DE2849161A1

DE2849161A1 - Verfahren und vorrichtung zur speicherung von waermeenergie

Info

Publication number: DE2849161A1
Application number: DE19782849161
Authority: DE
Inventors: Birgit Ingegaerd Morawetz; Ernst Morawetz
Original assignee: TEKNOTERM SYSTEMS AB
Current assignee: TEKNOTERM SYSTEMS AB
Priority date: 1977-11-14
Filing date: 1978-11-13
Publication date: 1979-05-17
Also published as: FR2408806A1; JPS5477353A; SE7712829L; SE408955B; US4263961A; FR2408806B3; ES475033A1

Description

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. WERNER FREISCHEM

. ILSE FREISCHEM

5000 KÖLN 1 HEUMARKT 50 TELEFON: (0221) 23 58 68

Anmelderin : Teknoterm Systems AB T 78 PaGm 78/1

Box 30039
200 61 Malmö/Schweden

Bezeichnung : Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung

von Wärmeenergie

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie in Form von Schmelzwärme in einem Hybrid-Wärmespeicher, der einen ersten und einen zweiten Stoff enthält, die unterschiedliche Schmelztemperaturen und unterschiedliche Dichten haben, sowie in ihrem flüssigen Aggregatzustand nicht mischbar sind, und auf eine nach diesem Verfahren arbeitenden Hybrid-Wärmespeicher.

Die bekannten Hybrid-Wärmespeicher dieser Art enthalten zwei verschiedene Stoffe, die unterschiedliche Schmelztemperaturen und unterschiedliche spezifische Gewichte, also Dichten, haben, die Stoffe haben eine sehr kleine relative Löslichkeit, das heißt, sie sind nicht miteinander mischbar. Einer der beiden Stoffe, der die niedrigere Schmelztemperatur aufweist, wird als Wärmetransportmedium benutzt, während der andere Stoff als Wärmespeichermittel dient, indem seine Schmelzwärme genutzt wird. Wenn der andere Stoff eine schlechte Wärmeleitfähigkeit hat, treten Probleme hinsichtlich des Wärmeenergieübergangs zwischen den beiden Stoffen auf, diese Schwierigkeiten werden bei geringen Temperaturdifferenzen beträchtlich.

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Der Wärmeübergang zwischen einem festen (oder flüssigen) Stoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit und einem flüssigen Wärmetransportmedium stellt ein technisch sehr schwieriges Problem dar und verlangt gewöhnlich große Temperaturgradienten und große, wärmetauschende Oberflächen, die aber teuer sind. In einem Solar-Wärmesystem werden diese Probleme zusätzlich dadurch schwierig, daß die vom Sonnenenergiekollektor normalerweise zur Verfügung gestellte Wärme bei einem relativ geringen Temperaturniveau vorliegt. Der Wirkungsgrad eines Solarenergiesystems ist demzufolge davon abhängig, ob ein wirkungsvoller Wärmeübergang bei geringen Temperaturdifferenzen stattfinden kann, insbesondere in der Vorrichtung für die Warmeenergiespeicherung (Wärmespeicher).

Seit langer Zeit sind Versuche unternommen worden, um die Probleme zu lösen, die mit der Warmeenergiespeicherung in einer Salzhydrat-Schmelze verbunden sind, zum Beispiel Glauber-Salz, wässriges Calciumchlorid, wässriges Eisenchlorid usw. Diese Stoffe haben eine relativ hohe Schmelzwärme und sind vergleichsweise kostengünstig. Das Verfahren zur Speicherung von Schmelzwärme ist demzufolge sehr einfach. Wärmeeinspeisung und Wärmespeicherung wird erreicht durch Schmelzen des kristallinen, im festen Zustand vorliegenden Materials durch Wärmezufuhr, hierdurch wird der Stoff in den flüssigen Aggregatzustand überführt. Wenn Wärme abgegeben wird, läuft der umgekehrte Vorgang ab.

Probleme rühren hauptsächlich her von

a) dem Prozeß des Phasenübergangs,

b) dem Wärmeenergieübergan-g zwischen dem schmelzbaren Stoff und

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dem Wärmetransportmedium, dies ist gewöhnlich eine Flüssigkeit oder ein Gas,

c) der Lebensdauer des Systems,

d) der ätzenden Schärfe des schmelzbaren Materials,

e) der Ausführung für den Tank und den Wärmetauscher, und j f) der Schmelztemperatur.

