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Die Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Wärmeenergie, mit
- ◯ - einem Speicherbehälter zur Aufnahme eines als Phasenwechselmaterial ausgebildeten Speichermediums und
- ◯ - einem von einem Wärmetransportmedium durchströmbaren, im Speicherbehälter angeordneten Wärmetauscher.
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Wärmespeichervorrichtungen der anfangs genannten Art sind in unterschiedlicher Ausgestaltung aus dem Stand der Technik bekannt und werden vor allem in Gebäuden und Hallen als Teil von Heizungs- und Solaranlagen, insbesondere solarthermische Anlagen, zur zeitliche begrenzten Speicherung von Wärme genutzt, die zeitlich um einigen Stunden bis hin zu mehreren Wochen versetzt nachfolgend möglichst vollständig wieder abgegeben werden soll. Insbesondere bei Solaranlagen zur Heizung wird hierdurch erst ein wirtschaftlicher Betrieb möglich.
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Auch ist die Nutzung solcher Wärmespeichervorrichtungen in deutlich größerem Maßstab zur Beheizung von Industrieanlagen, Gebäudekomplexen sowie anderen Anlagen, die einen hohen Wärmeverbrauch aufweisen, bekannt. Hierzu werden mobile Wärmespeichervorrichtungen eingesetzt, die an einer Anlage mit großem Wärmeüberschuss, etwa einem konventionellen Kraftwerk oder einer Verbrennungsanlage, Wärme mittels eines flüssigen Wärmetransportmediums aufnehmen und anschließend dorthin transportiert werden, wo die gespeicherte Wärme der Wärmespeichervorrichtungen genutzt werden soll.
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Zur Speicherung der Wärme sind unterschiedliche Substanzen als Speichermedium für Wärmespeichervorrichtungen bekannt. Hierzu kann zunächst eine Substanz mit einer möglichst hohen spezifischen Wärmekapazität, etwa Wasser, genutzt werden. Eine erheblich größere Wärmemenge ist allerdings unter Verwendung eines Phasenwechselmaterials speicherbar, das im Arbeitsbereich, d.h. zwischen der niedrigsten Temperatur beim Verbraucher bei der noch Wärme abgegeben werden soll und der höchsten Temperatur während der Wärmezufuhr bei der Quelle, einen Phasenübergang aufweist. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich dabei um einen Phasenübergang zwischen der festen und der flüssigen Phase, da hier zusätzlich zur spezifischen Wärmekapazität des Speichermediums auch noch Beiträge der Schmelzwärme, Lösungswärme und Absorptionswärme zur Verfügung stehen, wodurch die Wärmemenge, die von dem Speichermedium aufgenommen werden kann, gegenüber einem Speichermedium ohne Phasenübergang um ein Vielfaches erhöht ist.
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Als ein solches Phasenwechselmaterial für Wärmespeichervorrichtungen sind neben Paraffinen mit geeignetem Schmelztemperaturbereich vor allem verschiedene organische Salze, etwa Natriumacetat-Trihydrat (NaO2C2H3 · 3H2O), oder anorganische Salze, etwa Natriumsulfat-Decahydrat (Na2SO4 · 10H2O) oder Magnesiumchlorid-Hexahydrat (MgCl2 · 6H2O), geeignet, die pur oder als konzentrierte wässrige Lösung einen fest-flüssig Phasenübergang in einem geeigneten Temperaturbereich, typischerweise zwischen 49 °C und 81 °C, aufweisen.
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Zur Aufladung einer solchen Wärmespeichervorrichtung wird dem Phasenwechselmaterial mittels des Wärmetransportmediums über den Wärmetauscher Wärme zugeführt, wodurch es sich aufheizt und schließlich unter weiterer Wärmeaufnahme schmilzt. Erst nach Beendigung des Phasenübergangs erhöht sich dann die Temperatur weiter. Die während des Phasenübergangs aufgenommene Wärme wird auch als Schmelzwärme bezeichnet und ist notwendig, um die Schmelzenthalpie aufzubringen. Um nun zuverlässig und gleichmäßig die gesamte aufgenommene Wärme wieder abgeben zu können, muss sichergestellt sein, dass die Lösung bei der Wärmeabgabe nicht unterkühlt, sondern bei der Phasenübergangstemperatur umgehend zu kristallisieren beginnt, worauf die Schmelzwärme wieder gleichmäßig abgegeben wird.
