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Die
Erfindung betrifft einen Mehrkammer-Wärmespeicher, insbesondere einen
Schichtenspeicher.
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Mehrkammer-Wärmespeicher
sind in vielfältigen
Ausführungsformen
bekannt und bewährt.
Insbesondere im Zusammenhang mit der Nutzung von Solarenergie wird
versucht, überschüssige Wärme möglichst
umfassend und verlustarm zu speichern. Hierzu wurden beispielsweise
Mehrkammer-Wärmespeicher
entwickelt, bei denen jedoch lediglich eine Parallelschaltung einzelner
Wärmespeicher
erfolgt. Damit besteht zwar die Möglichkeit, Wärmespeicher hoher
Kapazität
zu schaffen, jedoch ist eine gleichmäßige Rückgewinnung der Wärme schwierig,
da sämtliche
Wärmespeicher
auf einem energetisch gleichen Niveau gehalten sind.
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Eine
Sonderform der Wärmespeicher
sind die Schichtenspeicher, bei denen insbesondere flüssige Speichermedien
zwischen einem Zu- und einem Ablauf einen Temperaturgradienten aufweisen,
durch den Flüssigkeitsschichten
unterschiedlicher Temperatur ausgebildet werden. Derartige Schichtenspeicher
benötigen
zwischen dem Zu- und dem Ablauf vergleichsweise große Bauhöhen, so
dass eine erhebliche Bodenbelastung durch die Flüssigkeitssäule des Speichermediums erfolgt.
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Vor
diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe,
einen Mehrkammer-Wärmespeicher,
insbesondere einen Schichtenspeicher zur Verfügung zu stellen, der eine hohe Wärmekapazität bei niedriger
Bauweise aufweist.
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Gelöst wird
die technische Problematik bei einem Mehrkammer-Wärmespeicher,
insbesondere einem Schichtenspeicher gemäß des Anspruchs 1 durch die
Merkmale, dass wenigstens zwei Kammern nebeneinander und benachbart
angeordnet sind, dass ein flüssiges
Speichermedium die Kammern jeweils temperaturgeschichtet ausfüllt, dass
eine erste Kammer oberseitig einen Ablauf aufweist, dass eine zweite
Kammer unterseitig einen mit dem Ablauf verbundenen Zulauf aufweist
und dass bei einem Abfließen
des Speichermediums durch einen oberseitigen Ablauf aus der zweiten
Kammer und einem Auffüllen des
Speichermediums in der ersten Kammer durch einen unterseitigen Zulauf
die auf einem höchsten Temperaturniveau
befindliche Schicht des Speichermediums in der ersten Kammer zu
einem Übertritt
in die zweite Kammer gezwungen wird und in der zweiten Kammer eine
Schicht auf einem unteren Temperaturniveau ausbildet.
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Der
Wärmespeicher
nach der Erfindung weist vielfältige
Vorteile auf. So kann sich der Mehrkammer-Wärmespeicher nach der Erfindung
gleichsam als Reihenschaltung herkömmlicher Schichtenspeicher
darstellen, wobei das Energiepotenzial von einer ersten hin zu einer
letzten Kammer ansteigt. Erreicht wird dies durch den jeweiligen Überlauf
einer heißesten,
obersten Schicht des Speichermediums einer Kammer, wenn diese durch
einen kalten, unterseitigen Zulauf aufgefüllt wird. Durch diesen Überlauf der
obersten, wärmsten
Schicht wird sich in der nachfolgenden Kammer eine neue Schicht
ausbilden. Dies kann sich über
eine Vielzahl von Kammern fortsetzen, so dass vergleichsweise hohe
Temperaturen in der letzten Kammer erreicht werden können, aus der
dann das Speichermedium auf einem höchsten Temperaturniveau abgezogen
werden kann.
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Um
die Kontinuierlichkeit im Anstieg des Wärmepotenzials des Speichermediums
von Kammer zu Kammer sicherzustellen, können die Kammern gleiche Größe aufweisen,
insbesondere als Kuben gleicher Höhe, Tiefe und Breite ausgebildet
sein. Dadurch wird erreicht, dass der Volumenstrom zwischen den
Kammern jeweils von gleicher Größe ist. Alternativ
kann in weiterer Ausgestaltung wird jedoch vorgesehen sein, dass
die Tiefe und die Breite der Kuben ein gleiches Maß aufweisen
und dass die Höhe
mindestens diesem Maß entspricht.
