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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermisch geschichteten Beladung eines Fluidspeichers, umfassend ein Zuführelement für ein einzuspeisendes Fluid, wobei das Zuführelement eine Anzahl Öffnungen aufweist, und weiter umfassend wenigstens ein Ventil, das mindestens einer der Öffnungen zugeordnet ist.
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Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung thermischer Speicher (Wärmespeicher, Kältespeicher) bekannt. Im Bereich der Energieversorgung spielen insbesondere Warmwasserspeicher eine wichtige Rolle. Im Vergleich zu durchmischten Speichern ist die Verwendung von Schichtspeichern besonders vorteilhaft, da durch temperaturgeschichtetes Speichern in einem Speicher das Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen gespeichert werden kann.
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Schichtung bedeutet dabei, daß sich aufgrund der natürlichen Dichteunterschiede das Wasser so schichtet, daß sich das wärmste Wasser mit der geringsten Dichte oben und das kälteste Wasser mit der höchsten Dichte unten befindet. Es besteht mit anderen Worten ein Temperaturgradient zwischen heißen Schichten in einem oberen Bereich des Speichers und kalten Schichten in einem darunterliegenden Bereich des Speichers. Dadurch kann auch mit geringen Wärmemengen, die nicht dazu ausreichen würden, den gesamten Fluidspeicher auf ein nutzbares Temperaturniveau zu bringen, eine schnelle Verfügbarkeit von heißem Wasser erreicht werden.
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Die Speichereffizienz eines solchen Schichtspeichers ist von der Qualität der thermischen Schichtung abhängig. Das Beladen des Schichtspeichers soll daher stets so erfolgen, daß ein einzuspeicherndes Medium, das Beladefluid, z. B. erwärmtes Wasser, genau in einen Speicherbereich gleicher Dichte geleitet wird. Je genauer diese Beladung erfolgt, um so ruhiger bleibt das Medium geschichtet, um so weniger wird Medium unterschiedlicher Temperatur durchmischt und um so geringer sind die Energieverluste, was insgesamt zu einer höheren Speichereffizienz führt.
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Zum thermisch geschichteten Beladen eines Fluidspeichers sind aus dem Stand der Technik vertikal im Speicher angeordnete Steigrohre bekannt, in deren seitlichen Öffnungen mechanische Klappenventile angebracht sind. Früher wurden diese Klappen über temperaturabhängige Steuerelemente betätigt. Ein weniger aufwendiges System verwendet Rückschlagklappen als rein passiv bewegte Bauteile, die durch innere Auftriebskräfte und Staudrücke geöffnet und geschlossen werden. Derartige Rückschlagmechanismen sind jedoch immer noch vergleichsweise störanfällig.
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Ein anderer Ansatz wird mit mehrlagigen Gewebe- oder Folienschläuchen verfolgt, die anstelle der Steigrohre im Speicher angeordnet werden. Es hat sich jedoch erwiesen, daß diese Lösungen für höhere Volumenströme bzw. Strömungsgeschwindigkeiten weniger geeignet sind, da die auftretende Sogwirkung zu unerwünschten Deformationen des Beladeschlauches und damit zu einer Begrenzung des erreichbaren Volumenstromes führen kann.
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Zudem ist es bei diesen Lösungen von Nachteil, daß die Zuführ- bzw. Einströmrichtung, je nach Bauart, nur in einer bestimmten Richtung definiert ist. Das einzuspeisende Medium kann mit anderen Worten nur in einer Richtung, also entweder von oben oder von unten in den Fluidspeicher zugeführt werden. Zumeist erfolgt die Beladung über einen untenliegenden Zulauf unter Verwendung bzw. nach dem Prinzip eines Steigrohres. Bei einer Beladung des kalten Speichers durchströmt dann das heiße Beladefluid alle kalten Schichten, was mit einer unerwünschten Wärmeübertragung auf die unteren Speicherschichten verbunden ist. Das Beladefluid kühlt sich ab und hat bei der Einschichtung nicht mehr seine ursprüngliche Temperatur.
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Zusammenfassend ergeben sich bei allen genannten Lösungen konstruktionsbedingte Nachteile, insbesondere Störungen der Schichtung und Beschränkungen hinsichtlich des zu verarbeitenden Volumenstromes.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine schichtgenaue Beladung eines Fluidspeichers bei hohen Volumenströmen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für ein entsprechendes Verfahren und umgekehrt.
