DE2748635A1

DE2748635A1 - Thermische energiespeicher-einrichtung

Info

Publication number: DE2748635A1
Application number: DE19772748635
Authority: DE
Inventors: Charles Robert Easton; Joseph Friedman; Richard Jacob Holl; Rex C Mitchell
Original assignee: McDonnell Douglas Corp; Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc; McDonnell Douglas Corp
Priority date: 1976-11-01
Filing date: 1977-10-29
Publication date: 1978-05-11
Also published as: ES461770A1; JPS616318B2; FR2369507B1; JPS5356752A; US4124061A; DE2748635C2; FR2369507A1

Description

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lA-2122 ^

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, El Segundo, California, U.S.A.

McDonnell Douglas corporation LongBeach, California, U.S.A. Thermische EnergieSpeicher-Einrichtung Zusammenfassung

Es wird eine thermische Energiespeicher-Einrichtung geschaffen, welche ein Bett von gekörntem Feststoffmaterial au weist und eine Flüssigkeit, welche in Wärmeaustauschbeziehung zu diesem Bett steht und in Zusammenwirkung mit dem Bett e η Flüssigkeits-Feststoff-System bildet, welches eine The^mocline aufweist. Ferner umfaßt die thermische Energiespeiche -Einrichtung eine Einrichtung zur Einführung von Flüssigkeit in das System und eine Einrichturg zur Entnahme von Fl issigkeit aus dem Feststoff-Flüssigkeits-System.

Die Erfindung betrifft thermische Energiespei ehersystene und insbesondere thermische Energiespeicher-Einrichtung^n mit einem Feststoff-Flüssigkeits-System mit einer Thermocline,

Mit zunehmender Verarmung der öllagerstatten der Welt steigt das Interesse an alternativen Energiesystemen. Besondere Beachtung wurde Solarenergiesystemen geschenkt. Aufgrund der täglichen Temperaturwechsel, der häufig auftretenden Bewölkung und verschiedener anderer Umstände

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besteht dabei das Problem der thermischen Speicherung der Energie im Vordergrund. In dem Standardwerk von Dr. Darrington Daniels, "Direct Use of the Sun's Energy", Yale University, 1964, werden drei Grundkategorien von thermischen Energiespeicher-Nöglichkeiten unterschieden:

1. Speicherung der fühlbaren Wärme durch Wärmekapazität;

2. physikalische Zustandsänderungen (insbesondere Schmelzwärme und/oder Verdampfungswärme);

3. reversible chemische Reaktionen.

Wenn man diese drei Kategorien der Wärmespeicherung einer Wirtschaftlichkeitsanalyse unterzieht, so wird sichtbar, daß die folgenden beiden Überlegungen im Vordergrund stehen: Die Kosten für das Wärmespeichermedium und den Behälter müssen gering gehalten werden und zweitens muß die Komplexität des Ingenieur-Aufwandes hinsichtlich der Wärmeeingabe und der Wärmeextraktion beachtet werden. Bei den meisten bisherigen Analysen ergibt sich ein günstigeres Ergebnis hinsichtlich der Speicherung der fühlbaren Wärme, da eine solche Speicherart am wirtschaftlichsten ist und am einfachsten gehandhabt werden kann. Bei Temperaturen von bis zu etwa 200 ⁰F ist Wasser das beste Speichermedium. Gemäß Dr. Daniels hat Wasser etwa die höchste Wärmekapazität pro kg und pro 1 oder pro Dollar im Vergleich zu jedem anderen üblichen Material. Das nächste billige Wärmespeichermedium ist Kies oder zerkleinertes Gestein, welches zu einem Preis von wenigen Dollar pro Tonne zur Verfügung steht. Es eignet sich als Wärmespeichermedium bis zu Temperaturen von mindestens 1500 ⁰F. Die obere Grenze wird dabei durch die Art des Strömungsmediums bestimmt, welche zur Wärmeeingabe in das Gestein und zur Wärmeextraktion verwendet wird. Steine werden seit vielen Jahren als Wärmespeichermedium in sogenannten Kiesbett-Heizgeräten verwendet. Dabei strömt Gas (gewöhnlich Luft) durch das Bett und dient der Eingabe der Wärme und der Entnahme der Wärme. Ein erheblicher Nachteil solcher Heizgeräte besteht darin, daß sie keine Thermocline aufweisen und daß die Temperatur des austretenden