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Gerade bei sehr großen Wärmespeichervorrichtungen, wie sie zum Transport auf einem Lastkraftwagen zwischen Wärmequelle und dem Wärmeabnehmer vorgesehen sind und eine entsprechend große Wärmemenge aufnehmen können, besteht das Problem, dass beim Abkühlen die Kristallisation des Phasenwechselmaterials nicht mehr zuverlässig einsetzt, wodurch die Wärmespeichervorrichtung insgesamt nur einen Bruchteil der vorgesehenen Wärme abgeben kann bzw. nur eine geringe Wärmemenge bis zum nicht vorhersagbaren Zeitpunkt des Einsetzens der Kristallisation entnehmbar ist.
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Zur aktiven Auslösung der Kristallisation des Phasenwechselmaterials sind verschiedene technische Lösungen für Wärmespeichervorrichtungen bekannt, die allesamt komplexe, mechanische Vorrichtungen darstellen, deren Funktionsprinzip meist darauf basiert, einen Kristallkeim oder einen Gegenstand mit einer kristallisationsauslösenden Oberfläche von außen in die Wärmespeichervorrichtung einzubringen und so die Kristallisation gezielt auszulösen. Diese Vorrichtungen haben allerdings eine Reihe essenzieller Nachteile, da diese eine aufwändige, elektrische Steuerung und Sensorik benötigen, häufig zu einer langfristigen Verunreinigung des Phasenwechselmaterials führen und darüber hinaus störungsanfällig sind. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeichervorrichtung bereitzustellen, die transportabel ist und eine große Wärmemenge aufnimmt, dabei wartungsarmen, ohne die Notwendigkeit einer elektrischen Steuerung betrieben werden kann und bei der während des Wärmeabgabeprozesses zuverlässig die Kristallisation des Speichermediums ausgelöst wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Wärmeenergie umfasst einen Speicherbehälter zur Aufnahme eines als Phasenwechselmaterial ausgebildeten Speichermediums und einen von einem Wärmetransportmedium durchströmbaren, im Speicherbehälter angeordneten Wärmetauscher zur Zuführung von Wärmeenergie zur Wärmespeichervorrichtung und zur Abführung von Wärmeenergie aus der Wärmespeichervorrichtung. Zusätzlich ist innerhalb des Speicherbehälters ein ortsfest angeordneter Keimspeicherbereich ausgebildet, der ein gegenüber dem übrigen Speicherbehälter geringeres, abweichendes Wärmeniveau aufweist und dadurch Kristallisationskeime des Phasenwechselmaterials aufweist, die bei einer Abkühlung des Speichermediums bei Wärmeabgabe die Kristallisation wirkungsvoll auslösen.
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Der Keimspeicherbereich weist dabei durchgehend wenigstens einen Kristallkeim des Phasenwechselmaterials auf, wodurch in besonders einfacher Weise sichergestellt ist, dass zu jedem Zeitpunkt des Betriebs der Wärmespeichervorrichtung, insbesondere zu Beginn des Abgabeprozesses der Wärmeenergie, die Kristallisation des Phasenwechselmaterial zuverlässig ausgelöst werden kann und dadurch effektiv eine Unterkühlung des Speichermediums vermieden wird. Ganz besonders vorteilhaft ist dabei die Anordnung des Keimspeicherbereichs im Inneren des Speicherbehälters, wodurch ein wartungsfreier Betrieb ermöglicht wird und zugleich Störungen von außen ausgeschlossen werden. Darüber hinaus benötigt ein solcher Keimspeicherbereich keine komplizierte Steuerung und keine beweglichen Bauteile, was die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Wärmespeichervorrichtung ganz besonders vorteilhaft erhöht.
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Dabei wird als Wärmespeichervorrichtung grundsätzlich zunächst jede Vorrichtung verstanden, der gezielt eine Wärmemenge zugeführt werden kann, die nachfolgend durch die Vorrichtung gespeichert wird und schließlich wieder abgegeben werden kann. Insbesondere wird aber eine solche Vorrichtung als Wärmespeichervorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, die mehr Wärme aufnehmen kann, als aufgrund der spezifischen Wärmekapazität der Vorrichtung möglich ist.
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Dazu weist die Wärmespeichervorrichtung einen Speicherbehälter auf, der grundsätzlich aus einem beliebigen Material gebildet sein und eine beliebige Form aufweisen kann. Des Weiteren kann der Speicherbehälter sowohl als einstückiges Bauteil gebildet sein oder aber als Baugruppe aus mehreren Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien geformt sein. Bevorzugt handelt es sich bei dem Speicherbehälter um einen dünnwandigen, im Wesentlichen geschlossenen Behälter, der das Speichermedium derart aufnimmt, dass dieses aus der Wärmespeichervorrichtung nicht nach außen dringen kann. Bevorzugt ist der Behälter im Wesentlichen aus einem Metall, insbesondere Stahlblech, aus einem Verbundmaterial, aus einem Kunststoff oder aus einem anderen festen, wasserundurchlässigen Material gebildet.
