DE4100818A1 - Verfahren und vorrichtung zur speicherung von waerme - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Speicherung von Wäme unter Einsatz eines ver­ dampfbaren Wärmetransportmediums und eines schmelzbaren Wärmespeichermediums, wobei das Wärmetransportmedium im Wärmetausch mit dem Wärmespeichermedium steht.

Es sind eine Reihe von sogenannten Latent-Wärmespeichersy­ stemen bekannt, z. B. statische Speicher, bei denen das Wär­ mespeichermaterial in Rohrenwabenkörpern (DE-OS 19 28 694) oder Kapseln (DE-OS 23 43 525) enthalten ist. Poröses Spei­ chermaterial zeigt beispielsweise die DE-OS 28 54 880. Bei allen diesen bekannten Lösungen versucht man, eine Optimie­ rung durch bestimmte konstruktive Gestaltungen zu errei­ chen. Eine andere Lösung streben sogenannte dynamische La­ tent-Wärmespeicher an, bei denen im Gegensatz zu den stati­ schen Speichern, bei denen das Speichermaterial in Ruhe ist und der Wärmeeintrag durch Wärmeleitung erfolgt, hier das Speichermaterial bewegt ist, um durch Rühren od. dgl. zusätzlich einen konvektiven Wärmeübergang zu erreichen. Hier sei als Beispiel die DE-OS 25 43 686 oder DE-OS 28 57 314 oder DE-OS 32 36 319 genannt. Eine etwas andere Lösung zeigt die AT-3 63 963 oder auch die CH-6 36 427.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmeaustausch zwischen Wärmetransportmedium und Wärmespeichermedium zu optimie­ ren, wobei eine Selbstregelung möglich gemacht werden soll.

Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird die­ se Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Wär­ metransportmedium bei der Wärmeabgabe an das Wärmespeicher­ medium wenigstens kurzzeitigen Druckerhöhungen unterworfen wird.

Die Erfindung bedient sich des Zusammenhanges zwischen Dampfdruck und Siedetemperatur eines Wärmetransportmediums und benutzt den Dampfdruck als Steuergröße des Speicherbe­ triebes. Dies führt bei ansonst gleichen Bedingungen gegen­ über den bekannten Lösungen zur wenigstens kurzzeitigen Er­ höhung der Temperaturdifferenzen zwischen Speichermedium einerseits und Transportmedium andererseits, so daß sich die Wärmeeintragungsleistung damit unmittelbar erhöht. Von ganz besonderem Vorteil ist die Erfindung beim Laden derar­ tiger Speicher.

In Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die kurzzeitigen Druckerhöhungen des Wärmetransportmediums stufenweise vor­ genommen werden, so daß sich über den gesamten Weg des Wär­ metransportmediums durch das Wärmespeichermedium hindurch höhere Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Medien er­ geben, was zu den oben genannten Vorteilen führt.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung auch Vorrichtungen unterschiedlicher Gestaltungen vor.

Eine besonders vorteilhafte Gestaltung einer solchen Vor­ richtung zeichnet sich dadurch aus, daß Wärmespeicherele­ mente, die das Wärmespeichermedium beinhalten, vorgesehen sind, in etwa kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmiger Ge­ staltung. Die Wirkungsweise einer solchen Gestaltung ist weiter unten noch näher beschrieben.

Bei einer derartigen Vorrichtung kann erfindungsgemäß vor­ gesehen sein, daß in einem Wärmespeicher eine Vielzahl von nebeneinander und/oder übereinander angeordneten Speicher­ elementen vorhanden sind. Diese Lösung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die einzelnen Speicherelemente in ei­ ner Grundgröße werkseitig hergestellt werden und dann je nach Größe des zu bildenden Wärmespeichers dort zu einer Mehrzahl in einer Ebene zusammengefaßt oder auch in mehre­ ren Ebenen übereinander angeordnet werden können, um die Kapazität derartiger Vorrichtungen zu vergrößern.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist es auch möglich, die Vorrichtung derart zu gestalten, daß elastische Wellrohre oder -schläuche als Speicherelemente vorhanden sind wobei in Ausgestaltung vorgesehen sein kann, daß der Durchmesser der Wellrohre oder -schläuche über die Länge gesehen klei­ ner ausgebildet ist.

Eine gegenüber den vorgenannten Gestaltungen abweichende, das Erfindungsprinzip nutzende Gestaltung der Vorrichtung besteht nach der Erfindung auch darin, daß zwischen Gas­ raum und Wärmespeichermedium ein Lochboden mit regelbaren Drosselöffnungen vorgesehen ist, über die dann die Druckbe­ einflussung vorgenommen werden kann.