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heißen Gases während der Wärmeextraktion rasch von der Speiehertemperatur abfällt. Es ist bekannt, daß Wasser (und andere Flüssigkeiten) eine Thermocline ausbilden können. Dies bedeutet, daß heißes und kaltes Wasser in Schichten mit ziemlich scharfer Grenze vorliegen. Diese Grenzfläche steigt oder sinkt in dem Maße, indem Wasser in den Behälter eingeführt wird oder aus dem Behälter entnommen wird, so daß die Temperatur des abgezogenen Wassers im wesentlichen konstant ist bis die Thermocline erreicht wird. In diesem Moment fällt die Temperatur rasch auf die Temperatur des nicht-erhitzten Wassers ab. Dieses Phänomen ist bei Haushalts-Heißwasser-Geräten wohlbekannt. Demgegenüber steigt bei Verwendung von Steinen als thermisches Energiespeichermedium bei Kiesbettheizgeräten die Temperatur bei der Wärmeeingabe allmählich an und sie sinkt ebenfalls allmählich bei der Entnahme der Wärme.

Es ist offensichtlich, daß das Prinzip der Thermocline von Vorteil ist. Es war jedoch bisher auf relativ niedrige Temperaturen und auf rein flüssige thermische Energiespeiehersysteme beschränkt. Demgegenüber eignen sich Steine zur Speicherung von Wärme bei beträchtlich höheren Temperaturen. Sie haben jedoch den bereits erwähnten Nachteil eines allmählichen Absinkens der Temperatur.

Die Nachteile herkömmlicher thermischer Energiespeichereinrichtungen werden mit vorliegend er Erfindung überwunden. Es wird ein thermisches Energiespeiehersystem vorgeschlagen, welches eine Ausnutzung des Thermoclinen-Prinzips bei einem Steine als thermisches Energiespeichermedium aufweisenden thermischen Speiehersystem erlaubt. Das erfindungsgemäße thermische Energiespeichersystem arbeitet somit bei beträchlich höheren Temperaturen als die bisherigen wirtschaftlichen Speichersysteme.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Speiehersystems können noch weiter dadurch gesteigert werden, daß man die Art des Bettmaterials, die Teilchengröße, die Strömungsge-

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schwindigkeit des Strömungsmediums, den Anteil des Hohlraums und das Verfahren der Verteilung des Strömungsmediums auswählt und regelt, so daß man in dem Bett aus zerkleinertem Gestein eine Thermocline erhält. Auf diese Weise kann das Thermoclinen-Prinzip bei Speichertemperaturen von bis zu mindestens 15CX) F ausgenutzt werden.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes thermisches Speichersystem zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein System zur Speicherung von fühlbarer Wärme zu schaffen, welches das Thermoclinen-Prinzip ausnützt und Wärme bis zu Temperaturen von hinauf zu mindestens 1500 F zu speichern gestattet. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein System zur Speicherung von fühlbarer Wärme zu schaffen, welches das Thermoclinen-Prinzip in Verbindung mit einem Bett aus Feststoffteilchen ausnützt.

Erfindungsgemäß wird ein System zur Speicherung von fühlbarer Wärme geschaffen, welches ein Feststoffteilchenbett umfaßt und das Thermoclinen-Prinzip verwirklicht und die Wärmespeicherung bis zu Temperaturen von mindestens 1500 ⁰F gestattet. Dabei werden das Bettmaterial, die Teilchengröße, die Strömungsgeschwindigkeit, der Hohlraumanteil und das Verfahren der Verteilung des Strömungsmediums ausgewählt und geregelt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen thermischen Energiespeichersystems, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 ein Diagramm des Ortes der Thermocline in der thermischen Energiespeichereinrichtung gemäß Fig. 1 bei der Entnahme des erhitzten Strömungsmediums und

Fig. 3 ein Diagramm der Temperatur des aus der thermischen Energiespeichereinrichtung gem. Fig. 1 entnommenen Strömungsmediums als Funktion der Zeit.

