DE2444217A1 - Heat storage system with variable storage cycle - has steel pipe system and uses different media depending on storage cycle - Google Patents

Heat storage system with variable storage cycle - has steel pipe system and uses different media depending on storage cycle

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    • F28D17/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles
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Abstract

The thermal energy storage accommodates thermal daily, weekly, monthly and annual cycles. This thermal energy storage requires relatively little steel which improves its efficiency. The thermal energy is supplied and removed by a heat carrying medium in a pipe system. The thermal energy storage medium can have a vapour pressure which is lower than that of the water. For example gravel can be used as a thermal energy storage medium. Alternatively sand, eutectic salt mixtures and liquids such as water can be used. Gaseous heat carriers can also be used. The steel tubes of the storage system form a square lattice and the spacing of the pipes depends on the required storage cycle period. Similarly the heat storage material is selected in relation to the storage cycle.

Description

Wärmeenergiespeicher Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeenergiespeicher für Tageszyklen, Wochenzyklen, Monats- und Jahreszyklen. Thermal energy storage The present invention relates to a Thermal energy storage for daily cycles, weekly cycles, monthly and annual cycles.

Es sind bereits Wärmeenergiespeicher bekannt, bei denen die Wärmeenergie mittels aufgeheiztem Wasser, oder mittels Wasserdampf gespeichert wird. Zur Aufbewahrung des aufgeheizten Wassers, bzw. des Wasserdampfes werden Kessel oder Rohre aus Stahl verwendet.There are already thermal energy storage known in which the thermal energy is stored by means of heated water or by means of steam. For storage of the heated water or steam become boilers or pipes made of steel used.

Diese Speicherform ist aufgrund des hoher Stahlbedarfs sehr teuer. Wie im weiteren gezeigt werden wird, ist es auch nicht möglich, durch Vergrößerung der Stahlröhren mit weniger Stahl pro Volumeneinheit auszukommen. Je größer nämlich der Rohrdurchmesser wird, umso dicker muß auch die Rohrwand sein. Verdoppelt man z.B. den Durchmesser d eines Rohres, so erhält man ein viermal so großes Rohrvolumen, weil gilt: F = # ## --r-Aufgrund der Tatsache, daß der Rohrumfang dem Durchmesser proportional ist, verdoppelt sich in diesem Falle auch der Rthrumfang. Weiterhin gilt Pa - Pi # ln ra/r@ so daß auch bei doppelten Rohrdurchmesser die Wanddicke verdoppelt werden muß. Das bedeutet aber, daß bei Verdoppelung des Rohrdurchmessers, also bei einer Vervierfachung des Rohrvolumens,viermal so viel Stahl verarbeitet werden muß. Der Bedarf an Stahl pro Volumeneinheit ist also vom Rohrdurchmesser unabhängig, so daß man durch Vergrößerung des Rohrvolumens kein Stahl einspa-ren kann.This form of storage is very expensive due to the high demand for steel. As will be shown below, it is also not possible to enlarge it the steel tubes get by with less steel per unit volume. The bigger namely the pipe diameter, the thicker the pipe wall must be. Doubled man e.g. the diameter d of a pipe, one obtains a pipe volume four times as large, because the following applies: F = # ## --r-Due to the fact that the pipe circumference corresponds to the diameter is proportional, the circumference doubles in this case. Farther the following applies: Pa - Pi # ln ra / r @ so that even with twice the pipe diameter the wall thickness must be doubled. However, this means that when the pipe diameter is doubled, In other words, four times as much steel is processed when the pipe volume is quadrupled must become. The need for steel per unit volume is therefore dependent on the pipe diameter independent, so that no steel is saved by increasing the pipe volume can.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeenergiespeicher zu schaffen, der mit relativ geringen Stahlbedarf hergestellt werden kann, so daß daher wirtschaftlichere Wärmeenergiespeicher eingesetzt werden können.The invention is therefore based on the object of a thermal energy store to create that can be manufactured with relatively little steel requirements, so that therefore more economical thermal energy storage can be used.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leitungssystem, durch das die Wärmeenergie mittels eines Wärmeträgers zu- und abgeführt wird und ein Wärmeenergiespeichermedium, das sich zwischen den das Leitungssystem bildenden Leitungsrohren befindet.This object is achieved according to the invention by a line system, through which the thermal energy is supplied and removed by means of a heat carrier and a thermal energy storage medium that forms between the piping system Line pipes is located.

Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten und Merkmale sind in den UnterSnsprüchen gekennzeichnet.Further design options and features are in the sub-claims marked.

Die Erfindung, sowie Ausgestaltungsmöglichkeiten, Vorteile und Anwendungsformen werden nachstehend im einzelnen beschrieben.The invention, as well as design options, advantages and forms of application are described in detail below.

Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht darin, statt eines Wäremenergiespeichermediums mit hohem Dampfdruck, beispielsweise Wasser,ein Speichermedium mit niedrigem Dampfdruck zu verwenden.An essential basic idea of the invention is, instead of one Thermal energy storage medium with high vapor pressure, for example water, a storage medium to use with low vapor pressure.

Darüber hinaus soll das Speichermedium pro Volumeneinheit eine möglichst große Wärmekapazität, sowie eine möglichst große Wärmeleitfähigkeit aufweisen und zusätzlich möglichst preiswert lein.In addition, the storage medium should as much as possible per volume unit have large heat capacity and the greatest possible thermal conductivity and additionally as cheap as possible linen.

Diese an ein Speichermedium gestellten, sich zum Teil widersprechenden Forderungen werden in hohem Maße dadurch erfüllt, daß als Wäremspeichermedium Kies oder Sand verwendet wird.These are placed on a storage medium, some of them contradicting each other Requirements are met to a high degree in that gravel is used as the heat storage medium or sand is used.

Bei diesem Wärmespeicherstoff kann jedoch nicht mehr die konvektive Wärmeströmung zusätzlich zur Wärmeleitung ausgenutzt werden, sondern man ist bei diesem Wärmespeicherstoff für die Wärmeübertragung praktisch ausschließlich auf die Wärmeleitung (Diffusion) angewiesen.With this heat storage material, however, the convective can no longer be used Heat flow can be used in addition to heat conduction, but one is at this heat storage material for the heat transfer practically exclusively on the heat conduction (diffusion) dependent.

Im nachfolgenden wird jedoch gezeigt, daß eine Anwendung von Kies, Sand oder ähnlichen Werkstoffen bei der Wärmeenergiespeicherung möglich ist, nämlich dann, wenn man das Wärmespeichermedium , sowie die Leitungsrohre, durch die die Wärmeenergie zu - und abgeführt wird, geeignet dimensioniert.In the following it will be shown, however, that an application of gravel, Sand or similar materials in the thermal energy storage is possible, namely then, if you have the heat storage medium, as well as the pipes through which the Heat energy is supplied and removed, suitably dimensioned.

Die Wärrneleitungsgleichung lautet: wobei gilt: S = Wärmestrom ( kcal/h # = Wärmeleitfähigkeit ( ##### ) # T = Temperaturdifferenz (°C) r = Außenradius (m) a r@ = = Innenradius (m) lz = Länge in z-Richtung (m) Im Volumenabschnitt innerhalb ra und lz ( V = # #a2##2) kann folgende Wärmemenge Q gespeichert werden: LHJ Q = Wärmemenge ( kcal c@ = = spez. Wärme ( kcal/kg t = sBez. Dichte ( kg/m3) dT = Temperaturniveau (°C) ( Speicher voll-leer Die Zeit t , die für die Zyklusdauer des Wärmetransportes bestimmend ist, erhält man dann aus den vorgenannten Gleichungen: Hierbei wird t in Stunden angegeben.The heat conduction equation is: where: S = heat flow (kcal / h # = thermal conductivity (#####) # T = temperature difference (° C) r = outer radius (m) ar @ = = inner radius (m) lz = length in z-direction ( m) In the volume segment within ra and lz (V = # # a2 ## 2) the following amount of heat Q can be stored: LHJ Q = amount of heat (kcal c @ = = specific heat (kcal / kg t = sDensity (kg / m3) dT = temperature level (° C) (storage tank full-empty The time t, which is decisive for the cycle duration of the heat transport, is then obtained from the above equations: Here t is given in hours.