Eine technisch einfache Gestaltung ist dabei darin zu se­ hen, daß auf dem Lochboden Drosselklappen mit einem ein­ stellbaren Drosselwiderstand vorgesehen sind, etwa mit in Schließrichtung wirkenden einstellbaren Federn, wobei si­ chergestellt sein soll, daß immer wenigstens ein gewisser Querschnitt der Drosselöffnungen als Durchströmbereich zur Verfügung steht.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in den

Fig. 1A bis 1C ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung mit Wellschläuchen, in

Fig. 2A bis 2C eine vereinfachte Wiedergabe der Vorrich­ tung als Kegelstumpf jeweils in unter­ schiedlichen Verfahrensstadien sowie in

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung ebenfalls in schematischer, verein­ fachter Darstellung.

Die in den Fig. 1A in unterschiedlichen Verfahrensstadien dargestellte, allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung stellt ein mit 1a bezeichnetes Wärmespeicherelement in Wellrohrgestaltung dar. Dieses Wärmespeicherelement be­ steht im Ruhezustand aus drei Bereichen, nämlich einem un­ teren Sumpf- oder Vorratsbereich 2 für ein mit 3 bezeichne­ tes Wärmetransportmittel, einem mittleren Bereich 4, ausge­ füllt von einem Speichermaterial 5 und einem oberen Gas- oder Dampfraum 6, der sich bei Betrieb der Vorrichtung 1 mit dampfförmigem Wärmetransportmittel 3′ füllt.

In Fig. 1B ist die Situation dargestellt, daß durch Wärme­ zufuhr zum Wärmetransportmittel 3 dieses randseitig das Speichermaterial 5 aufschmilzt, die Randzonen sind deshalb in Fig. 1B mit 5′ bezeichnet und sollen flüssiges Speicher­ material bedeuten. Da auch und vor allem im unteren Be­ reich zwischen flüssigem Wärmetransportmedium 3 und Spei­ chermaterial 5 ein Flüssigkeitsbereich 5′′ des Speicherma­ teriales entsteht, schwimmt das Speichermaterial um einen geringen Betrag nach oben, was durch einen Pfeil 7 in Fig. 1B bzw. Fig. 1C angedeutet ist. Damit stoßen in den nach innen ragenden Bereichen des Wellrohres 1a′ die entspre­ chenden, nach außen ragenden Vorsprünge des noch nicht auf­ geschmolzenen Speichermateriales 5 aneinander, so daß klei­ ne Reservoire 5′′′ mit flüssigem Speichermaterial entste­ hen, wie dies in Fig. 1C angedeutet ist. Durch weitere Wär­ mezufuhr und weiteres Aufschmelzen wird der Druck im Be­ reich dieser Reservoire 5′′′ und unterhalb des noch nicht verflüssigten Speichermateriales erhöht und damit der Wär­ meübergang zwischen Wärmetransportmedium und Speichermate­ rial gesteigert.

Bei dem Beispiel nach den Fig. 1A bis 1C erfolgt dies ruck- oder intervallartig. Wenn nämlich durch den erhöhten Wärmeübergang wiederum ein Teil des Speichermateriales auf­ geschmolzen ist schwimmt dieses wieder um ein Stock gemäß Pfeil 7 nach oben, der Druck sinkt kurzfristig wieder ab und der Kleinzyklus der Druckerhöhung durch Verkanten oder Verklemmen des noch nicht aufgeschmolzenen Speichermateria­ les 5 beginnt von neuem. Damit ist eine unmittelbare Selbstregelung im System sichergestellt.

Bei dem System in, den Fig. 2A bis 2C ist dies grundsätz­ lich ähnlich, wenn auch erreicht durch andere geometrische Formen. Hier ist die Vorrichtung 1 als kegelstumpf- bzw. pyramidenstumpfförmiges Speicherelement 1b gestaltet, wo­ bei hier ansonsten die Bereiche, nämlich Wärmetransportmit­ telreservoir 3, Wärmespeichermedium 5 und Gasraum 6, die gleichen Bezugszeichen tragen, wie beim Ausführungsbei­ spiel nach den Fig. 1A bis 1C.

Auch hier ist die Wirkungsweise ähnlich wie bereits oben zu den Fig. 1A bis 1C dargestellt. Hier schwimmt der kegel­ stumpfförmige Speichermaterialklotz 5 nach bereichsweisem Abschmelzen aufgrund der Wärmeabgabe durch das Wärmeüber­ tragungsmedium 3 nach oben gemäß Pfeil 7′ in Fig. 2B.

Durch die sich verjüngenden Seitenwände des Speicherelemen­ tes 1b erfolgt kurzfristig später wiederum der Seitenkon­ takt mit den Seitenwänden des Speicherelementes 1b und da­ nach erfolgt durch kurzfristige Druckabsenkung durch das Aufschwimmen nunmehr eine erneute Druckerhöhung durch das Nachschmelzen des Speichermateriales im unteren Bereich, der auch hier in Fig. 2G mit 5′′′ bezeichnet ist.

In Fig. 3 ist schließlich wiederum ein abgewandeltes Aus­ führungsbeispiel dargestellt, wobei hier das Wärmespeicher­ element mit 1c bezeichnet ist.

