EP3080540A1 - Verfahren und vorrichtung zum beladen eines thermischen schichtspeichers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum beladen eines thermischen schichtspeichers

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EP3080540A1
EP3080540A1 EP15702408.4A EP15702408A EP3080540A1 EP 3080540 A1 EP3080540 A1 EP 3080540A1 EP 15702408 A EP15702408 A EP 15702408A EP 3080540 A1 EP3080540 A1 EP 3080540A1
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EP
European Patent Office
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working fluid
heat
thermal
pressure
heat transfer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15702408.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Lenk
Florian REISSNER
Jochen SCHÄFER
Alexander Tremel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3080540A1 publication Critical patent/EP3080540A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
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    • F24H7/02—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for loading a thermal stratified storage.
  • Thermal stratified storages allow the generation of energy from their use to decouple in time. Especially with fluctuating energy sources such as renewable energy, provides such a temporal Entkopp ⁇ development, access to energy, particularly electricity, sure.
  • Thermal stratified storage tanks can be coupled with heat pumps that pump thermal energy (heat) from a cold to a hot reservoir, the stratified thermal storage, while absorbing electrical energy.
  • thermal energy heat
  • By using a coupled with a heat pump thermal layer memory thus the generation of thermal energy and whose delivery can be decoupled in time to a heat consumer, whereby, for example Lastspit ⁇ zen can be compensated for in the energy requirements, so that overall improved security of supply.
  • a thermal stratified storage is charged with heat by means of a heat pump.
  • the heat is transferred via walls of a heat exchanger to the thermal stratified storage.
  • certain temperature differences are required as a driving force for heat transfer.
  • the temperature level of the removable storage layer heat ie their value in use.
  • space must be made available for the heat transfer surfaces of a heat exchanger, which can not be used for the storage of thermal energy.
  • a thermal stratified storage with a heat exchanger having heat transfer surfaces is charged by means of the heat pump by a working fluid of the heat pump on the primary side absorbs heat at a low temperature level and within the heat exchanger on the secondary ⁇ the heat of the working fluid at a higher tempera ⁇ turn level transferred to a heat transfer of the thermal Schichtspei ⁇ chers (secondary side).
  • Layer memory is located.
  • the heat from the heat pump to the thermal stratified storage tank is always transferred through a condenser in which condensation of the working fluid of the heat pump takes place, the condenser being outside in the former case and within the second stratified charge accumulator and always in thermal contact with the heat carrier of the thermal stratified storage tank.
  • the capacitors according to the prior art large-scale heat transfer surfaces require a large space requirement and on the other hand reduce the cost of the thermal stratified ⁇ on the basis of high investment costs.
  • the invention is therefore based on the object to improve the loading of a thermal stratified storage with thermal energy.
  • the object is achieved by a method having the features of independent claim 1 and by a device having the features of independent claim 15.
  • advantageous refinements and developments of the invention are given.
  • the pressure in the thermal stratified storage at the point of introduction is greater than or equal to the condensation pressure of the working fluid.
  • the working fluid of the heat pump is introduced directly in the gas ⁇ shaped state of aggregation in the liquid heat carrier of the thermal stratified storage, whereby a direct material contact between the heat carrier and the working fluid takes place.
  • the direct material ⁇ Liche contact with a condensation of the gaseous working fluid leads. This is the case, therefore, since the pressure in thermi ⁇ rule layer memory at the point of introduction of the gaseous working fluid, or in a portion of the thermal layer memory in which the gaseous working fluid is ⁇ tet Weglei is greater than or equal to the condensation pressure of the working fluid.
  • the condensation pressure of the working fluid here depends on the temperature at the point of introduction and must be set according to the temperature mentioned.
  • the pressure is referred to, in which the gaseous working fluid of the heat pump from the gaseous to the liquid state passes namely in the Tem ⁇ temperature, which is present at the point of discharge of the working fluid in the layer memory.
  • the condensate is sationsdazzling of the gaseous working fluid at the Einlei ⁇ processing point or in a portion of the thermal
  • the inventive apparatus for loading a thermal layer memory comprises a thermal Schichtspei ⁇ cher with a liquid heat transfer medium and a heat pump with a working fluid, wherein the thermal layer storage and the heat pump are configured and coupled such that the working fluid (in the gaseous state than ⁇ superheated steam or as saturated steam) introduced into the heat transfer medium at an introduction point and brought into direct material contact with the heat transfer medium, wherein the pressure of the thermal stratified storage at the point of introduction is greater than or equal to the condensation pressure of the working fluid.
  • the device according to the invention allows a direct material contact of the gaseous and consequently also of the condensed (liquid) working fluid with the liquid heat carrier. This results in the already explained inventions to the invention method similar and equivalent ADVANTAGES ⁇ le.
  • the working fluid condensed in the thermal stratified storage tank is returned to the heat pump.
  • a working fluid is used, the density after the Kondensa ⁇ tion in the thermal stratified storage is greater than or equal to the density of the heat carrier, with a genuinely always greater density is preferred.
  • Layer memory can be introduced or introduced.
  • the denser By the action of gravity, which prevails at the location of the thermal layer memory, the denser compared to Wär ⁇ melie working fluid to and / or during its Condensation from the point of introduction to a lower end of the thermal stratified storage sink.
  • the relative terms upper and lower as is known, based on the prevailing before ⁇ direction of gravity.
  • the heat transfer medium in the thermal stratified storage tank will have the highest temperature at its upper end.
  • the advantage of the greater density of the condensed working fluid and the resulting sinking of the working fluid is that the working fluid is subcooled to the temperature of the thermal stratified storage at the lower end, whereby the heat transfer medium and, as a consequence, the thermal stratified storage are charged with additional heat becomes.
  • Another advantage is that the condensed working fluid condenses by the decrease and the associated continuous material contact with the heat transfer medium, almost completely. After the condensation of the condensed working fluid and its accumulation at the lower end of the thermal stratified storage, for example at the bottom, it can be returned from there to the heat pump.
  • one and the same fluid is used for the working fluid in the liquid state and the liquid heat transfer medium.
  • additional separators which separate the working fluid from the heat carrier, for example be ⁇ before it is returned to the heat pump or passed to a heat consumer, omitted.
  • a working fluid which has a condensation pressure of less than 1 MPa at a temperature of 100 ° C. (373.15 K).
  • Low pressure fluids Working fluids that have a condensation pressure of less than 1 MPa at a temperature of 100 ° C, here referred to as low pressure fluids.
  • An advantage of such low-pressure fluids is that they allow use of the method according to the invention in combination with known thermal stratified storage devices. This is the case, therefore, since according to the prior art typical thermal Schichtspei ⁇ cher, in particular water storage layer, have a pressure that is less than 1 MPa and more preferably in the range from Be ⁇ 0.3 MPa to 1 MPa.
  • Heat pumps used in typical working fluids such as the fluids R134a, R400c or R410a, have a condensation ⁇ pressure which ranges from 2 MPa to 4 MPa at 100 ° C. The condensation pressure of the said working fluids is therefore significantly greater than the pressure which is typically in thermal
  • Layer accumulation is present, so that no condensation ⁇ tion of the working fluid takes place at an initiation of the working fluid at a temperature of 100 ° C.