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Als Speichermedium kann grundsätzlich jede flüssige oder feste Substanz genutzt werden. Bevorzugt weist das Speichermedium dabei eine hohe spezifische Wärmekapazität auf, insbesondere größer als 2 kJKg-1K-1, wodurch das Gesamtgewicht der Wärmespeichervorrichtung in Bezug zur maximal speicherbaren Wärmemenge in vorteilhafter Weise gering gehalten wird. Weiterhin weist das Speichermedium eine geringere, bevorzugt keine chemische Reaktivität gegenüber dem Material des Speicherbehälters und des Wärmetauschers auf. Darüber hinaus reagiert das Speichermedium bevorzugt nicht mit dem Wärmetransportmedium und/oder mit Luftbestandteilen. Darüber hinaus bevorzugt ist das Speichermedium nicht als giftig und/oder umweltgefährlich eingestuft und ganz besonders bevorzugt ist das Speichermedium weder gesundheitsschädlich noch brennbar.
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Das Speichermedium umfasst dabei wenigstens ein Phasenwechselmaterial. Dabei kann grundsätzlich der Anteil des Phasenwechselmaterials im Speichermedium beliebig groß sein und das Speichermedium kann beliebig viele, weitere Substanzen enthalten, wobei die Substanzen bevorzugt im Speichermedium homogen verteilt, besonders bevorzugt gelöst sind. Dabei kann das Phasenwechselmaterial aus organischen Chemikalien, wie etwa Paraffinen, Wachsen, Ölsäuren, Fettsäuren, Lipiden, weiteren vorzugsweise gesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen oder beliebigen Mischungen daraus gebildet sein. Des Weiteren kann das Phasenwechselmaterial auch aus anorganischen Chemikalien, etwa anorganischen aber auch organischen Salzen, insbesondere kristallwasserhaltigen Salzen wie Natriumacetat-Trihydrat, Natriumsulfat-Decahydrat oder Magnesiumchlorid-Hexahydrat, bestehen.
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Bevorzugt ist das Speichermedium im Wesentlichen aus Phasenwechselmaterialien und gegebenenfalls einem Lösungsmittel gebildet, wobei besonders bevorzugt im Wesentlichen nur ein Phasenwechselmaterial verwendet wird und ebenfalls besonders bevorzugt das Lösungsmittel im Wesentlichen aus Wasser besteht, das vollständig im festen Zustand des Phasenwechselmaterials als Kristallwasser gebunden sein kann. Ganz besonders bevorzugt umfasst das Speichermedium neben einem Phasenwechselmaterial zwischen 2,5% (w/w) und 10% (w/w) Wasser als Lösungsmittel, welches neben dem als Kristallwasser im Phasenwechselmaterial gebundenen Wasser als Überschusswasser vorliegt, wodurch sichergestellt ist, dass während des Abkühlungsprozesses beim Einsetzen der Kristallisation an jedem Punkt des Speicherbehälters genug Wasser zur Verfügung steht, so dass die Bildung von reinen, wasserfreien Kristallen, insbesondere reinem, wasserfreiem Natriumacetat unterbunden oder zumindest verringert wird. Daneben kann das Speichermedium aber auch im Wesentlichen aus einem reinen Phasenwechselmaterial ohne hinzugefügtes Lösungsmittel bestehen. Zusätzlich kann das Speichermedium noch weitere Hilfsstoffe enthalten, etwa zur Veränderung der Fließeigenschaften, zur Konservierung und/oder Stabilisierung oder zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Speichermediums.
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Im Speicherbehälter ist ein Wärmetauscher angeordnet, der im thermischen Kontakt mit dem Speichermedium steht und von einem Wärmetransportmedium durchströmbar ist. Als Wärmetauscher wird zunächst jedes Bauteil verstanden, dass dazu geeignet ist, effizient Wärme zwischen dem Speichermedium und dem warmetransportmedium zu übertragen und dabei die beiden Medien vollständig stofflich voneinander zu trennen.
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Dabei kann der Wärmetauscher grundsätzlich einstückig oder aus mehreren Baueinheiten gebildet sein, eine beliebige Form aufweisen und aus einem beliebigen Material bestehen. Bevorzugt ist der Wärmetauscher aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, etwa einem Metall, bevorzugt Aluminium oder Kupfer, gebildet und weist bevorzugt eine gegenüber einer kompakten Formgebung große wärmeleitende Oberfläche auf, etwa durch Anordnung von Rippen, Lamellen, Blechen, Rohren oder anderen Ausgestaltungen der Oberfläche.