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In
weiterer konstruktiver Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kammern
unmittelbar nebeneinander und benachbart durch eine thermisch isolierende
Trennwand getrennt sind. Aufgrund dieser Maßnahmen wird die jeweilige
Schichtung benachbarter Kammern durch Wärmeeinflüsse weitestgehend ausgeschlossen.
Darüber
hinaus sind die Wege für
einen Zu- bzw. Ablauf zwischen den Kammern kurz gehalten, so dass
dort praktisch keine Verluste auftreten können.
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Zweckmäßigerweise
weisen die Kammern einen gemeinsamen Boden auf und werden durch eine
von dem Boden aufgehende Trennwand die Kammern voneinander abgeteilt
ausgebildet. Hierdurch wird es ermöglicht, dass zwischen einer
Oberseite der Trennwand und einer gemeinsamen Decke der Kammern
ein Spalt als Ablauf verbleibt. Entsprechend kann zwischen einem
von der Decke abgehenden Wandelement und einer Trennwand der Zulauf
des Speichermediums in die zweite Kammer erfolgen.
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Durch
diese einfachen, konstruktiven Maßnahmen werden gleichartig
ausgebildete untere Zuläufe
bzw. obere Abläufe
ermöglicht,
so dass ein gleichmäßiger Durchsatz
des Speichermediums von einem ersten Zulauf bis zu einem letzten Ablauf
erfolgen kann. Es ist dies insbesondere dann der Fall, wenn sich
ein Zulauf und/oder ein Ablauf über
die gesamte Tiefe der Kammer erstreckt, insbesondere alle Zu- bzw.
Abläufe
innerhalb des Wärmespeichers nach
der Erfindung.
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Ein
weiterer Vorteil des Wärmespeichers
bietet die Möglichkeit,
die Kammern in einem gemeinsamen, nach Außen thermischen isolierten
Tank anzuordnen. Diese Isolierung wird lediglich durch einen Zulauf
einer ersten Kammer und einem Ablauf einer letzten Kammer unterbrochen,
gegebenenfalls noch durch das Einführen von einem oder mehreren
Heizelementen und/oder Kabeln für
Thermofühlern
oder dergleichen, durch die lediglich geringfügige Störungen der Isolierung auftreten.
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Die
Ausbildung einer möglichst
gleichmäßigen Schichtung,
eine wichtige Voraussetzung für
die Funktionsfähigkeit
des Wärmespeichers
nach der Erfindung, wird erleichtert, wenn vorgesehen ist, dass ein
Zulauf und/oder ein Ablauf mit Verwirbelungen verhindernden Leitblechen
versehen ist. Diese erstrecken sich insbesondere über die
gesamte Tiefe eines Zulaufs bzw. Ablaufs, auch wenn dieser sich über die
gesamte Tiefe der Kammer erstreckt.
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Um
das Temperaturniveau des Speichermediums in den Kammern auf das
gewünschte
Potenzial anzuheben, ist vorgesehen, dass bodennah wenigstens eine
Heizschlange die Kammern durchsetzt. Durch die Maßnahme,
dass wenigstens eine Heizschlange sämtliche Kammern durchsetzt,
nicht jede Kammer über
eine eigene Heizschlange verfügt,
ist es in weiterer Ausgestaltung möglich, eine Heizschlange zu
verwenden, die einen Zulauf für
ein Heizmittel auf einem hohen Temperaturniveau in der zweiten Kammer
und einen Ablauf auf einem niedrigeren Temperaturniveau aus der
ersten Kammer aufweist. Infolge dieser Maßnahmen wird eine letzte Kammer
durch die Heizschlange auf einem höchsten Temperaturniveau gehalten, während das
die Heizschlange durchströmende
Heizmittel sich hin zu einem Ablauf von Kammer zu Kammer abkühlt, um dann
auf einem niedrigsten Temperaturniveau durch einen Ablauf der ersten
Kammer den Wärmespeicher zu
verlassen.
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Hierbei
hat es sich als weitere, zweckmäßige Ausgestaltung
erwiesen, wenn der Zulauf für
das Speichermedium unterhalb der Heizschlange angeordnet ist und
dem Zulauf zugeordnete Leitbleche zur Vermeidung einer Verwirbelung
eines Zulaufs des Speichermediums bis etwa an die Heizschlange reichen.
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Vorzugsweise
wird die Heizschlange von einem Kühlmittel einer thermischen
Solaranlage durchströmt. Übliche thermische
Solaranlagen, wie sie insbesondere bei Einfamilienhäusern Verwendung
finden, arbeiten mit Temperaturen um ca. 100°C, was das Speichermedium, je
nach Kapazität,
auf vergleichsweise hohe Temperaturen in der letzten Kammer des
Wärmespeichers
bringen kann. Bei solchen Wohneinheiten wird bevorzugt, dass das
Speichermedium Wasser ist, bspw. Trink- und/oder Brauchwasser.