  • low-pressure fluids have a condensation pressure which is in the range of the pressures prevailing in stratified reservoirs, so that they condense in contact with the liquid heat carrier of the thermal stratified reservoir.
  • working fluids containing at least one of the substances 1, 1, 1, 2, 2, 4, 5, 5, 5-nonafluoro-4- (trifluoromethyl) -3-pentanones (trade name Novec TM 649), perfluoromethylbutanone, l Chloro-3,3,3-trifluoro-1-propene,
  • the substances mentioned can be used according to the present invention in combination with known in the prior art thermal stratified storage.
  • Novec TM 649 has a condensation pressure of 0.45 MPa
  • perfluoromethylbutanone a condensation pressure of 0.89 MPa
  • cyclopentane has a condensation pressure of 0.42 MPa.
  • the condensation pressure of said fluids is thus at 100 ° C significantly below the condensation pressure of, for example R134a, which has a Kondensa ⁇ tion pressure of about 3.97 MPa.
  • Another advantage of the substances mentioned is their technical handling.
  • the substances Novec TM 649 and perfluoromethyl butanone belong to the substance group of fluoroketones, while cyclopentane belongs to the substance group of cycloalkanes.
  • water is used as the working fluid.
  • additional separators which are able to separate the working fluid from the heat carrier, can advantageously be dispensed with.
  • hydrostatic thermal stratified storage which build up the pressure in the thermal stratified storage solely by the hydrostatic pressure of the water column, the height of the point of introduction of the working fluid in the heat transfer medium is therefore not important.
  • the water layer accumulator can be loaded at its upper end by the introduced gaseous and then condensed working fluid, whereby advantageously only a small time delay between the loading of the stratified water storage and the achievement of the desired temperature at the upper end.
  • a working fluid is used which is immiscible in the liquid (condensed) state of aggregation with the liquid heat carrier.
  • the condensed working fluid and the liquid heat carrier form a two-phase liquid, wherein one phase is formed by the condensed working fluid and the other phase by the liquid heat carrier.
  • Perfluoromethylbutanone and cyclopentane in water which is particularly suitable as a heat transfer medium, poorly soluble and therefore miscible only in small amounts with water. For example, only 20 ppm of water dissolve in Novec TM 649.
  • the gaseous working fluid is introduced by means of a distribution device in the heat carrier, wherein the distributor homogeneously distributes the working fluid in a layer of constant temperature of the heat carrier.
  • Thermal stratified storage for example Wasser Schweizerspei ⁇ cher, have a layered structure with respect to the temperature of its heat carrier, each layer having a specific temperature and density. With regard to the efficiency of the heat transfer from the working fluid of the heat pump to the
  • Heat transfer it is therefore advantageous to distribute the gaseous working fluid in ⁇ a layer of the heat carrier uniformly or ho ⁇ Mogen.
  • uniform and homogeneous, ⁇ such as temperature or density of a layer are always app- roximativ to understand.
  • Typical stratified storages are vertical - relative to the am
  • Stratified memory predominant gravity - aligned, so that the individual layers of the stratified memory extend horizontally. Due to the uniform distribution of the gaseous working fluid in a layer of the liquid heat carrier, the surface of the material contact (contact surface) between the heat carrier and the working fluid increases, whereby the efficiency of the heat transfer from the working fluid to the heat transfer medium is improved.
  • distributing devices are, for example horizontal distribution pipe systems as they come in layered tanks for appli ⁇ -making in question.
  • the distribution devices known there lead to a reduction in the rate of entry of the working fluid into the heat transfer medium (see Göppert et al., Chemie Ingenieurtechnik, 2008, 80 No. 3).
  • the entrance velocity of the gaseous working fluid can be regulated by changing the cross-sectional area of entrance holes of the distributor.
  • a further advantage of the regulation of the cross-sectional areas of the inlet holes that a primary bubble size of gasför ⁇ -shaped working fluid can be adjusted.
  • a regulated pressure accumulator In one embodiment of the method is used as a thermal stratified storage a regulated pressure accumulator.
  • the pressure within the thermal stratified accumulator can be regulated into a specific pressure range.
  • the pressure within the thermal stratified accumulator can be regulated into a specific pressure range.
  • Accumulator be adapted to the condensation pressure of the working fluid, so that it is independent of the prevailing at the entry point temperature to a condensation of the working fluid. For example, this allows the gaseous working fluid to be introduced at the highest possible entry point of the stratified storage tank.
  • the temperature of a layer of the stratified storage or accumulator is correlated with the height of the layer, so that the highest possible point of introduction corresponds to the highest possible temperature.
  • heat is supplied to the working fluid from the thermal stratified storage tank before it is introduced into a compressor of the heat pump.
  • Layer memory is returned. Due to the direct material contact of the working fluid with the heat transfer medium of the thermal stratified storage tank, introduction of the heat transfer medium into the working fluid and thus into a circulation of the working fluid within the heat pump can not be prevented in principle. In particular, in the evaporator of the heat pump thus accumulates not (with) vaporized, liquid heat transfer medium. This accumulating in the evaporator heat carrier is advantageously removed from the evaporator by means of a droplet and returned to the thermal stratified storage.
  • a line of the heat carrier to use its heat to ei ⁇ nem heat consumer wherein the heat transfer medium is passed through a separator before use in the heat consumer.
  • a line of the heat carrier through a separator is provided in particular in the direct removal of the heat carrier from the thermal stratified storage.
  • direct would take the heat carrier is carried by the material contact according to the invention between the working fluid and the heat transfer medium, a part of the working fluid with the heat carrier ⁇ .
  • the discharge of the working fluid droplets (emulsion) or as dissolved in the heat transfer component (solution) take place.
  • the separator ensures that the discharged portions of the working fluid do not reach the heat consumer and can optionally be returned to the thermal stratified storage and / or to the heat pump.
  • active droplet separators and / or coalescing separators are suitable for the separation.
  • Another way to verhin the discharge of working fluid ⁇ countries is to decrease the solubility of the working fluid in the heat transfer due to the reduced temperature of the heat consumer. This is the case, having a hö ⁇ here solubility at higher temperature for mixtures. The reduced temperature of the heat consumer, the Ar ⁇ beitsfluid precipitates and can thus be separated materially from the heat transfer medium.
  • a separator lying on the side of the heat exchanger, which separates the working fluid from the heat carrier, can be dispensed with.
  • a phase change material (narrow phase change material, PCM) is used in the thermal stratified storage for storing thermal energy.
  • the stratified storage thus comprises two heat carriers, wherein the further heat carrier is designed as a phase change material.
  • Phase change materials or phase change memory are preferred because they can store thermal energy loss with many repeat cycles and over a long period of time.
  • a phase change material is preferred whose melting temperature (phase change temperature) is smaller than the condensation temperature of the working fluid (at the condensation pressure).
  • the condensation ⁇ temperature of the working fluid can be 130 ° C, so that a melting temperature of 125 ° C of the phase change material be ⁇ is vorzugt.
  • a melting temperature which is at most 5% lower than the condensation temperature is preferred.
  • the stratified storage may comprise further heat carriers present in the solid state of matter.
  • the porosity of the solid heat transfer medium can be adapted to the purpose.
  • the porosity can be selected such that a decrease in the condensed working fluid, which has a greater density than the liquid heat carrier, is made possible.
