DE2748635C2

DE2748635C2 - Wärmespeicher

Info

Publication number: DE2748635C2
Application number: DE2748635A
Authority: DE
Inventors: Charles Robert Palos Verdes Calif. Easton; Joseph Encino Calif. Friedman; Richard Jacob Irvine Calif. Holl; Rex C. Calabasas Calif. 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: 1985-05-15
Also published as: DE2748635A1; US4124061A; ES461770A1; JPS5356752A; JPS616318B2; FR2369507B1; FR2369507A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ζιτη Aufnehmen, Speichern und Abgeben von Wärme ist aus der DE-OS 25 39 062 bekannt Ein solcher W?-mespeicher eignet sich als Komponente von Solarenergiesystemen, bei denen aufgrund der täglichen Temperaturwechsel und der •unterschiedlichen Bewölkungsverhältnisse eine Speicherung der thermischen Sonnenenergie erforderlich ist

Bei Wirtschaftlichkeitsanalysen hat sich eine Wärmespeicherung unter Verwendung eines Wärmespeichers des obengenannten Typs als am vorteilhaftesten erwiesen (vgl. Dr. Darrington Daniels »Direct Use of the Sun's Energy«, Yale University. 1964). So kann beispielsweise Kies oder zerkleinertes Gestein als billiges teilchenformiges Wärmespeichermaterial eingesetzt werden, welches sich als Wärmespeichermedium bis zu Temperaturen von über 800⁰C eignet, wobei die obere Grenze durch die Art des Wärmeübertragungsmediums bestimmt wird.

Nachteiligertveise ist es jedoch bei den bekannten Wärmespeichern dieser Art nicht möglich, die Austrittstemperatur der Flüssigkeit bei der Entnahme von Wärme auf einem konstant hohen Wert zu halten. Vielmehr fällt die Austrittstemperatur mit zunehmender Erschöpfung des Wärmespeichers rasch unter die maximale Speichertemperatur ab.

Andererseits ist von rein flüssigen Wärmespeichersystemen, z. B. Haushalts-Heißwasser-Geräten. bekannt, daß Wasser (und andere Flüssigkeiten) unter bestimmten Bedingungen eine Grenzfläche (Thermocline) ausbilden können. Diese Grenzfläche steigt oder sinkt in dem Maße, in dem Flüssigkeit in den Behälter eingeführt wird oder aus dem Behälter entnommen wird, so daß die Temperatur der abgezogenen Flüssigkeit im wesentlichen konstant ist, bis die Grenzfläche erreicht wird. In diesem Moment fällt die Temperatur rasch auf die Temperatur der nicht erhitzten Flüssigkeit ab. Von den Erfindern wurde festgestellt, daß sich dieses Grenzflächen-Prinzip (Thermociine-Prinzip) auch auf einen Wärmespeicher anwenden läßt welcher ein teilchenförmiges Wärmespeichermateriai umfaßt

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmespeicher der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß unter Ausnutzung des Grenzflächen-Prinzips die gespeicherte Wärme bei einem konstanten Temperaturniveau entnommen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Wärmespeicher der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst

Bevorzugte Ausführungsformen des Wärmespeichers iind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher wird vorteilhafterweise das allmähliche Absinken der Temperatur im Zuge der Wärmeentnahme verhindert Durch eine zweckentsprechende Auswahl der Art des teilchenförmigen Wärmespeichermaterials, der Teilchefigröße, der An der Flüssigkeit, der Sirömuugigcschwindigkeit sowie des Volumenanteils von teilchenförmigen! Material und Flüssigkeit kann die Effizienz des Wärmespeichers optimiert und den jeweils gegebenen Verhältnissen angepaßt werden. Beispielsweise kann mit einem Bett aus zerkleinertem Gestein das Thermoclinen-Prinz.p bei Speichertemperaturen bis mindestens 816°C (1500° F) ausgenutzt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmespeichers, teilweise im Schnitt;

F i g. 2 ein Diagramm des Ortes der Grenzfläche in dem Wärmespeicher gemäß Fig. 1 bei der Entnahme der erhitzten Flüssigkeit und

F ι g. 3 ein Diagramm der Temperatur der aus dem Wärmespeicher gemäß Fig. I entnommenen Flüssigkeit als Funktion der Zeit.