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Als Wärmetransportmedium kann grundsätzlich zunächst jede flüssige Substanz genutzt werden. Bevorzugt weist das Wärmetransportmedium dabei eine hohe spezifische Wärmekapazität auf, insbesondere größer als 2 kJKg-1K-1, und ebenfalls bevorzugt hat es eine geringe Viskosität, insbesondere kleiner als 9,8 mPas, wodurch das Wärmetransportmedium besonders gut den Wärmetauscher durchströmen kann und zugleich eine große Wärmemenge aufnimmt. Ebenfalls bevorzugt weist das Wärmetransportmedium eine geringere Kompressibilität auf, besonders bevorzugt kleiner 2·10-4 bar-1, ganz besonders bevorzugt kleiner 1·10-4 bar-1, wodurch das Wärmetransportmedium ganz besonders leicht durch den Wärmetauscher gepumpt werden kann. Des Weiteren reagiert das Wärmetransportmedium bevorzugt nicht mit dem Material des Wärmetauschers und ist darüber hinaus bevorzugt nicht als giftig und/oder umweltgefährlich eingestuft und ganz besonders bevorzugt weder gesundheitsschädlich noch brennbar. Ganz besonders bevorzugt besteht das Wärmetransportmedium im Wesentlichen aus Wasser. Darüber hinaus kann das Wärmetransportmedium weitere Zusatzstoffe enthalten, etwa zur Verringerung der Viskosität, zur Konservierung und/oder Erhöhung der Stabilität des Wärmetransportmediums und/oder des Wärmetauschers, zur Unterdrückung von Schaumbildung oder allgemein zur Verbesserung der mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften.
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Bei dem Keimspeicherbereich handelt es sich um einen ortsfesten Bereich im Inneren des Speicherbehälters, der im stofflichen Kontakt mit dem Speichermedium steht und der gegenüber dem übrigen Speicherbehälter ein geringeres, abweichendes Wärmeniveau aufweist. Dabei besteht bevorzugt während des gesamten Betriebs der Wärmespeichervorrichtung ein durchgehender, dauerhafter stofflicher Kontakt zwischen dem Keimspeicherbereich und dem Speichermedium. Funktional kann der Keimspeicherbereich als ein bewusst geschaffener Bereich im Inneren der Wärmespeichervorrichtung verstanden werden, der aufgrund seiner Ausgestaltung zur Wärmespeicherung gegenüber dem übrigen Bereich der Wärmespeichervorrichtung ungeeignet ist, was der üblichen Praxis bei solchen Wärmespeichervorrichtungen zuwider läuft, eine maximale Wärmespeicherkapazität der Wärmespeichervorrichtung zu erreichen.
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Unter einem Keimspeicherbereich mit einem abweichenden Wärmeniveau wird eine konstruktive festgelegte Zone des Speicherbehälters verstanden, in dem das in diesem Bereich befindliche Speichermedium während des gesamten Betriebs weniger Wärme aufgenommen hat, bzw. eine geringere Temperatur aufweist als das übrige Speichermedium. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass im Keimspeicherbereich der kühlere, die Wärmespeichervorrichtung umgebende Außenbereich thermisch stärker auf das darin enthaltene Speichermedium einwirkt als auf den Rest des Speichermediums außerhalb des Keimspeicherbereichs. Zusätzlich kann im Keimspeicherbereich der thermische Einfluss des Wärmetauschers in Bezug zu dem den Keimspeicher umgebenden Außenbereich geringer sein als in den übrigen Bereichen des Speicherbehälters.