  • Figure 1 is coupled to a heat pump pressure accumulator, wherein a working fluid of the heat pump is introduced directly into the heat carrier of the pressure accumulator;
  • FIG. 2 shows a coupled to the heat pump hydrostatic pressure accumulator, wherein the working fluid of the heat pump is in turn introduced directly into the heat carrier of the pressure accumulator.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a regulated pressure accumulator 2, which is coupled to a heat pump 6 such that the working fluid 4 of the heat pump 6 via a Ver ⁇ dividing device 12 in a height 8 of the pressure accumulator 2 in the heat transfer medium 10, which is in direct material contact with the working fluid 12, is distributed.
  • the heat pump 6 comprises a compressor 14, a vaporization fer 16, an expansion valve 20, a separator 18, a mist eliminator 15 and a check valve 22.
  • the working fluid 4 is circulated in the heat pump 6 against the Time ⁇ gersinn 36.
  • an expansion vessel 24, a pump 28, a further expansion valve 30 and a reservoir 26 for the heat carrier 10 can be seen.
  • the aforementioned components 24, 26, 28, 30 serve to regulate the pressure accumulator 2 and / or the heat carrier 10.
  • water is used as the heat carrier 10.
  • the gaseous working fluid 4 is introduced after the compressor 14 in the height 8 of the pressure accumulator 2 via the distributor 12 in the heat carrier 10 and thus brought into direct material contact with the heat carrier 10.
  • the temperature of the pressure accumulator 2 in the Einlei ⁇ processing height 8 for example, 130 ° C. Is used as the working fluid at ⁇ play as Novec TM 649, the pressure must be in
  • Pressure accumulator 2 be at least 0.9 MPa, so that an immediate condensation of the gaseous working fluid 4 he follows ⁇ .
  • the working fluid 4 Novec TM 649 which has a density of about 1300 kg / m 3 , can be used.
  • the heat carrier 10 10 water is used, which has a density of 1000 kg / m 3 , so that the working fluid 4 has a greater density than the varnishträ ⁇ ger 10.
  • the working fluid 4 is lowered by the influence of gravity 100 on the floor 9 of the accumulator 2 by the lowering of the working fluid 4 on the bottom 9 of the accumulator 2, the working fluid 4 from ⁇ Partially subcooled until reaching the present on the bottom 9 temperature of the pressure accumulator 2, so that the Ar ⁇ beitsfluid 4 additional heat is removed. From the clotting ⁇ gen miscibility of Novec TM 649 and water one at the bottom 9-settling phase of the working fluid 4 to the pressure accumulator 2 can then be removed at the bottom 9 and returned to the working circuit 36 of the heat pump 6 via the Ab ⁇ separator 18 resulted becomes.
  • (liquid) separator 18 ensures that no heat carrier 10 is introduced from the pressure accumulator 2 in the working circuit 36 of the heat pump 6.
  • a working fluid 4 which has a lower density than water 10, for example cyclopentane (C 5 H 10 ) with a density of 650 kg / m 3 , then the working fluid 4 rises after the condensation and must therefore at an upper En - De the pressure accumulator 2 are removed.
  • cyclopentane C 5 H 10
  • the check valve 22 prevents heat carrier 10 is discharged into the compressor 14 and thus in the working circuit 36 of the heat pump 6.
  • Figure 2 shows an alternative embodiment of the method according to the invention, wherein instead of a regulated
  • Accumulator 2 use a hydrostatic accumulator 3 it becomes.
  • the heat pump 6 comprises shown and already in Fi gur 1 ⁇ elements discussed.
  • the pressure in the pressure accumulator 3 is generated solely via the liquid column of the water 10.
  • Novec TM 649 as beitsfluid Ar 4 in the hydrostatic pressure storage at a temperature of 110 ° C initiated, then a pressure of Wenig ⁇ least 0.6 MPa for the condensation of the working fluid 4 ⁇ not agile.
  • the entry point or the entry height 8 of the working fluid 4 must be selected in the pressure accumulator 3 so that at least 50 m of water 10 are above the inlet height 8 of the working fluid 4.
  • a cold water layer 32 is placed at the upper end of the pressure accumulator 3.
  • the cold water layer 32 is separated by a separator 34 from the water 10 of the hydrostatic pressure accumulator 3.
  • the working fluid 4 sinks due to its greater density in comparison to the heat carrier 10 due to the influence of gravity 100 on the bottom 9 of the hydrostatic pressure accumulator 3.
  • separator 18 the working circuit 36 of the heat pump 6 is ⁇ leads. If the heat carrier 10 is denser than the working fluid 4, removal of the working fluid 4 is provided at an upper end of the hydrostatic pressure accumulator 3.

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beladen eines thermischen Schichtspeichers (2, 3) vorgeschlagen, bei dem ein Arbeitsfluid (4) einer Wärmepumpe (6) im gasförmigen Aggregatzustand an wenigstens einer Einleitungstelle (8) in einen flüssigen Wärmeträger (10) des thermischen Schichtspeichers (2, 3) eingeleitet und in direkten stofflichen Kontakt mit dem Wärmeträger (10) gebracht wird, wobei der Druck im thermischen Schichtspeicher (2, 3) an der Einleitungstelle (8) größer oder gleich dem Kondensationsdruck des Arbeitsfluides (4) ist.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Beladen eines thermischen
SchichtSpeichers
Die Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Vorrichtung zur Beladung eines thermischen Schichtspeichers.
Thermische Schichtspeicher ermöglichen es die Erzeugung von Energie von deren Verwendung zeitlich zu entkoppeln. Insbesondere bei fluktuierenden Energiequellen, wie beispielsweise regenerative Energien, stellt eine solche zeitliche Entkopp¬ lung die Versorgung mit Energie, insbesondere elektrischer Energie, sicher. Thermische Schichtspeicher können mit Wärmepumpen gekoppelt werden, die unter der Aufnahme elektrischer Energie thermische Energie (Wärme) von einem kalten zu einem warmen Reservoir, dem thermischen Schichtspeicher, pumpen. Durch die Verwendung eines mit einer Wärmepumpe gekoppelten thermischen Schichtspeichers kann somit die Erzeugung thermischer Energie und deren Abgabe an einen Wärmeverbraucher zeitlich entkoppelt werden, wodurch beispielsweise Lastspit¬ zen im Energiebedarf ausgeglichen werden können, so dass sich insgesamt die Versorgungssicherheit verbessert.