Setzt man in die letzte Gleichung die Zahlenwerte beispielsweise für Kies ein, setzt man also # = 1600 - 1800 ## cp = 0,2 #### # = 0,8 ###### so erhält man: ra und ri wird in Meter und t in Stunden angegeben.If you insert the numerical values for gravel, for example, into the last equation, you insert # = 1600 - 1800 ## cp = 0.2 #### # = 0.8 ###### so you get: ra and ri are given in meters and t in hours.

Erhitzt man den Wärmespeicher also um dT = 20°C, und besteht zwischen ra und ri ein Temperaturgefälle von 10° C, so erhält man mit ra /ri = 10 t = 1000 - ra2 - Mit ra = 4,5 cm erhält man dann t = 2 Stunden.If you heat the heat storage tank by dT = 20 ° C, and there is between ra and ri have a temperature gradient of 10 ° C, with ra / ri = 10 t = 1000 - ra2 - With ra = 4.5 cm one then obtains t = 2 hours.

Ordnet man gemäß dem Rechenbeispiel also Stahlrohe mit einem Durchmesser von 9 min im Abstand von 9 cm in Form eines quadratischen Gitters an und füllt zwischen diese Stahlrohe beispielsweise Kies, so wird dieser Wärmespeicher bei einem Temperaturgefälle 4T von 10° zwischen Rohrwand und Kiesmitte, also der Kies in dieser Anordnung innerhalb einer Stunde um 100 C erwärmt bzw. abgekühlt.If you order steel pipes with a diameter according to the calculation example of 9 min at a distance of 9 cm in the form of a square grid and fills in between These steel pipes, for example, gravel, this heat accumulator becomes in the event of a temperature gradient 4T of 10 ° between the pipe wall and the center of the gravel, i.e. the gravel in this arrangement within heated or cooled by 100 ° C. for one hour.

Die Wärmezufuhr bzw - Abfuhr geschieht über das in des düunen Stahlrohren zirkulierende Wasser oder eine andere Flüssigkeit, oder durch Gas.The heat supply or - dissipation takes place via the in the thin steel pipes circulating water or some other liquid, or by gas.

flatte Kies dieselbe Wärmekapazität pro Volumeneinheit wie Wasser, so wäre die Wärmekapazität dieses beispielhaften Speichers ( ra / ri } 2 = Ioo mal so groß wie die Wärmekapazität des Wasservolumens, das sich in den dünnen Stahlrohren befindet. Da aber die Wärmekapazität von Kies gegenüber Wasser nur etwa 1/4 ist, weist die Wärmekapazität des beispielhaften Speichers statt des hundertfachen nur das 25-fache der Wärmekapazität des Wasservolumens auf, das sich in den Rohren befindet.flat gravel has the same heat capacity per unit volume as water, so the heat capacity of this exemplary store would be (ra / ri} 2 = Ioo times as large as the heat capacity of the volume of water in the thin steel pipes is located. But since the heat capacity of gravel compared to water is only about 1/4, exhibits the heat capacity of the exemplary memory instead of just a hundred times 25 times the heat capacity of the volume of water in the pipes.

Wenn man weiterhin in Rechnung stellt, daß die Wandungen der dünnen Stahlrohre wegen der Fertigungstoleranzen und aus Sicherheitsgesichtspunkten dreimal so dick als theoretisch möglich sein sollen, so erhält man dennoch einen Stahlbedarf pro Wärmekapazität, der uni 25/3, also um etwa das Achtfache geringer ist, wie dies bei Stahlbehältern der Fall wäre, in denen man das Heißwasser aufbewahrt.If one continues to take into account that the walls of the thin Steel pipes three times because of manufacturing tolerances and for safety reasons as thick as should be theoretically possible, one still has a need for steel per heat capacity, which is uni 25/3, i.e. about eight times less than this would be the case with steel containers in which the hot water is kept.

Der erfindungsgemäße Wärmeenergiespeicher ist insbesondere dain wirtschaftlich, wenn Wärmeenergien mit hohem Wärmegrad und damit hohem Dampfdruck über Nacht gespeichert und am Tage wieder freigesetzt werde soll.The thermal energy storage according to the invention is particularly economical because when thermal energies with a high degree of heat and thus high vapor pressure are stored overnight and should be released again during the day.

