DE4100818C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von Wärme - Google Patents

Description

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

Es sind eine Reihe von sogenannten Latent-Wärmespeichersyste­ men bekannt, z. B. statische Speicher, bei denen das Wärme­ speichermaterial in Kapseln (DE-OS 23 43 525) oder in porösen Trägern (DE-OS 28 54 880) enthalten ist. Ferner gibt es soge­ nannte dynamische Latent-Wärmespeicher, bei denen im Gegen­ satz zu den statischen Speichern, bei denen das Speichermate­ rial in Ruhe ist und der Wärmeeintrag durch Wärmeleitung er­ folgt, hier das Speichermaterial bewegt ist, um durch Rühren oder dgl. zusätzlich einen konvektiven Wärmeübergang zu errei­ chen. Hier sei als Beispiel die DE-OS 25 43 686 genannt. Fer­ ner ist ein Latent-Wärmespeicher aus der DE-Z: TAB 7/84, Sei­ ten 512 und 513, bekannt, bei dem Wärme unter Einsatz eines verdampfbaren Wärmetransportmediums und eines schmelzbaren Wärmespeichermediums gespeichert wird. In der Beladephase strömt das Wärmetransportmedium im dampfförmigen Zustand durch das kristallisierte Wärmespeichermedium. Dabei konden­ siert das Wärmetransportmedium unter Wärmeabgabe und das Speichermedium verflüssigt sich unter Wärmeaufnahme. Dadurch wird eine gute Durchmischung erreicht.

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

Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das bei der Wärmeabgabe an das Wärmespeichermedium dampfförmige Wärmetrans­ portmedium kurzzeitigen Druckerhöhungen unterworfen wird.

Die Erfindung bedient sich des Zusammenhanges zwischen Dampf­ druck und Siedetemperatur eines Wärmetransportmediums und be­ nutzt den Dampfdruck als Steuergröße des Speicherbetriebes. Dies führt bei ansonst gleichen Bedingungen gegenüber den be­ kannten Lösungen zur wenigstens kurzzeitigen Erhöhung der Temperaturdifferenzen zwischen Speichermedium einerseits und Transportmedium andererseits, so daß sich die Wärmeeintra­ gungsleistung damit unmittelbar erhöht. Von ganz besonderem Vorteil ist die Erfindung beim Laden derartiger Speicher.

In Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die kurzzeitigen Druck­ erhöhungen des Wärmetransportmediums stufenweise vorgenommen werden, so daß sich über den gesamten Weg des Wärmetransport­ mediums durch das Wärmespeichermedium hindurch höhere Tempe­ raturdifferenzen zwischen den beiden Medien ergeben, 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 kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Wärmespeicherelemente vorgesehen sind, die das Wärmespeichermedium enthalten. Die Wirkungs­ weise einer solchen Gestaltung ist weiter unten noch näher beschrieben.

Bei einer derartigen Vorrichtung kann erfindungsgemäß vorge­ sehen sein, daß in einem Behälter eine Vielzahl von neben­ einander und/oder übereinander angeordneten Speicherelemen­ ten vorhanden sind. Diese Lösung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die einzelnen Speicherelemente in einer Grundgröße werkseitig hergestellt werden und dann je nach Größe des zu bildenden Wärmespeichers dort zu einer Mehrzahl in einer Ebene zusammengefaßt oder auch in mehreren Ebenen übereinander angeordnet werden können, um die Kapazität der­ artiger Vorrichtungen zu vergrößern.

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

Eine gegenüber den vorgenannten Gestaltungen abweichende, das Erfindungsprinzip nutzende Gestaltung der Vorrichtung besteht nach der Erfindung auch darin, daß zwischen dem Dom und dem 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 sehen, daß die regelbaren Drosselöffnungen mit Drosselklappen ver­ sehen sind, mit denen der Strömungswiderstand einstellbar ist, etwa mit in Schließrichtung wirkenden einstellbaren Fe­ dern, wobei sichergestellt sein soll, daß immer wenigstens ein gewisser Querschnitt der Drosselöffnungen als Durch­ strömbereich 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 Wärmetransportmedium, einem mittleren Bereich 4, ausge­ füllt von einem Wärmespeichermedium 5 und einem oberen Gasraum oder Dom 6, der sich bei Betrieb der Vorrichtung 1 mit dampfförmigem Wärmetransportmedium 3′ füllt.