Typischerweise wird ein thermischer Schichtspeicher mittels einer Wärmepumpe mit Wärme beladen. Hierbei wird die Wärme über Wandungen eines Wärmeüberträgers auf den thermischen Schichtspeicher übertragen. Zur Sicherstellung des Wärmetransportes von der Wärmepumpe auf den thermischen Schicht¬ speicher sind bestimmte Temperaturdifferenzen als treibende Kraft für den Wärmetransport erforderlich. Gleichzeitig be¬ grenzen die genannten Temperaturdifferenzen das Temperaturniveau der dem Schichtspeicher entnehmbaren Wärme, d.h. deren Nutzwert. Ferner muss für die Wärmeübertragungsflächen eines Wärmeüberträgers Bauraum zur Verfügung gestellt werden, der nicht für die Speicherung thermischer Energie nutzbar ist. Ein thermischer Schichtspeicher mit einem Wärmeüberträger, der Wärmeübertragungsflächen aufweist, wird mittels der Wärmepumpe geladen, indem ein Arbeitsfluid der Wärmepumpe auf der Primärseite Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau aufnimmt und innerhalb des Wärmeüberträgers auf der Sekundär¬ seite die Wärme des Arbeitsfluides auf einem höheren Tempera¬ turniveau auf einen Wärmeträger des thermischen Schichtspei¬ chers (Sekundärseite) überführt. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, für die Aufnahme der
Wärme, den Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers durch einen Kondensator auf der Sekundärseite zu leiten, der mit der Wärmepumpe thermisch gekoppelt ist. Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, das Arbeitsfluid der Wärmepumpe durch einen Kondensator auf der Sekundärseite zu führen, welcher sich innerhalb des thermischen Schichtspeichers und in thermischen Kontakt mit dem Wärmeträger des thermischen
Schichtspeichers befindet. Mit anderen Worten wird die Wärme von der Wärmepumpe auf den thermischen Schichtspeicher stets durch einen Kondensator, in dem eine Kondensation des Ar- beitsfluids der Wärmepumpe stattfindet, übertragen, wobei sich der Kondensator im erstgenannten Fall außerhalb und im zweitgenannten Fall innerhalb des thermischen Schichtspei¬ chers und stets in thermischen Kontakt mit dem Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers befindet.
Für eine effiziente Übertragung der Wärme vom Arbeitsfluid auf den Wärmeträger weisen die Kondensatoren nach dem Stand der Technik großräumige Wärmeübertragungsflächen auf, die zum einen einen großen Bauraumbedarf erfordern und zum anderen die Wirtschaftlichkeit des thermischen Schichtspeichers auf¬ grund der hohen Investitionskosten verringern.
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, das Bela- den eines thermischen Schichtspeichers mit thermischer Energie zu verbessern. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 15 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beladen eines thermischen Schichtspeichers wird ein Arbeitsfluid einer Wärmepumpe im gasförmigen Aggregatzustand an wenigstens einer Einlei- tungstelle in einen flüssigen Wärmeträger des thermischen
Schichtspeichers eingeleitet und in direkten stofflichen Kon¬ takt mit dem Wärmeträger gebracht, wobei der Druck im thermischen Schichtspeicher an der Einleitungstelle größer oder gleich dem Kondensationsdruck des Arbeitsfluides ist.
Erfindungsgemäß wird das Arbeitsfluid der Wärmepumpe im gas¬ förmigen Aggregatzustand in den flüssigen Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers direkt eingeleitet, wodurch ein direkter stofflicher Kontakt zwischen Wärmeträger und Ar- beitsfluid erfolgt. Erfindungsgemäß führt der direkte stoff¬ liche Kontakt zu einer Kondensation des gasförmigen Arbeits- fluides. Das ist deshalb der Fall, da der Druck im thermi¬ schen Schichtspeicher an der Einleitungsstelle des gasförmigen Arbeitsfluides , oder in einem Teilbereich des thermischen Schichtspeichers in dem das gasförmige Arbeitsfluid eingelei¬ tet wird, größer oder gleich dem Kondensationsdruck des Arbeitsfluides ist. Der Kondensationsdruck des Arbeitsfluides hängt hierbei von der Temperatur an der Einleitungsstelle ab und ist entsprechend der genannten Temperatur einzustellen. Als Kondensationsdruck wird der Druck bezeichnet, bei dem das gasförmige Arbeitsfluid der Wärmepumpe von dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht und zwar bei der Tem¬ peratur, die an der Einleitungsstelle des Arbeitsfluides im Schichtspeicher vorliegt. Mit anderen Worten wird der Konden- sationspunkt des gasförmigen Arbeitsfluides an der Einlei¬ tungsstelle, oder in einem Teilbereich des thermischen
Schichtspeichers erreicht. Durch den direkten stofflichen Kontakt des gasförmigen Ar- beitsfluides mit dem flüssigen Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers und der dadurch erfolgenden Kondensation des Arbeitsfluides wird die Kondensationswärme, die im Prozess der Kondensation des Arbeitsfluides frei wird, direkt auf den Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers übertragen. Erfindungsgemäß entfallen somit zusätzliche Kondensatoren, Wär¬ meüberträger und/oder Wärmeübertragungsflächen. Durch das erfindungsgemäße Entfallen von Kondensatoren, Wärmeüberträger und/oder Wärmeübertragungsflächen können zusätzliche Verluste an thermischer Energie in und/oder an den genannten Bauteilen vermieden werden, wodurch die Effizienz des thermischen
Schichtspeichers erhöht wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen direkten stofflichen Kontaktes des gasförmigen Arbeitsfluides mit dem flüssi¬ gen Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers ist, dass keine hohen Temperaturdifferenzen zwischen Arbeitsfluid und Wärmeträger für den effizienten Übergang der Wärme notwendig sind. Wird der thermische Schichtspeicher mittels einer Wär¬ mepumpe beladen, die einen Kompressor aufweist, so kann dadurch ein Ausgangsdruck am Kompressor verringert werden, wodurch vorteilhafterweise die Aufnahme elektrischer Energie der Wärmepumpe sinkt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beladen eines thermischen Schichtspeichers umfasst einen thermischen Schichtspei¬ cher mit einem flüssigen Wärmeträger und eine Wärmepumpe mit einem Arbeitsfluid, wobei der thermische Schichtspeicher und die Wärmepumpe derart ausgestaltet und gekoppelt sind, dass das Arbeitsfluid im gasförmigen Aggregatzustand (als über¬ hitzter Dampf oder als Sattdampf) an einer Einleitungsstelle in den Wärmeträger eingeleitet und in direkten stofflichen Kontakt mit dem Wärmeträger gebracht wird, wobei der Druck des thermischen Schichtspeichers an der Einleitungsstelle größer oder gleich dem Kondensationsdruck des Arbeitsfluides ist . Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht einen direkten stofflichen Kontakt des gasförmigen und in Folge auch des kondensierten (flüssigen) Arbeitsfluides mit dem flüssigen Wärmeträger. Es ergeben sich zum bereits dargelegten erfin- dungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vortei¬ le.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das im thermischen Schichtspeicher kondensierte Arbeitsfluid zur Wärmepumpe zurückgeführt.
Durch die Rückführung des kondensierten und somit flüssigen Arbeitsfluides wird ein besonders vorteilhafter Kreisprozess zum Beladen des thermischen Schichtspeichers ermöglicht. Es kann vorgesehen sein, das kondensierte Arbeitsfluid vor der Rückführung in den Arbeitskreislauf der Wärmepumpe durch ei¬ nen Abscheider zu leiten, der im kondensierten Arbeitsfluid vorhandene Reste des Wärmeträgers abscheidet, so dass kein bzw. kaum Wärmeträger in den Arbeitskreislauf der Wärmepumpe ausgetragen wird. Die nach dem Kondensieren des Arbeitsflui- des zu erfolgende stoffliche Trennung von Arbeitsfluid und Wärmeträger ist nicht auf die Verwendung von Abscheider eingeschränkt und kann mit nach dem Stand der Technik bekannten und/oder äquivalenten Vorrichtungen erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Arbeitsfluid verwendet, dessen Dichte nach der Kondensa¬ tion im thermischen Schichtspeicher größer oder gleich der Dichte des Wärmeträgers ist, wobei eine echt stets größere Dichte bevorzugt ist.