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Dabei kann im Inneren des Speicherbehälters ein einzelner, räumlich begrenzter Keimspeicherbereich ausgebildet sein, sich mehrere Keimspeicherbereiche an unterschiedlichen Stellen des Speicherbehälters befinden oder aber der Keimspeicherbereich als großflächige Zone, beispielsweise als umlaufende Nut oder Kante in einem Endbereich des Speicherbehälters angelegt sein. Die Anordnung von mehreren Keimspeichern bzw. eine ausgedehnte Ausgestaltung des Keimspeicherbereichs im Inneren des Speicherbehälters hat den Vorteil, dass die Kristallisation des Phasenwechselmaterials von mehreren Bereichen ausgehend während des Wärmeabgabeprozesses beginnen kann, so dass es zu einer gleichmäßigen und zügigen Wärmefreisetzung kommt.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Keimspeicherbereich im Inneren des Speicherbehälters durch einen Bereich mit größerem Abstand zum Wärmetauscher als der Abstand einzelner, benachbart angeordneter Rohrabschnitte des Wärmetauschers zueinander gebildet, wobei der Abstand des Keimspeicherbereichs zum Wärmetauscher bevorzugt wenigstens 9,8 cm bzw. wenigstens das 1,6-fache des Abstandes zweier benachbarter Rohrabschnitte, besonders bevorzugt wenigstens ca. 17 cm bzw. wenigstens das zweifache des Abstandes zweier benachbarter Rohrabschnitte beträgt. Durch einen solchen erhöhten Abstand des Wärmetauschers zu dem Keimspeicher ist gewährleistet, dass auch im fortgeschrittenen Ladezustand und/oder nach lang andauernder Ladung der Wärmespeichervorrichtung einen Kristallkeim des Phasenwechselmaterial im Keimspeicher verbleibt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Keimspeicher im Speicherbehälter durch Ausbildung einer Tasche, Nut, Fuge, Aussparung oder als verwinkelter Eckbereich des Speicherbehälters gebildet, wodurch in vorteilhafter Weise die im Keimspeicher befindlichen Kristallkeime des Phasenwechselmaterial auch bei Konvektionsbewegungen bzw. Strömungen innerhalb des heißen, flüssigen Phasenwechselmaterials im Bereich des Keimspeichers verbleiben. Ebenfalls bevorzugt weist der Speicherbehälter wenigstens im Bereich des Keimspeichers eine unebene bzw. angeraute Oberflächenstruktur auf, wodurch eine feste Haftung von Kristallkeim des Phasenwechselmaterials in einfacher Weise gewährleistet wird. Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Keimspeicherbereich durch randnahe Anordnung im Speicherbehälter gebildet und befindet sich dabei besonders bevorzugt im Bereich einer Ecke und/oder in einem Endbereich des Speicherbehälters. Weiterhin bevorzugt ist der Keimspeicherbereich thermisch leitend mit einer Außenwand des Speicherbehälters verbunden, wobei ganz besonders bevorzugt die Außenwand des Speicherbehälters im Bereich des Keimspeichers eine geringere thermische Isolierung aufweist als die übrige Außenwand, wodurch das Phasenwechselmaterial im Bereich des Keimspeichers im erhöhten thermischen Austausch mit der Umgebung der Wärmespeichervorrichtung steht und somit eine Zone niedrigerer Temperatur bzw. niedrigeren Wärmeniveaus entsteht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmetauscher als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet und weist mehrere, bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Rohrabschnitte auf. Eine Ausgestaltung des Wärmetauschers als Rohrbündelwärmetauscher ermöglicht dabei in vorteilhafter Weise einen besonders großen, unmittelbar mit Wärmetransportmedium durchströmten Bereich, der in direktem thermischen Kontakt zu dem Speichermedium im Inneren des Speicherbehälter steht, bei zeitgleich geringer Masse des Wärmetauschers, wodurch eine besonders zügige und effiziente Wärmezuführung bzw. -entnahme möglich wird und das Gesamtgewicht der Wärmespeichervorrichtung in vorteilhafter Weise gering gehalten wird.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn sich der Wärmetauscher im Wesentlichen über den gesamten Innenraum des Speicherbehälters erstreckend, da sich hierdurch eine größtmögliche Kontaktfläche des mit Wärmetransportmedium durchströmten Wärmetauschers mit dem Speichermedium ergibt, wodurch zum einen der Ladungs- und Entladungsvorgang der Wärmespeichervorrichtung beschleunigt wird und zum anderen gewährleistet ist, dass das gesamte Speichermedium zügig und gleichmäßig zugeführte Wärme aufnimmt, wobei das gesamte Phasenwechselmaterial zügig schmelzen kann, abgesehen von dem in dem Keimspeicherbereich befindlichen Phasenwechselmaterial.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohrabschnitte an einer Stirnplatte des Rohrbündelwärmetauschers angeordnet, wobei bevorzugt im Bereich der Stirnplatte am Speicherbehälter zwei Anschlusselemente zur Zu- und Abführung des Wärmetransportmediums zur Wärmespeichervorrichtung vorgesehen sind. Die Stirnplatte kann dabei aus einem beliebigen Material gebildet sein und eine beliebige Form aufweisen. Bevorzugt ist die Stirnplatte als flache Metallplatte gebildet.
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Bei den Anschlusselementen kann es sich um beliebige, gängige oder speziell ausgebildete Vorrichtung zum Anschluss eines Schlauches, Rohres oder eines anderweitigen Bauelements zur Verbindung mit einem Leitungssystem handeln. Besonders bevorzugt ragen die beiden, an der Stirnplatte angeordneten Anschlusselemente dabei aus dem Speicherbehälter hinaus, so dass diese in einfacher Weise am Äußeren der Wärmespeichervorrichtung zugänglich sind und somit während der Aufladung bzw. Abgabe von Wärme über die Anschlusselemente der Wärmespeichervorrichtung Wärmetransportmedium durch den Wärmetauscher gepumpt werden kann.