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Eine
alternative geometrische Ausbildung des Wärmespeicher nach der Erfindung
weist Kammern als Zylinder ausgebildet auf, die vorzugsweise konzentrisch
angeordnet sind. Zweckmäßigerweise weisen
die Kammern dann ringförmig
umlaufende Zuläufe
und/oder ringförmig
umlaufende Abläufe
auf, so dass die voran stehend erläuterten Prinzipien problemlos übernommen
werden können.
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Der
Wärmespeicher
nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der lediglich ein
Ausführungsbeispiel
in Schnitten schematisch dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:
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1:
einen Längsschnitt
durch einen Wärmespeicher
nach der Erfindung,
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2:
einen Horizontalschnitt gemäß der Linie
II, II in 1 und
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3:
einen Querschnitt gemäß der Linie
III, III in 2.
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Der
in der Zeichnung dargestellte Wärmespeicher 1 weist
bei dem Ausführungsbeispiel
fünf Kammern 2–6 auf,
die untereinander von gleichen Abmessungen und in kubischer Form
ausgebildet sind.
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Jede
der Kammern 2–6 arbeitet
nach dem Prinzip eines Schichtenspeichers, bei dem ein weitgehend
kontinuierlicher Temperaturanstieg von einer kältesten, untersten Schicht
hin zu einer wärmsten, obersten
Schicht eines Speichermediums, vorzugsweise Wasser, erfolgt.
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Bei
dem Wärmespeicher 1 sind
die Kammern 2–6 unmittelbar
nebeneinander und benachbart angeordnet und lediglich durch thermisch
isolierende Wände 7–10 getrennt.
Die Wände 7–10 sind
auf einem gemeinsamen Boden 11 angeordnet, der beispielsweise
aus einem Metallblech wasserdicht mit Stirnseiten 12, 13,
Längsseiten 14, 15 und
einer Decke 16 einen die Kammern 2–6 aufnehmenden
Tank 17 ausbildet. Dieser Tank 17 wird allseitig
von einer thermischen Isolierung 18 umgeben.
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Die
Kammern 2–6 sind
jeweils mit einem unteren Zulauf 20–24 und einem oberen
Ablauf 25–29 versehen,
wobei der Zulauf 20 einem Nachführen eines Speichermediums
in die erste Kammer 2 des Wärmespeichers 1 dient
und der Ablauf 29 dem Abziehen des Speichermediums 29 aus
der letzten Kammer 6 des Wärmespeichers 1. Die
Zuläufe 21–24 und
die Abläufe 25–28 verbinden
die Kammern 2–6 untereinander.
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Erfolgt
die Entnahme von beispielsweise Wasser als Speichermedium durch
den Ablauf 29 aus einer Schicht höchsten Temperaturniveaus innerhalb
der Kammer 6, so wird vergleichsweise kühles Wasser aus einem Reservoir
wie einem Versorgungsnetz durch den Zulauf 20, im wesentlichen
in einer der Entnahme entsprechender Menge, der Kammer 2 zugeführt. Durch
dieses Nachführen
vergleichsweise kalten Wassers wird eine obere, auf deutlich höherem Temperaturniveau
befindliche Schicht innerhalb der Kammer 2 gezwungen, über den
oberseitig der Kammer 2 angeordneten Abfluss 25 abzufließen. Der
Ablauf 25 ist mit dem Zulauf 21 der nachfolgenden
Kammer 3 verbunden, in der sich eine gegenüber der
vorherigen Kammer 2 auf höherem Temperaturniveau befindliche
Schichtung eingestellt hat. Infolgedessen wird wieder eine oberste, wärmste Schicht
der Kammer 3 gezwungen, über den Ablauf 26 und
dem damit verbundenen Zulauf 22 in die Kammer 4 einzuströmen. Dementsprechend werden
die wärmsten
Schichten aus der Kammer 4 in die Kammer 5 und
die dort wärmsten
Schichten weiter in die Kammer 6 in dem Maß verlagert,
wie über den
Ablauf 29 Wasser entnommen wird.
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Die
thermische Schichtung in den einzelnen Kammern 2–6 sollte
möglichst
wenig gestört
werden. Insbesondere sollte durch einen Übertritt des Speichermediums
von einer Kammer in die nächste
Kammer keine Verwirbelung auftreten und sollte der Flüssigkeitsausgleich
unter den einzelnen Kammern möglichst
gleichmäßig erfolgen.