Die gegenüber dem flüssigen Wärmeträger größere Dichte des kondensierten Arbeitsfluides hat den Vorteil, dass das Ar¬ beitsfluid in der Nähe des oberen Endes des thermischen
Schichtspeichers eingeleitet oder eingebracht werden kann.
Durch die Wirkung der Schwerkraft, die am Ort des thermischen Schichtspeichers vorherrscht, wird das im Vergleich zum Wär¬ meträger dichtere Arbeitsfluid nach und/oder während seiner Kondensation von der Einleitungsstelle zu einem unteren Ende des thermischen Schichtspeichers absinken. Hierbei sind die relativen Begriffe oben und unten, wie bekannt, auf die vor¬ herrschende Richtung der Schwerkraft bezogen. Typischerweise wird der Wärmeträger im thermischen Schichtspeicher an seinem oberen Ende die höchste Temperatur aufweisen.
Der Vorteil der größeren Dichte des kondensierten Arbeits- fluides und des daraus resultierenden Absinkens des Arbeits- fluides ist, dass das Arbeitsfluid bis zur am unteren Ende vorliegenden Temperatur des thermischen Schichtspeichers unterkühlt wird, wodurch der Wärmeträger und in Folge der thermische Schichtspeicher mit zusätzlicher Wärme beladen wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass das kondensierte Arbeitsfluid durch das Absinken und dem damit verbundenen stetigen stofflichen Kontakt mit dem Wärmeträger, annähernd vollständig kondensiert. Nach dem Absinken des kondensierten Arbeitsflui- des und dessen Ansammlung am unteren Ende des thermischen Schichtspeichers, beispielsweise am Boden, kann es von dort aus wieder zur Wärmepumpe zurückgeführt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für das Arbeitsfluid im flüssigen Aggregatzustand und den flüssi- gen Wärmeträger ein und dasselbe Fluid verwendet.
Vorteilhafterweise können dadurch zusätzliche Abscheider, die das Arbeitsfluid vom Wärmeträger trennen, beispielsweise be¬ vor es zur Wärmepumpe zurückgeführt oder zu einem Wärmever- braucher geleitet wird, entfallen.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein Arbeitsfluid eingesetzt, das bei einer Temperatur von 100 °C (373,15 K) einen Kondensationsdruck aufweist, der geringer als 1 MPa ist.
Arbeitsfluide, die bei einer Temperatur von 100 °C einen Kondensationsdruck von weniger als 1 MPa aufweisen, werden hier als Niederdruckfluide bezeichnet. Ein Vorteil solcher Nieder- druckfluide ist, dass diese in Kombination mit bekannten thermischen Schichtspeichern eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen. Das ist deshalb der Fall, da nach dem Stand der Technik typische thermische Schichtspei¬ cher, insbesondere Wasserschichtspeicher, einen Druck aufweisen, der geringer als 1 MPa ist und der insbesondere im Be¬ reich von 0,3 MPa bis 1 MPa liegt. In Wärmepumpen eingesetzte typische Arbeitsfluide, wie beispielsweise die Fluide R134a, R400c oder R410a, besitzen bei 100 °C einen Kondensations¬ druck, der im Bereich von 2 MPa bis 4 MPa liegt. Der Kondensationsdruck der genannten Arbeitsfluide ist daher deutlich größer als der Druck, der typischerweise in thermischen
Schichtspeichern vorliegt, so dass bei einer Einleitung des Arbeitsfluides bei einer Temperatur von 100 °C keine Konden¬ sation des Arbeitsfluides erfolgt. Niederdruckfluide hingegen weisen einen Kondensationsdruck auf, der im Bereich der in Schichtspeichern vorherrschenden Drücke liegt, so dass diese in Kontakt mit dem flüssigen Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers kondensieren.
Von besonderem Vorteil sind Arbeitsfluide, die wenigstens einen der Stoffe 1, 1, 1, 2, 2, 4, 5, 5, 5-Nonafluoro-4- (Trifluoromethyl ) -3-Pentanone (Handelsname Novec™ 649), Perfluormethylbutanon, l-Chloro-3, 3, 3-trifluoro-l-propene,
Cis-1 , 1 , 1 , 4 , 4 , 4-hexafluoro-2-butene und/oder Cyclopentan um¬ fassen .
Die genannten Stoffe können gemäß der vorliegenden Erfindung in Kombination mit nach dem Stand der Technik bekannten thermischen Schichtspeichern eingesetzt werden. Beispielsweise weist Novec™ 649 bei einer Temperatur von 100 °C einen Kondensationsdruck von 0,45 MPa, Perfluormethylbutanon einen Kondensationsdruck von 0,89 MPa und Cyclopentan einen Konden- sationsdruck von 0,42 MPa auf. Der Kondensationsdruck der genannten Fluide liegt somit bei 100 °C deutlich unter dem Kondensationsdruck von beispielsweise R134a, das einen Kondensa¬ tionsdruck von etwa 3,97 MPa besitzt. Ein weiterer Vorteil der genannten Stoffe ist deren technische Handhabbarkeit. Sie zeichnen sich durch eine gute Um¬ weltverträglichkeit sowie durch ihre Sicherheitseigenschaf- ten, wie beispielsweise keine Brennbarkeit und ein sehr ge¬ ringes Treibhauspotential aus. Allgemein sind die Stoffe Novec™ 649 und Perfluormethylbutanon der Stoffgruppe der Fluorketone zuzuordnen, während Cyclopentan der Stoffgruppe der Cycloalkane zuzuordnen ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird Wasser als Arbeitsfluid verwendet.
Dadurch können vorteilhafterweise zusätzliche Abscheider, die das Arbeitsfluid vom Wärmeträger zu trennen vermögen, entfallen. Bei hydrostatischen thermischen Wasserschichtspeichern, die den Druck im thermischen Schichtspeicher allein durch den hydrostatischen Druck der Wassersäule aufbauen, ist die Höhe der Einleitungsstelle des Arbeitsfluides in den Wärmeträger daher nicht von Bedeutung. Insbesondere kann der Wasserschichtspeicher an seinem oberen Ende durch das eingeleitete gasförmige und anschließend kondensierte Arbeitsfluid beladen werden, wodurch vorteilhafterweise nur eine geringe zeitliche Verzögerung zwischen dem Beladen des Wasserschichtspeichers und dem Erreichen der am oberen Ende erwünschten Temperatur entsteht .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Arbeitsfluid verwendet, das im flüssigen (konden- sierten) Aggregatzustand mit dem flüssigen Wärmeträger nicht mischbar ist.
Mit anderen Worten bilden das kondensierte Arbeitsfluid und der flüssige Wärmeträger eine zwei phasige Flüssigkeit aus, wobei die eine Phase durch das kondensierte Arbeitsfluid und die andere Phase durch den flüssigen Wärmeträger gebildet wird. Vorgesehen kann auch ein Arbeitsfluid sein, das eine geringe Mischbarkeit mit dem Wärmeträger im flüssigen Aggre¬ gatzustand aufweist.