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Darüber hinaus ist bevorzugt eine zweite Stirnplatte an einem der ersten Stirnplatte gegenüberliegenden Ende des Rohrbündelwärmetauschers angeordnet, wobei die Rohrabschnitte die erste und die zweite Stirnplatte durchdringend verlaufen. Ganz besonders bevorzugt sind dabei die Rohrabschnitte im Wesentlichen orthogonal zur Oberfläche der Stirnplatten durch Öffnungen in den Stirnplatten geführt, wodurch die einzelnen Rohrabschnitte stabilisiert und in Bezug zueinander in konstantem Abstand gehalten werden. Ganz besonders bevorzugt weisen die beiden Stirnplatten im Wesentlichen eine gleiche Form auf und sind aus demselben Material gebildet.
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Nach einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind sämtliche Rohrabschnitte des Rohrbündelwärmetauschers im Bereich der Stirnplatte mit einem der beiden Anschlusselemente und zugleich an der den Anschlusselementen gegenüberliegenden Seite des Speicherbehälters mit einem weiteren, mit dem anderen der Anschlusselemente verbunden, wodurch eine besonders hohe Flussrate des Wärmetransportmediums ermöglicht wird. Dabei ist der Rohrbündelwärmetauscher zumindest zweizügig, besonders bevorzugt aber vierzügig aufgebaut. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmetauscher fest mit dem Speicherbehälter, bevorzugt an mehreren Befestigungspunkten verbunden, wobei der Wärmetauscher besonders bevorzugt auf Schienen, insbesondere auf zwei parallel zueinander angeordneten Schienen, im Inneren des Speicherbehälters befestigt ist.
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Dabei verlaufen die Schienen bezogen auf eine Normallage der Wärmespeichervorrichtung weiterhin ganz besonders bevorzugt im unteren Bereich des Speicherbehälters, so dass die Schienen die auf den Speicherbehälter wirkende Gewichtskraft des mit Wärmetransportmedium befüllten Wärmetauschers tragen. Die Anordnung des Wärmetauschers an den Schienen sowie an weiteren Befestigungspunkten am Speicherbehälter kann dabei grundsätzlich form-, kraft- und/oder stoffschlüssig erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Befestigung der Schienen und des Wärmetauschers aneinander sowie am Speicherbehälter wenigstens stoffschlüssig, bevorzugt stoff- und kraftschlüssig. Ebenfalls ganz besonders bevorzugt erfolgt die Befestigung des Wärmetauschers an den beiden Stirnplatten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Speicherbehälter aus einem zylinderförmigen Tank gebildet, der bevorzugt an einem im Wesentlichen rechteckigen Rahmen zur Anordnung auf einem Lastkraftwagen befestigt ist. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Speicherbehälter um einen modifizierten Tankcontainer, wie er im Güterfernverkehr gängig eingesetzt wird, wodurch der Transport auf einem Lastkraftwagen aufgrund der ursprünglichen Auslegung des Tankcontainers für diesen Zweck in besonderer Weise begünstigt wird.
