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Die
Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, umfassend einen
großvolumigen Speicherbehälter zur Speicherung
eines Speichermediums.
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Der
Betrieb von Heizanlagen oder die Bereitstellung von Warmwasser erfolgt
häufig mit Hilfe von Wärmespeichern. Im Prinzip
kann ein Wärmespeicher Wärme von einer Wärmequelle,
beispielsweise einer Solaranlage, aufnehmen und langfristig speichern.
Bei Bedarf kann die gespeicherte Energie dem Wärmespeicher
wieder entnommen und beispielsweise für den Heizbetrieb
genutzt werden.
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Aus
der
DE 2005 037
997 A1 ist ein Wärmespeicher bekannt, der mindestens
einen im Erdreich angeordneten Speicherbehälter umfasst,
wobei der Speicherbehälter aus einem druckfesten Material
gebildet und von einem wärmeisolierenden, druckfesten Material
umgeben ist.
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Eine
Möglichkeit der Konstruktion von Wärmespeichern
ist es, die Wärmespeicher derart zu konstruieren, dass
sie einen Innenbehälter, einen Außenbehälter
und eine zwischen dem Innen- und dem Außenbehälter
angeordnete Wärmeisolierung umfassen. Der Innenbehälter
ist derart ausgebildet, dass er den durch das im Wärmespeicher
aufgenommene Speichermedium verursachten Innendruck standhält.
Die Wärmeisolierung ist drucklos um den Innenbehälter
angeordnet. Weder die Wärmeisolierung noch der als Schutzhülle
dienende Außenbehälter nehmen einen nennenswerten
Teil des Innendrucks auf. Der Innendruck wird somit fast vollständig vom
Innenbehälter aufgenommen. Wird der Innenbehälter
aus Kunststoff hergestellt, so muss er eine sehr große
Wanddicke besitzen, um eine ausreichende Festigkeit zu haben, um
dem Innendruck dauerhaft standzuhalten. Die notwendige Wanddicke
ist umso größer, je höher die Temperatur
des in dem Wärmespeicher gespeicherten Speichermediums
ist. Aus einem Zeitstand-Innendruckdiagramm eines thermoplastischen
Materials ist zu entnehmen, dass über die Zeitachse temperaturabhängig
die Vergleichsspannung abnimmt. Je höher die Temperatur ist,
desto niedriger ist die Vergleichsspannung bei gleicher Standzeit.
Die hierdurch notwendigen großen Wanddicken des Innenbehälters
sind nachteilig, da das Gewicht des Wärmespeichers hierdurch
erhöht wird, wodurch die Handhabung erschwert und die Transportkosten
gesteigert werden, durch den höheren Materialverbrauch
höhere Kosten entstehen und hierdurch auch der Außendurchmesser
des Wärmespeichers relativ groß ist. Ist der Wärmespeicher für
den Einsatz in einem Haus bestimmt, so darf sein Außendurchmesser
vorteilhafterweise die gängige Türbreite von 79
cm nicht übersteigen. Eine große Wanddicke bewirkt
somit, dass der Innendurchmesser des Wärmebehälters
verringert wird und somit auch das maximale Volumen des Wärmespeichers begrenzt
ist.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen großvolumigen Wärmespeicher
bereitzustellen, der kostengünstig im Aufbau und relativ
einfach herstellbar ist sowie über eine längere
Zeitdauer hinweg effizient Wärme speichern kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der
Erfindung umfasst der großvolumige Speicherbehälter
des Wärmespeichers einen Innenbehälter und einen
Außenbehälter, wobei der Innenbehälter
aus einem temperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff
gebildet und der Außenbehälter aus einem druckfesten
thermoplastischen Kunststoff hergestellt ist. In einem Zwischenraum
zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter
ist ein druckfestes, wärmeisolierendes Material angeordnet.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Wandstärke des Außenbehälters
größer als die Wandstärke des Innenbehälters
ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Außenbehälter,
der Innenbehälter und das wärmeisolierende Material
derart ausgebildet sind, dass ein auf den Wärmespeicher
ausgeübter Druck im Wesentlichen von dem Außenbehälter 16 aufgenommen
wird. Bei einem solchen auf den Wärmespeicher ausgeübten
Druck handelt es sich insbesondere um einen durch das in dem Wärmespeicher aufgenommene
Speichermedium ausgeübten Innendruck. Alternativ oder zusätzlich
kann auch ein Außendruck auf den Wärmespeicher
wirken. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Wärmespeicher
im Erdreich aufgenommen ist und nicht oder nur zum Teil mit einem
Speichermedium befüllt ist. Dadurch, dass der Druck im
Wesentlichen von dem Außenbehälter und nicht oder
nur zu geringen Anteilen durch den Innenbehälter und das
wärmeisolierende Material aufgenommen wird, wird erreicht,
dass die Summe der Wandstärken des Außenbehälters
und des Innenbehälters geringer ist, als wenn der Druck durch
den Innenbehälter aufgenommen werden würde. Aus
einem Zeitstand-Innendruckdiagramm eines thermoplastischen Materials
ergibt sich, dass je niedriger die Temperatur ist, eine geringere
Wandstärke benötigt wird, um den gleichen Druck
aufzunehmen. Da der Innenbehälter nahezu die Temperatur
des Speichermediums aufweist, der Außenbehälter
dagegen aber nur die Raumtemperatur bzw. die Temperatur des Erdreiches,
in dem er angeordnet ist, hat, ist die benötigte summierte
Wandstärke geringer. Durch die geringere summierte Wandstärke
wird das Gewicht des Wärmespeichers reduziert und die Materialkosten
gesenkt. Insbesondere können die Materialkosten um ca.