Während des Phasenübergangs (a) können ungünstige Effekte auftreten, so zum Beispiel Phasentrennung, Sedimentation von Kristallen, chemische Zersetzung und/oder Unterkühlungsphänomene.

Der Wärmeübergang (b) und der Tank sowie der Wärmetauscher werden gewöhnlich derartig ausgeführt, daß der wärmespeichernde Stoff in einer großen Zahl von kleinen Behältern untergebracht ist, von denen jeder in Kontakt mit dem Wärmetransportmedium steht. Als Ergebnis wird ein guter Wärmeenergieübergang erreicht jedoch ist der gesamte Tank schnell ausgesprochen teuer und die Behälter müssen in beliebiger, geeigneter Weise gestapelt oder befestigt werden.

Salzhydrate haben eine begrenzte Lebensdauer (c,d). Weiterhin haben Salzhydrate insbesondere eine hohe Aggressivität (d), wodurch Probleme hinsichtlich der Ummantelung entstehen.

Viele Stoffe, die eine hohe Schmelzwärme aufweisen, haben eine zu hohe oder zu geringe Schmelztemperatur, als technisch ausnutzbar ist (f). Um dieses Problem zu umgehen, ist es möglich,

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eine Wärmepumpe einzusetzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie sowie eine nach diesem Verfahren arbeitenden Vorrichtung zu schaffen, bei denen die geschilderten Nachteile nicht auftreten, die wirtschaftlich arbeiten, eine gute Speicherkapazität aufweisen und die sich für die Verwendung in Solarenergie-Systeinen eignen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 7.

Die Wärmespeicherkapazität einer derartigen Vorrichtung ist zumindest doppelt so groß wie die Wärmespeicherkapazität eines Wassertanks mit denselben Außenabmessungen.

Insbesondere wird vorgeschlagen, für das Zwei-Stoff-System im Wärmespeicher ein nicht-komplexes Material, zum Beispiel Paraffin und Wasser oder Paraffin und ein Öl zu verwenden. Derartige Zwei-Stoff-Systeme, also zum Beispiel Wasser/Eis und Paraffine, sind frei von den unter (d) geschilderten Problemen. Weiterhin sind die Schwierigkeiten, die mit dem Phasenübergang (a) der Aggressivität (d) und der Schmelztemperatur (f) auftreten, vermieden. Dabei wird Paraffin lediglich als ein für die Ausführung der Erfindung geeigneter Stoff in Art eines Ausführungsbeispiels angesehen, ohne daß hierdurch die Verwendung anderer Stoffe ausgeschlossen sein soll. Paraffin hat den Nachteil,

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daß seine Wärmeleitfähigkeit bedeutend geringer ist als die von beispielsweise Wasser, insbesondere im geschmolzenen Zustand, aus diesem Grund muß das mit dem Wärmeübergang verbundene Problem gelöst werden.

Die Erfindung basiert auf den folgenden physikalischen Gegebenheiten:

Zwei nicht miteinander mischbare Stoffe können in intimen Kontakt miteinander gebracht werden, ohne daß sie sich vermischen, das heißt, ohne daß sie sich ineinander lösen. Weiterhin kann die Oberfläche eines im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Stoffes vervielfacht werden, indem dieser in Tropfen oder Tröpfchen zerteilt wird. Schließlich bilden zwei miteinander nicht mischbare Flüssigkeiten unterschiedlicher spezifischer Gewichte Schichten übereinander aus, ohne daß sie sich vermischen.