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Die Begriffe Medium, Fluid und Wasser werden nachfolgend teilweise synonym verwendet, wobei anstelle von Wasser auch andere geeignete Stoffe als Speichermedium verwendet werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermisch geschichteten Beladung eines Fluidspeichers umfaßt ein Zuführelement für ein einzuspeisendes Fluid, wobei das Zuführelement eine Anzahl Öffnungen aufweist, und darüber hinaus wenigstens ein Ventil, das mindestens einer der Öffnungen zugeordnet ist. Die Beladevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführelement ein selbsttragendes Konstruktionselement ist und daß das Ventil wenigstens ein elastisch verformbares Ventilelement aufweist und derart ausgebildet ist, daß es ohne einen sonstigen äußeren Antrieb, nur aufgrund von Druckunterschieden auf den beiden Ventilseiten, in Durchlaßrichtung öffnet und sich selbsttätig wieder schließt.
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Mit der Erfindung werden die Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erreicht, ohne daß deren Nachteile zum Tragen kommen. Insbesondere wird eine wartungsarme Beladevorrichtung für die thermisch geschichtete Beladung eines Fluidspeichers bereitgestellt, die eine schichtgenaue Beladung ermöglicht. Durch das selbsttragende Zuführelement können zudem deutlich höhere Volumenströme erreicht werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Beladevorrichtung erfolgt das Einbringen des Fluids in beliebiger Speicherhöhe, nahezu beliebig feinstufig, dabei gleichmäßig und turbulenzarm. Dadurch wird die gewünschte thermische Schichtung aufgebaut bzw. erhalten, in jedem Fall aber so wenig wie möglich gestört. Energieverluste werden minimiert, die Speichereffizienz wird erhöht.
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Das einzuspeichernde Medium wird selbstregelnd eingeleitet und zwar exakt in diejenige Mediumschicht des Speichers, in der die Dichten des einzuspeichernden Mediums und des eingespeicherten Mediums gleich sind. Unnötige Wasserzirkulation und damit verbundene Mischvorgänge sowie Energieverluste werden vermieden.
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Das Zuführelement ist sowohl als Steig-, als auch als Sinkrohr einsetzbar, d. h. die Einströmrichtung ist nicht festgelegt. Die erfindungsgemäße Beladevorrichtung ist damit sowohl für steigende, als auch für fallende Volumenströme einsetzbar. Heißes Wasser kann daher direkt von oben in die oberen Schichten eingespeist werden, ohne daß es an kälteren Schichten vorbeigeführt werden muß. Es entfällt daher fallweise die Notwendigkeit einer teuren und teilweise schwierigen Isolierung des Zuführelements bzw. es ist nur eine weniger aufwendige Isolierung des Zuführelements erforderlich.
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Die erfindungsgemäße Beladevorrichtung kann in allen Schichtspeichern beliebiger Größe eingesetzt werden. Alle Teile der Beladevorrichtung funktionieren zuverlässig und dauerhaft in Wasser und anderen Medien, unabhängig von dessen Temperatur.
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Die erfindungsgemäße Beladevorrichtung ist einfach in ihrer Herstellung, weitestgehend wartungsfrei und verfügt über eine sehr hohe Lebensdauer.
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Grundsätzlich gilt, daß es sich bei dem Fluidspeicher nicht nur um einen Wärmespeicher, sondern auch um einen Kältespeicher handeln kann. Das Fluid kann also z. B. auch ein mit Frostschutzmittel versetztes Wasser sein. Auf die absolute Temperatur des Mediums kommt es nicht an. Wesentlich ist die Schichtung im Speicher und der daraus resultierende Temperaturgradient.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beschrieben und teilweise anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Fluidspeichers mit einer Beladevorrichtung,
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2 eine Beladevorrichtung in Explosionsdarstellung mit Zuführelement und Ventilmembran,
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3 ein alternatives Zuführelement,
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4 ein weiteres alternatives Zuführelement,
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5 eine Beladevorrichtung mit geschlossenem Ventil im Schnitt,
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6 die Beladevorrichtung aus 5 mit geöffnetem Ventil im Schnitt,
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7 eine alternative Beladevorrichtung mit zwei Auslässen im Schnitt,
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8 eine alternative Beladevorrichtung mit vier Auslässen im Schnitt,
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9 eine alternative Beladevorrichtung mit einer Einlaßöffnung im Schnitt,
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10 ein Detail einer alternativen Ventilmembran,
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11 ein Detail einer weiteren alternativen Ventilmembran,
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12 eine Seitenansicht eines Fluidspeichers mit einer alternativen Beladevorrichtung,
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13 eine weitere alternative Beladevorrichtung,
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14 eine Darstellung eines teilweise geöffneten Ventils.