Gemäß F i g. 1 weist ein Wärme- icher 2 einen Behälter 4 auf. «,elcher flüssigkeitsdicht ausgeführt ist. Der Behälter 4 ist mit gekörntem Wärmespeichermateriai 6 gefüllt. Ferner enthält der Behälter 4 eine Flüssigkeit 8. welche die Zwischenräume /.wischen den Teilchen des Wärmespeichermaterials 6 ausfüllt. Zur Eingabe der Wärme in den Behälter 4 zum Zwecke der Speicherung wird heiße Flüssigkeit 8 von einer geeigneten nicht gezeigten Wärmequelle, ζ. Β einem Ofen, einem Kernreaktor, einem Solarofen oder dgl., über Rohrleitungen 10 und 12 einem Eingangswärmeaustauscher 14 gemäß den Pfeillimen 16 zugeführt. Die F! sigkeil 8 wird am Boden des Behälters 4 über eine Ableitung 18 entnommen. C:e Flüssigkeit 8 strömt sodann durch den Eingangswärmeaustauscher 14 und wird hier durch das heiße Strömungsmedium der Wärmequelle aufgeheizt. Die erhitzte Flüssigkeit 8 strömt durch die Zuleitung 22 in den oberen Teil des Behälters 4 gemäß der Pfeillinie 26. Zur Entnahme der Wärme i>us dem Behälter 4 wird die erhitzte Flüssigkeit 8 am Kopf ties Behälter«, 4 gemäß Pfeillinie 36 iiber eine Ableitung 28 entnommen Die erhitzte Flüssigkeit 8 strömt durch einen Aysgangswar· meaustauscher 38. Danach kehrt die Flüssigkeit 8 zum Boden des Behälters 4 über eine Zuleitung 32 zurück. Rohrleitungen 40 und 42 sind vorgesehen, durch welche ein geeignetes Strömungsmedium durch den Ausgangswärmeaustauscher 38 hindurchströmt Dieses Strömungsmedium wird durch die Flüssigkeit 8 erhitzt, und das erhitzte Strömungsmedium wird einer nicht gezeigten Einrichtung zur Ausnutzung der Wärme zugeführt, z. B. einer einen Generator treibenden Turbine oder ei-

nem Raumheizsystem.

Während der thermischen Aufladung strömt die Flüssigkeit S im Behälter 4 abwärts und bei der thermischen Entladung strömt die Flüssigkeit aufwärts. Bei dieser Anordnung ist die Ilus.sigkcil 8 im iiberen Hcreich des ί Behälters 4 heißer als im unteren Bereich des Behälters 4. Der Behälter 4 ist als ein zylindrischer Tank mit 20 m Durchmesse- und 17 m Höhe ausgebildet. Dar Behälter 4 enthält als Wärmespeichermaterial 6 11 000 t zerkleinerten Granit und groben Sand sowie 1170 m³ Flüssig- to keil 8. Der Behälter 4 hat eine Energiespeicherkapazität von etwa 200 Megawatt-Stunden und arbeitet bei einem Temperaturbereich von 218°C bis 302⁰C.

Wenn man annimmt daß das Wärmespeichermaterial 6 und die Flüssigkeit 8 in Jem Behälter 4 anfänglich eine Gleichgewichtstemperatur von 302^cC haben, so bildet sich eine Grenzfläche am Boden des Behälters 4 auf. was in F i g. 2 durch die vertikale Linie 46 angedeutet ist. Um nun Wärme aus dem Wärmespeicher 2 zu entnehmen, wird die Flüssigkeit S über die Ableitung 28 aus dem Behälter 4 entnommen. Dabei gibt die FIi¹ .sigkeit 8 einen Teil ihrer Wärme an den Ausgangswärmeaustauscher 38 ab und kehrt zum Boden des Behälters 4 über die Zuleitung 32 zurück. Die Flüssigkeit 8 hat dabei eine Temperatur von etwa 218° C. Nunmehr bewegt sich die Grenzfläche innerhalb des Behälters 4 aufwärts (siehe Linie 48. F ι g. 2). Oberhalb der Grenzfläche 48 hat die Flüssigkeit eine Temperatur von 302°C. Unterhalb der Grenzfläche 48 beträgt die Temperatur der Flüssigkeit 218°C. Beider weiteren Entnahme von Wärme aus dem Wärmespeicher 2 bewegt sich die Grenzfläche weiter aufwärts (Linien 50 und 52, F i g. 2). Schließlich erreicht die Grenzfläche das obere Ende des Behälters 4 (Linie 54. F i g. 2). Nunmehr sinkt die Temperatur der über die Ableitung 28 entnommenen Flüssigkeit 8 rasch auf den unteren Temperaturwert von 218 C. Vorzugsweise wird jedoch die Wärmeextraktion unterbrochen, bevor dieser Wert erreicht ist. Nunmehr wird die erhitzte Flüssigkeit 8 t..it einer Temperatur von 302¹C dem Behälter 4 über die Zuleitung 22 zugeführt, wobei die Grenzfläehe abwärts bewegt wird. Auf diese W»ise wird der Wärmespeicher 2 wieder aufgeladen. Danach kann die Warmeentnahme wieder aufgenommen werden.