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Diese physikalischen Eigenschaften werden derart genutzt, daß der erste Stoff, der als Wärmetransportmedium dient und die geringere Schmelztemperatur hat, beispielsweise Wasser, in Tropfen oder Tröpfchen geteilt wird und durch den anderen Stoff, beispielsweise Paraffin, in Form von Tropfen hindurchgeschickt wird, wobei das Wärmetransportmedium wirksam die Temperatur des anderen Stoffes aufgrund der großen Kontaktfläche annimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus den folgenden Schritten: Wenn Wärme aus dem Wärmespeicher entzogen wird, wird der

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erste Stoff, der die geringere Schmelztemperatur aufweist, in direkten, einen Wärmetausch ermöglichenden Kontakt mit dem zweiten Material gebracht, dieses ist im wesentlichen in einem flüssigen Zustand, in dem Tröpfchen des ersten Stoffes, die eine geringere Temperatur haben als die Schmelztemperatur des zweiten Stoffes beträgt, durch diesen zweiten Stoff geschickt werden, wobei die Tröpfchen des ersten Materials aufgewärmt werden und herangezogen werden können, ihre Wärme in einem Außenkreis abzugeben, dabei kühlt sich der zweite Stoff in Tropfchenform in den festen Zustand ab. Bei Wärmeeinspeisung in den Wärmespeicher werden Flußkanäle im zweiten Stoff ausgebildet, dieser ist dabei im wesentlichen im festen Aggregatzustand, wodurch Tröpfchen des ersten Stoffes, der eine höhere Temperatur aufweist, als die Schmelztemperatur des zweiten Stoffes beträgt, durch die Flußkanäle hindurchgeschickt werden. Der zweite Stoff rings um die Kanäle wird durch den direkten Wärmeübergang zum Schmelzen gebracht. Vorteilhafterweise hat der erste Stoff eine höhere Dichte als der zweite Stoff, der erste Stoff wird auf das zweite Material aufgebracht durch Sprühen oder Rieseln.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in einem gangartigen Gehäuse die beiden Stoffe des Zwei-Stoff-Systems in Lagen übereinander angeordnet, eine Zuleitung ist vorgesehen, die eine Tropfeneinrichtung aufweist, durch die der erste Stoff, der die geringere Schmelztemperatur aufweist, in Tropfen geteilt wird. Weiterhin ist eine Entnahmeleitung für den ersten Stoff vorgesehen.

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Anhand von Ausführungsbeispielen wird im folgenden die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in dieser Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Schemadarstellung für die Arbeitsweise des Verfahrens,

Fig. 3 eine Skizze, in der ein Wärmespeicher in ein Solarenorgiesystem einbezogen ist, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit Wärmepumpe, um heißes Leitungswasser bereiten zu können.

In Fig. 1 ist das Prinzip dargestellt, nach dem die Entnahme von Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher erfolgt. Der Wärmespeicher weist auf einen tankartigen Behälter 1 mit einem Einlaß 2 und einem Auslaß 3. Im Behälter 1 ist eine gewisse Menge eines ersten Stoffes 5 im unteren Bereich und eine gewisse Menge eines zweiten Stoffes 6, der auf dem ersten Stoff 5 schwimmt, untergebracht. Der erste Stoff 5 ist Wasser und der zweite Stoff 6 Paraffin. Die Schmelztemperatur des Paraffins beträgt etwa 52⁰C, das Paraffin befindet sich im geschmolzenen Zustand. Das Einlaßrohr 2 ist mit einer Tropfeneinrichtung 4 versehen, aus der Wasser tropfenweise abgegeben wird. Das Paraffin 6 und das Wasser 5 haben am Boden des Gefäßes 1 dieselbe Temperatur, diese ist höher als 52°C, sie beträgt beispielsweise 54°C. Da Paraffin leichter als Wasser ist, schwimmt es auf dem Wasser.

