DE3618551A1 - Waermespeicher fuer grosse fluessigkeitsmengen sowie verfahren zum betrieb dieses speichers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher für durch Solarenergie oder Abfallwärme erwärmte Flüssigkeiten, wie insbesondere Heißwasser, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Speichers.

Nachdem Sonnenenergie und meist auch andere Abfallwärme sowohl zeitlich als auch in ihrer Intensität nur in einem zum Bedarf unterschiedlichen Umfang zur Verfügung stehen und daher selbst ein gleichbleibender Wärmebedarf nicht erfüllt werden kann, kommt der Speicherung der erwärmten Flüssigkeit besondere Bedeutung zu. Durch ausreichende Isolierung eines Speicherbehälters kann der Wärmeverlust zwar weitgehend eingedämmt werden, jedoch sind die damit verbundenen Kosten verhältnismäßig hoch, so daß eine solche Speicherung nur dann wirtschaftlich vertretbar ist, wenn sie in einem sogenannten Großraum- Speicher erfolgt. Besonders geeignet sind hierzu Speichertürme oder Erdtanks aus Metall, Beton od. dgl. Baustoff. In der Praxis hat sich aber gezeigt, daß in hohen Speicherräumen sich die Flüssigkeiten entsprechend ihrer unterschiedlichen Temperaturhöhe vermischt und ein vorhandenes Temperaturgefälle ausgleicht. Dieser Temperaturausgleich mit einer merklichen Absenkung der Temperaturhöhe wird sich um so rascher vollziehen, je mehr abgekühlte Flüssigkeit zur Ergänzung der Entnahmeflüssigkeit in den Speicherbehälter eingespeist wird. Bei den bekannten Speichern ist es auch nicht möglich, Flüssigkeit mit verschieden hoher Temperatur zu entnehmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher für eine durch Solarenergie oder Abfallwärme angewärmte Flüssigkeit zu schaffen, in dem unterschiedlich hohe Temperaturen aufrechterhalten und daraus entnommen werden können.

Diese Aufgabe wird an einem Speicherbehälter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Kennzeichnungsmerkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen dieser Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines solchen Wärmespeichers ist im Anspruch 12 beansprucht.

Die Unterteilung des Speicherraumes in mehrere übereinanderliegende Speicherkammern verhindert eine Vermischung der Speicherflüssigkeit über die gesamte Speicherhöhe. Diese Aufteilung macht es ferner möglich, die einzuspeisende Flüssigkeit nach ihrer Temperaturhöhe zu trennen, so daß in jeder Speicherkammer die Flüssigkeit im wesentlichen gleich hohe Temperatur aufweist und aus diesem Grunde auch keine Flüssigkeitszirkulation auftritt. Sind die Speicherkammern mit je einer eigenen Zufuhr- und Entnahmeleitung sowie auch die einzelnen Kammern untereinander mittels Überströmleitungen verbindbar, so kann die Temperaturhöhe der zu entnehmenden Flüssigkeit weitgehend den jeweiligen Wünschen angepaßt werden. Der besondere Vorteil der getrennten Speicherkammern ergibt sich, wenn die Trennböden der Speicherkammern im Speicherbehälter so ausgebildet sind, daß dadurch das Fassungsvermögen der Speicherkammern verändert und besser dem jeweiligen Anfall der zur Verfügung stehenden Wärmeleistung angepaßt werden kann. Dies wird in zweckmäßiger Weise entweder durch höhenverschiebbare oder nachgiebig ausbauchende Trennböden erreicht. Auf diese Weise ist es dann auch möglich, daß eine untere, zweckmäßig die unterste Speicherkammer mit der heißesten Flüssigkeit gefüllt wird. Die in die Kammern eingefüllten Flüssigkeiten können unter Ausnutzung des hydrostatischen Druckes Temperaturen aufweisen, deren Dampfdruck über dem atmosphärischen Druck liegt, weil diese Speicherkammern nicht druckfest abgeschlossen sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen, die auch in der Zeichnung schematisiert dargestellt sind, näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Speicherturm und

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch einen Erdtank mit gestützten Trennböden.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Wärmespeicher handelt es sich um einen Hochbehälter in Form eines zylindrischen Speicherturmes 1, der beispielsweise aus gewalztem, nicht rostendem Metallblech hergestellt und vollständig von einer Wärmeisolierschicht 2 aus Kunstschaumstoff od. dgl. Isoliermaterial umgeben ist. Ein Speicherraum dieses Speicherturmes ist durch beispielsweise zwei Trennböden 4 und 5 in die Speicherkammern 6, 7 und 8 unterteilt. Diese Trennböden bestehen in diesem Falle aus entsprechend versteiften Kreisscheiben aus möglichst nicht wärmeleitendem Material mit einem Eigengewicht, das die Trennböden im Schwebezustand hält. Ein Unfangswulst 10 bildet einen weitgehenden Abschluß zwischen den Speicherkammern, welcher jedoch ein Entlanggleiten an der Innenwand des Behälters unter Druckeinfluß ermöglicht. Diese Trennböden werden also von den Flüssigkeitsfüllungen der unteren Kammern getragen. Die Kammern können also ihr Fassungsvermögen in großem Bereich verändern. Damit bei weitgehender Entleerung einer Speicherkammer die zugehörigen Trennböden nicht vollständig zum Aufeinanderliegen kommen, sind sie zweckmäßig mit Abstandshaltern 12 versehen.