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^vig. 1 zeift eine Ausführνngsform des erfindungsgemäßen thermischer Energiespeichersyste-ns, welches allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist. Dieses umfaßt einen Behälter 4 welcher ninsichtlich des Strömungsmedium dicht ist. Der Behälter ist mit gekörntem Feststoffmaterial gefüllt, welches allgemein mit 6 bezeichnet ist. Ferner enthält der Behälter eine Flüssigkeit, welche allgemein mit 8 bezeichnet ist. Diese füllte die Zwischenräume zwischen den Teilchen des Feststoffmaterials 6 aus. Zur Eingabe der Wärme in den Behälter 4 zum Zwecke der Speicherung wird heiße Flüssigkeit von einer geeigneten nicht gezeigten Wärmequelle, z. B. einem Ofen, einem Kernreaktor, einem Sclarofen oder dgl. über Rohrleitungen 10 und 12 einem geeigneten Eingangswärmeaustauscher 14 zugeführt, und zwar gemäß den Pfeillinien 16. Geeignete Rohrleitungen 18, 20 und 22 und eine Pumpe 24 dienen dazu, die Flüssigkeit 8 am Boden des Behälters 4 über eine Rohrleitung 18 zu entnehmen. Die Flüssigkeit 8 strömt sodann durch den Wärmeaustausche 14 und wird hier durch das heiße Strömungsmedium der W rmequelle aufgeheizt. Die erhitzte Flüssigkeit 8 strömt d *rch die Rohrleitung 22 in den oberen Teil des Behalte s 4 und zwar gemäß der Pfeillinie 26. Zur Entnahme der 'arme aus dem Behälter 4 sind Rohrleitung 28, 30 und 32 s/wie eine Pumpe 34 vorgesehen. Die erhitzte Flüssigkeit 8 wird am Kopf des Behälters 4 entnommen und zwar gemäß Pfeillinie 36. Die erhitzte Flüssigkeit 8 strömt durch einen geeigneten Ausgangswärmeaustauscher 38. Danach kehrt die Flüssigkeit 8 zum Boden des Behälters 4 zurück. Zusätzlich sind Rohrleitungen 40 und 42 vorgesehen, welche dazu dienen, ein geeignetes Strömungsmedium durch den Ausg&ngswärmeaustauscher 38 strömen zu lassen. Dieses Strömungsmedium wird durch Flüssigkeit 8 erhitzt, und das erhitzte Strömungsmedium wird einer geeigneten nicht gezeigten Einrichtung zur Ausnutzung der Wärme zugeführt, z. B. einer einen Generator treibenden Turbine oder einem Raumheizsystem.

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Man erkennt aus vorstehender Beschreibung, daß während der thermischen Aufladung die Flüssigkeit 8 im Behälter 4 abwärts strömt und daß andererseits bei der thermischen Entladung die Flüssigkeit aufwärtsströmt. Bei dieser Anordnung ist die Flüssigkeit 8 im oberen Bereich des Behälters 4 heißer als im unteren Bereich des Behälters 4. Bei einem typischen Beispiel dient als Behälter 4 ein zylindrischer Tank, mit 20 m Durchmesser und 17 m Höhe. Dieser Behälter enthält

3 11 000 t zerkleinerten Granit und groben Sand, sowie 1170 m eines handelsüblichen Wärmeaustauschmediums, welches unter der Handelsbezeichnung "Caloria HT43" von Exxon Corporation vertrieben wird. Ein solcher Behälter hat eine thermische Energiespeicherkapazität von etwa 200 thermischen Megawatt-Stunden und arbeitet bei einem Temperaturbereich von 218 ⁰C bis 302 ⁰C.