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Wird kaltes Wasser, das eine Temperatur von weniger als 52°C aufweist, in den Einlaß 2 gegeben und läßt man es durch die Tropfeneinrichtung 4 hindurchlaufen, so finden die folgenden Vorgänge statt: Das Tröpfchen erreicht die Oberfläche des geschmolzenen Paraffins und beginnt durch die Paraffinschicht hindurch zu sinken. Während dieser Fallbewegung nimmt das Tröpfchen Wärmeenergie aus dem heißen Paraffin auf, während das Paraffin in unmittelbarer Nähe des Tröpfchens sich abkühlt. Wenn die Temperatur des Paraffins, das sich in unmittelbarer Nähe des Tröpfchens befindet, eine Temperatur unterhalb von 52°C erreicht, erstarrt ein gewisser Teil des Paraffins an der Unterseite des Tröpfchens. Dieses festgewordene Paraffin bildet ein etwa tassenförmiges Tröpfchen, das das Wassertröpfchen auf seinem Wege nach unten durch das Paraffin begleitet, denn das Paraffin hat im festen Aggregatzustand eine höhere Dichte als im geschmolzenen Zustand. Sobald diese Zweiheit aus einem Wassertröpfchen und einem Paraffinteilchen die Grenzschicht zwischen dem Wasser und dem Paraffin erreicht, bleibt das Paraffintröpfchen an der Grenzfläche liegen, wohingegen das aufgeheizte Wassertröpfchen die Grenzfläche überquert. Wird mehr kaltes Wasser durch den Einlaß 2 hindurchgegeben, so werden dementsprechend weitere Paraffinteilchen ausgebildet, die sich an der Obergangsfläche zwischen dem Paraffin und dem Wasser ansammeln. Schließlich ist der größte Anteil des flüssigen Paraffins in den festen Aggregatzustand überführt, dies bedeutet, daß die im Paraffin gespeicherte Schmelzwärme entnommen wurde bei etwa der Schmelztemperatur des Paraffins, also ca. 52⁰C, und zwar durch

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unmittelbaren Würmetausch in dem Wassertröpfchen und dem umgebenden Paraffin. Wenn etwa das gesamte Paraffin festgeworden ist, können zusätzliche Wassertropfen nicht passieren, der genannte Vorgang stoppt. ALs Folge der Tatsache, daß die erstarrten Paraffintröpfchen eine annähernd tassenähnliche Form haben, wird eine geringe Menge des Wassers in der erstarrten Paraffinmasse gespeichert. Diese begrenzte Wassermenge trägt dazu bei, daß die Wärmeleitfähigkeit des festen Paraffins verbessert wird. Die Wärmespeichervorrichtung kann nun neu mit Wärmeenergie beschickt werden, bis alles Paraffin wieder im geschmolzenen Zustand ist.

Fig. 2 zeigt, wie der Wärmespeicher mit Wärmeenergie aufgeladen wird. Der Wärmespeicher nach Fig. 1 ist hierfür zusätzlich mit einem vertikalen Rohr 7 und einem Ventil 8 ausgerüstet. Das Rohr 7 erstreckt sich vom Einlaß 2 durch die Lage des Paraffins 6 hindurch und mündet im Wasser 5, unterhalb der Paraffinschicht. Wird heißes Wasser, das eine Temperatur von mehr als 52°C hat, in den Einlaß 2 eingegeben, so kann es über das Ventil 8 durch das Rohr 7 hindurch in die unten liegende Wasserschicht 5 gelangen. Als Folge dieses Vorgangs schmilzt ein Teil des Paraffins, das rings um das Rohr 7 herum liegt, hierdurch wird ein durch die erstarrte Paraffinlage 6 hindurchreichender Fließkanal ausgebildet. In diesem Zustand wird das Ventil 8 geschlossen und heißes Wasser tropfenweise durch die Tropfeneinrichtung 4 ausgegeben. Das austropfende Wasser kann durch den Fließkanal 10 hindurchfließen, hierbei wird ein intimer Wärmekontakt zwischen den Wassertröpfchen und dem geschmolzenen Paraffin im Flußkanal erreicht _t und die Wärme aus dem

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Wassertropfen an das Paraffin 6 gegeben, dabei wird der Fließkanal 10 ausgeweitet. Im Endzustand ist die gesamte Lage des Paraffins 6 aufgeschmolzen, der Wärmespeicher ist vollständig aufgeladen.

Das Wasser 5 im Gefäß 1 kann dazu benutzt werden, in einem Aussenkreislauf Wärme abzugeben oder aufzunehmen.

Wie bereits oben erwähnt, können auch andere Kombinationen für das Zwei-Stoff-System verwendet werden, beispielsweise Wasser/Öl. Wenn das öl eine höhere Dichte als Wasser hat, kann das Wasser den Stoff bilden, dessen Schmelzwärme genutzt wird, hier bei 0⁰C. Es ist aber auch möglich, ein öl zu benutzen, das eine geringere Dichte als Wasser hat, wie beispielsweise ein Gering-Viskoses-Thermoöl. In diesem Fall wird der Einlaß 2 am Boden des Gefäßes 1 vorgesehen, und der Auslaß 3 ist im oberen Bereich des Gefäßes 1 angeordnet, das Thermoöl schichtet sich oberhalb des Wassers/Eises und bildet das Wärmetransportmedium, hierdurch wird ein invertiertes System erzielt.

