DE3204849C2 - Langzeitwärmespeicher - Google Patents

Abstract

Langzeitspeicher für Wärme oder Kälte erfordern extrem niedrige Wärmeleitzahlen λ, damit die Verluste klein bleiben. Solche niedrigen λ-Werte lassen sich mit faserigen oder körnigen Dämmschichten erreichen, sobald der Druck abgesenkt wird, (Smoluchowski-Effekt). Je kleiner die mittlere freie Weglänge der Gasatome oder -moleküle zwischen den Fasern oder Körnern des Isoliermaterials ist, desto niedriger sind die Anforderungen an das Vakuum. Der Temperaturausgleich und seine Folgeerscheinungen sind durch Druckerhöhung möglich. Der vorliegende Patentanspruch erstreckt sich auf druckgesteuerte Speicher, die durch Vorgabe der mittleren freien Weglänge des Gases in den Hohlräumen des Isoliermaterials gestatten, einzelne Wandteile des Behälters selektiv als Wärmetauscher zu verwenden, ohne daß die Druckwandung des Speichers von einem Wärmetauscher durchbrochen werden muß. Im reinen Speicherfall liegt die vakuumdichte Haut des Speichers ebenso wie der wärme tauschende Teil dieser Haut auf Umgebungstemperatur.

Description

5. Langzeitwärmespeicher nach Anspruch 1 in

einer zweiten Ausbildung als Wärmespeicher oder als Kältespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine doppelwandige Ausbildung, Isolierschicht

(3) und Spebhermasseft) voneinander getrennt sind.

35

Die Erfindung betrifft einen Langzeitwärmespeicher gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch I.

Zur Versorgung der Bevölkerung mit Strom und Wärme wird in der Zukunft immer mehr auf die Solarenergie zurückgegriffen werden müssen, da die direkte Ausnutzung der Solarenergie ohne umweltschädliche Nebeneffekte möglich ist. Aus diesem Grunde wird die photovoltaische Solarzelle weltweit intensiv erforscht, da sie es erlaubt, Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad bis zu maximal 25% direkt in Elektrizität umzuwandeln.

Elektrischer Strom ist eine hochwertige Energieform. Mit Strom ist es unter anderem möglich, geeignete so Speichermassen auf hohe Temperaturen aufzuheizen. Wenn man nun davon ausgeht, daß etwa die Hälfte der Bevölkerung der Bundesrepublik Deutschland in Ein- oder Zweifamilienhäusern wohnt, deren Dächer je nach Lage und Ausrichtung zwischen dem Vier- und Fünffachen des winterlichen Heizbedarfs an Sonnenenergie zugestrahlt bekommt, so führt diese Gegebenheit zu dem Konzept, mit Solarzellenstrom einen Speicher auf hohe Temperaturen aufzuheizen und diesem Speicher in Zeiten des Wärmebedarfs die Wärme zu entnehmen. Da die Zeit höchster Sonnenenergieeinstrahlung im Sommer liegt und der größte Wärmebedarf im Winter gegeben ist, benötigt dieses auf der Sonnenenergie beruhende Heizkonzept einen technisch robusten Langzeit-Wärmespeicher, der die Wärme des im Sommer aufgeladenen Wärmespeichers ohne große Verluste bis zum Winter speichert und eine einfache Wärmeentnahme gestattet.

Wie die Praxis zeigt, sind die bekannten Langzeitwärmespeicher mit einer Isolierschicht aus natürlichen öder kunstOcfaen Isolierstoffen, wie z.B. Polyurethan, zur ausreichend langen Speicherung nicht in der Läge.

Aus dem Buch von Gröbner, Erk und GrigulL »Grundgesetze der Wärmeübertragung« (Springer Verlag, Berlin^ Göttingen, Heidelberg), 1963, Seite 137, sind doppelwandige Flüssiggasspeicher bekannt, mit einer unter Vakuum stehenden körnig-porösen Isoliermasse in der von der Doppelwand gebildeten Isolierschicht. Solche Speicher sind jedoch entweder nur für geringe Volumina gedacht, oder sie müssen sehr dickwandig und damit sehr schwer sein.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, für einen Langzeitwärmespeicher eine Isolierschicht mit sehr hoher Isolierwirkung zu schaffen, bei dem ferner die Möglichkeit besteht. Wärme gesteuert direkt aus dem Speicher zu entnehmen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Isolierschicht aus einem Bereich einer feinkörnigen Schaltung und aus einem als Wärmetauscher dienenden Bereich einer grobkörnigen Schüttung besteht, und daß die Isolierschicht evakuierbar ist, wobei die Wärmespeicherung über eine Druckabsenkung im Behälter und die Wärmeabgabe über eine Druckerhöhung im Behälter steuerbar ist. Durch diesen Aufbau des Langzeitwärmespeicäers ist es möglich, durch eine Steuerung des Innendruckes im Speicher Wärme direkt an einem flächenmäßig umgrenzten Teil der Außenwand abzunehmen. Hierdurch werden die im Speicherinnenraum anzubringenden Bauelemente entscheidend verringert, wodurch die Robustheit und auch die Lebensdauer des Langzeitwärmespeichers beträchtlich erhöht wird.