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Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung nicht maßstabsgerecht, dabei lediglich schematisch und nur mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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In einer Ausführungsform der Erfindung soll von einer Solaranlage in Form von warmen Wasser 4 gelieferte thermische Energie geschichtet in einem Warmwasserschichtspeicher 2 eingebracht werden. Dabei soll die Einschichtung des Wassers 4 schichtgenau bei Volumenströmen von mehr als 4 Liter pro Minute erfolgen, insbesondere bei Volumenströmen von 10 Liter pro Minute und mehr.
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Der Speicher 2 enthält Wasser 4 in thermisch geschichteter Form. Anstelle eines großen Volumens mit Mischwasser, das eine niedrige Durchschnittstemperatur aufweist, sind verschiedene Temperaturschichten vorhanden. Zur Veranschaulichung sind in 1 ein oberer, heißer Bereich 16, ein unterer, kalter Bereich 18 und ein Zwischenbereich 17 mit Wasser 4 mittlerer Temperatur angedeutet.
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In dem Warmwasserspeicher 2 ist mittig eine Beladevorrichtung 1 mit einem Zuführelement 3 vorgesehen. Weitere Komponenten des Heizkreises, wie insbesondere das Heizelement, eine Umwälzpumpe sowie die sonstigen üblichen Bauelemente (Ventile, Regler usw.) sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt. Der Heizkreis kann ein Primärheizkreis sein, in dem das Heizelement direkt solar oder aber durch eine Wärmepumpe beheizt wird.
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Da, wie nachfolgend genauer erläutert, die Solaranlage immer auf der richtigen Höhe in den Fluidspeicher 2 einspeist, herrscht im Speicherbehälter 3 keine Mischtemperatur. Die Solaranlage bezieht vom Speicher 3 immer das kältestmögliche Wasser, so daß der Wirkungsgrad der Solaranlage deutlich höher liegt als bei vergleichbaren Anlagen. Allgemein gilt, daß dem Fluidspeicher 2 gezielt Wasser 4 einer gewünschten Temperatur entnommen werden kann.
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Auch die Rückläufe von anderen Kreisläufen, z. B. einer Raumheizungsanlage oder einer Warmwasserversorgung, können exakt in der entsprechenden Temperaturebene dem Fluidspeicher 2 zugeführt werden. Der Speicher 2 kann also thermisch geschichtet und damit ohne Energieverluste beladen werden.
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Bei dem Zuführelement 3 der erfindungsgemäßen Beladevorrichtung 1 handelt es sich vorzugsweise um einen selbsttragenden Körper, nämlich ein starres oder flexibles Rohr mit beliebigem Querschnitt, siehe 2. Der rohrförmige Körper weist dabei eine im wesentlichen unveränderbare Querschnittsfläche auf. Das bedeutet, daß sich die Querschnittsfläche, z. B. bei einer Radialverformung des Rohres, nicht wesentlich verringert. Wird anstelle eines flexiblen Rohres ein starres Rohr verwendet, dann weist dieses vorzugsweise einen im wesentlichen unveränderbaren Querschnitt auf, läßt sich mit anderen Worten nicht verformen.
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Unter einem Rohr bzw. einem rohrförmigen Körper wird dabei ein in sich stabiler länglicher Hohlkörper verstanden. Das bedeutet, daß es sich dabei um einen durch sich selbst stabilen, sich durch seine Wandkonstruktion selbsttragenden Körper handelt, der keine Stützung von außen benötigt.
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Bei dem Rohr handelt es sich also weder um einen Gewebe- noch um einen Folienschlauch oder dergleichen. Statt dessen weist das Rohr eine Mindeststabilität auf. Diese Mindeststabilität ist derart, daß die Sogwirkung bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, wie sie einerseits durch die Bewegung des einzuspeisenden Mediums mittels eines Pumpenantriebs, andererseits durch thermische Bewegung des Mediums verursacht sein kann, nicht zu einer wesentlichen Deformation des Zuführelements 3 führt. Unter einer wesentlichen Deformation des Zuführelements 3 wird dabei eine Deformation verstanden, die zu einer wesentlichen Beeinträchtigung, insbesondere einer Beschränkung des erreichbaren Volumenstromes führen kann, insbesondere einer Beschränkung auf Werte unter 10 Liter/Minute.