Die Tropfeneinrichtung 4 besteht vorteilhafterweise aus einem Düsenteil, der ähnlich einer Duschbrause ist und eine Vielzahl von kleinen öffnungen aufweist. Das durch die öffnungen strömende Wasser wird in feine Tröpfchen oder in einen äußerst feinen Fluß aufgeteilt. Dabei ist anzumerken, daß mit dem Ausdruck "Tröpfchen" in der vorliegenden Beschreibung nicht nur vereinzelte Tröpfchen verstanden werden, sondern auch ein mehr oder weniger kontinuierlicher Fluß von Tropfen oder Tröpfchen, oder

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ein Fluß aus einer Vielzahl von dünnen Strahlen oder Spritzern, der wiederum teilweise aus Tropfen oder Tröpfchen bestehen kann. Eine wesentliche Eigenart der Erfindung besteht darin, daß das zugeführte Wasser so aufgeteilt und zerteilt wird, daß seine Kontaktoberfläche mit dem Paraffin groß wird. Die vertikale Leitung oder das absperrbare Heizrohr 7 haben zwei Funktionen, eine Wärmetauschfunktion und eine Absperrfunktion. Der Wärmetausch findet zwischen der Außenoberfläche des Rohres und dem umgebenden Paraffin statt, so daß Fließkanäle 10 während des Beginns des Einspeisevorgangs von Wärmeenergie ausgebildet werden. Die Absperrfunktion kann mittels eines Absperrventils, eines Drosselventils oder eines Ausschalt-Einschaltventils erreicht werden. In anderer Ausführung kann das Heizrohr 7 als Kapillarrohr ausgebildet sein, dies wird eingehender in Verbindung mit Figur 4 erläutert werden. Das Heizrohr 7 kann im wesentlichen vertikal verlaufen oder nach unten hin schraubenförmig gewunden sein, es kann jedoch auch in anderer, beliebiger Art angeordnet sein, so daß es eine nach unten gerichtete Neigung aufweist und Wasser durch das Rohr hindurch nach unten fließen kann.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie der Wärmespeicher in ein Heizsystem mit einem Solarenergiekollektor für die Heizung eines Hauses einbezogen werden kann. Dieses Heizsystem hat ein Gefäß 11, in das Wasser 15 und Paraffin 16 eingefüllt sind. Ein darüber befindlicher Raum 19 ist mit Gas gefüllt. Zum Gesamtsystem gehört weiterhin ein Solarkollektor 20, ein Einlaßrohr 12, eine Auslaßleitung 13, eine Tropfeneinrichtung in Form von perforier-

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ten Rohrstücken 14 oder einer Düse 14a und vertikalen Rohrstücken 17. Eine Zirkulationspumpe 21 pumpt das Wasser in einem Kreislauf von der Auslaßleitung 13 durch die Steigleitung 22 in den Solarkollektor 20 und schließlich durch die nach unten führende Leitung 23 und ein Drosselventil in den Einlaß 12 des Gefäßes 11. Ein Nebenschlußrohr 24 verbindet das Ende des Einlaßrohres 12 mit der Auslaßleitung 13, sie ist über ein Ventil 18 steuerbar. Dieses Ventil kann ein Drossel-, Absperr- oder An/Aufventil sein. Das Nebenschlußrohr 24 und das Ventil 18 können durch ein Kapillarrohr ersetzt werden. Eine zweite Auslaßleitung 25 führt zu einem Wärmeverbraucher 26, von dem das Wasser direkt in den Tank 11 über die Zuführleitung 27 oder über die Auslaßleitung 13 zurückgeführt wird. Eine zweite Nebenschlußleitung 28 verbindet die Steigleitung 22 mit der nach unten führenden Leitung 23 über einen Dreiwegehahn 29.