Bei einer Speicherung von Wärme in einem Langzeitwärmespeicher treten in Abhängigkeit von der Speicherzeit Verluste auf. Nimmt man an, daß in einem Speicher im Zeitpunkt /=0 die Wärmemenge Q₀ gespeichert worden ist und daß von außen keine Nutzwärme entzogen worden ist, so läßt sich zum Zeitpunkt t die Wärmemenge Qt) durch folgende Gleichung näherungsweise beschreiben:

Q(O = Q₀

pc V .

τ = —— · — d

λ Α

Q = Dichte der Speichermasse

c = spezifische Wärme der Speichermasse

λ = Wärmeleitzahl der Isolierung

V = Speichervolumen A = Speicheroberfläche

d — Isolierschichtdicke

Diese Gleichung gilt unter der Voraussetzung, daß die Isolierschichtdicke d relativ klein gegenüber den Speicherdimensionen ist. Hat der Speicher die Form eines Kubus mit dem Volumen V= a\ so muß d< a sein.

Der Faktor — enthält nur Materialkonstanten. Der

ν d
Faktor kennzeichnet die Geometrie des Speichers.

Aus der Gleichung

folgt, daß die Zeitkonstahte τ sehr groß sein muß, wenn eine Speicherung der Wgrme über lange Speicherzeiten gewünscht wird. "

Die herkömmlichen Isoliefstoffe haben eine zu hohe Wärmeleitzahl λ, so daß τ zu klein ist Feinstkörnige Pulver, wie z. B. pyrogene Kieselsäure, liegen zwar mit ihrer Wärmeleitzahl in der gewünschten Größenordnung, sie sind aber für eine Anwendung im großen Maßstab viel zu teuer.

Wesentlich kleinere Wärmeleitzahlen lassen sich jedoch durch eine Anwendung des »Smoluchowski-Effektes« erreichen. Hierbei besteht beim erfindungsgemäßen Langzeitwärmespeicher die Isolierschicht aus is einer feinkornigen oder feinfaserigen Masse. Durch dieses Material wird der Anteil der Purikt-Punkt-Leitung, der Wärmestrahlung und die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Wärmeleitung in der feinfaserigen oder feinkörnigen Isoliermasse klein. Diese Anteile lassen sich noch dadurch weiter verkleinern, daS die Teilchen der Isoliermasse mit einer Infrarot reflektierenden Masse beschichtet werden. Hierfür eignet sich z. B. Magnesiumoxid.

Herrscht nun in der Isolierschicht normaler Luftdruck, so werden die vorstehend beschriebenen Anteile der Punkt-Punkt-Leitung, der Wärmestrahlung und der Wechselwirkung zwischei. Strahlung und Wärmeleitung vollständig von der Wärmeleitung der Luft überdeckt Wird aber die Luft aus der Isolierschicht durch eine Vakuumpumpe abgepumpt, dann tritt der »Smoluchowski-Effekt« ein. Die Wärmeleitfähigkeit der Luft verschwindet und die effektive Wärmeleitfähigkeit A_e/r der Isolierschicht besteht nur noch aus dem in wiederholter Punktberührung der in Reihe liegenden Isolierkörner klein gewordenen Leitungsanteil, dem Strahlungsanteil und dem Wechselwirkungsanteil zwischen Strahlung und Wärmeleitfähigkeit der Teilchen der Isoliermasse. Mit einer derartigen Isoliermasse lassen sich Wärmeleitzahlen von λ »0,003 W/mK40 erreichen, so wie diese für eine Langzeitspeicherung notwendig sind. Es versteht sich, daß die vorstehend beschriebenen Wärmetransport&nteile um so größer werden, je höher die Temperatur des Speicherkerns ist Ein Speicher mit einer Isolierschicht nach dem ■»> »Smoluchwwski-Effekt« und einer geeigneten Speichermasse läßt sich elektrisch mit einer Widerstandsheizung, einer induktiven oder dielektrischen Heizung, aber auch über Wärmetauscher, z. B. mit durch Verbrennung erzeugter Heizwärme, ajf hohe Temperaturen aufhei- '*> zen.

Als Beispiel sei ein Speicher angenommen, bei dem die Speichermasse aus gerütteltem Basaltsplitt bestehen möge. Hierfür gilt:

55

ρ = 2,35 · 10³ kg/m³
c = 0,25 · 10~³ kWh/KgK

0,003 W/mK
0,5 m

— = 0,5 m
A

Hieraus folgt eine Zeitkonstante τ von:
r = 48 958 h = 5" /2 Jahren.