Durch das zweiphasige Vorliegen der Mischung von Arbeitsfluid und Wärmeträger kann eine stoffliche Trennung der genannten Fluide in einfacherweise erfolgen. Insbesondere dann, wenn das kondensierte Arbeitsfluid und der flüssige Wärmeträger eine unterschiedliche Dichte aufweisen. Beispielsweise sind die bereits genannten Niederdruckfluide Novec™ 649,
Perfluormethylbutanon und Cyclopentan in Wasser, das als Wärmeträger besonders geeignet ist, schlecht löslich und daher nur in geringen Mengen mit Wasser mischbar. Beispielsweise lösen sich nur 20 ppm Wasser in Novec™ 649. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das gasförmige Arbeitsfluid mittels einer Verteileinrichtung in den Wärmeträger eingeleitet, wobei die Verteileinrichtung das Arbeitsfluid in einer Schicht konstanter Temperatur des Wärmeträgers homogen verteilt.
Thermische Schichtspeicher, beispielsweise Wasserschichtspei¬ cher, besitzen bezüglich der Temperatur ihres Wärmeträgers einen geschichteten Aufbau, wobei jede Schicht eine bestimmte Temperatur und Dichte aufweist. Im Hinblick auf die Effizienz des Wärmeübergangs vom Arbeitsfluid der Wärmepumpe auf den
Wärmeträger ist es daher von Vorteil, das gasförmige Arbeits¬ fluid in einer Schicht des Wärmeträgers gleichmäßig bzw. ho¬ mogen zu verteilen. Die Begriffe gleichmäßig und homogen, so¬ wie die Temperatur oder Dichte einer Schicht sind stets app- roximativ zu verstehen.
Typische Schichtspeicher sind vertikal - relativ zur am
Schichtspeicher vorherrschenden Schwerkraft - ausgerichtet, so dass die einzelnen Schichten des Schichtspeichers sich ho- rizontal erstrecken. Durch die gleichmäßige Verteilung des gasförmigen Arbeitsfluides in einer Schicht des flüssigen Wärmeträgers wird die Oberfläche des stofflichen Kontaktes (Kontaktoberfläche) zwischen dem Wärmeträger und dem Arbeits- fluid vergrößert, wodurch die Effizienz des Wärmeübergangs vom Arbeitsfluid zum Wärmeträger verbessert wird.
Durch eine gleichmäßige Verteilung des Arbeitsfluides in einer horizontalen Schicht des thermischen Schichtspeichers wird weiterhin eine Verteilung der Impulse des eintretenden Arbeitsfluides ermöglicht, so dass nicht erwünschte Mischvor¬ gänge, die möglicherweise zu einem Durchmischen der Schichten führen, verhindert werden können.
Als Verteilvorrichtungen kommen beispielsweise horizontale Verteilerrohrsysteme, wie sie in Schichtspeichern zur Anwen¬ dung kommen, in Frage. Insbesondere führen die dort bekannten Verteilvorrichtungen zu einer Reduzierung der Eintrittsge- schwindigkeit des Arbeitsfluides in den Wärmeträger (vgl. Göppert et al . Chemie Ingenieur Technik, 2008, 80 Nr. 3) . Weiterhin kann die Eintrittsgeschwindigkeit des gasförmigen Arbeitsfluides durch eine Änderung der Querschnittsfläche von Eintrittslöchern der Verteilvorrichtung reguliert werden. Ein weiterer Vorteil der Regulierung der Querschnittsflächen der Eintrittslöcher ist, dass eine Primärblasengröße des gasför¬ migen Arbeitsfluides eingestellt werden kann.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird als thermischer Schichtspeicher ein geregelter Druckspeicher verwendet.
Vorteilhafterweise kann bei einem geregelten Druckspeicher der Druck innerhalb des thermischen Schichtspeichers in einen bestimmten Druckbereich geregelt werden. Durch die Regelung des Druckes im Druckspeicher kann der Druck innerhalb des
Druckspeichers an den Kondensationsdruck des Arbeitsfluides angepasst werden, so dass es unabhängig von der an der Eintrittsstelle vorherrschenden Temperatur zu einer Kondensation des Arbeitsfluides kommt. Beispielsweise kann dadurch das gasförmige Arbeitsfluid an einer möglichst hoch gelegenen Eintrittsstelle des Schichtspeichers eingeleitet werden.
Hierbei ist die Temperatur einer Schicht des Schichtspeichers bzw. Druckspeichers mit der Höhe der Schicht korreliert, so dass eine möglichst hohe Einleitungsstelle einer möglichst hohen Temperatur entspricht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfah- rens wird dem Arbeitsfluid vor dem Einleiten in einen Kompressor der Wärmepumpe aus dem thermischen Schichtspeicher Wärme zugeführt.
Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Arbeitsfluiden mit überhängender Taulinie von Vorteil. Die bei solchen Ar- beitsfluiden notwendige Wärme, die zur Überhitzung des Ar- beitsfluides vor dem Eintritt in den Kompressor dient, kann somit dem thermischen Schichtspeicher entnommen werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus einem Verdampfer der Wärmepumpe mittels eines Trop¬ fenabscheiders abgetrennter Wärmeträger zum thermischen
Schichtspeicher zurückgeführt wird. Durch den direkten stofflichen Kontakt des Arbeitsfluides mit dem Wärmeträger des thermischen Schichtspeichers ist ein Einbringen des Wärmeträgers in das Arbeitsfluid und somit in ei¬ nen Kreislauf des Arbeitsfluides innerhalb der Wärmepumpe prinzipiell nicht zu verhindern. Insbesondere im Verdampfer der Wärmepumpe sammelt sich somit nicht (mit ) verdampfter, flüssiger Wärmeträger an. Dieser sich im Verdampfer ansammelnder Wärmeträger wird vorteilhafterweise dem Verdampfer mittels eines Tropfenabscheiders entzogen und zum thermischen Schichtspeicher zurückgeführt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Leitung des Wärmeträgers zur Nutzung seiner Wärme zu ei¬ nem Wärmeverbraucher, wobei der Wärmeträger vor der Nutzung im Wärmeverbraucher durch einen Abscheider geleitet wird.
Eine Leitung des Wärmeträgers durch einen Abscheider ist insbesondere bei der direkten Entnahme des Wärmeträgers aus dem thermischen Schichtspeicher vorgesehen. Bei der direkten Ent- nähme des Wärmeträgers wird durch den erfindungsgemäßen stofflichen Kontakt zwischen dem Arbeitsfluides und dem Wärmeträger ein Teil des Arbeitsfluides mit dem Wärmeträger aus¬ getragen. Hierbei kann die Austragung des Arbeitsfluides tröpfchenförmig (Emulsion) oder auch als im Wärmeträger gelöster Bestandteil (Lösung) erfolgen.
Vorteilhafterweise wird durch den Abscheider sichergestellt, dass die ausgetragenen Anteile des Arbeitsfluides nicht zum Wärmeverbraucher gelangen und gegebenenfalls zum thermischen Schichtspeicher und/oder zur Wärmepumpe rückgeführt werden können. Zur Abscheidung geeignet sind beispielsweise aktive Tröpfchenabscheider und/oder koaleszierende Abscheider. Eine weitere Möglichkeit das Austragen von Arbeitsfluid zu verhin¬ dern ist, die Löslichkeit des Arbeitsfluides im Wärmeträger aufgrund der verringerten Temperatur des Wärmeverbrauchers zu verringern. Dies ist für Stoffgemische der Fall, die eine hö¬ here Löslichkeit bei höherer Temperatur aufweisen. Durch die verringerte Temperatur des Wärmeverbrauchers fällt das Ar¬ beitsfluid aus und kann somit vom Wärmeträger stofflich getrennt werden.