Bei Wärmespeichern der erfindungsgemäßesl Art, die für Tages-Nacht-Zyklen eingesetzt werde sollen, ist es daher vorteilhaft, die Zu- und Abfuhr der Wärme mit Heißwasser zu bewirken, das eine Temperatur von etwa 300°C aufweist, was einem Druck von 100 at entspricht.In the case of heat accumulators of the type according to the invention, those for day-night cycles are to be used, it is therefore advantageous to control the supply and removal of heat to effect with hot water, which has a temperature of about 300 ° C, what a Corresponds to a pressure of 100 at.

Claims (1)

S c h u t z a n s p r ü c h e S c h u t z a n s p r ü c h e 1 Wärmeenergiespeicher, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Leitungssystem, durch das die Wärmeenergie mittels eines Wärmeträgers zu- und abgeführt wird, und ein Wärmeenergiespeichermedium, das sich zwischen den das Leitungssystem bildenden Leitungsrohren befindet.1 thermal energy storage, not marked by a pipe system, through which the thermal energy is supplied and removed by means of a heat transfer medium, and a thermal energy storage medium that forms between the piping system Line pipes is located. SO Wärmeenergiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeenergiespeichermedium einen gegenüber Wasser niedrigen Dampfdruck aufweist. SO thermal energy storage device according to claim 1, characterized in that that the thermal energy storage medium has a low vapor pressure compared to water. 3. Wärmeenergiespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeenergiespeichermedium Kies verwendet wird. 3. thermal energy storage according to claim 1 and 2, characterized in that that gravel is used as a thermal energy storage medium. 4. Wärmeenergiespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeenergiespeichermedium Sand verwendet wird.4. thermal energy storage device according to claim 1 and 2, characterized in that that sand is used as a thermal energy storage medium. 5. Wärmeenergiespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeenergiespeichermedium entektische Salzgemische verwendet werden. 5. thermal energy storage device according to claim 1 and 2, characterized in that that entectic salt mixtures are used as thermal energy storage medium. 6. Wärmeenergiespeicher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger eine Flüssigkeit verwendet wird.6. Thermal energy storage according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that a liquid is used as the heat carrier. 7. Wärmeenergiespeicher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger Wasser verwendet wird. 7. Thermal energy storage according to at least one of claims 1 to 5 characterized in that water is used as the heat carrier. 8. Wärmeenergiespeicher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiger Wärmeträger verwendet wird. 8. Thermal energy storage according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that a gaseous heat carrier is used. 9. Wärmeenergiespeicher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch geennzeichnet, daß die das Leitungssystem bildenden Leitungsrohre in Form eines quadratischen Gitters angeordnet sind.9. Thermal energy storage according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the line pipes forming the line system in Are arranged in the form of a square grid. 10. Wärmeenergiespeicher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Leitungsrohre Stahlrohre verwendet werden.10. Thermal energy storage according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that steel pipes are used as line pipes. 11. Wärmeenergiespeicher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Leitungsrohre zueinander in Abhängigkeit der gewünschten Speicherzyklusdauer gewählt wird.11. Thermal energy storage according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the distance between the conduits is dependent on one another the desired storage cycle duration is selected. 12. Wärmeenergiespeicher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff für das Wärmespeichermedium in Abhängigkeit von der Speicherzyklusdauer gewählt wird.12. Thermal energy store according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the material for the heat storage medium as a function is selected by the storage cycle duration. 13. Wärmeenergiespeicher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff für das Wärmespeichermedium in Abhängigkeit von der Temperatur gewählt wird, auf die das Speicheruedium aufgeheizt werden soll.13. Thermal energy storage according to at least one of claims 1 to 13, characterized in that the material for the heat storage medium as a function is selected by the temperature to which the storage medium is to be heated. 14. Wärmeenergiespeicher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Stahlrohre von 9 mm Durchmesser mit einem Abstand von 9 cm zueinander in einem quadratischen Gitter angeordnet sind.14. Thermal energy storage according to at least one of claims 1 to 13, characterized in that steel pipes of 9 mm diameter with a spacing of 9 cm to each other are arranged in a square grid.
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