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Bei den Öffnungen 5 des Zuführelements 3 der erfindungsgemäßen Beladevorrichtung 1 handelt es sich vorzugsweise um Auslässe, siehe z. B. die in den 2 sowie 5 bis 8 dargestellten Ausführungen. Das einer Anzahl der Öffnungen 5 zugeordnete Ventil 6 öffnet daher in den Speicherraum 8 des Fluidspeichers 2, ermöglicht somit das Einschichten des einzuspeichernden Mediums 4 in den Speicher 2.
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Alternativ dazu kann es sich bei den Öffnungen 5' des Zuführelements 3 auch um Einlässe handeln, wobei es sich dann bei dem wenigstens einen Ventil 6' um ein in das Zuführelement 3 öffnendes Ventil 6' handelt, siehe 9. Mit anderen Worten kann die der Erfindung zugrundeliegende Technik auch zum Ansaugen von Fluid 4 in das Zuführelement 3 verwendet werden. Eine solche Anwendung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die dem Ventil 6' zugeordnete Einlaßöffnung 5' in einem Bereich des Zuführelements 3 vorgesehen ist, der in einer unteren, kälteren Schicht des Fluidspeichers 2 angeordnet ist, um dem Zuführelement 3 eine definierte Menge des kalten Mediums 4 zuzuführen zum Zweck der Erwärmung dieses kalten Mediums 4 innerhalb des Zuführelements 3, wobei die Erwärmung beispielsweise mit Hilfe eines Elektroheizstabes 19 oder einer ähnlich elektrisch betriebenen Wärmequelle erfolgt, siehe 12.
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Ein weiterer, besonders wichtiger Anwendungsfall für die erfindungsgemäße Beladevorrichtung 1 ist dementsprechend das elektrische Beheizen von Schichtspeichern 2. Durch den Einsatz der Erfindung ist es möglich, auf besonders effiziente Art und Weise gezielt den oberen Bereich 16 des Speicherbehälters 2 mit seinen heißen Schichten zu erwärmen. Dabei kann die beschriebene Technik zugleich auch zum Ansaugen von bereits eingespeicherten, kaltem Medium 4 in einem unteren Bereich 18 des Speicherbehälters 2 verwendet werden, wobei anschließend das elektrisch erwärmte Medium 4 mit der erfindungsgemäßen Beladevorrichtung 1 gezielt in dem entsprechenden oberen Bereich 16 des Speicherbehälters 2 wieder abgegeben wird.
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Insbesondere dann, wenn es sich bei den Öffnungen 5 um Auslässe handelt, sind die Öffnungen 5 des Zuführelements 3 im wesentlichen entlang der Längsrichtung 9 des Zuführelements 3 angeordnet bzw. erstrecken sich im wesentlichen entlang der Längsrichtung 9 des Zuführelements 3. Hierdurch ist eine besonders feinstufige, im Idealfall stufenlose oder im wesentlichen stufenlose Einschichtung möglich, wenn das Zuführelement 3 senkrecht in dem Fluidspeicher 2 angebracht ist. Während in 2 als Langlöcher ausgeführte Öffnungen 5 in Längsrichtung 9 axial übereinander angeordnet sind, zeigen die 3 und 4 alternative Öffnungsformen, wie einen durchgehenden, axial verlaufenden Öffnungsschlitz 5, der in Abständen mit Verstärkungsrippen (nicht dargestellt) oder dergleichen unterbrochen sein kann, oder eine axial verlaufende Anordnung einer Vielzahl von kreisrunden Öffnungen 5.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Zuführelement 3 der erfindungsgemäßen Beladevorrichtung 1 mehrere Öffnungen 5, insbesondere Auslässe aufweist, die in verschiedene radiale Richtungen weisen. Das Beladen des Fluidspeichers 2 erfolgt dann bezogen auf eine vertikale Höhe des Speichers 2 nicht nur einseitig, sondern mehrseitig. In eine horizontale Schicht des eingespeicherten Mediums 4 wird dann gleichzeitig an mehreren Stellen das Fluid 4 abgegeben. Während in den 2 bis 6 nur jeweils eine axial verlaufende Anordnung von Öffnungen 5 dargestellt ist, zeigt 7 ein Zuführelement 3 mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen 5 bzw. Öffnungsanordnungen und 8 zeigt ein Zuführelement 3 mit insgesamt vier im Winkel von 90° zueinander angeordneten Öffnungen 5 bzw. Öffnungsanordnungen.