50% gesenkt werden. Ferner lassen sich solche geringeren Wandstärken
fertigungstechnisch leichter beherrschen und der Transport und die hiermit
verbundenen Transportkosten werden aufgrund des geringen Gewichtes
erleichtert. Ferner wird eine niedrige Abkühlzeit des Innen-
und Außenbehälters erreicht.
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Des
Weiteren ist es vorteilhaft, dass der Kunststoff, aus dem der Außenbehälter
gebildet ist, geeignet ist, im Erdreich aufgenommen zu werden. Hierdurch
kann der Wärmespeicher platzsparend im Erdreich angeordnet
werden.
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Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Warmespeichers
besteht darin, dass der Speicherbehälter auf eine besonders
einfache und preiswerte Weise herstellbar ist, da die Herstellung des
Speicherbehälters, der aus einem preiswerten, thermoplastischen
Kunststoff zu bilden ist, in einem relativ einfach durchführbaren
Blasformverfahren erfolgen kann.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Speicherbehälter
im Wesentlichen die Form einer Kugel, eines Rotationsellipsoids
oder eines Zylinders auf. Vorzugsweise ist die Kugelform zu wählen,
da aufgrund des Verhältnisses von Oberfläche zu
Volumen die Kugel die geringsten Wärmeverluste zu erwarten
sind und die Kugel gleichzeitig eine hohe Druckfestigkeit vorweisen
kann.
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Bei
dem temperaturbeständigen Kunststoff des Innenbehälters
handelt es sich vorzugsweise um Polypropylen (PP), da Polypropylen
eine Hitzebeständigkeit bis zu 95°C hat und somit
an die Temperaturverhältnisse des Speichermediums angepasst ist,
wenn der Innenbehälter zum Beispiel zur Aufnahme von Warmwasser
dient. Dies hat den Vorteil, dass bei der Herstellung des Innenbehälters
die Wanddicke des Innenbehälters relativ dünn
gewählt werden kann und somit Materialkosten eingespart
werden können.
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Bei
dem druckfesten Kunststoff des Außenbehälters
handelt es sich vorzugsweise um Polyethylen (PE), einen duroplatischen
Kunststoff oder einem mit Glasfasern verstärkten Kunststoff
(GSK).
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Bei
dem wärmeisolierenden, druckfesten Material der Zwischenschicht
zwischen dem Außenbehälter und dem Innenbehälter
handelt es sich um einen Hartschaumstoff, vorzugsweise Polyurethan (PU),
da Polyurethan eine Festigkeit aufweisen kann, die an die Druckverhältnisse
im Innenbehälter, welche im Bereich von 100 bis 200 kPa
liegen, angepasst ist Ferner ist es vorteilhaft, dass der Außenbehälter
in mindestens ein erstes Teil und ein zweites Teil umfasst. Es ist
besonders vorteilhaft, wenn diese Teile jeweils maximal 79 cm lang
sind. Auf diese Weise können die Teile des Außenbehälters
auf einfache Weise durch eine Standardtür mit einer Breite
von 79 cm transportiert werden. Durch den Aufbau des Außenbehälters
iaus mehrere Teile kann ein größeres Füllvolumen
des Wärmespeichers realisiert werden und dieser Wärmespeicher
dennoch auf einfache Weise in Innenräume transportiert
werden.
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Die
Teile des Außenbehälters sind vorzugsweise jeweils über
mindestens eine durch mindestens ein Außengewinde und mindestens
ein Innengewinde gebildete Schraubverbindung miteinander verbunden.