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Der Aufbau der Wärmespeichervorrichtung erfolgt bevorzugt, indem eine Tankwand an einer der Endseiten des zylinderförmigen Tanks kreisrund aufgeschnitten wird, wobei zur Erhaltung der Stabilität des Tanks ein konischer Falz erhalten bleibt. Anschließend werden die beiden Schienen, die bevorzugt die gleiche Höhe wie die verbleibende Falz aufweisen, mit dem Boden des nun offenen zylinderförmigen Tanks verbunden. Nachfolgend kann der Wärmetauscher als Ganzes durch die offene Seite des Tanks auf den Schienen eingeschoben und anschließend darauf befestigt werden. Darüber hinaus erfolgt bevorzugt eine weitere Befestigung des Wärmetauschers direkt an der Wand des zylinderförmigen Tanks. Schließlich kann die Öffnung des Tanks mit dem zuvor herausgeschnittenen Abschnitt wieder verschlossen werden. Alternativ kann auch ein Teil des Wärmetauschers, beispielsweise eine daran angeordnete Stirnplatte derart angeordnet und mit der Wand des Tanks verbunden werden, dass dieser flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Grundsätzlich kann der Aufbau der Wärmespeichervorrichtung auch in beliebig anderer Weise erfolgen.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Speicherbehälter thermisch isoliert, wobei die Isolierung bevorzugt mittels einer auf die Außenwand des Speicherbehälters aufgebrachten Isolierschicht erfolgt, die besonders bevorzugt eine Dicke zwischen 2 und 10 cm, ganz besonders bevorzugt zwischen 5 und 8 cm aufweist. Dabei kann die Isolierschicht ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein und grundsätzlich aus einem beliebigen Material bestehen. Bevorzugt handelt es sich dabei um eine einschichtige Isolierung mittels eines gängigen Kunststoff-Isoliermaterials, insbesondere eines geschäumten Polymers.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Speichermedium das Phasenwechselmaterial Natriumacetat-Trihydrat und das Lösungsmittel Wasser. Bevorzugt besteht das Phasenwechselmaterial aus zumindest technisch reinem Natriumacetat-Trihydrat und/ oder der Lösungsmittelanteil beträgt zwischen 2,49% (w/w) und 10,1% (w/w), ganz besonders bevorzugt ist das Speichermedium aus 94,9% (w/w) Natriumacetat-Trihydrat und 4,9% (w/w) Wasser gebildet. Die Anwendung von Natriumacetat-Trihydrat hat dabei zahlreiche Vorteile. Als Nahrungsmittelzusatzstoffe ist es weder brennbar noch toxisch sowie nicht umweltgefährdend. Darüber hinaus liegt seine Schmelztemperatur mit 57,95 °C in einem idealen Temperaturbereich, wobei sich das Natriumacetat-Trihydrat während des Schmelzprozesses im eigenen Kristallwasser löst. Darüber hinaus ist die Kristallisation dieser Substanz stark exotherm und die latente Schmelzwärme, Lösungswärme und Absorptionswärme besonders hoch.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung und
- 2 eine schematische Ansicht eines Ausschnitts eines Randbereichs der in 1 dargestellten Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung.
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Eine 1 dargestellte Ausführungsform eines mobilen Latentwärmespeichers 1 umfasst einen mit Phasenwechselmaterial 3 gefüllten Speicherbehälter 2 in dem ein Rohrbündelwärmetauscher 5 angeordnet ist und der im umlaufenden Endbereich 9 des Speicherbehälters 2 einen Keimspeicherbereich 6 aufweist.
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Bei dem Speicherbehälter 2 handelt es sich um einen großhandelsüblichen, 20 ft. langen Tankcontainer, mit einem innerhalb eines rechteckigen Rahmens angeordneten, zylinderförmigen Stahltank 2. Die beiden Enden des Stahltanks 2 sind dabei als Kalotten geformt.
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Weiterhin ist der zylinderförmige Tank 2 an der Außenseite mit einer 5 cm dicken Kunststoffisolierschicht 15 versehen, die das Tankinnere gegenüber der Umgebung thermisch isoliert.
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Im Inneren des zylinderförmigen Tanks 2 sind zwei Schienen parallel zueinander und koaxial zur Rotationsachse der Zylinderform des Tanks 2 mit dem Boden des Tanks 2 verschweißt. Auf diese beiden Schienen ist der Rohrbündelwärmetauscher 5 verschweißt, der vollständig im Inneren des zylinderförmigen Tanks 2 angeordnet ist und sich im Wesentlichen über den gesamten Innenraum des zylinderförmigen Tanks 2 erstreckt.
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Der gesamte Rohrbündelwärmetauscher 5 weist dabei eine Masse von etwa 2,4 bis 3,6 t auf und hat eine Länge von etwa 5,6 m. Dabei umfasst der Rohrbündelwärmetauscher 5 400 parallel zueinandern angeordnete Rohrabschnitte 7. An einem Ende des zylinderförmigen Tanks 2 weist der Rohrbündelwärmetauscher 5 dabei eine Stirnplatte 11 auf, durch die hindurch die parallelen Rohrabschnitte 7 des Wärmetauschers geführt verlaufen. An der der Stirnplatte 11 gegenüberliegenden Seite des zylinderförmnigen Tanks 2 ist jeder der Rohrabschnitte 7 um 90° abgewickelt, wobei jeweils zwei Rohrabschnitte 7 in diesem Bereich miteinander verbunden sind. Dabei ist der eine dieser beiden Rohrabschnitte 7 mit einem Zulauf für das Wärmetransportmedium 4 verbunden, während der andere der beiden Rohrabschnitte 7 zum Ablauf führt.