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Das wenigstens eine Ventil 6 der erfindungsgemäßen Beladevorrichtung 1 ist vorzugsweise als Flatterventil mit wenigstens einem flexibel auslenkbaren Ventilelement 7 ausgeführt, wobei unter dem Begriff Ventilelement das die Ventilfunktion verwirklichende Funktionselement verstanden wird. Das Ventilelement 7 kann auch als Ventilmembran, Membranelement oder Membranfolie bezeichnet werden. Nachfolgend wird teilweise auch der Begriff Flügel 11 synonym verwendet.
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In der einfachsten Ausführung (nicht dargestellt) kommt ein einziges Ventilelement 7 zur Anwendung, das sich an eine geeignete, dem Ventilelement gegenüberliegende Oberfläche anlegt und damit den Verschlußzustand des Ventils 6 definiert bzw. sich von dieser Oberfläche entfernt und damit den Öffnungszustand des Ventils 6 herstellt, sofern sich jeweils die entsprechenden Druckverhältnisse zu beiden Seiten des Ventilelements 7 einstellen.
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Vorzugsweise handelt es sich um ein wenigstens zweiflügeliges Flatterventil 6, wobei jeder der Flügel 11 durch einen flexibel auslenkbaren Abschnitt eines elastisch verformbaren Ventilelements 7 gebildet ist, wie z. B. in 2 und 6 illustriert.
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Das elastisch verformbare Ventilelement 7 ist vorzugsweise eine Folie, also ein dünnes Blatt aus Metall oder Kunststoff, das elastisch verformbar und flexibel auslenkbar ist. Für den Anwendungsfall der thermisch geschichteten Beladung eines Fluidspeichers eignen sich besonders Membranelemente 7 aus Kunststofffolie (PTFE) oder Aluminium.
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Vorteilhafterweise erstrecken sich die Flügel 11 radial, d. h. im wesentlichen quer zu der axialen Längsrichtung 9 des Zuführelements 3, siehe 2 sowie 5 bis 9. Sind die Flügel 11 streifenförmig, wie dies in einer bevorzugten Ausführungsform der Fall ist, dann weisen sie jeweils eine seitliche Kante 12 auf. Diese Kanten 12 verlaufen dann entsprechend axial in Längsrichtung 9 des Zuführelements 3, siehe 2.
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Insbesondere bei der Ausführung als zweiflügeliges Flatterventil 6 sind die Flügel 11 sich gegenüberliegend angeordnet, wobei jeweils der eine Flügel 11 gegen den anderen Flügel 11 abdichten kann. Anstatt gegen eine feste Oberfläche legen sich die Ventilmembrane 7 gegen sich selbst. Vorzugsweise lenken dabei beide Flügel 11 gleichzeitig aus und bewegen sich aufeinander zu bzw. voneinander weg.
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Im Gebrauch wirkt über dem Ventilelement 7 ein Differenzdruck, der dem Dichteunterschied des Wassers 4 zu beiden Seiten des Ventilelements 7 entspricht. Solange das außen auf das Ventil 6 wirkende Wasser 4 eine höhere Dichte hat, als das auf der Innenseite anstehende Wasser 4, wird über den auf das Ventil 6 wirkende Differenzdruck das Ventil 6 geschlossen gehalten, beispielsweise indem, bei Verwendung eines zweiflügeligen Flatterventils, der eine Flügel 11 mit seinem Randbereich 21 gegen den anderen Flügel 11 drückt. Ein solcher Randbereich 21 ist mit durchbrochener Linie für einen Flügel 11 in 2 angedeutet.
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Bei Dichtegleichheit und damit Temperaturgleichheit des Wassers 4 wird beidseitig des Ventils 6 der Dichtungsdruck aufgehoben, so daß das in dem Zuführelement 3 eingespeiste erwärmte Wasser 4 durch seine kinetische Energie das Ventilelement 7 öffnet und durch das Ventil 6 in den Speicher 2 einströmen kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das Wasser 4 in einer Ebene des Warmwasserspeichers 2 eingeladen wird, in der im wesentlichen das Temperaturniveau des einzuspeisenden Wassers 4 vorhanden ist.