F i g. 3 zeigt eine Kurve der Temperatur der aus dem Behälter 4 über die Ableitung 28 entnommenen Flüssigken 8 als Funktion der Zeit. Wie oben beschrieben, wui de festgestellt, daß die Temperatur der ausströmenden Flüssigkeit 8 im wesentlichen konstant ist und etwa der oberen Betriebstemperatur entspricht. Dies ist durch die Linie 56 angedeutet. Diese Temperatir wird beibehalten, bis der größte Teil der Energie des Wärmespeichers 2 extrahiert isi. Sodann beginnt die Temperatur der ausstn nenden flüssigkeit 8 rasch abzufallen. Dies ist durch die Linie 58 dargestellt. Vorzugsweise wird ein Abschaltpunkt. / B Uer Punkt 60. festgelegt, bei dem die Warmeentnahme uP'erbrochen wird. Wenn der Abschaltpunkt auf 293.? C festgesetzt w;rd und somit um 8.3 C unter der oberen Grenze von 302 C liegt, so verbleibt ein Teil der gespeicherten thermischen Energie im Behälter 4, was dMrch die schraffierte Fläche in den Fig.2 und 3 angedeutet ist. Diese Energie kann ebenfalls entnommen werden, jedoch nur bei Inkaufnahme einer allmählich abfallenden Temperatur der Flüssigkeit 8. Dies ist in Fi^. 3 durch die Kurve 58 angedeutet. Wenn man jedoch die Größe der schraffierten Fläche der F i g. 2 durch die Cesamtfläche der F i g. 2 dividiert, so erhält man einen Wert, welcher als Extraktionseffizienz des Wärmcspeicbers 2 bezeichnet werden kann.

Bei Zugrundelegung des Ausführungsbeispiels beträgt die Extraktionseffizienz 95%.

Um sicherzustellen, daß sich innerhalb des Behälters 4 eine Grenzfläche ausbildet, enthält die Mischung aus Wiirincspeichermnterial fa und Flüssigkeit 8 weniger als 40 Volumen-% Flüssigkeit. Bei Verwendung von Festkörperteilchen mit zwei unterschiedlichen mittleren Teilchengrößen darf das Verhältnis des mittleren Teilchendurchmessers des grobkörnigen Feststoffs zum mittleren Teilchendurchmesser des feinkörnigen Feststoffs nicht kleiner als etwa 8 sein. Die Oberflächengeschwindigkeit (definiert als die volumetrische Strömur.gsrate der Flüssigkeit, dividiert durch die Querschnittsfläche des Behälters) liegt im Bereich von 1,2 bis 6 m/h. Das Verhältnis der Höhe des Behälters 4 zum Durchmesser des Behälters 4 liegt im Bereich von 0,2 bis 1,5.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmespeicher, mit einem Behälter, der eine Mischung aus teilchenförmigen! Wärmespeichermateria! und einer Flüssigkeit enthält, mit je einem die Flüssigkeit über eine Zuleitung einführenden und an anderer Stelle über eine Ableitung entnehmenden Kreislauf zum Einspeichern bzw. zum Entnehmen von Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einspeicherungskreislauf die Zuleitung (22) am oberen Ende und die Ableitung (18) am unteren Ende des Behälters (4) angeordnet sind und beim Entnahmekreislauf umgekehrt

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung weniger als 40 Volumen-% Flüssigkeit enthält

3. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadfti <ch gekennzeichnet daß das teilchenförmige Wärmespeichermateriai (6) aus einem Gemisch zweier Materialien unterschiedlicher mittlerer Teilchengröße besteht, wobei das Verhältnis der mittleren Teilchendurchmesser mindestens 8 beträgt