Vor diesem Hintergrund sollten die Abläufe 25–28 bzw.
die Zuläufe 21–24 gleiche
Querschnitte aufweisen, so dass die zwischen den Kammern auftretenden
Volumenströme
gleich groß sind.
Dies kann in einfacher Weise erreicht werden, wenn die von dem Boden 11 aufgehenden
Trennwände 7–10 gleichartig
ausgebildet einen Spalt zwischen ihrer Oberseite und der Decke 16 des
Tanks 17 belassen, der sich über die gesamte Tiefe der Kammern 2–6 jeweils
erstreckt.
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Ebenfalls über die
Tiefe der Kammern 2–6 sich
erstreckende Wandelemente 31–34, die an die gemeinsame
Decke 16 angeschlossen sind und zum Boden 11 des
Tanks 17 gleichfalls einen Spalt belassen, bilden dann
die Verbindung zwischen den Abläufen 25–28 der
Kammern 2–5 und
den Zuläufen 21–24 der
Kammern 3–6 aus.
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Um
Verwirbelungen in den Schichten der Kammern 2–5 zu
vermeiden, sind die Abläufe 25–28 mit
Leitblechen 35–38 versehen.
Diese Leitbleche 35–38 sitzen
auf den abgeschrägten
Oberseiten der Trennwände 7–10 derart
auf, dass ein trichterartiger Einlauf der obersten Schicht in die
Abläufe 25–28 erfolgt.
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Auch
die Zuläufe 21–24 sind
mit Leitblechen 39–42 versehen,
durch die der Zulauf zu der jeweiligen Kammer 3–6 trichterartig
sich aufweitend ausgebildet ist.
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Der
Zulauf 20 der ersten Kammer 2 ist mit einem Leitblech 44 versehen,
durch das der Zutritt eines Speichermediums zunächst düsenartig beschleunigt wird,
um dann durch die trichterartige Aufweitung sich gleichmäßig in einem
unteren Bereich innerhalb der Kammer 2 zu verteilen.
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Diesem
vergleichbar ist auch dem Ablauf 29 ein Leitblech 45 vorgelagert.
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Nur
wenig über
dem Boden 11, jedoch oberhalb der Zuläufe 20–24 der
Kammern 2–6 durchsetzt eine
gewendelte Heizschlange 46 die Kammern 2–6. Wird
die Heizschlange 46 mit einem flüssigen Heizmittel betrieben,
beispielsweise von einem Kühlmittel einer
thermischen Solaranlage durchströmt,
so ist der Zulauf 47 der letzten Kammer 6 zugeordnet.
Infolgedessen tritt dort das Heizmittel auf einem hohen Temperaturniveau
in die letzte Kammer 6 ein und wird, von Kammer zu Kammer
mit abfallendem Temperaturniveau, die erste Kammer 2 auf
einem untersten Temperaturniveau wieder verlassen, angedeutet durch
die Pfeile.
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Insbesondere
in der letzten Kammer 6 kann eine zusätzliche Heizschlange 49 gleicher
Art und/oder ein elektrischer Heizvorrichtung noch vorgesehen sein,
durch die insbesondere die oberste Schicht des Speichermediums auf
eine gewünschte Austrittstemperatur
aufgeheizt werden kann.
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- 1
- Wärmespeicher
- 2
- Kammer
- 3
- Kammer
- 4
- Kammer
- 5
- Kammer
- 6
- Kammer
- 7
- Wand
- 8
- Wand
- 9
- Wand
- 10
- Wand
- 11
- Boden
- 12
- Stirnseite
- 13
- Stirnseite
- 14
- Längsseite
- 15
- Längsseite
- 16
- Decke
- 17
- Tank
- 18
- Isolierung
- 19
-
- 20
- Zulauf
- 21
- Zulauf
- 22
- Zulauf
- 23
- Zulauf
- 24
- Zulauf
- 25
- Ablauf
- 26
- Ablauf
- 27
- Anlauf
- 28
- Ablauf
- 29
- Ablauf
- 30
-
- 31
- Wandelement
- 32
- Wandelement
- 33
- Wandelement
- 34
- Wandelement
- 35
- Leitblech
- 36
- Leitblech
- 37
- Leitblech
- 38
- Leitblech
- 39
- Leitblech
- 40
- Leitblech
- 41
- Leitblech
- 42
- Leitblech
- 44
- Leitblech
- 45
- Leitblech
- 46
- Heizschlange
- 47
- Zulauf
- 48
- Ablauf
- 49
- Heizschlange