EP4255112A2 - Wärmespeicheranordnung und verfahren zur speicherung und/oder übertragung von wärme - Google Patents

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EP4255112A2
EP4255112A2 EP23164476.6A EP23164476A EP4255112A2 EP 4255112 A2 EP4255112 A2 EP 4255112A2 EP 23164476 A EP23164476 A EP 23164476A EP 4255112 A2 EP4255112 A2 EP 4255112A2
Authority
EP
European Patent Office
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flow
heat
arrangement
heat transfer
flow guide
Prior art date
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Pending
Application number
EP23164476.6A
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English (en)
French (fr)
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EP4255112A3 (de
Inventor
Sergej Belik
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.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4255112A2 publication Critical patent/EP4255112A2/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/105—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor
    • H05B6/108—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor for heating a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • 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
    • F28D20/0056—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using solid heat storage material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone

Definitions

  • the invention relates to a heat storage arrangement for storing and/or transferring heat generated by electromagnetic induction, comprising a storage space with an inductively heatable storage material and a first flow guide for conducting heat transfer medium in thermal contact with the storage material from an inlet side to an outlet side and an inductor arrangement an inductor device arranged around the storage space for heating the storage material.
  • the invention further relates to a method for storing and/or transferring heat in a heat storage arrangement.
  • Such a heat storage arrangement is based on the DE 10 2019 207 967 A1 out.
  • Induction heating through contactless power transport with direct heat generation in the storage material enables significantly higher power density and thus more compact conversion systems than, for example, systems using resistance heating.
  • the DE 2 117 103 A shows a method and a device for producing a heated medium for heating purposes.
  • the device comprises a metallic block surrounded by induction coils and heat-insulating walls.
  • the induction coils or copper coils are embedded in a fireproof ceramic, heat-insulating, preferably highly porous mass.
  • the DE 10 2017 125 669 A1 shows a latent heat storage with a variety of heat storage elements.
  • the DE 11 2018 001 252 T5 shows a porous honeycomb heat storage structure for use in the field of motor vehicles.
  • the present invention is based on the object of providing a heat storage arrangement of the type mentioned with improved efficiency, as well as a corresponding method.
  • the task is solved for the heat storage arrangement with the features of claim 1 and/or claim 12 and for the method with the features of claim 24.
  • the storage material is in the form of at least one insert element, which (as storage material) comprises or is formed from an electrically conductive, ceramic material and, as a first flow guide, has at least one flow path through which the heat transfer medium can flow, with a specific cavity proportion ( Cavity volume through which heat transfer medium can flow or flows through, in particular Volume of the at least one flow path, to total volume of the insert element z. B. within a defined segment of the insert element (wherein the total volume includes storage material volume and cavity volume or is formed therefrom)) and / or a specific heat transfer area (heat transfer area to total volume, e.g. within a defined segment of the insert element) between the at least one flow path and the storage material within the insert element, increase in the radial direction outwards.
  • a specific cavity proportion Cavity volume through which heat transfer medium can flow or flows through, in particular Volume of the at least one flow path, to total volume of the insert element z.
  • the void portion can, for example, e.g. B. depending on the segment, between 35% and 90%.
  • a particularly radially innermost segment can also be designed without a cavity portion.
  • the heat transfer surface can, for example, e.g. B. depending on the segment, up to more than 100 1/m, preferably more than 200 1/m, in particular more than 250 1/m.
  • the external shape of the storage space and/or the insert element and/or the arrangement of the inductor device can, for example, be cylindrical or polygonal in cross section (orthogonal to the longitudinal axis).
  • Specific here means based on a specific total volume of the insert element, for example a defined segment of the insert element.
  • the cavity portion and/or the heat transfer surface can, for example, remain constant or also vary.
  • the cavity portion and/or the heat transfer surface can/can be between, for example, (imaginary) ring-like segments lying radially around one another vary, increasing in radially outer segments.