Bei einer indirekten Entnahme der Wärme für einen Wärmever- braucher, beispielsweise über Wärmeüberträger, kann ein sol- eher auf Seiten des Wärmeverb auchers liegender Abscheider, der das Arbeitsfluid von dem 'ärmeträger trennt, entfallen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Phasenwechselmaterialien (eng. Phase Change Material, PCM) im thermischen Schichtspeicher zur Speicherung thermischer Energie verwendet.
Der Schichtspeicher umfasst somit zwei Wärmeträger, wobei der weitere Wärmeträger als ein Phasenwechselmaterial ausgebildet ist. Phasenwechselmaterialen bzw. Phasenwechselspeicher sind bevorzugt, da sie thermische Energie verlustarm mit vielen Wiederholzyklen und über einen langen Zeitraum speichern können. Insbesondere ist ein Phasenwechselmaterial bevorzugt, dessen Schmelztemperatur ( Phasenwechseltemperatur) kleiner als die Kondensationstemperatur des Arbeitsfluides ist (beim Kondensationsdruck) . Beispielsweise kann die Kondensations¬ temperatur des Arbeitsfluides 130 °C betragen, so dass eine Schmelztemperatur von 125 °C des Phasenwechselmaterials be¬ vorzugt ist. Bevorzugt ist somit eine Schmelztemperatur die höchstens 5 % geringer als die Kondensationstemperatur ist.
Vorzugsweise kann der Schichtspeicher weitere im festen Aggregatzustand vorliegende Wärmeträger umfassen. Hierbei kann die Porosität der festen Wärmeträger dem Zweck angepasst sein. Beispielsweise kann die Porosität derart gewählt sein, dass ein Absinken des kondensierten Arbeitsfluides , das eine größere Dichte als der flüssige Wärmeträger aufweist, ermög- licht wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Figur 1 einen mit einer Wärmepumpe gekoppelten Druckspeicher, wobei ein Arbeitsfluid der Wärmepumpe direkt in den Wärmeträger des Druckspeichers eingeleitet wird; und
Figur 2 einen mit der Wärmepumpe gekoppelten hydrostatischen Druckspeicher, wobei das Arbeitsfluid der Wärmepumpe wiederum direkt in den Wärmeträger des Druckspeichers eingeleitet wird.
Gleichartige Elemente werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen geregelten Druckspeicher 2, der mit einer Wärmepumpe 6 derart gekoppelt ist, dass das Arbeitsfluid 4 der Wärmepumpe 6 über eine Ver¬ teilvorrichtung 12 in einer Höhe 8 des Druckspeichers 2 in den Wärmeträger 10, welcher in direkten stofflichen Kontakt mit dem Arbeitsfluid 12 ist, verteilt wird.
Die Wärmepumpe 6 umfasst einen Kompressor 14, einen Verdamp- fer 16, ein Expansionsventil 20, einen Abscheider 18, einen Tropfenabscheider 15 und ein Rückschlagventil 22. Das Arbeitsfluid 4 zirkuliert in der Wärmepumpe 6 gegen den Uhrzei¬ gersinn 36. Weiter ist in Figur 1 ein Ausdehnungsgefäß 24, eine Pumpe 28, ein weiteres Expansionsventil 30 und ein Vorratsbehälter 26 für den Wärmeträger 10 ersichtlich. Die genannten Bauteile 24, 26, 28, 30 dienen zur Regulierung des Druckspeichers 2 und/oder des Wärmeträgers 10. Im in Figur 1 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel wird als Wärmeträger 10 Wasser verwendet.
Das gasförmige Arbeitsfluid 4 wird nach dem Kompressor 14 in der Höhe 8 des Druckspeichers 2 über die Verteilvorrichtung 12 in den Wärmeträger 10 eingeleitet und somit in direkten stofflichen Kontakt mit dem Wärmeträger 10 gebracht. Hierbei beträgt die Temperatur des Druckspeichers 2 in der Einlei¬ tungshöhe 8 beispielsweise 130 °C. Wird als Arbeitsfluid bei¬ spielsweise Novec™ 649 verwendet, so muss der Druck im
Druckspeicher 2 wenigstens 0,9 MPa betragen, damit eine un- mittelbare Kondensation des gasförmigen Arbeitsfluides 4 er¬ folgt .
Ein Vorteil des geregelten Druckspeichers 2 ist, dass das Ar¬ beitsfluid 4 an einer möglichst warmen Stelle des Druckspei- chers 2 eingeleitet werden kann. Dies ist deshalb der Fall, da durch eine Anpassung des Druckes im Druckspeicher 2 stets der Kondensationsdruck des Arbeitsfluides 4 in der Einleitungshöhe 8 überschritten werden kann. Generell wird die Wärme aus dem Druckspeicher 2 für einen nicht gezeigten Wärme- Verbraucher an der Stelle mit der größtmöglichen Temperatur entnommen. Durch Einleitung des Arbeitsfluides 4 an der genannten Stelle kann der Druckspeicher 2 bei geringem thermi- schem Ladestand effizient und zeitnah die vom Wärmeverbrau¬ cher geforderten Temperaturen erreichen.
In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann als Ar- beitsfluid 4 Novec™ 649 verwendet werden, das eine Dichte von etwa 1300 kg/m3 besitzt. Als Wärmeträger 10 wird Wasser 10 verwendet, das eine Dichte von 1000 kg/m3 aufweist, so dass das Arbeitsfluid 4 eine größere Dichte als der Wärmeträ¬ ger 10 besitzt. Durch die gegenüber dem Wärmeträger 10 ver- größerte Dichte des Arbeitsfluides 4 sinkt das Arbeitsfluid 4 durch den Einfluss der Schwerkraft 100 auf den Boden 9 des Druckspeichers 2. Durch das Absinken des Arbeitsfluides 4 auf den Boden 9 des Druckspeichers 2 wird das Arbeitsfluid 4 vor¬ teilhafterweise bis zum Erreichen der am Boden 9 vorliegenden Temperatur des Druckspeichers 2 unterkühlt, so dass dem Ar¬ beitsfluid 4 zusätzliche Wärme entzogen wird. Aus der gerin¬ gen Mischbarkeit von Novec™ 649 und Wasser resultierte eine am Boden 9 sich absetzende Phase des Arbeitsfluides 4, die dann am Boden 9 des Druckspeichers 2 entnommen werden kann und in den Arbeitskreislauf 36 der Wärmepumpe 6 über den Ab¬ scheider 18 zurückgeführt wird. Durch den (Flüssig) Abscheider 18 wird sichergestellt, dass kein Wärmeträger 10 aus dem Druckspeicher 2 in den Arbeitskreislauf 36 der Wärmepumpe 6 eingebracht wird.
Wird ein Arbeitsfluid 4 verwendet, das eine geringere Dichte als Wasser 10 besitzt, beispielsweise Cyclopentan (C5H10) mit einer Dichte von 650 kg/m3, so steigt das Arbeitsfluid 4 nach der Kondensation nach oben und muss somit an einem oberen En- de des Druckspeichers 2 entnommen werden.