Der Speicherturm ist beispielsweise an einem Solar-Kreislauf mit den Solarkollektoren 15 angeschlossen. Sofern dieser Kreislauf mit Umlaufwasser arbeitet, führt vom Kollektor eine Zufuhrleitung 16 zum Speicherturm, wo das aufgeheizte Wasser in eine der Speicherkammern eingeleitet wird. Die Temperatur dieses Heißwassers kann in weiten Grenzen, in der Regel zwischen 40°C und 90°C schwanken. Dabei kann das hochtemperierte, nahezu siedende Heißwasser in eine untere Speicherkammer 7 bzw. 6 und Warmwasser mit niedrigerer Temperatur in die oberen Speicherkammern eingespeist werden. Die durch die beweglichen Trennböden ausdehnungsfähigen Speicherkammern machen dies möglich, wie auch die Speicherkammern sich in Anpassung an unterschiedlich hohen temperierte Flüssigkeitsmengen entsprechend vergrößern oder verkleinern können. Sind schwimmende und abdichtende Trennböden vorhanden, so kann hierzu das Rücklaufwasser auch einer anderen Speicherkammer entnommen werden, sofern ein entsprechender Ausgleich der Kammerfüllungen nicht über den Entnahmekreislauf erfolgen kann.

Zur Einspeisung des Heißwassers in die einzelnen Speicherkammern ist an die vom Kollektor 15 abführende Zufuhrleitung 16 zweckmäßig ein Verteiler 17 angeschlossen, von dem die auf die Höhe des Speisebehälters verteilten Stichleitungen 18 bis 24 in das Behälterinnere führen. Die Verlegung der Stichleitungen soll dabei so erfolgen, daß für jede Speicherkammer mindestens zwei Anschlüsse vorhanden sind. Ventile, zweckmäßig Dreiweg-Ventile 25 bis 31, ermöglichen jeden erwünschten Strömungsverlauf des Solar-Wassers, wobei eine Rücklaufleitung 33, gegebenenfalls mit einer Pumpe 34, den Rücktransport des aus einer Speicherkammer abgezogenen Wassers übernimmt. Soll beispielsweise in die Speicherkammer 8 Heißwasser eingespeist werden, dann wird das Ventil 31 zur Stichleitung 24 geöffnet und auf diesem Wege das Wasser eingeleitet, während über eine untere Stichleitung 23 oder 22 Wasser aus derselben Kammer in gleicher Menge entnommen wird. Soll das Fassungsvermögen der Kammer vergrößert werden, weil beispielsweise viel Heißwasser dieser Temperaturhöhe gewonnen werden kann, dann wird eine entsprechende Rücklaufmenge aus einer unteren Kammer abgezogen, wodurch der eine oder beide Trennböden nach unten nachrutschen.

Wie zur Einspeisung des Heißwassers, so wird zweckmäßig auch zur Entnahme desselben ein geschlossener Kreislauf vorgesehen. Wiederum ermöglichen mehrere Stichleitungen 40 und Ventile 41 eine entsprechende Verlegung der Entnahme- und Rückleitungsstellen. Führt die Entnahmeleitung 42 zu einem Wärmeverbraucher 43, wie Radiator, Wärmetauscher od. dgl., so schließt die Rückströmleitung 44 den Kreislauf über den Verteiler 45.

In Fig. 2 ist ein Erdtank 50 dargestellt, der beispielsweise aus Beton hergestellt ist und einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Zwischen Erdreich und den Betonwänden kann eine zusätzliche Wärmeisolierung 51 vorgesehen sein. Auch in diesem Fall wird der Speicherraum durch die Trennböden 54, 55 in die Speicherkammern 56, 57, 58 unterteilt. Die Trennböden sind wiederum höhenverschiebbar eingebaut. In diesem Fall sind sie aber durch Gestänge oder Seilzüge 60 bzw. 61 zwangsweise in der Höhe einstellbar. Um eine Höheneinstellung dieser Trennböden auch entgegen dem Flüssigkeitsdruck vornehmen zu können, schließen sie am Rande nicht dicht ab, sondern bilden einen Überströmspalt 62, der eine Verschiebung der Trennböden ohne größere Belastung ermöglicht. Soll aber jegliche Zirkulation zwischen den Speicherkammern vermieden werden, dann kann anstelle eines Überströmspaltes ein sich unter Überdruck öffnendes Druckströmventil 64 im Trennboden, der am Rand abgedichtet ist, vorgesehen sein.