Im unteren Flüssigkeitsreservoir oder Sumpf 3 ist ein unte­ rer Wärmeaustauscher 8 dargestellt, während im Gasraum 6 ein oberer Wärmeaustauscher 9 angedeutet ist, wobei an die­ ser Stelle erwähnt sei, daß unmittelbar die Gefäßwände als Wärmetauscherflächen gestaltet sein können, die Wärmeaus­ tauscher 8 und 9 sollen hier symbolisch nur die Wärmezu­ fuhr bzw. Wärmeabfuhr in diesem Bereich andeuten.

Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zwischen dem Wärmespeichermedium 5 und dem Gasraum 6 ein Lochboden 10 vorgesehen, der, wie angedeutet, eine Mehrzahl von Drosselöffnungen 11 trägt, die wenigstens zum Teil oben von Drosselklappen 12 beaufschlagt sind.

Ohne daß dies näher dargestellt ist, soll wenigstens ein Teil der Drosselöffnungen 11 entweder grundsätzlich ohne Drosselklappen ausgerüstet sein oder aber die Drosselklap­ pen eine solche Niedrigstellung erreichen, daß immer noch ein gewisser Gasdurchtritt des gasförmigen Wärmetauscherme­ diums 3 sichergestellt ist.

Die Wirkungsweise ist dabei die folgende:

Strömt eine gewisse Gasmenge des verdampften Wärmetauscher­ mediums 3 durch den Lochboden, werden durch den Gasstrom die Drosselklappen geöffnet, die entweder durch die Schwer­ kraft oder durch vorbestimmte Schließfedern od. dgl. die­ ser Öffnungsbewegung entgegenwirken, derart, daß sich un­ terhalb des Lochbodens der Druck im gasförmigen Wärmetau­ schermedium mit der Maßgabe erhöht, daß sich dadurch auch, wie bereits beschrieben, die Wärmeübertragungsleistung er­ höht und ein besseres Aufschmelzverhalten die Folge ist.

Dargestellt ist auch noch, daß ein gewisser Abstand zwi­ schen Oberfläche, Speichermaterial 5 und Lochboden 10 vor­ handen ist, dies soll andeuten, daß es hier zu einem gewis­ sen Aufschwimmen kommen kann, wobei der Abstand so getrof­ fen ist, daß etwa noch nicht verflüssigtes Wärmetauscherme­ dium nicht die Durchtrittsöffnungen 11 im Lochboden zu­ setzt oder verkrustet.

Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können auch andere geometri­ sche Formen des Wärmespeichermediums vorgesehen sein, die Wellrohre können sich z. B. von unten nach oben verjüngen. Auch können statt der Drosselklappen beim Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 3 Überdruckventile mit sensiblem Ansprech­ verhalten vorgesehen sein u. dgl. mehr.

Claims (8)

1. Verfahren zur Speicherung von Wärme unter Einsatz eines verdampfbaren Wärmetransportmediums und eines schmelzbaren Wärmespeichermediums, wobei das Wärmetransportmedium im Wärmetausch mit dem Wärmespeichermedium steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetransportmedium bei der Wärmeabgabe an das Wärmespeichermedium wenigstens kurzzeitigen Druckerhöhun­ gen unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzzeitigen Druckerhöhungen des Wärmetransportme­ diums stufenweise vorgenommen werden.

3. Vorrichtung zur Speicherung von Wärme in einem Behälter mit einem Sumpf mit einem Lade-Wärmeaustauscher und einem Dom mit einem Entlade-Wärmeaustauscher sowie mit einem schmelzbaren Wärmespeichermedium und einem verdampfbaren Wärmetransportmedium, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch etwa kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige, das Wärme­ speichermedium beinhaltende Wärmespeicherelemente (1b).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Wärmespeicher (1) eine Vielzahl von nebenein­ ander und/oder übereinander angeordneten Speicherelementen (1a, 1b) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung zur Speicherung von Wärme in einem Behälter mit einem Sumpf mit einem Lade-Wärmeaustauscher und einem Dom mit einem Entlade-Wärmeaustauscher sowie mit einem schmelzbaren Wärmespeichermedium und einem verdampfbaren Wärmetransportmedium, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß elastische Wellrohre oder -schläuche (1a′) als Spei­ cherelemente (1a) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Wellrohre oder -schläuche (1a′) über die Länge gesehen kleiner werdend ausgebildet ist.

7. Vorrichtung zur Speicherung von Wärme in einem Behälter mit einem Sumpf mit einem Lade-Wärmeaustauscher und einem Dom mit einem Entlade-Wärmeaustauscher sowie mit einem schmelzbaren Wärmespeichermedium und einem verdampfbaren Wärmetransportmedium, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gasraum (6) und Wärmespeichermedium (5) ein Lochboden (10) mit regelbaren Drosselöffnungen (11) vorge­ sehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Lochboden (10) Drosselklappen (12) mit einem einstellbaren Öffnungswiderstand vorgesehen sind.