  • heat transfer medium can flow through or flows through the insert element directly (with direct contact between storage material and heat transfer medium, without the interposition of another medium).
  • the heat storage arrangement is designed to operate at high temperatures in the storage material and/or in the heat transfer medium, with maximum temperatures of at least 800 °C, preferably at least 1000 °C.
  • a higher heat output can advantageously be transferred to the heat transfer medium in the radially outer region of the insert element and transported away from it.
  • the distribution of the thermal power transferred to the heat transfer medium is advantageously adapted to the distribution of the power introduced into the solid during inductive heating (i.e. to the distribution of the power density).
  • inductive heating due to the so-called (frequency-dependent) "skin effect", a higher power is coupled into the radially outer regions of the insert element than into the radially inner regions of the insert element. Overall, this measure can increase the efficiency of the heat storage arrangement and thus the efficiency.
  • the at least one flow path is formed by at least one continuous flow channel, the central longitudinal axis of which is arranged at least substantially parallel to a longitudinal axis of the storage space.
  • the insert element is penetrated by a plurality of flow paths, in particular flow channels, which are arranged symmetrically, in particular rotationally symmetrically, about the longitudinal axis in the insert element.
  • the storage material is arranged in the form of axially extending walls, between which the flow channels run, the walls in cross section being particularly radial walls (running in the radial direction) and/or (e.g. (circular). )ring-shaped and / or polygonal) circumferential walls (running in the circumferential direction) are arranged.
  • the flow channels can, for example, be rounded and/or straight wall sections, for a rounded, e.g. B. have an annular and/or polygonal flow cross section.
  • the walls can be produced in a defined shape in a defined shape, for example by extrusion or molding, in large quantities, particularly with a constant cross-section in the axial direction, and with a precise, predefined geometry.
  • the cavity portion and/or the heat transfer surface can be designed in particular via the course and/or the geometry (e.g. the thickness) of the walls and/or the distribution and/or (specific) number and/or the geometry (e.g. the flow cross section) of the flow channels towards the outside in such a way that a uniform temperature distribution, in particular in the radial direction and/or in the circumferential direction, can be achieved or is present within the storage material.
  • a uniform temperature distribution exists in particular when there is a temperature difference, in particular in the radial direction, between the minimum and the maximum temperature of the storage material within the insert element in a (e.g. simulated) stationary and/or quasi-stationary operating state (with heating of the heat transfer medium to temperatures of at least 800 °C, preferably at least 1000 °C) is not greater than 400 K, preferably not greater than 300 K, in particular not greater than 200 K.
  • the design is carried out numerically, e.g. B. using the finite element method (FEM).
  • FEM finite element method
  • Maxwell's equations to describe the power input through electromagnetic induction are coupled with heat transport equations to describe the existing heat transport processes and heat loss mechanisms and from this the temperature distribution within the insert element is determined under exemplary operating conditions.
  • At least one of the following variables can be specified as a given boundary condition: a frequency (of the electrical voltage causing the induction or of the induced electrical current) together with material specifics, e.g. B. the storage material, and thus the penetration depth of the heating process of the storage material, an alternating voltage or alternating current applied to the inductor, material specifics of the heat transfer medium, operating variables such as flow rates of the heat transfer medium, etc.
  • a frequency of the electrical voltage causing the induction or of the induced electrical current
  • the insert element can be used for calculation e.g. B. can be divided into different segments (e.g. into 1 to n segments), for example into circumferential, nested, adjacent (ring) segments, between which the degrees of freedom can differ for optimization purposes.
  • a thickness of the, in particular radial, walls in cross-section can advantageously decrease outwards in the radial direction (increase inwards).
  • the decrease can take place continuously or discretely (e.g. between the individual (ring) segments).
  • the wall thickness can remain constant. Due to the wall thickness increasing inwards, the thermal resistance within the storage material is reduced towards the inside, thus enabling better heat conduction from the radial outside, where a significantly higher power is coupled in, to the inside, where a significantly lower power is coupled in. This achieves a more even temperature distribution within the insert element.