Die Gewinde lassen sich auf einfache Weise beim Herstellen der Teile
im Blasformprozess mit anformen. Ferner lässt sich eine
solche Schraubverbindung bei der Demontage eines Wärmespeichers
zerstörungsfrei lösen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
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1 eine
vereinfachte Schnittdarstellung eines im Erdreich angeordneten Wärmespeichers,
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2 eine
detaillierte Schnittdarstellung des Wärmespeichers nach 1 in
einem Halsbereich,
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3 eine
vereinfachte Schnittdarstellung von drei Wärmespeichern
unterschiedlicher Volumina,
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4 eine
vereinfachte Schnittdarstellung eines Wärmespeichers für
den oberirdischen Einsatz gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung,
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5 eine
vereinfachte Schnittdarstellung eines Wärmespeichers für
den oberirdischen Einsatz gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung,
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6 eine
vereinfachte Schnittdarstellung eines Wärmespeichers für
den oberirdischen Einsatz gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung, und
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7 eine
vereinfachte Schnittdarstellung eines Wärmespeichers für
den oberirdischen Einsatz gemäß einer vierten
Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt
in einer vereinfachten Schnittdarstellung einen kugelförmigen
Wärmespeicher 10 mit einem Speicherbehälter 12,
der einen Innenbehälter 14 und einen Außenbehälter 16 umfasst.
Der Speicherbehälter 12 wird beim Gebrauch im
Erdreich angeordnet. Der Innenbehälter 14 ist
in einem Blasformverfahren hergestellt und ist aus einem temperaturbeständigen
thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise Polypropylen (PP) gebildet.
Der Innenbehälter 14 kann beispielsweise mit Warmwasser
als Speichermedium 18 befüllt werden. Das Material
des Innenbehälters 14 ist so gewählt,
dass eine Haltbarkeit des Materials gegen die Betriebstemperatur
des Speichermediums 18, in diesem Fall Warmwasser, von
bis zu 95°C gewährleistet ist. Das Fassungsvermögen
des Speicherbehälters 14 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel
cirka 3000 l, was einen Durchmesser des kugelförmigen Speicherbehälters 12 von cirka
2,10 bis 2,20 m entspricht. Der Außenbehälter 12 ist
ebenfalls aus Kunststoffgebildet. Die Größe sowie
das Gewicht des Speicherbehälters 14 sind somit für
einen Lasttransport des Speicherbehälters 14, beispielsweise
für einen Transport über lange Strecken in einem
Lastwagen, gut geeignet.
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Der
Außenbehälter 16, der ebenfalls in dem Blasformverfahren
hergestellt ist, besteht aus einem druckfesten thermoplastischen
Kunststoff, vorzugsweise Polyethylen (PE), um einen ausreichend
hohen Widerstand des Außenbehälters 16 gegen
den von außen wirkenden Erddruck des Erdreichs zu erzielen.
Dadurch wird eine besonders hohe Stabilität des Speicherbehälters 12 erreicht.
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Ein
Zwischenraum 20 ist zwischen dem Innenbehälter 14 und
dem Außenbehälter 16 ausgebildet, der
mit einem wärmeisolierenden, druckfesten Hartschaumstoff,
vorzugsweise Polyurethan (PU), gefüllt ist. Der Zwischenraum 20 wird
durch den Druck des in dem Innenbehälter 14 vorhandenen Warmwassers 18 belastet.
Durch die Befüllung des Zwischenraums 20 mit dem
wärmeisolierenden, druckfesten Hartschaumstoff wird erreicht,
dass die Wärmeverluste des Speichermediums 18 im
Innenbehälter 14 minimiert werden, wobei gleichzeitig
ein Zusammenpressen des Zwischenraums 20 durch den Innendruck
des Innenbehälters 14, der im Bereich von 100
bis 200 kPa liegt (etwa 10 bis 20 m Wassersäule), vermieden
wird.
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Der
Speicherbehälter 12 schließt nach oben druckfest
mit einem Druckdeckel 22 aus Stahl ab, wobei der Druckdeckel 22 für
eine eventuelle Inspektion des Innenbehälters 14 abnehmbar
ist. Der Wärmespeicher 10 ist mit einem Energietransportsystem (hier
nicht dargestellt) gekoppelt, wobei ein Rohr 24 im Speicherbehälter 12 für
eine Abführung des Speichermediums 18 und ein
weiteres Rohr 40 für eine Zuführung des
Speichermediums 18 vorgesehen ist. Ein Montagegehäuse 26,
das beispielsweise aus einen Kunststoffzylinder gebildet ist, ist
in einem Halsbereich 28 des Speicherbehälters 12 angeordnet
und liegt mit seiner Unterseite auf dem Außenbehälter 16 auf.
Es kann dort mit dem Außenbehälter 16 verschweißt
sein. Dieses Montagegehäuse 26, welches einen
Isolierring 30 umfasst, dient zum Schutz der in einem Montagebereich
für Anschlüsse 32 angeordneten (hier
nicht dargestellten) Armaturen vor Regenwasser und Erde. Der Isolierring 30 besteht
aus wärmedämmenden Kunststoffmaterial, beispielsweise
Polyurethan (PU), und schützt vor Wärmeverlusten,
die im Bereich des Druckdeckels 22 auftreten können,
da dort eine wärmeleitende Brücke vorhanden ist.