In Fig. 1B ist die Situation dargestellt, daß durch Wärme­ zufuhr zum Wärmetransportmedium 3 dieses randseitig das Wärme­ speichermedium 5 aufschmilzt, die Randzonen sind deshalb in Fig. 1B mit 5′ bezeichnet und sollen flüssiges Wärmespeicher­ medium bedeuten. Da auch und vor allem im unteren Be­ reich zwischen flüssigem Wärmetransportmedium 3 und Wärmespeicher­ medium 5 ein Flüssigkeitsbereich 5′′ des Speichermediums entsteht, schwimmt das Speichermedium 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 Speichermediums 5 aneinander, so daß klei­ ne Reservoire 5′′′ mit flüssigem Speichermedium 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 Speichermediums erhöht und damit der Wär­ meübergang zwischen Wärmetransportmedium und Speichermedium 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 Speichermediums auf­ geschmolzen ist, schwimmt dieses wieder um ein Stück gemäß Pfeil 7 nach oben, der Druck sinkt kurzfristig wieder ab und der Kleinzyklus der Druckerhöhung durch Verkanten oder Verklemmen des noch nicht aufgeschmolzenen Speichermediums 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 Wärmetransportmedium­ reservoir 3, Wärmespeichermedium 5 und Dom 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 Speichermediumklotz 5 nach bereichsweisem Abschmelzen aufgrund der Wärmeabgabe durch das Wärmetransport­ medium 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 Speichermediums im unteren Bereich, der auch hier in Fig. 2C 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 2 ist ein unte­ rer Wärmeaustauscher 8 dargestellt, während im Dom 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 Dom 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 Wärmetransportme­ diums 3 sichergestellt ist.

Die Wirkungsweise ist dabei die folgende:

Strömt eine gewisse Gasmenge des verdampften Wärmetransport­ 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 Wärmetransport­ medium 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, Speichermedium 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 Wärmetransportme­ 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 die Wellrohre sich von unten nach oben verjüngen. Auch können statt der Drosselklappen beim Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 3 Überdruckventile mit sensiblem Ansprech­ verhalten vorgesehen sein.

Claims (8)

1. Verfahren zur Speicherung von Wärme unter Einsatz eines ver­ dampfbaren Wärmetransportmediums und eines schmelzbaren Wär­ mespeichermediums, wobei das Wärmetransportmedium im Wärme­ tausch mit dem Wärmespeichermedium steht, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Wärmeabgabe an das Wärmespeichermedium dampfförmige Wärmetransportmedium 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, bestehend aus 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, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Wärmespei­ cherelemente (1b) vorgesehen sind, die das Wärmespeicherme­ dium enthalten.

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

5. Vorrichtung zur Speicherung von Wärme, bestehend aus 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, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß elastische Wellrohre oder -schläuche (1a′) als Speicher­ elemente (1a) vorgesehen sind, die das Wärmespeichermedium enthalten.

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, bestehend aus in einem Behälter mit einem Sumpf mit einem Lade-Wärmeaustauscher und einem Dom mit einem Entlade-Wärmeaustauscher sowie mit einem schmelzbaren Wärmespeichermedium und einem verdampfba­ ren Wärmetransportmedium, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Dom (6) und dem Wärmespeichermedium (5) ein Lochboden (10) mit regelbaren Drosselöffnungen (11) vorgese­ hen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbaren Drosselöffnungen (11) mit Drosselklappen (12) versehen sind, mit denen der Strömungswiderstand ein­ stellbar ist.