60

65 In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeepiel des erfindungsgemäßen Langzertwärmespefcheri wiedergegeben. Es zeigt .

Fig. 1 einen Langzeitwärmespeicher für höbe Temperaturen mit einer Isolierschicht und mit einem flächenhaften Wärmetauscher in der Außenwand des Behälters,

Fig.2 die Wärmeleitfähigkeit von grob- and feinkörnig-porösen rsouerstpffen als Funktion des Drucks in der isolierschicht (Prinzipskizze des »Smohichöwski-Effektes«).

Der Langzeitwärmespeicher t besteht aus einem Behälter 2, einer Isolierschicht 3 und einerSpeichennasse 4. Der Behälter 2 ist aus Betoo-Fertigteilen zusammengesetzt und weist ein Edelstahlblech 21 auf der Innenseite auf. Das Edelstahlbiech 21 stellt eine vakuumdichte Hülle dar. Als Speiche rmasse 4 kann, wie vorstehend bereits angegeben worden ist, Basaltsplitt verwendet werden. Mit einem elektrischen Heizwiderstand 61 wird die Speichermasse 4 '<cafgeheizt. An die vakuumdichten Sü-omzuführungea 61t, 612 :st wahlweise eine Gleich- oder Wechselspannung angelegt In dem angegebenen Beispiel ist zwischen der Speichermasse 4 und der Isolierschicht 3 keine Trennwand vorhanden. Der gesamte Speicherinhalt also auch die Speichennasse 4 wird durch eine Vakuumpumpe 5 evakuiert

Zur Wärmeentnahme aus dem Speicher 1 ist ein Bereich 31 der Isolierschicht 3 mit einer Isoliermasse einer grobkörnigen Schüttung (a) angef-jllt, während der übrige Bereich der Isolierschicht 3 aus einer Isoliermasse mit feinkörniger Schüttung (b) besteht Die unterschiedliche Körnung hat zur Folge, daß in der grobkörnigen Schüttung (a) die mittlere freie Weglänge der Luftmoleküle der Restluft deutlich größer als in der feinkörnigen Schüttung (b) ist In Fig.2 ist die Wärmeleitfähigkeit λ der beiden Schüttungen (a% (b) als Funktion des Luftdrucks ρ in der Isolierschicht 3 aufgetragen. Bei dem geringen Druck pt wisd der Speicher 1 aufgeheizt, während zur Wärmeentnahme der Druck pi eingestellt wird. Bei dem Druck pz ist die Wärmeleitfähigkeit der normalen feinkörnigen Schüttung (b) praktisch unverändert, während die der grobkörnigen Schüttung (a) stark erhöht ist Daher kann im Bereich des Wärmetauschers 7 an der Außenwand des Speichers 1 der Wärmefluß

Q = -S-α

mit A WT = Wärmetauscherfläche, Äff = nutzbare Temperaturdifferenz, d = Isolierstoffdicke der grobkörnigen Schüttung,

X₂ = Wärmeleitfähigkeit der grobkörnigen Schüttung nach Obergang auf P₂, s. F i g. 2,

abgenommen werden, während die übrigen Isolierschichtbereiche noch voll isolieren.

Es besteht jedoch auch noch die Möglichkeit, einen Speicher mit einer vorstehend beschriebenen Isolierschicht in der Weise als Wärme- oder als Kältespeicher auszubilden, daß die 'solierschicht und die Speichermasse voneinander getrennt sind (»Doppelwandspeicher«).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. L faniiwspeirh«-r mh einem Behälter,' ener ic dan Behälter angeordneten aufheizbaren oder w Speicfaennasse und einer zwischen s dem Behälter rad der Speicheniiasse angeordneten isoSerschicht, dadurch gekennzeichnet, daS die IsoSerschicht (3) aus einem Bereich einer feiskörmgen Schüttuug (b) und aus einem als Wärmetauscher 0 dienenden Bereich (31) einer grobkörmgen Scbüttung (a) besteht und daß die Isoüerschidit (3) evakuierbar ist, wobei die Wärmespeicherung über eine Druckabsenkung im Behälter

   (2) and die Wärmeabgabe über eine Druckerhöhung im Behälter (2) steuerbar ist.
2. 2. Langzeitwärmespeicher nach Anspruch 1 in einer ersten Ausbildung als Hochtemperaturspeicher, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht {3) und die Speichennasse (4) unter dem gleichen Druck stefcta.
3. 3.1 j»"gw«*t™grnigsppw*fa*r nach Anspruch ! oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen der Isolierschicht (3) mit einer Infrarot reflektierenden Masse vermischt sind.
4. 4. Langzeitwärmespeicher nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen elektrischen Widerstand (61) zur Aufhetzung der Speichennasse