Die Wasserzufuhr und -Entnahme kann wie beim Speicherturm gemäß Fig. 1 ausgebildet sein. In beiden Fällen besteht aber auch die Möglichkeit, den Solarkollektor über den Speicherbehälter direkt mit dem Wärmeverbraucher zu verbinden, so daß dann der Rückfluß vom Wärmeverbraucher unmittelbar zum Solarkollektor erfolgt. Auch hierbei können wieder Verteiler und steuerbare Ventile am Speicherbehälter vorhanden sein.

Während bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen steife Trennböden vorgesehen sind, die in weiten Bereichen höhenverschiebbar sind und dadurch große Veränderungen im Fassungsvermögen der einzelnen Speicherkammern ermöglichen, sieht eine weitere Lösungsform auch verformbare Trennböden 4′, 5′ (in Fig. 1 gestrichelt) vor. Mit solchen in der Behälterwand verankerten oder daran befestigten membranartigen Trennböden, die beispielsweise aus elastischem Gummi- oder Kunststofftuch bestehen können, lassen sich ebenfalls Veränderungen im Fassungsvermögen der Speicherkammern erreichen, die in vielen Fällen den gestellten Anforderungen genügen. Um auch diese Trennböden ausreichend zu isolieren, können diese doppelwandig und mit Isolierstoff oder Luft gefüllt sein.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele. So können Speicherbehälter jede Querschnittsform aufweisen. Sollen die Trennböden so ausgeführt sein, daß sie unter Umständen auch eine Kammerfüllung tragen können, wenn die darunterliegende Kammer nicht vollständig gefüllt oder gar leer sein sollte, dann können auch zusätzliche Abstützungen bzw. Versteifungen vorgesehen sein. Die Höhenverschiebung der Trennböden kann auch mittels hydraulisch betätigter Gestänge oder Zylinder, Zahnstangengetriebe u. dgl. Hubeinrichtungen erfolgen. Zweckmäßig weisen auch die Trennböden eine Wärmeisolierung auf. An den Trennböden können zum Ausgleich ihres Gewichtes Schwimmkörper vorgesehen sein. Die Unterteilung eines Speicherraumes ist nicht auf drei Speicherkammern begrenzt. Bei hohen Türmen ist es vorteilhaft, entsprechend viele Trennböden einzusetzen, um keine hohe Kammern zu erhalten. Schließlich können in einem Speicherbehälter sowohl höhenverschiebbare als auch verformbare Trennböden untergebracht sein. Die Trennböden-Membrane können auch verstellbar an der Behälterwand befestigt sein.

Claims (12)

1. Wärmespeicher für durch Solar- oder Abfallwärme erwärmte Flüssigkeiten, wie Heißwasser, mit einem gegenüber der Umgebung wärmeisolierten Speicherbehälter zur Aufnahme von insbesondere großen Flüssigkeitsmengen, einer unmittelbar oder mittelbar an einen Sonnenkollektor oder eine andere Wärmequelle angeschlossenen Zufuhrleitung sowie einer zu einem Wärmeverbraucher führenden Entnahmeleitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherraum durch mindestens einen Trennboden (4 bzw. 5 oder 54 bzw. 55) in Speicherkammern (6, 7, 8 oder 56, 57, 58) aufgeteilt ist, die je für sich mit Zufuhr- und Entnahmeleitungen ausgestattet sind.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkammern mittels Überströmeinrichtungen, wie Verteiler (17 bzw. 42) und Stichleitungen (18 bis 24 bzw. 40), miteinander verbindbar sind.

3. Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Fassungsvermögens eines oder mehrerer Speicherräume (6, 7, 8 bzw. 56, 57, 58) die Trennböden nachgiebig sind.

4. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennböden (4, 5 bzw. 54, 55) höhenverschiebbar im Speicherraum angeordnet sind.

5. Wärmespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennböden (4, 5) auf der Kammerfüllung frei schwebend ausgebildet sind.

6. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennböden (4, 5 bzw. 54, 55) mit Durchströmeinrichtungen (64) bzw. Überströmspalten (62) ausgerüstet sind.

7. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennböden (4, 5) an der Behälterwand gleitfähige Umfangsdichtungen (10) aufweisen.

8. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennböden (54, 55) durch einen Hub- bzw. Hängemechanismus (60 bzw. 61) zwangsweise höhenverstellbar sind.

9. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Trennböden (4, 5) Abstandhalter (12) vorgesehen sind.

10. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Behälterwand befestigte, membranartig verformbare Trennböden (4′, 5′) vorgesehen sind.

11. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennböden zumindest teilweise aus wärmeisolierendem Werkstoff bestehen.

12. Verfahren zum Betrieb eines Wärmespeichers nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die heißeste Speicherflüssigkeit in einer unteren Speicherkammer gespeichert wird.