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Bei einer zweizügigen Ausgestaltung des Rohrbündelwärmetauschers 5 mit 290 parallelen Rohrabschnitten 7 strömt das zugeführte Wärmetransportmedium 4 zugleich in 145 Rohrabschnitte 7 und wird über die anderen 145 Rohrabschnitte 7 abgeführt. Dabei ist im Inneren des zylinderförmigen Tanks 2 der Raum zwischen dem Tankende und der Stirnplatte in eine Zulauf- und eine Ablaufseite mittels einer Trennwand getrennt. Die Ausgestaltung des Latentwärmespeichers 1 erfolgt üblicherweise vierzügig, wobei der Raum zwischen dem Tankende und der Stirnplatte 11 in vier stofflich voneinander getrennte Kammern unterteilt ist. Das Wärmetransportmedium 4 wird dabei der ersten Kammer zugeführt und strömt durch die ersten 75 parallelen Rohrabschnitte 7 zum gegenüberliegenden Ende des zylinderförmigen Tanks 2 von wo es über weitere 75 Rohrabschnitte 7 in die zweite Kammer zurück strömt. Von dort wird es in die dritte Kammer geleitet und fließt abermals durch 75 Rohrabschnitte 7 durch das Innere des zylinderförmigen Tanks 2 und wird schließlich über die verbleibenden 75 Rohrabschnitte 7 in die vierte Kammer, an der der Auslass des Latentwärmespeichers 1 vorgesehen ist, geleitet. Der Abstand zwischen zwei benachbarten angeordneten, parallel verlaufenden Rohrabschnitten 7 beträgt dabei zwischen 6 cm und 10 cm.
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Die Zuführung des Wärmetransportmediums 4 in das Innere des Wärmetauschers 5, zumeist im Wesentlichen Wasser oder ein Öl, erfolgt dabei durch zwei je mit einem Ende des Leitungssystems des Rohrbündelwärmetauschers 5 verbundenen, die Außenwand 10 des zylinderförmigen Tanks 2 durchdringenden Anschlusselementen 12, 13, die derart ausgestaltet sind, dass mit diesen ein standardisierter Schlauchanschluss verbunden werden kann.
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Als Speichermaterial ist der zylinderförmige Tank 2 mit etwa 22,45 t des Phasenwechselmaterials 3 Natriumacetat-Trihydrat technischer Reinheit befüllt. Dazu ist am oberen Ende des zylinderförmigen Tanks 2 eine verschließbare Einfüllöffnung vorgesehen. Der befüllte Latentwärmespeicher 1 muss dabei so ausgelegt sein, dass er inklusive einer Sattelzugmaschine und eines Transportchassis die im jeweiligen Einsatzland geltenden Gewichtsbeschränkungen im Strassenverkehr einhält.
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Im Bereich des den Anschlusselementen 12, 13 gegenüberliegendem Endbereichs 9 des zylinderförmigen Tanks 2 ist im Bereich der Kante zwischen der zylinderförmigen Wand und dem kalotttenförmigen Ende des Tanks 2 ein Keimspeicherbereich 6 gebildet, wobei der Rohrbündelwärmetauscher 5 in diesem Bereich derart geformt ist, dass der Abstand des dem Keimspeicherbereich 6 nächstgelegenen, Wärmetransportmedium durchflossenen Rohrabschnitts 7 des Rohrbündelwärmetauschers 5 zur Wand 10 des zylinderförmigen Tanks 2 im Keimspeicherbereich 6 größer ist als der Abstand zwischen Rohrbündelwärmetauscher 5 und der Wand 10 des zylinderförmigen Tanks 2 in sämtlichen übrigen Bereichen des Latentwärmespeichers 1.
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Zusätzlich ist auf der dem Keimspeicherbereich 6 im Inneren des zylinderförmigen Tanks 2 gegenüberliegenden Außenseite des Tanks 2 die Dicke der thermischen Isolierung 15 gezielt verringert, um mittels eines erhöhten thermischen Austausches mit der Umgebung im Inneren des zylinderförmigen Tanks 2 im Keimspeicherbereich 6 eine Zone geringeren Wärmeniveaus in Bezug zum mittleren Wärmeniveau im Inneren des Latentwärmespeichers 1 sicherzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmespeichervorrichtung
- 2
- Speicherbehälter
- 3
- Speichermedium
- 4
- Wärmetransportmedium
- 5
- Wärmetauscher
- 6
- Keimspeicherbereich
- 7
- Rohrabschnitt
- 8.
- Ecke
- 9
- Endbereich
- 10
- Außenwand
- 11
- Stirnplatte
- 12
- Anschlusselement
- 13
- Anschlusselement
- 14
- Seite der Stirnplatte
- 15
- Isolierschicht
- A
- Abstand benachbarter Rohrabschnitte
- B
- Abstand des Keimspeicherbereichs vom Wärmetauscher