  • At least some of the radial walls are preferably arranged, preferably in a rotationally symmetrical arrangement, in a radially continuous manner from an innermost circumferential wall to an outermost circumferential wall.
  • the flow channels are in the flow direction, in particular in the direction of gravity (axial direction). , have a constantly and/or monotonically narrowing flow cross section, with the walls in particular constantly approaching one another in a funnel-like manner.
  • the heat storage arrangement is preferably aligned with its axial direction (in the direction of the longitudinal axis L) such that the at least one flow path runs in the direction of gravity, in particular vertically.
  • the at least one flow path, or in particular the flow channels has a narrowing for flow guidance in the flow direction.
  • the heat transfer medium preferably comprises a gas, in particular air or hydrogen, and/or a solid, e.g. B. sand and / or bauxite and / or lime, on or is formed from it.
  • a gas in particular air or hydrogen
  • a solid e.g. B. sand and / or bauxite and / or lime
  • the storage material is preferably electrically conductive and has an electrical conductivity of 10 3 S/m to 10 6 S/m. In this way, a high inductive efficiency of the storage material, preferably of 90% or more, can be achieved.
  • the storage material has a density in a range of approximately 2500 kg/cubic meter or more, in particular approximately 3000 kg/cubic meter or more.
  • the storage material has a heat capacity at constant pressure and/or a temperature of 1000 ° C or more of approximately 600 J/(kgK) or more, in particular of approximately 900 J/(kgK) or more.
  • the storage material preferably has a thermal conductivity of approximately 15 W per (meter times Kelvin) or more, in particular of 20 W per (meter times Kelvin) or more.
  • the storage material comprises or is formed from one or more of the following materials: carbide ceramic materials, in particular Silicon carbide and/or titanium carbide, silicide ceramic materials, in particular molybdenum disilicide, boride ceramic materials, in particular titanium boride.
  • Thermal decoupling of the insert element from the inductor arrangement along with efficiency optimization is achieved if at least one insulating means for thermal insulation is arranged between the jacket and the storage space, e.g. B. made of high-temperature-resistant and/or microporous material.
  • the object is achieved in that the heat storage arrangement comprises an electrically non-conductive jacket arranged all around the storage space, into which the inductor device is introduced (e.g. cast within an inductor channel), with at least one further jacket in the jacket Flow guide is arranged to conduct a portion of the heat transfer medium.
  • the jacket is also cooled by means of the heat transfer medium and losses in efficiency caused by the necessary process cooling of the inductor device can be minimized. In this way, the efficiency of the heat storage arrangement is improved.
  • the jacket in particular comprises concrete and/or is formed from the same.
  • the inductor device can be cooled by another cooling medium, for example cooling water.
  • the storage material can be present as an insert element and/or with a porous structure and/or as a bed (without defined, aligned flow paths).
  • the storage material is also formed from electrically conductive material in connection with the above-mentioned special design of the jacket and includes or is formed from one or more of the following materials: carbide ceramic materials, in particular silicon carbide and/or titanium carbide, silicide ceramic materials, in particular molybdenum disilicide, boride ceramic materials, in particular titanium boride.
  • the heat transfer medium preferably comprises a gas, in particular air or hydrogen, and/or a solid, e.g. B. sand and / or bauxite and / or lime, on or is formed from it.
  • a gas in particular air or hydrogen
  • a solid e.g. B. sand and / or bauxite and / or lime
  • the further flow guide preferably comprises a second flow guide which is arranged radially between the storage space and the inductor device.
  • the second flow guide is preferably arranged in its longitudinal course parallel to the longitudinal axis L and/or to the axis around which the inductor device is also arranged.
  • the second flow guide can particularly preferably be designed as an annular channel arranged around the storage space, in particular (completely) circumferentially, e.g. B. in the form of a rotating, e.g. B. cylindrical, gap space).