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Im ausgelenkten Öffnungszustand geben die Flügel 11 auf der Länge 23 eines vorzugsweise durchgehenden bzw. ununterbrochenen Durchlaßabschnitts 13 des Flatterventils 6 eine zwischen diesen Flügeln, genauer zwischen den Kanten 12 der Flügel 11 hindurchtretende Fluidströmung in den Speicherraum 8 frei, während auf der übrigen Länge 22 des Flatterventils 6 die Flügel 11 im nicht ausgelenkten Verschlußzustand aneinanderliegen, siehe 14.
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Die Kanten 12 der Flügel 11 bzw. der Durchlaßabschnitt 13 erstreckt sich im wesentlichen in Längsrichtung 9 des Zuführelements 3, wobei – im Fall einer bereits vorhandenen thermischen Schichtung im Speicherraum 8 – der Durchlaßabschnitt 13 kürzer ist als die Gesamtlänge 14 des Flatterventils 6 in Längsrichtung 9 des Zuführelements 3 gesehen. Mit anderen Worten gibt es immer auch einen geschlossenen Ventilabschnitt 22, sofern ein Temperaturgradient vorhanden ist.
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Im einfachsten Fall wird ein zweiflügeliges Flatterventil 6 dadurch gebildet, daß eine geschlitzte Folie 7 als Ventilmembran dient, siehe 2 sowie 5 und 6. Die beiden Folienabschnitte 11 liegen dann im Verschlußzustand, siehe 5) mit ihren Längsrändern aneinander bzw. aufeinander, wobei die dadurch definierten Anlageflächen 21 in Längsrichtung 9 des Zuführelements 3 verlaufen.
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Stellen sich die gewünschten Druckverhältnisse ein, erreicht also das in dem Zuführelement 3 zugeführte einzuspeichernde Fluid 4 einen Schichtbereich 16, 17, 18 gleicher Temperatur, dann öffnet sich der Schlitz und zwischen den Flügelkanten 12 wird ein Durchlaßabschnitt 13 definierter Länge 23 gebildet, siehe beispielhaft 14. Zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips sind in 14 wieder die drei Temperaturbereiche 16, 17, 18 innerhalb des Fluidspeichers 2 dargestellt, wobei in diesem Fall das einzuspeisende Fluid 4 eine mittlere Temperatur aufweist und daher dem mittleren Bereich 17 zugeführt wird. Diese Darstellung ist stark vereinfachend. In der Praxis ist die thermische Schichtung in dem Speicherbehälter 2 deutlich differenzierter und entsprechend ist auch das Öffnen und Schließen des Durchlaßabschnitts 13 zum Zweck der thermisch exakten Beladung genauer als in 14 dargestellt.
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Der Schlitz bzw. die Kanten 12 der Flügel 11 und damit die Anlageflächen 21 erstrecken sich vorzugsweise über einen wesentlichen Teil der Länge 14 des Zuführelements 3. Der Durchlaßabschnitt 13 kann also nicht nur durchgehend geöffnet bzw. geschlossen werden. Er erstreckt sich auch über das gesamte Zuführelement 3 bzw. zumindest über einen wesentlichen Teil des Zuführelements 3. Mit Hilfe des Flatterventils 6 kann daher die thermisch geschichtete Beladung in jeder vertikalen Höhe des Fluidspeichers 2 erfolgen, und zwar sowohl bei den untersten kalten Schichten, als auch bei den obersten, heißen Schichten, wobei es außerdem keine Rolle spielt, ob das einzuspeisende Fluid 4 von oben oder unten in den Fluidspeicher 2 zugeführt wird.
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Anstelle von Flatterventilen 6 können grundsätzlich auch geeignete andere Ventile eingesetzt werden, beispielsweise Ventile nach Art von Folien-, Zungen- oder Schnüffelventilen. Wesentlich ist die Verwendung eines elastisch verformbaren Ventilelements 7, das ausschließlich in Abhängigkeit von den über dem Ventil 6 wirkenden Druckunterschieden des Mediums 4 arbeitet. Derartige Ventile schließen dicht, wenn über ihnen eine ausreichende von der Dichtedifferenz abhängig Druckdifferenz vorhanden ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ventilmembran 7 derart ausgeführt ist, daß ein sicheres Öffnen und Schließen des Ventils 6 auch bei geringen Druckdifferenzen gewährleistet ist. Insbesondere müssen die elastischen Eigenschaften des für das Ventilelement 7 verwendeten Materials auch das korrekte Schließen des Ventils 6 sicherstellen.