Im folgenden wird nun die Funktion dieses Systems erklärt: Wenn Wärme geliefert wird, befindet sich das Dreiwegeventil 29 in der Position, in der die Nebenschlußleitung 28 abgesperrt ist. Im Anfangszustand ist das Ventil 18 geöffnet. Durch die Sonne aufgeheiztes Wasser wird nun mittels der Pumpe 21 vom Solarkollektor 20 durch die nach unten führende Leitung 23 hindurch in das Einlaßrohr 12, und weiter durch die Rohrstücke 15 und 17 und schließlich durch das Ventil 18, die Nebenschlußleitung 24 zum Auslaßrohr 13 und schließlich zum Pumpe 21 hin gepumpt. Dabei dringt im wesentlichen kein Wasser aus den perforierten Rohrstücken 14 aus, da der Austrittswiderstand für das Wasser durch dje perforierten öffnungen größer ist als der Flußwlder-

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stand durch die Nebenschlußleitung. Das Paraffin 16 rings um die Rohrstücke 17 beginnt zu schmelzen, hierdurch werden Fließkanäle ausgebildet. In diesem Zustand wird das Ventil 18 geschlossen, hierdurch wird erreicht, daß Wasser durch die perforierten Auslaßbereiche hindurchgedrückt wird und beginnt, die Paraffinsehicht zur darunterliegenden Wasserschicht hin zu durchqueren. Hierdurch wird die Wärmeenergie vom Wasser an das feste Paraffin abgegeben, was dadurch schmilzt. Das Wasser fließt durch den Auslaß 13 zur Pumpe 21, und durch die Steigleitung 22 zum Solarkollektor 20. Zur selben Zeit kann eine Teilmenge des Wassers im Kreislauf 25, 26, 27 zu einem Wärmeverbraucher strömen. Dieser Verbraucherkreislauf ist nicht im einzelnen dargestellt, da er an sich bekannt ist.

Wenn Wärme entnommen wird, während der Solarkollektor keine Wärmeenergie liefert, beispielsweise nachts, so wird das Dreiwegeventil 29 so verstellt, daß die Nebenschlußleitung 28 die

Steigleitung 22 mit der nach unten führenden Leitung 23 verbindet. Das Ventil 18 wird geschlossen. Kaltes Wasser aus dem Rohr 27 fließt durch den Auslaß 13 zur Pumpe 21 und weiter durch die Nebenschlußleitung 28 in den Einlaß 12 des Gefäßes 11. Dieses Wasser kann durch die Paraffinschicht hindurchtropfen und wird hierdurch auf eine Temperatur oberhalb von 52⁰C aufgewärmt, worauf es durch den Wärmeverbraucher 26 hindurchfliessen kann. Wenn alle gespeicherte Wärme entnommen worden ist, kann kein Wasser mehr durch die nun kompakte Paraffinschicht hindurchtreten, demzufolge wird der Druck im Gasraum 19 an-

j steigen, dies kann wiederum benutzt werden, um ein Kontroll-

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signal zu erreichen, um die Pumpe 21 abzuschalten. Alternativ kann die Pumpe auch in Abhängigkeit von der Temperatur in der Paraffinschicht gesteuert werden und beispielsweise ausgeschaltet werden, wenn die Temperatur unterhalb von 50⁰C (oder eine andere geeignete Temperatur) anfällt.

Fig. 4 zeigt den Wärmespeicher in Verbindung mit einer Wärmepumpe, mittels der Wasser in einem Heißwassertank aufgeheizt wird. Dieses System weist auf ein Gefäß 31 mit einem Einlaß 32, einem äußeren, an sich bekannten Ausdehnungsgefäß (nicht dargestellt) , einem Auslaß 33 und einer Tropfeneinrichtung 34. Umschlossen von der Paraffinschicht 36 ist ein Heißwassertank 40, in den kaltes Wasser über eine Zuführleitung 41 eingespeist wird, und aus dem heißes Wasser über eine Entnahmeleitung 42 entnommen wird. Wenn heißes Wasser entnommen wird, so erstarrt Paraffin ringsum den Heißwassertank 40, wenn gleichzeitig eingespeistes kaltes Wasser aufgeheizt wird. Die Tropfeneinrichtung 34 ist ringsum den Heißwassertank 4 0 angeordnet. Aus der Tropfeneinrichtung ragt ein Kapillarrohr 37 vor, das sich schraubenförmig durch die Paraffinschicht 36 nach unten erstreckt und in der darunterliegenden Wasserschicht 35 mündet.