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2 zeigt
in einer detaillierten Schnittdarstellung den Halsbereich 28 des
Speicherbehälters 12 nach 1. In diesem
Ausführungsbeispiel ist eine Rohrdurchführung 34 am
Hals 36 des Speicherbehälters 12 für
die Zu- und/oder Abführung des Speichermediums 18 vorgesehen.
Das Rohr 24 ist mit der Innenwand des Innenbehälters 14 im
Bereich der Rohrdurchführung 34 zur besseren Abdichtung mit
Hilfe einer Schweißnaht 44 fest verbunden. Das Rohr 24 ist
im Bereich der Rohrdurchführung 34 des Außenbehälters 16 mit
Hilfe eines Flansches 46 angeflanscht. Ein Spannring 42 dient
zur Verriegelung des Druckdeckels 22. Oberhalb des Druckdeckels 22 ist
ein weiterer Deckel 38 angeordnet. Dieser Deckel 38 ist
aus einem wärmeisolierenden Kunststoff gebildet und dient
zur Wärmeisolierung des Speicherbehälters 12 im
Bereich des Druckdeckels 22, der aus Stahl gebildet ist.
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3 zeigt
in einer Schnittdarstellung drei Wärmespeicher 10a, 10b, 10c,
die sich durch ihre verschiedenen Fassungsvermögen des
jeweiligen Innenbehälters 14 unterscheiden und
in diesem Ausführungsbeispiel einen Fassungsvermögen
von 2000, 3000 bzw. 4000 l haben. Der erste Wärme speicher 10a mit
dem Fassungsvermögen von 2000 l umfasst einen kugelförmigen
Innenbehälter 14a, der einen Durchmesser von 1,60
m hat sowie einen kugelförmigen Außenbehälter 16a,
der einen Durchmesser von 1,80 m hat. Der zweite Wärmespeicher 10b hat
das Fassungsvermögen von 3000 l und umfasst einen Innenbehälter 14b mit
dem Durchmesser von 1,80 m sowie einen Außenbehälter 16b mit
dem Durchmesser von 2,00 m. Der dritte Wärmespeicher 10c mit
dem Fassungsvermögen von 4000 l umfasst einen Innenbehälter 14c mit
dem Durchmesser von 2,00 m sowie einen Außenbehälter 16c mit
dem Durchmesser von 2,20 m.
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Der
jeweilige Innenbehälter 14 sowie der jeweilige
Außenbehälter 16 des kugelförmigen
Wärmespeichers 10 werden, wie bereits erwähnt,
in dem Blasformverfahren hergestellt.
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Das
Blasformverfahren dient zur Herstellung des jeweiligen Innenbehälters 14 oder
des Außenbehälters 16 aus Kunststoff.
Bei diesem Blasformverfahren wird zunächst Kunststoffgranulat,
welches die Basis des thermoplastischen Kunststoffes bildet, in einem
Extruder geschmolzen und es wird ein heißer Kunststoffschlauch
durch eine Düse in ein offenes Blaswerkzeug geführt.
Anschließend wird das Blaswerkzeug geschlossen und der
eingeschlossene Kunststoffschlauch mit Druckluft aufgeblasen und
an die Konturen des Blaswerkzeugs gedrückt. Durch die kalte
Oberfläche des Blaswerkzeugs kühlt sich der Kunststoffschlauch
rasch ab, wobei sich der Kunststoff an die Form des Blaswerkzeugs
angepasst hat und fest wird. Durch Variation der Materialstärke
im Kunststoffschlauch lässt sich die Dicke der Wände des
Hohlkörpers steuern. Bei Beendigung des Kühlvorgangs,
kann der Hohlkörper aus dem Blaswerkzeug entnommen werden.
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Der
Speicherbehälter 12 kann auf eine einfache Weise
hergestellt werden, indem in einem Blasformprozess wie oben beschrieben
der Innenbehälter 14 aus thermoplastischem Kunststoff
hergestellt wird und in einem weiteren Blasformprozess der Außenbehälter 16 aus
thermoplastischem Kunststoff hergestellt wird, wobei der Außenbehälter 16 jeweils einen
größeren Durchmesser als der Innenbehälter 14 hat.
Darauf folgend wird der Außenbehälter 16 in mindestens
zwei Teile aufgeteilt und die Teile des zerteilten Außenbehälters 16 in
einem vorbestimmten Abstand zur äußeren Mantelfläche
des Innenbehälters 14 angeordnet, wobei die Teile
des Außenbehälters 16 mit Hilfe eines
Schweißprozesses untereinander verbunden werden und der
Zwischenraum 20 zwischen dem Innenbehälter 14 und
dem Außenbehälter 16 mit Kunststoff-Schaummaterial
befüllt wird.