Wenn man annimmt, daß die Steine und die Flüssigkeit in dem Behälter anfänglich eine Gleichgewichtstemperatur von 302 ⁰C haben, so bildet sich eine Thermocline am Boden des Behälters 4 auf, was in Fig. 2 durch die vertikale Linie 46 angedeutet ist. Um nun Wärme aus der thermischen Energiespeichereinheit 2 zu entnehmen, wird das Strömungsmedium über die Rohrleitung 28 aus dem Behälter 4 entnommen. Es hat eine Temperatur von 302 ⁰C. Dabei gibt es einen Teil seiner Wärme an den Wärmeaustauscher 38 ab und kehrt zum Boden des Behälters 4 über die Rohrleitung 32 zurück. Es hat dabei eine Temperatur von etwa 218 ⁰C. Nunmehr bewegt sich die Thermocline innerhalb des Behälters 4 aufwärts, was durch die Linie 48 angedeutet ist. Oberhalb der Thermocline 48 hat die Flüssigkeit eine Temperatur von 302 ⁰C. Unterhalb der Thermocline 48 beträgt die Temperatur der Flüssigkeit 218 ⁰C. Bei der weiteren Entnahme von Wärme aus der thermischen Energiespeichereinheit 2 bewegt sich die Thermocline weiter aufwärts, was durch die Linien 50 und 52 angedeutet ist. Schließlich erreicht die Thermocline das obere Ende des Behälters 4, angedeutet durch die Linie 54. Nunmehr sinkt die Temperatur des über die Rohrleitung 28 entnommenen Strömungsmediums rasch auf den unteren Temperatürwert von 218 ⁰C. Vorzugsweise wird jedoch die Wärmeextraktion unterbrochen, bevor

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dieser Wert erreicht ist. Nunmehr wird das erhitzte Medium mit einer Temperatur von 302 ⁰C dem Behälter 4 über die Rohrleitung 22 zugeführt, wobei die Thermocline abwärts bewegt wird. Auf diese Weise wird die thermische Energiespeichereinrichtung 2 wieder aufgeladen. Danach kann die Wärmeentnahme wieder aufgenommen werden.

Fig. 3 zeigt eine Kurve der Temperatur des aus dem Behälter 4 über die Rohrleitung 28 entnommenen Strömungsmediums als Funktion der Zeit. Wie oben beschrieben, wurde festgestellt, daß die Temperatur des ausströmenden Strömungsmediums im wesentlichen konstant 1st und etwa der oberen Betriebstemperatur entspricht. Dies ist durch die Linie 56 angedeutet. Diese Temperatur wird beibehalten, bis der größte Teil der Energie der thermischen Energiespeiehereinheit 2 extrahiert ist. Sodann beginnt die Temperatur der ausströmenden Flüssigkeit rasch abzufallen. Dies ist durch die Linie 58 dargestellt. Vorzugsweise wird ein Abschaltpunkt, z. B. der Punkt 60 festgelegt, bei dem die Wärmeentnahme unterbrochen wird. Wenn der Abschaltpunkt auf 293,7 ⁰C festgesetzt wird und somit um 8,3 ⁰C unter der oberen Grenze von 302 ⁰C liegt, so verbleibt ein Teil der gespeicherten thermischen Energie im Behälter 4, was durch die schraffierte Fläche in den Figuren 2 und 3 angedeutet ist. Diese Energie kann ebenfalls entnommen werden, Jedoch nur bei Inkaufnahme einer allmählich abfallenden Temperatur des Strömungsmediums. Dies ist in Fig. 3 durch die Kurve 58 angedeutet. Wenn man jedoch die Größe der schraffierten Fläche der Fig. 2 durch die Gesamtfläche der Fig. 2 dividiert, so erhält man einen Wert, welcher als Extraktionseffizienz der thermischen Energiespeichereinheit 2 bezeichnet werden kann. Bei Zugrundelegung des obigen Zahlenbedspiels beträgt die Extraktionseffizienz typischerweise 95 %.