Es soll nun einmal davon ausgegangen werden, daß die Paraffinschicht 36 sich vollständig im festen Zustand befindet. In diesem Fall sind die Löcher oder öffnungen in der Tropfeneinrichtung 34 durch erstarrtes Paraffin versperrt. Wird nun heißes Wasser durch den Einlaß -32 hindurch eingegeben, so kann dieses nicht durch die verstopften öffnungen ausfließen, sondern wird

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durch die Kapillarröhren 37 hindurchtreten. Dabei werden Fließkanäle in der Paraffinschicht ausgebildet, wie bereits geschildert. Der Fluß durch die Kapillarröhrchen ist so minimal, daß er vernachlässigt werden kann.

Der Wärmespeicher nach der Erfindung kann auch mit getrennten Einlassen für Einspeisen und Entladen versehen werden. In diesem Fall kann die Einlaßleitung für das Einspeisen vollständig in Paraffin eingeschlossen sein, die perforierten öffnungen öffnen dabei in die Paraffinschicht. Die Einlaßleitung sollte jedoch in dem Bereich oberhalb der Paraffinschicht angeordnet sein, andererseits würden die perforierten Bereiche sich schnell mit Paraffin zusetzen.

Anstelle der Nebenschlußleitung 24 und dem Ventil 18 oder als Heizrohr, das durch die Paraffinschicht hindurchläuft und im Wasser mündet, können auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 Kapillarrohre verwendet werden, im Anfangsstadium ist beim Wärmeeinspeisen in den Wärmespeicher der Fließwiderstand durch die Kapillarohre geringer als der Austrittswiderstand durch die perforierten Öffnungsbereiche. Sobald sich aber Fließkanäle ausgebildet haben, wird der Auströmwiderstand kleiner und Wasser fließt im wesentlichen entlang des weniger Widerstand bietenden Weges durch die perforierten Öffnungsbereiche und die Paraffinschicht, während der Fluß durch die Kapillarrohre vernachlässigbar klein ist. Die Abmessungen der Kapillarrohre werden so gewählt, daß diese Funktion erreicht wird.

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Claims

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. WERNER FREISCHEM DiPL.-iNG. ILSE FREISCHEM 5000 KÖLN 1 HEUMARKT 50 TELEFON: (0221) 23 58 68 T 7 PaGm 78/1 PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie in Form von Schmelzwärme in einem Hybrid-Wärmespeicher, der einen ersten und einen zweiten Stoff enthält, die unterschiedliche Schmelztemperaturen und unterschiedliche Dichten haben, sowie in ihrem flüssigen Aggregatzustand nicht mischbar sind, dadurch gekennze ichnet, daß beim Entzug von Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher der die tiefere Schmelztemperatur aufweisende erste Stoff in direktem, einen Wärmetausch mit dem zweiten, im wesentlichen im flüssigen Zustand befindlichen Stoff ermöglichenden Kontakt gebracht wird, in dem Tröpfchen des ersten Stoffs, der eine im Vergleich zur Schmelztemperatur des zweiten Stoffs geringere Temperatur aufweist, den zweiten Stoff durchqueren, wobei die Tröpfchen des ersten Stoffs Wärmeenergie aufnehmen und genutzt werden können, Wärmeenergie in einem Außenkreis abzugeben, während der zweite Stoff in den festen Zustand übergeht, und daß bei Einspeisung von Wärmeenergie in den Wärmespeicher Fließkanäle im zweiten Stoff, der sich im wesentlichen im festen Zustand befindet, ausgebildet werden, wodurch Tröpfchen des ersten Stoffs, der im Vergleich zur Schmelztemperatur des zweiten Stoffs eine höhere Temperatur aufweist, die Kanäle durchqueren und dabei den zweiten Stoff ringsum die Kanäle durch direkten Wärmetausch zum Schmelzen bringen.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stoff eine höhere Dichte hat als der zweite Stoff und daß der erste Stoff fein verteilt (zum Beispiel durch Sprühen oder Fieseln) direkt auf den zweiten Stoff aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stoff eine höhere Dichte hat als der zweite Stoff und daß der erste Stoff fein verteilt (zum Beispiel durch Sprühen oder Rieseln) durch einen Gasraum oberhalb des zweiten Stoffes hindurch auf den zweiten Stoff auftrifft.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn-