Das Rückschlagventil 22 verhindert, dass Wärmeträger 10 in den Kompressor 14 und somit in den Arbeitskreislauf 36 der Wärmepumpe 6 ausgetragen wird.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei anstatt eines geregelten
Druckspeichers 2 ein hydrostatischer Druckspeicher 3 verwen- det wird. Hierbei umfasst die Wärmepumpe 6 die bereits in Fi¬ gur 1 gezeigten und diskutierten Elemente.
Im Gegensatz zu einem Druckspeicher 2 wird bei einem hydro- statischen Druckspeicher 3 der Druck innerhalb des Speichers
3 allein durch den hydrostatischen Druck des Wärmeträgers 10, in diesem Fall Wasser 10, erzeugt. Mit anderen Worten wird der Druck im Druckspeicher 3 allein über die Flüssigkeitssäule des Wassers 10 erzeugt. Wird wiederum Novec™ 649 als Ar- beitsfluid 4 im hydrostatischen Druckspeicher bei einer Temperatur von 110 °C eingeleitet, so ist ein Druck von wenigs¬ tens 0,6 MPa für die Kondensation des Arbeitsfluides 4 not¬ wendig. Daraus resultiert, dass die Eintrittsstelle bzw. die Eintrittshöhe 8 des Arbeitsfluides 4 in den Druckspeicher 3 so gewählt sein muss, dass wenigstens 50 m Wasser 10 über der Eintrittshöhe 8 des Arbeitsfluides 4 liegen. Generell kann der Druck entsprechend der Eintrittshöhe 8 des Arbeitsfluides
4 gewählt werden. Um den Druck im hydrostatischen Druckspeicher 3 weiter zu erhöhen, ohne eine Erhöhung der Flüssigkeitssäule des Wärmeträ¬ gers 10 oder einer Verringerung der Eintrittshöhe 8, wird an dem oberen Ende des Druckspeichers 3 eine kalte Wasserschicht 32 aufgesetzt. Die kalte Wasserschicht 32 ist durch eine Trennvorrichtung 34 vom Wasser 10 des hydrostatischen Druckspeichers 3 getrennt. Durch das Aufsetzen der kalten Wasserschicht 32 am oberen Ende des hydrostatischen Druckspeichers 3 wird sichergestellt, dass der Druck in der Eintrittshöhe 8 den Kondensationsdruck des Arbeitsfluides 4 bei dessen Ein- leitung übertrifft und eine Kondensation des Arbeitsfluides 4 eintritt. Die Eintrittshöhe 8 des Arbeitsfluides 4 kann somit höher ausgelegt werden, wodurch die Temperatur an der Eintrittshöhe 8 gesteigert werden kann. Wie bereits in Figur 1 sinkt das Arbeitsfluid 4 durch seine im Vergleich zum Wärmeträger 10 größere Dichte durch den Ein- fluss der Schwerkraft 100 auf den Boden 9 des hydrostatischen Druckspeichers 3. Von dort kann es wiederum über einen Ab- scheider 18 dem Arbeitskreislauf 36 der Wärmepumpe 6 zuge¬ führt werden. Ist der Wärmeträger 10 dichter als das Arbeits- fluid 4, so ist eine Entnahme des Arbeitsfluides 4 an einem oberen Ende des hydrostatischen Druckspeichers 3 vorgesehen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hie- raus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beladen eines thermischen Schichtspeichers (2, 3), bei dem ein Arbeitsfluid (4) einer Wärmepumpe (6) im gasförmigen Aggregatzustand an wenigstens einer Einleitungs¬ telle (8) in einen flüssigen Wärmeträger (10) des thermischen Schichtspeichers (2, 3) eingeleitet und in direkten stoffli¬ chen Kontakt mit dem Wärmeträger (10) gebracht wird, wobei der Druck im thermischen Schichtspeicher (2, 3) an der Ein- leitungstelle (8) größer oder gleich dem Kondensationsdruck des Arbeitsfluides (4) ist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im thermischen
Schichtspeicher (2, 3) kondensiertes Arbeitsfluid (4) zur Wärmepumpe (6) zurückgeführt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Arbeitsfluid (4) verwendet wird, dessen Dichte nach der Kondensation im thermischen Schichtspeicher (2, 3) größer oder gleich der Dichte des Wärmeträgers (10) ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem das Arbeitsfluid (4) im flüssigen Aggregatzustand und der Wärmeträger (10) dasselbe Fluid sind.
5. Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem der Kondensationsdruck des Arbeitsfluides (4) bei einer Temperatur von 100 °C geringer als 1 MPa ist.
6. Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem ein Arbeitsfluid (4) verwendet wird, das wenigstens einen der Stoffe 1,1,1,2,2,4,5,5, 5-Nonafluoro-4- (Trifluoromethyl) -3- Pentanone, Perfluormethylbutanon, l-Chloro-3, 3, 3-trifluoro-1- propene , Cis-1 , 1 , 1 , 4 , 4 , 4-hexafluoro-2-butene und/oder
Cyclopentan umfasst.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem Was¬ ser als Arbeitsfluid (4) verwendet wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein Arbeitsfluid (4) verwendet wird, das im flüssigen Aggregatzu¬ stand mit dem Wärmeträger (10) nicht mischbar ist.
9. Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem das gasförmige Arbeitsfluid (4) mittels einer Verteilein¬ richtung (12) in den Wärmeträger (10) eingeleitet wird, wobei die Verteileinrichtung (12) das Arbeitsfluid (4) in einer Schicht konstanter Temperatur des Wärmeträgers (10) homogen verteilt .
10. Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem ein geregelter Druckspeicher (3) als Schichtspeicher (3) verwendet wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem dem Arbeitsfluid (4) vor dem Einleiten in einen Kompressor (14) der Wärmepumpe (6) aus dem thermischen Schichtspei- eher (2, 3) Wärme zugeführt wird.
12. Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem aus einem Verdampfer (16) der Wärmepumpe (6) mittels ei¬ nes Tropfenabscheider (15) abgetrennter Wärmeträger (10) zum thermischen Schichtspeicher (2, 3) zurückgeführt wird.
13. Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem eine Leitung des Wärmeträgers (10) zur Nutzung seiner Wärme zu einem Wärmeverbraucher erfolgt, wobei der Wärmeträ- ger (10) vor der Nutzung im Wärmeverbraucher durch einen Abscheider geleitet wird.
14. Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem ein Phasenwechselmaterial im thermischen Schichtspeicher (2, 3) zur Speicherung thermischer Energie verwendet wird.
15. Vorrichtung umfassend einen thermischen Schichtspeicher (2, 3) mit einem flüssigen Wärmeträger (10) und eine Wärme- pumpe (6) mit einem Arbeitsfluid (4), wobei der thermische Schichtspeicher (2, 3) und die Wärmepumpe (6) derart ausge¬ staltet und gekoppelt sind, dass das Arbeitsfluid (4) im gas¬ förmigen Aggregatzustand an einer Einleitungsstelle (8) in den Wärmeträger (10) eingeleitet und in direkten stofflichen Kontakt mit dem Wärmeträger (10) gebracht wird, wobei der Druck des thermischen Schichtspeichers (2, 3) an der Einlei¬ tungsstelle größer oder gleich dem Kondensationsdruck des Ar- beitsfluides (4) ist.
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