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AO

Eine Reihe von Konstruktions- und Betriebsparametern sind zu beachten oder wünschenswert, um die Extraktionseffizienz auf einen solchen hohen Wert zu bringen und um somit eine erfolgreiche, effiziente und wirtschaftliche thermische Energiespeichereinrichtung zu schaffen. Zum Beispiel muß das System derart ausgerichtet sein, daß das relativ kältere Strömungsmedium am Boden des Behälters einströmt oder ausströmt, während das relat ν heiße Strömungsmedium im oberen Teil des Behälters 4 einströmt oder ausströmt. Darüber hinaus sollte das S römungsverteilungssystem im unteren Bereich des Behalte s und im oberen Bereich des Behälters 4 derart ausgebildet sein, daß Turbulenzen möglichst gering gehalten werden

Um sicherzustellen, daß sich innerhalb des Tanks ~ eine Thermocline ausbildet, sollten mehrere Parameter eingehalten werden. Das Verhältnis des Zwischenraumvolumens zum Gesamtvolumen sollte weniger als etwa 0,4 betragen (dieses Verhältnis wird als Zwischanraumanteil bezeichnet). Ferner sollte bei Verwendung von Festkörperteilchen mit zwei verschiedenen Teilchengrößen das Ve-hältnis des durchschnittlichen Durchmessers des grobkörnigen Feststoffs zum durchschnittlichen Durchmesser des feinkörnigen Feststoffs nicht kleiner als etwa 8 sein. Ferner sollte die Oberflächengeschwin digkeit im Bereich von etwa 1,2 bis 6 m/h liegen. Die Oberflächengeschwindigkeit ist definiert als die volumetrische Stromungsrate des Stromungsmediums, dividiert durch die Querschnittsfläche des Tanks (^D /4). Ferner sollte das Verhältnis der Eöhe des Behälters 4 zum Durchmesser des Behälters 4 im Bereich von "twa 0,2 bis 1,5 liegen,

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Il ./Thermische Energiespei eher einrichtung, gekennzeichnet

durch ein Bett (6) aus teilchenförmigen! Feststoff material, eine in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Bett (6) stehende Flüssigkeit (8), welche in Zusammenwirkung mit dem Bett (6) ein Flüssigkeits-Feststoff-System mit einer Thermocline bildet und einer Einrichtung (10 bis 22) zur Einleitung der Flüssigkeit in das Flüssigkeits-Feststoff-System und einer Einrichtung (28 bis 42) zur Extraktion der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Feststoff-System .
2. Thermische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (10 bis 22) zur Einführung der Flüssigkeit und die Einrichtung (28 bis 42) zur Extraktion der Flüssigkeit eine Einrichtung zur Einführung und Extraktion relativ kalter Flüssigkeit im Bereich des Bodens des Betts (β) umfaßt sowie eine Einrichtung zur Einführung und Extraktion relativ heißer Flüssigkeit im oberen Bereich des Betts (6).
3. Thermische Energiespei eher einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Zwischenraumvolumens zum Gesamtvolumen des Betts (6) weniger als etwa 0,4 beträgt.
4. Thermische Energiespeichereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß das Bett aus teilchenförmigen! Feststoff material mit zwei verschiedenen Tellchengrößen besteht und daß das Verhältnis des durchschnittlichen Durchmessers des teilchenförmigen Feststoffs mit großer Teilchengröße zum durchschnittlichen Durchmesser des teilchenförmigen Feststoffs mit kleiner Teilchengröße nicht kleiner als etwa 8 ist.

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5. Thermische Energiespeichereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächengeschwindigkeit der Flüssigkeit im
Bereich von etwa 1,2 bis 6 m/h liegt.
6. Thermische Energiespeichereinrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Höhe zum Durchmesser des Betts (6) im Bereich von etwa 0,5 bis 1,5 liegt.

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