  • annular channel arranged around the storage space, in particular (completely) circumferentially, e.g. B. in the form of a rotating, e.g. B. cylindrical, gap space).
  • This design advantageously at least largely interrupts the heat conduction within the jacket between the inductor device and the storage material. In this way, the thermal insulation between the inductor device and the storage material is improved, which is accompanied by improved efficiency and an increase in efficiency.
  • the further flow guide comprises at least a third flow guide, which is arranged in a part of the electrically non-conductive jacket that surrounds the inductor device radially on the outside.
  • the heat entering the jacket radially outwards can also be dissipated and/or reintegrated into the process.
  • the third flow guide preferably has at least one, preferably a plurality of channel/channels passing through the jacket.
  • the channels can also be offset in the radial direction or have a radial directional component in their course.
  • At least one channel of the further flow guides in particular the third flow guide, has a channel geometry that improves heat transfer and/or increased wall roughness (compared to a smooth design of the jacket wall, as far as possible with the jacket material).
  • Corresponding geometries and/or wall structures or wall surface properties can be advantageously realized in particular in a casting process of a concrete shell.
  • the at least one further flow guide originates at least partially from the inlet side, wherein the heat transfer medium can be divided and/or divided from a total flow into a first portion for flow through the first flow guide and at least one further portion for flow through the at least one further flow guide.
  • the heat transfer medium can be divided and/or divided from a total flow into a first portion for flow through the first flow guide and at least one further portion for flow through the at least one further flow guide.
  • the first portion serves in particular to dissipate the power coupled into the storage material.
  • the second part is used for. B. to prevent heating of the inductor device by the heated storage material by interrupting the heat flow back to the inductor device.
  • the waste heat from the second portion can be used, in particular reintegrated into the process.
  • the third part is used in particular to utilize waste heat, in which the heat absorbed as the flow flows through the jacket is reintegrated into the process.
  • the shares are divided, for example, based on the design of the geometries of the flow guides, e.g. B. such that the first proportion is at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90% of the total stream and the further proportions are at most 30%, preferably at most 20%, particularly preferably at most 10%.
  • the ratio of the shares can advantageously be varied during operation. This can be done, for example: B. Means for changing geometry e.g. B. be present at the entrance to the flow guides.
  • the first share can, for example, initially be up to 100% and within the company to e.g. B. be reduced by a minimum of 90%, 80% or 70%.
  • the at least one further flow guide opens at least partially on the outlet side, with the portions of the heat transfer medium being able to be brought together and/or brought together on the outlet side.
  • a collecting device is arranged on the outlet side, adjacent to the jacket, in which the parts can be brought together and/or brought together.
  • the collecting device can in particular be arranged circumferentially on the outside of the casing, so that all flow guides open into the collecting device.
  • the collecting device can be, for example, one, e.g. B. have a cone-like, cross-sectional narrowing.
  • the temperature of the heat transfer medium of the further portions is significantly below the temperature of the heat transfer medium of the first portion, for example up to 150 ° C or up to 100 ° C.
  • the further components can advantageously develop a cooling effect in the manner of film cooling on the walls of the collecting device when they enter the collecting device.
  • the radiant heat acting on the collecting device becomes convective due to the other components dissipated, so that the temperature requirements for this component are significantly reduced and allow the use of available and therefore cost-effective refractory materials (instead of high-temperature ceramics).
  • fluidic sealants are arranged between the collecting device and the jacket, which in particular are not designed to be resistant to high temperatures, e.g. B. made of graphite material (with a temperature resistance of up to 400 °C). This is possible in particular due to the cooling effect of the other components, in particular due to the third flow guide. A significantly improved sealing effect can be achieved using the graphite seal than using the high-temperature seal. In this way, transmission heat losses due to a leakage flow of heat transfer medium to the outside can be minimized.
  • At least one insulating means for thermal insulation is arranged between the jacket and the storage space, for example made of high-temperature-resistant and/or microporous material.