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Beim
Blasformverfahren werden zum Herstellen des Innenbehälters
oder des Außenbehälters unterschiedliche Blasformen
benötigt. Diese Blasformen sind relativ aufwendig herzustellen
und sind kostenintensiv. Daher kann das Blasformverfahren so ausgestaltet
sein, dass für die Herstellung mehrerer Speicherbehälter
mit unterschiedlichen Volumina für die erforderlichen Innenbehälter
und die Außenbehälter dieselben Blasformen verwendet
werden. Der Speicherbehälter 10a gemäß 3 mit
kleinem Volumen hat einen Außenbehälter 16a,
der mit Hilfe einer Blasform mit einem Außendurchmesser
von 1,80 m hergestellt wurde. Dieselbe Blasform kann für
den Speicherbehälter 10b mit mittlerem Volumen
verwendet werden, um den Innenbehälter 14b aus
einem anderen Kunststoffmaterial zu fertigen. Die Blasform für
den Außenbehälter 16b kann für
den Speicherbehälter 10c verwendet werden, um
den Innenbehälter 14c herzustellen. Um die drei
in 3 gezeigten Speicherbehälter 10a, 10b, 10c herzustellen,
sind also nicht sechs Blasformen erforderlich, sondern nur vier.
Die Durchmesser der Außenbehälter und Innenbehälter
müssen entspre chend aufeinander abgestimmt werden, so dass
dieselbe Blasform einmal für einen Außenbehälter
und einmal für einen Innenbehälter verwendet werden
kann. In analoger Weise kann dies auch für eine größere
Zahl von Speicherbehältern fortgesetzt werden.
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In 4 ist
eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Wärmespeichers 50 für
den oberirdischen Einsatz gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Elemente mit gleichem Aufbau oder gleicher
Funktion haben dieselben Bezugszeichen.
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Der
Wärmespeicher 50 wird vor allem in Heizsystemen
in Verbindung mit thermischen Solaranlagen, Wärmepumpen,
Festbrennstoffkesseln, Heizkesseln und Gasthermen eingesetzt. Der
Wärmespeicher 50 ist mit einem Speichermedium 18 befüllt.
Die Aufgabe des Wärmespeichers 50 ist es, die Wärme
des Speichermediums 18 über einen möglichst
langen Zeitraum zu speichern.
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Wie
der für den Einsatz im Erdreich bestimmte Wärmespeicher 10 nach
den 1 bis 3 umfasst auch der oberirdische
Wärmespeicher 50 nach 4 einen
in einem Blasformverfahren hergestellten Innenbehälter 14 und
einen ebenfalls in einem Blasformverfahren hergestellten Außenbehälter 16. Der
Innenbehälter 14 ist aus Kunststoff, insbesondere
Polypropylen gefertigt. Der Außenbehälter ist
aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyäthylen,
Polypropylen oder einem duroplastischen Kunststoff, gefertigt. Der
Außendurchmesser des Innenbehälters 14 ist
geringer als der Innendurchmesser des Außenbehälters 16.
Der auf diese Weise zwischen dem Innenbehälter 14 und
dem Außenbehälter 16 gebildeten Zwischenraum
ist mit einem wärmeisolierenden, druckfesten Hartschaumstoff,
vorzugsweise Hartpolyurethan, ausgefüllt.
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Durch
die Verwendung von Kunststoffen wird erreicht, dass die Wärme
des Speichermediums 18 über lange Zeit gespeichert
werden kann. Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen
ist wesentlich geringer als die Wärmeleitfähigkeit
metallischer Werkstoffe, so dass die Wärmeverluste geringer
sind.
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Der
Außenbehälter 16 hat einen Außendurchmesser
von ca. 79 cm. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Wärmespeicher 50 problemlos
durch genormte Türen mit einer Breite von 80 cm transportiert
werden kann, so dass der Wärmespeicher 50 auf einfache
Weise, ohne in seine Einzelteile zerlegt werden zu müssen,
in Häusern, insbesondere in Kellern, aufgebaut werden kann.
Der Wärmespeicher 50 hat ein Fassungsvermögen
von ca. 400 l.
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Der
Boden des Innenbehälters 14 ist halbkugelförmig
ausgebildet. Ebenso ist der dem Boden entgegengesetzte Öffnungsbereich
des Innenbehälters 14 nahezu halbkugelförmig
ausgebildet. Der Zwischenbereich zwischen dem Boden und dem Öffnungsbereich
ist zylindrisch ausgebildet. Durch diese geometrische Ausgestaltung
des Innenbehälters 14 wird eine hohe Druckfestigkeit
erreicht. Der Außenbehälter 16 hat ungefähr
die gleiche Form wie der Innenbehälter 14. Der
Boden des Außenbehälters 16 ist nicht
vollständig halbkugelförmig ausgebildet, sondern
abgeflacht, so dass der Wärmespeicher 50 sicher
auf diesem abgeflachten Boden stehen kann.
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Alternativ
können sowohl der Innenbehälter 14 als
auch der Außenbehälter 16 komplett kugelförmig
geformt sein. Auf diese Weise wird eine sehr hohe Druckfestigkeit
des Wärmespeichers 50 erreicht.
