einen Wärmesenke zu einer weiteren Wärmesenke transportiert werden kann.
17. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschermedien von den jeweiligen mobilen Wärmespeicherbehältern mit den jeweiligen Energieströmen ṁ₁ und ṁ₂ und den jeweiligen Temperaturen T₁ und T₂ nach folgender Formel für ein Massenstromverhältnis auf eine Übergabetemperatur T₃ gemischt werden: $$\frac{{\dot{m}}_1}{{\dot{m}}_2}=\frac{T_3-T_2}{T_1-T_3},$$

    

    wobei das Massenstromverhältnis beispielsweise durch ein Mischventil, ein Mengenventil oder über die Leistungssteuerung von Pumpen erreicht wird.

Images