  • the flow channels are in the flow direction, in particular in the direction of gravity (axial direction).
  • the heat storage arrangement is preferably aligned with its axial direction (in the direction of the longitudinal axis L) such that the at least one flow path runs in the direction of gravity, in particular vertically.
  • the invention further includes a method for storing and/or transferring heat generated by electromagnetic induction in a heat storage arrangement, which is designed in particular according to one of the preceding claims, in which storage material arranged in a storage space is inductively heated by means of an inductor device of an inductor arrangement arranged around the storage space and wherein the heat is transferred during removal to a heat transfer medium which passes through from an inlet side to an outlet side at least a first flow guide flows and/or flows.
  • Fig. 1 shows a heat storage arrangement 10 for storing and/or transferring heat to a heat transfer medium 16 in a schematic representation in longitudinal section.
  • the heat storage arrangement 10 comprises a storage space 14 arranged centrally on a longitudinal axis L of the heat storage arrangement 10 with an inductively heatable, electrically conductive storage material 12.
  • the storage space 14 includes a first flow guide 24 for conducting heat transfer medium 16 in thermal contact with the storage material 12.
  • the storage material 12 is in particular an electrically conductive ceramic material with a specific proportion of voids.
  • the first flow guide 24 extends from an inlet side 34, where the heat transfer medium 16 enters the storage space 14 and/or into the storage material 12, to an exit side 36, here for example arranged opposite, where the heat transfer medium 16 exits the storage space 14 and/or from the Storage material 12 emerges.
  • the heat storage arrangement 10 also includes an inductor arrangement 40 with an inductor device 42, in particular a coil, arranged circumferentially around the storage space 14 for heating the storage material 12 by means of electromagnetic induction (cf. Fig. 1 : " Pel ").
  • the inductor device 42 can be arranged in an inductor channel 44 and cooled by a separate cooling medium (e.g. water).
  • the induction heating advantageously enables contactless power transport with direct heat generation within the storage material 12, without heat transport limiting the power input, for example. B. through heat conduction. This means that high power densities are advantageous and therefore a comparatively (e.g. for use a resistance heating) compact design of the heat storage arrangement 10 can be achieved.
  • a circumferentially arranged insulating means 38 is present for extensive thermal decoupling.
  • the heat storage arrangement 10 comprises a (completely) circumferential jacket 30 arranged around the storage space 14, into which the inductor device 42 is introduced, in particular cast.
  • the jacket 30 consists of an electrically non-conductive, in particular mechanically stable jacket material 32, in particular concrete.
  • a second flow guide 26 and a third flow guide 28 are arranged in the jacket 30, for example.
  • the second flow guide 26 serves to guide a second portion 20 and the third flow guide 28 serves to guide a third portion 22 of heat transfer medium 16, in addition to a first portion 18 of heat transfer medium 16, which flows through the first flow guide 24 during operation.
  • a power loss "P V " heat losses to the environment
  • the second flow guide 26 is arranged radially between the storage space 14 and the inductor device 42.
  • the second flow guide is designed as an annular channel 50 that runs (completely) around the storage space.
  • the annular channel 50 is in particular cylindrical and/or arranged coaxially to the longitudinal axis L and/or to the storage space 14 of the heat storage arrangement 10.
  • support structures are preferably arranged between an inner wall and an outer wall of the annular channel 50 (not shown here). These are preferably present in as few numbers as possible and/or are provided with small contact surfaces between the inner and outer walls and/or are designed to be thermally insulating. This design advantageously at least largely interrupts the heat conduction within the jacket 30 between the inductor device and the storage material 12 and thus improves the thermal insulation between the inductor device and the storage material 12.
  • the third flow guide 28 is arranged in the part of the jacket 30 that surrounds the inductor device 42 radially on the outside.