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Der
Wärmespeicher 50 hat an der dem Boden entgegengesetzten
Seite eine Behälteröffnung, die mit Hilfe eines
Druckdeckels 58 druckfest verschlossen ist. Der Druckdeckel
umfasst mehrere Öffnungen 60, 62, durch
die verschiedene Bauteile, insbesondere Wärmetauscher,
Temperaturfühler, Füllleitungen und/oder Entleerungsleitungen,
eingebracht werden können. Ferner werden die Öffnung des
Wärmespeichers 50 und der Druckdeckel 58 von einer
topfartigen Isolierhaube 64 bedeckt. Die Isolierhaube 64 umfasst
eine Isolierscheibe und zwei miteinander verbundenen halbringförmigen
Elementen, die die Isolierscheibe umschließen. Die Isolierhaube 64 dienen
zum einen zum Schutz der über die Öffnungen 60, 62 eingebrachten
Bauteile sowie zur Isolierung des Wärmespeichers 50.
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Der
Außenbehälter 16 umfasst ein erstes Teil 52 und
ein zweites Teil 54, die über eine Schweißverbindung 56 fest
miteinander verbunden sind. Die Schweißverbindung 56 ist
vorzugsweise im zylindrischen Zwischenbereich des Außenbehälters 16 angeordnet.
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Durch
das Speichermedium 18 wird ein Innendruck auf den Wärmespeicher 50 ausgeübt. Durch
den Innendruck wird der Wärmespeicher 50 durch
eine Umfangsspannung beansprucht. Der Innendruck ist insbesondere
durch den Innenbehälter 14, den Außenbehälter 16 und
die Hartschaumisolierung aufzunehmen. Aus einem Zeitstand-Innendruckdiagramm
für die eingesetzten Kunststoffe kann für eine
gewünschte Standzeit und die entsprechende Betriebstemperatur
der Bauteile die maximal ertragbare Vergleichsspannung ermittelt
werden. Die Bauteile sind derart zu dimensionieren, dass die durch
Innendruck bewirkte Umfangsspannung kleiner oder gleich dieser ermittelten
Vergleichsspannung ist. Ist die tatsächlich auftretende
Beanspruchung größer als die Vergleichsspannung,
wird die gewünschte Standzeit bei der Betriebstempera tur nicht
erreicht. Je höher der Innendruck ist, umso größer
muss die Wanddicke des jeweiligen Bauteils gewählt werden,
damit die Vergleichsspannung nicht überschritten wird.
Die Vergleichsspannung ist umso geringer, je höher die
Temperatur des Bauteils ist. Der Wärmespeicher 50 ist
derart dimensioniert, dass ein Großteil der durch den Innendruck
verursachten Belastung von dem Außenbehälter 16 aufgenommen wird.
Der Außenbehälter 16 hat im Wesentlichen
eine Temperatur, die der Raumtemperatur, also in etwa 20°C,
entspricht. Die mittlere Temperatur des Innenbehälters 14 dagegen
ist aufgrund des warmen Speichermediums 18 wesentlich höher.
Besitzt das Speichermedium eine Temperatur von 95°C, so
ist die durchschnittliche Temperatur des Innenbehälters 14 zwischen
60 bis 70°C. Der Außenbehälter 16 benötigt
somit eine wesentlich geringere Wandstärke als der Innenbehälter 14,
um dem gleichen Innendruck standzuhalten. Die Summe der Wanddicke
des Innenbehälters 14 und der Wanddicke des Außenbehälters 16 des
Wärmespeichers 50 ist wesentlich geringer als
die summierte Wanddicke eines Innenbehälters und eines
Außenbehälters bei einem Wärmespeicher,
bei dem die durch einen Innendruck bewirkte Belastung im wesentlichen
durch den Innenbehälter aufgenommen wird. Auf diese Weise
wird bis zu 50% des Materials eingespart. Ferner wird der Wärmespeicher 50 hierdurch
leichter, so dass er einfacher zu handhaben ist und kostengünstiger
transportiert werden kann, Ebenso wird die Abkühlzeit beim Blasformverfahren
durch die geringere Wanddicke deutlich reduziert.
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Vorteilhafterweise
sind der Innenbehälter 14 und die Hartschaumisolierung
derart konstruiert, dass sie Langzeitkriechverhalten aufweisen,
die so aufeinander abgestimmt sind, dass eine Mindestrestlaufzeit
gewährleistet wird. Ferner ist es vorteilhaft, dass der
Außenbehälter 16 eine Festigkeit besitzt, die
nach Erreichen dieser Mindestrestlaufzeit ausreichend ist, um die
komplette durch den Innendruck bewirkte Belastung aufzunehmen.
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In 5 ist
eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Wärmespeichers 70 für
den oberirdischen Einsatz gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Verglichen mit dem
in 4 gezeigten Wärmespeicher 50 ist
der zylindrische Zwischenbereich des Wärmespeichers 70 länger,
so dass der Wärmespeicher 70 nach 5 ein
größeres Fassungsvolumen als der Wärmespeicher 50 nach 4 hat.