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In den 10 und 11 sind alternative Ausführungen der Ränder der Ventilmembran 7 dargestellt. Bei der in 10 gezeigten Variante sind die Längsränder, ausgehend von den Flügelkanten 12, in definierten Abständen eingeschnitten, so daß sich in axialer Richtung unabhängig voneinander auslenkbare Membranabschnitte 24 ergeben. Bei der in 11 gezeigten Variante sind die Flügelkanten 12 in definierten Abständen punktförmig oder durch Stege 25 miteinander verbunden. Beide Ausführungsformen, sowohl die radial geschlitzten Flügel 11 als auch die axialer unterteilten Durchlaßabschnitte 13, können für einen besonders zuverlässigen und stabilen Beladungsvorgang entsprechend einer vorhandenen thermischen Schichtung vorteilhaft sein, insbesondere können sie bei voneinander beabstandeten Öffnungen 5, bei nicht der Form des Durchlaßabschnittes 13 entsprechenden Öffnungen 5 oder bei nicht der Anordnung der Flügelkanten 12 entsprechenden Öffnungen 5 einer besseren Zuordnung des Ventils 6 zu den Öffnungen 5 dienen.
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Die flexibel auslenkbare Ventilmembran 7 gibt im ausgelenkten Öffnungszustand die Fluidströmung frei, wenn die Folienabschnitte 11 mit dem einzuspeichernden Medium 4 beaufschlagt werden und sich der Schlitz bei entsprechenden Druckverhältnissen öffnet, siehe 6. Andernfalls gehen die Folienabschnitte 11 in ihre Ausgangslage zurück und bilden so eine Art Rückschlagventil, siehe 5. Je nachdem wie fein das eingespeicherte Medium 4 in den Fluidspeicher 2 geschichtet ist, ergibt sich dann ein entsprechend langer Durchlaßabschnitt 13.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Ventilelement 7 von dem Zuführelement 2 konstruktiv getrennt ausgeführt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Ventilelement 7 nicht direkt bzw. unmittelbar mit dem Zuführelement 3 verbunden. Beispielsweise ist die Ventilmembran 7 nur lose um das Zuführelement 3 gelegt bzw. wird lose in ihrer Arbeitsposition an dem Zuführelement 3 gehalten, siehe 5 bis 9. Beide konstruktive Maßnahmen führen zu einer besonders zuverlässigen Funktionsweise der Beladevorrichtung 1 bzw. ermöglichen eine optimale Funktionsweise der zum Einsatz kommenden Flatterventile 6. Außerdem ermöglicht diese Trennung eine besonders einfache Herstellung der Beladevorrichtung 1 und eine einfache Austauschbarkeit der einzelnen Komponenten.
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Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführungsform der Erfindung herausgestellt, bei der die Ventilelemente, insbesondere die Flügel 11 des Flatterventils 6, von einem oder mehreren Führungs- und/oder Begrenzungselementen 26 flankiert und dadurch in einer bevorzugten Arbeitsstellung zueinander positioniert werden. Hierdurch wird im Bereich der Führungs- und/oder Begrenzungselemente 26 ein maximaler Abstand der Flügel 11 zueinander definiert. Der Abstand der Führungs- und/oder Begrenzungselemente 26 zueinander legt somit nicht nur die maximale Breite des Durchlaßabschnittes 13 fest. Durch die Führungs- und/oder Begrenzungselemente 26 wird auch die Beweglichkeit der Flügel 11 eingeschränkt. Vorzugsweise erfolgt dies, um einer ungewollten Bewegung der Flügel 11, beispielsweise aufgrund einer Sogwirkung des Fluids 4 vorzubeugen, welches das Ventil 6 durchtritt.