  • the third flow guide 28 has, for example, a plurality of channels passing through the jacket 30, which can also be arranged offset from one another in the radial direction (in Fig. 1 and Fig. 2 indicated by two radially offset channels). In this way, the heat entering the jacket 30 radially outward can also be dissipated and/or reintegrated into the process, whereby the efficiency of the process can be increased.
  • the third flow guide 28 can have a wall structure that improves heat transfer (increased wall roughness 52) and / or a channel geometry that improves heat transfer (not shown here).
  • the second flow guide 26 and the third flow guide 28 originate from the inlet side 34.
  • the heat transfer medium 16 which flows towards the heat storage arrangement 10 in a total flow, can be divided into the first portion 18 for flow through the first flow guide 24, into the second portion 20 for flow through the second flow guide 26 and into the third portion 22 for flow through the third flow guide 28.
  • the size of the shares can be done in particular in advance e.g. B. by the geometry in the flow guides 24, 26 and 28 and the associated pressure losses.
  • the first portion 18 is greater than the sum of the second portion 20 and the third portion 22, preferably 70% of the total portion or more.
  • the amount of the first share can e.g. B. can be varied by changing the geometry at the entry into the flow guides 24, 26, 28 and, for example, initially be up to 100% and during operation to z. B. be reduced by a minimum of 80% or 70%.
  • the different parts 18, 20 and 22 fulfill different functions during operation.
  • the first portion 18 serves to dissipate the power electromagnetically coupled into the storage material 12.
  • the second portion 20 serves, in addition to the insulating means 38, to minimize heating of the inductor device 42 by the heated storage material 12 by interrupting the heat flow back to the inductor device 42.
  • the inductor device 42 can be cooled by another cooling medium, for example cooling water.
  • the waste heat from the second portion 20 can be used.
  • the third portion 22 is used in particular to utilize waste heat by reintegrating the heat absorbed as the flow flows through the jacket 30 into the process.
  • the heat transfer medium 16 of the first portion 18 has temperatures of, for example, 1000 ° C to 2000 ° C.
  • the heat transfer medium 16 of the second portion 20 has temperatures of, for example, between 40 ° C and 400 ° C.
  • the heat transfer medium 16 of the third portion 22 has temperatures of, for example, between 40 ° C and 100 ° C.
  • the second flow guide 26 and the third flow guide 28 open on the outlet side 24.
  • the portions 18, 20, 22 of the heat transfer medium on the outlet side 34 can be brought together or brought together again to form the total flow.
  • the heat storage arrangement 10 has a collecting device 46 for bringing together the parts 18, 20, 22.
  • the collecting device 46 is arranged (completely) circumferentially radially on the outside of the jacket 30, so that the flow guides 24, 26, 28 open inside the collecting device 46.
  • the collecting device 46 has, for example, a conical constriction.
  • the third portion 22 develops a cooling effect on the collecting device 46 in the manner of film cooling when the heat transfer medium 16 flows out due to the comparatively low temperature.
  • the radiant heat acting on the collecting device 46 is dissipated convectively, so that the temperature requirements for this component are significantly reduced.
  • a sealant 48 arranged between the collecting device 46 and the jacket 30 not resistant to high temperatures, for example from a commercially available material such as graphite material, whereby an increased sealing effect is achieved while avoiding losses due to leakage currents.
  • a further efficiency-increasing measure consists of an optimized design or arrangement of the storage material 12 and/or the first flow guide 24.
  • the storage material 12 is in the form of an insert element 13.
  • the insert element 13 includes an electrically conductive, ceramic material as storage material 12 or is formed from it.
  • the insert element 13, as the first flow guide 24, has a plurality of elements with the heat transfer medium 16 flow paths 54 through which flow can flow.
  • the specific cavity proportions and/or specific heat transfer areas between the flow paths 54 and the storage material 12 within the insert element 13 increase in the radial direction outwards. This allows the temperature distribution within the storage material 12 to be improved by taking the so-called “skin effect” into account.