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Die
jeweiligen Innenbehälter 14 und Außenbehälter 16 der
Wärmespeicher 50, 70 nach den 4 und 5 werden,
wie bereits erwähnt, in einem Blasformverfahren hergestellt.
Der Wärmespeicher 50, 70 nach 4 bzw. 5 kann
auf einfache Weise mit dem in Verbindung mit dem für den
Einsatz im Erdreich bestimmten Wärmespeicher 10 in
der Beschreibung zu 3 beschriebenen Verfahren hergestellt
werden.
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6 zeigt
eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Wärmespeichers 80 für
den oberirdischen Einsatz gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung. Der Außendurchmesser
des Innenbehälters 14 beträgt ungefähr
79 cm. Der Außenbehälter 16 umfasst zwei
Teile 52, 54. Die beiden Teile 52, 54 des Außenbehälters 16 sind
derart dimensioniert, dass sie jeweils eine Länge von 79
cm nicht überschreiten. Auf diese Weise wird erreicht,
dass sowohl der Innenbehälter 14 als auch die
beiden Teile 52, 54 des Außenbehälters 16 auf
einfache Weise einzeln durch eine genormte Tür mit einer
Breite von ca. 80 cm transportiert werden können, wodurch
das Aufstellen des Wärmespeichers 80 in Häusern,
insbesondere in Kellern, auf einfache Weise möglich ist.
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Das
erste Teil 52 des Außenbehälters 16 und das
zweite Teil 54 des Außenbehälters 16 sind über eine
Schraubverbindung miteinander verbunden. Hierzu umfasst eines der
beiden Teile 52, 54 ein Innengewinde 82 und
das andere Teil 52, 54 ein zum Innengewinde 82 komplementäres
Außengewinde 84. Durch Schraubverbindung können
die beiden Teile 52, 54 des Außenbehälters 16 beim
Aufstellen des Wärmespeichers 80 an seinem Bestimmungsort
auf einfache Weise miteinander verbunden werden. Ebenso können
die beiden Teile 52, 54 bei einer Demontage auf
einfache Weise zerstörungsfrei voneinander getrennt werden.
Durch die schlüssige Schraubverbindung werden die Wärmeverluste
reduziert.
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In 7 ist
eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Wärmespeichers 90 für
den oberirdischen Einsatz gemäß einer vierten
Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Wärmespeicher 90 umfasst
einen Innenbehälter 14 mit einem Durchmesser von
ca. 79 cm. Der Außenbehälter 16 ist in
drei Teile 92, 94, 96 geteilt. Die drei
Teile 92, 94, 96 sind derart dimensioniert,
dass sie jeweils eine Länge von 79 cm nicht überschreiten.
Das erste Teil 92 ist über eine erste Schraubverbindung 98 mit
dem zweiten Teil 94 verbunden und das zweite Teil 94 ist über
eine zweite Schraubverbindung 100 mit dem dritten Teil 96 verbunden.
Die Schraubverbindungen 98, 100 werden jeweils
durch ein Innengewinde und ein zu diesem Innengewinde komplementären
Außengewinde gebildet.
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Sowohl
die Außen- als auch die Innengewinde werden beim Blasformverfahren
an die Teile 92, 94, 96 mit angeformt.
Durch die mehrteilige Ausgestaltung des Wärmespeichers 90 wird
ein größeres Volumen erreicht.
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Bei
alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wärmespeicher 90 auch
noch aus mehr als drei Teilen, z. B. vier Teilen bestehen, wo durch
ein größeres Volumen des Wärmespeichers erreicht
wird und/oder die Größe der Bauteile reduziert
wird, so dass der Wärmespeicher auch durch kleinere Türen
bzw. anderen Öffnungen transportiert werden kann.
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Die
Speicherbehälter 12 der Wärmespeicher 80, 90 nach
den 6 und 7 können auf eine einfache
Weise mit Hilfe eines Blasformverfahrens hergestellt werden. Hierzu
wird in einem ersten Blasformprozess, wie in Verbindung mit 3 beschrieben,
der Innenbehälter 14 aus thermoplastischem Kunststoff
hergestellt. In weiteren Blasformprozessen werden die einzelnen
Teile 52, 54, 92, 94, 96 der Außenbehälter 16 hergestellt,
wobei die jeweiligen Innen- bzw. Außengewinde 82, 84 direkt
mit angeformt werden. Im nächsten Schritt wird die Hartschaumisolierung
an die einzelnen Teile 52, 54, 92, 94, 96 angebracht.