j zeichnet, daß die Fließkanäle durch eine Heizschleife, zum Beispiel in Form mindestens eines Kapillarrohres oder mindestens eines absperrbaren Rohres, ausgebildet wird, die vertikal durch den zweiten Stoff verläuft.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizschleife geheizt wird, indem erster Stoff durch sie geleitet wird, wenn dieser eine höhere Temperatur hat, als die Schmelztemperatur des zweiten Stoffes beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Stoff Wasser und als zweiter Stoff Paraffin verwendet werden.

7. Hybrid-Wärmespeicher zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche und für die Speicherung von

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Wärmeenergie in Form von Schmelzwärme, der einen ersten und einen zweiten Stoff enthält, die unterschiedliche Schmelztemperaturen und unterschiedliche Dichten aufweisen, sowie im flüssigen Aggregatzustand nicht mischbar sind, gekennzeichnet durch ein, den ersten (5) und den zweiten (6) Stoff aufnehmendes Ge- ! faß (1), in dem diese Stoffe (5,6) in Lagen übereinander ange-I ordnet sind, durch einen Einlaß (2) mit einer, den ersten, die

niedrigere Schmelztemperatur aufweisenden Stoff (5) in Tröpfchen teilende Tropfeneinrichtung (4), durch einen Auslaß (3) für den ersten Stoff (5) und durch eine Heizschleife (7).

8. Wärmespeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß . der erste Stoff (15) eine höhere Dichte und eine niedrigere

Schmelztemperatur als der zweite Stoff (16) aufweist, daß der ' Einlaß (12) in dem oberen Bereich des Gefäßes (11) unmittelbar

in dem zweiten Stoff (16) mündet, und daß der Auslaß (13) im • unteren Bereich des Gefäßes (11) beginnt, so daß durch den Ein-

! laß (12) und die Tropfeneinrichtung (14) gelieferter erster ι Stoff (15) im wesentlichen tropfenweise den zweiten Stoff (16) i hin zum ersten, darunter befindlichen Stoff (15) durchquert, um ; über die Auslaßöffnung (13) abgeleitet zu werden.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ι erste Stoff (15) eine höhere Dichte und eine niedrigere Schmelzi temperatur als der zweite Stoff (16) aufweist, daß der Einlaß j (12) in den oberen Bereich des Gefäßes (11) in einem Gasraum (19)

oberhalb des zweiten Stoffes (16) mündet und daß der Auslaß (13) _jjn unteren Bereich des Gefäßes beginnt, so daß durch den Ein-

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laß (12) und den Tropfenbildner (14) gelieferter erster Stoff (15) im wesentlichen tropfenweise den zweiten Stoff (16) hin zum ersten, darunter befindlichen Stoff (15) durchquert, um über die Auslaßöffnung (13) abgeleitet zu werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stoff (5) ein geringeres spezifisches Gewicht und einen tiefer gelegenen Schmelzpunkt als der zweite Stoff (6) hat, daß der Einlaß (2) in dem unteren Bereich des Gefäßes (1) im unteren Bereich des zweiten Stoffes (6) mündet und daß der Auslaß (3) im oberen Bereich des Gefäßes (1) beginnt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (37) nach unten beispielsweise schraubenförmig durch den zweiten Stoff (36) hindurch verläuft, wodurch Fließkanäle im zweiten Stoff (36) sich ausbilden lassen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung ein Wärmetauschrohr (17) aufweist, das sich durch den zweiten Stoff (16) erstreckt und endseitig mit der öffnung des Auslasses (13) über eine absperrbare Leitung (24) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die absperrbare Leitung aus einem Rohr (24) mit Ventil (18) besteht.

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14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die absperrbare Leitung ein Kapillarrohr aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung ein Kapillarrohr (37) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung heizbar ist, zum Beispiel über Durchlauf von heißem ersten Stoff (15) durch die Heizschleife (17) bzw. durch elektrische Heizung.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stoff (15) als Wärmetransportmittel in einem Außenkreis (25,26,27) herangezogen wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Stoff (5) Wasser und der zweite Stoff (6) Paraffin ist.

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