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Im einfachsten Fall sind die Führungs- und/oder Begrenzungselemente 26 als leistenförmige Anschlagskörper ausgeführt, die zur besseren Handhabung mit dem Zuführelement 3 verbunden sind. Die Führungs- und/oder Begrenzungselemente 26 können zugleich auch zur Positionierung der Ventilelemente 7 relativ zu bzw. an dem Zuführelement 3 dienen. Je nach der Anordnung der Flügel 11 der Flatterventile 6 sind außenliegende Führungs- und/oder Begrenzungselemente 26, siehe 5 und 6, oder innenliegende Führungs- und/oder Begrenzungselementen 26', siehe 9, einsetzbar. Innenliegende Führungs- und/oder Begrenzungselemente 26' sind dabei vorzugsweise einstückig mit dem Zuführelement 3 verbunden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Öffnungen 5 axial, also in Längsrichtung 9 des Zuführelements 3, und die Kanten 12 der Flügel 11 der Flatterventile 6 bzw. allgemein die Ränder 21 der Ventilelemente 7 verlaufen entsprechend, also ebenfalls in Längsrichtung 9 des Zuführelements 3. Dabei sind die Kanten 12 bzw. die Ränder 21 den Öffnungen 5 derart zugeordnet bzw. zu den Öffnungen 5 derart positioniert, daß sich bei entsprechenden Druckverhältnissen der Durchlaßabschnitt 13 exakt über der oder den Öffnungen 5 öffnet und der aus den Öffnungen 5 austretende (bzw. der in die Öffnungen 5' eintretende) Volumenstrom unmittelbar, direkt und ohne Umwege den Durchlaßabschnitt 13 passieren kann. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn einer durchgehenden oder im wesentlichen durchgehenden Öffnung 5 des vertikal in dem Fluidspeicher 2 angeordneten Zuführelements 3 eine Ventil 6 mit ebenso durchgehenden oder im wesentlichen durchgehenden Randbereichen 21 bzw. Flügelkanten 12 zugeordnet ist.
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Wie in 13 illustriert, kann das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip nicht nur mit Flatterventilen 6, sondern auch mit anderen Ventilarten verwirklicht werden, so beispielsweise mit schlauchförmigen elastischen Ventilkörpern 27, die an Ausgangsöffnungen 5 eines Zuführelements 3 angebracht sind und deren Wände 28 im Verschlußzustand über eine bestimmte Länge aufeinander liegen und sich berühren, wie in 13 bei dem oberen Schlauchventil 27 dargestellt, bzw. bei geeigneter Drucksituation den Schlauch öffnen und das einzuspeisende Fluid 4 aus dem Zuführelement 3 in eine entsprechend temperierte Schicht des Speichers 2 entlassen, wie in 13 bei dem unteren Schlauchventil 27 dargestellt.
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Ein Verfahren zur thermisch geschichteten Beladung eines Fluidspeichers, das mittels der erfindungsgemäßen Beladevorrichtung 1 ausführbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführelement 3 ein selbsttragendes Konstruktionselement ist und daß das Ventil 6 wenigstens ein elastisch verformbares Ventilelement 7 aufweist und ohne einen sonstigen äußeren Antrieb, nur aufgrund von Druckunterschieden auf den beiden Ventilseiten, in Durchlaßrichtung 15 öffnet und sich selbsttätig wieder schließt, wobei die Beladevorrichtung 1 umfaßt: ein Zuführelement 3 für ein einzuspeisendes Fluid 4, wobei das Zuführelement 3 eine Anzahl Öffnungen 5 aufweist, und wenigstens ein Ventil 6, das mindestens einer der Öffnungen 5 zugeordnet ist.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln. als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beladevorrichtung
- 2
- Fluidspeicher
- 3
- Zuführelement
- 4
- Fluid
- 5
- Öffnung
- 6
- Ventil
- 7
- Ventilelement
- 8
- Speicherraum
- 9
- Längsrichtung
- 10
- (frei)
- 11
- Flügel
- 12
- Kante
- 13
- Durchlaßabschnitt
- 14
- Länge des Zuführelements
- 15
- Durchlaßrichtung
- 16
- heißer Bereich
- 17
- mittlerer Bereich
- 18
- kalter Bereich
- 19
- Heizelement
- 20
- (frei)
- 21
- Randbereich
- 22
- geschlossener Ventilabschnitt
- 23
- Länge des Durchlaßabschnitts
- 24
- Membranabschnitt
- 25
- Verbindungssteg
- 26
- Führungs- und/oder Begrenzungselement
- 27
- Ventilschlauch