Die Teile 52, 54, 92, 94, 96 der Außenbehälter 16 werden
hierzu mit Hilfe von Schäumformen, die jeweils einen Innenkern
besitzen, dessen Durchmesser dem Außendurchmesser des Innenbehälters 14 entspricht,
mit Hartschaummaterial gefüllt. Bei diesem Prozess bilden
die Teile 52, 54, 92, 94, 96 jeweils
die Außenform und die Innenkerne der Schäumformen
die entsprechende Innenform. Der Zwischenraum zwischen den Teilen 52, 54, 92, 94, 96,
und den Innenkernen wird jeweils mit dem isolierenden Hartschaum
befüllt, so dass die Isolierung gebildet wird. Die Hartschaumisolierung bleibt
auch nach Entfernen der Innenkerne an den Teilen 52, 54, 92, 94, 96 haften.
Der Innenbehälter 14 und die Teile 52, 54, 92, 94, 96 des
Außenbehälters werden einzeln an den Aufstellungsort
des Wärmespeichers 80, 90 transportiert
und erst am Aufstellungsort montiert, indem die Teile 52, 54, 92, 94, 96 über
den Innenbehälter 14 gestülpt werden
und mit Hilfe der durch die Innen- und Außengewinde 82, 84 gebildeten
Schraubverbindungen fest miteinander verbunden werden.
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Des
Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines großvolumigen
Speicherbehälters zur Speicherung von Wärmeenergie
offenbart, bei dem in einen Blasformprozess ein Innenbehälter
aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt wird, in einem weiteren
Blasformprozess ein Außenbehälter mit größerem
Durchmesser als der Innenbehälter aus thermoplastischem
Kunststoff hergestellt wird, der Außenbehälter
in mindestens zwei Teile aufgeteilt wird und die Teile des Außenbehälters
in einem vorbestimmten Abstand zur äußeren Mantelfläche
des Innenbehälters mit Zwischenraum dazwischen angeordnet
werden, danach die Teile des Außenbehälters untereinander
verbunden werden, und bei dem der Zwischenraum zwischen dem Innenbehälter
und dem Außenbehälter mit Kunststoff-Schaummaterial befüllt
wird.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Teile des Außenbehälters
mit Hilfe eines Schweißprozesses untereinander verbunden
werden. Alternativ können die Teile des Außenbehälters über
mindestens eine Schraubverbindung miteinander verbunden werden.
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Darüber
hinaus wird ein Verfahren zum Herstellen eines großvolumigen
Speicherbehälters zur Speicherung von Wärmeenergie
offenbart, bei dem in einem Blasformprozess ein Innenbehälter
aus thermoplastischem Kunststoffhergestellt wird, in einem weiteren
Blasformprozess mindestens zwei Teile eines Außenbehälters
mit größerem Durchmesser als der Durchmesser des
Innenbehälters aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt
werden, auf die Innenseite der Teile des Außenbehälters,
die im zusammengebauten Zustand dem Innenbehälter zugewandt
ist, jeweils eine Schicht aus Kunststoff-Schaummaterial aufgebracht
wird, die derart dimensionieret ist, dass ein Zwischenbereich zwischen dem
Innenbehälter und dem Außenbehälter zumindest
teilweise durch diese Schicht ausge füllt wird, die Teile
des Außenbehälters um den Innenbehälter
angeordnet werden, und danach die Teile des Außenbehälters
untereinander verbunden werden.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Teile des Außenbehälters
jeweils über mindestens eine durch mindestens ein Außengewinde
und mindestens ein Innengewinde gebildete Schraubverbindung miteinander
verbunden werden und das Innengewinde und das Außengewinde
bei dem Blasformprozess zur Herstellung der Teile des Außenbehälters
mit an die jeweiligen Teile angeformt werden.
-
Der
Innenbehälter und die Teile des Außenbehälters
werden vorzugsweise einzeln an den Ort, an dem der Speicherbehälter
aufgestellt werden soll, transportiert werden und erst dort zusammengesetzt.
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- 10,
10a, 10b, 10c, 50, 70, 80, 90
- Wärmespeicher
- 12,
12a, 12b, 12c
- Speicherbehälter
- 14,
14a, 14b, 14c
- Innenbehälter
- 16,
16a, 16b, 16c
- Außenbehälter
- 18
- Speichermedium,
Warmwasser
- 20
- Zwischenraum
- 22
- Druckdeckel
- 24
- Auslassrohr
- 26
- Montagegehäuse
- 28
- Halsbereich
- 30
- Isolierring
- 32
- Montagebereich
für Anschlüsse
- 34
- Rohrdurchführung
- 36
- Hals
- 38
- Abschlussdeckel
- 40
- Einlassrohr
- 42
- Spannring
- 44
- Schweißnaht
- 46
- Flansch
- 52,
54, 92, 94, 96
- Teile
des Außenbehälters
- 56
- Schweißverbindung
- 58
- Druckdeckel
- 60,
62
- Löcher
- 64
- Isolierhaube
- 82,84
- Gewinde
- 98,
100
- Schraubverbindung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2005037997
A1 [0003]