  • the specific cavity proportions and/or specific heat transfer surfaces increase towards the outside in such a way that a uniform temperature distribution within the storage material 12 is achieved during operation, at least in a stationary (or quasi-stationary) operating state.
  • a uniform temperature distribution exists in particular when a temperature difference, in particular in the radial direction, between the minimum and the maximum temperature of the storage material 12 within the insert element 13 in a stationary and/or quasi-stationary operating state is not greater than 400 K, preferably not greater than 300K , in particular is not greater than 200 K.
  • the design in particular with regard to the criterion of uniform temperature distribution, is preferably carried out numerically, e.g. B. using the finite element method (FEM).
  • FEM finite element method
  • Maxwell's equations to describe the power input through the electromagnetic induction coupled with heat transport equations to describe the existing heat transport processes and from this the temperature distribution within the insert element 13 are determined under exemplary operating conditions.
  • the flow paths 54 are formed by flow channels 55 which are continuous from the inlet side 34 to the outlet side 36, which pass through the insert element 13 and whose central longitudinal axes are arranged at least substantially parallel to the longitudinal axis L of the storage space 14 or the heat storage arrangement 10.
  • a central cavity 64 is used, for example, for assembly purposes, e.g. B. not as a flow-through or flow-through cavity.
  • Fig. 3 shows an exemplary embodiment in which the flow channels 55 are arranged rotationally symmetrically about the longitudinal axis L in the insert element 13.
  • the flow channels 55 run between walls 58 with a circumferential cross section and radial walls 56.
  • the circumferential walls 58 are in the exemplary embodiment according to Fig. 3 arranged polygonally, here for example octagonally.
  • the radial walls 56 intersect the circumferential walls 58 at the corners of the polygon.
  • the flow channels 55 are each delimited by straight wall sections and have a trapezoidal flow cross section.
  • a first, inner ring segment 60 has radial walls 56 with a greater wall thickness than a second, outer ring segment 62.
  • the proportion of hollow space is increased towards the outside.
  • the heat conduction from the outside to the inside is improved by reducing the heat conduction resistance of the radial walls 56, so that this design contributes to a uniform temperature distribution.
  • the improved heat conduction is also beneficial, as in Fig. 3 shown, the radial walls 56 run radially continuously from the innermost circumferential wall 58 to the outermost circumferential wall 58.
  • Fig. 4 shows a heat storage arrangement 10 with a further embodiment of the insert element 13, which is optimized with regard to the distribution of the heat transfer.
  • the circumferential walls 58 are circular and can have a different wall thickness depending on the segment (s 1 to s n ).
  • the Radial walls 56 are designed here, for example, with a constant wall thickness.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of the insert element 13 that is optimized with regard to the distribution of heat transfer.
  • a large number of flow channels 55 are arranged in ring segments in the radial direction.
  • the specific number of flow channels 55 increases in the radial direction outwards and is maximum in an outer ring segment. This will be in the in Fig. 5 shown embodiment achieved in that the number of radial walls 56 increases towards the outside.
  • the wall thickness of the radial walls 56 is constant, for example.
  • Fig. 6 shows a design variant of the heat storage arrangement 10 that is optimized in particular for operation with a granular solid as a heat transfer fluid 16 (e.g. sand and / or bauxite and / or lime).
  • the inlet side 34 is arranged at the top with respect to a direction of gravity and the opposite outlet side 36 is arranged at the bottom, wherein the heat storage arrangement 10 is aligned with its axial direction (in the direction of the longitudinal axis L) such that the at least one flow path runs in the direction of gravity, in particular vertically.
  • the flow channels 55 have a constantly and/or monotonically narrowing flow cross section in the flow direction, in particular in the direction of gravity (axial direction), with the walls 56, 58 constantly approaching one another in a funnel-like manner.
  • both the first flow guide 24 and the third flow guide 28 are designed with parallel walls, but could also be designed like a funnel.
  • the second flow guide 26 is designed with parallel walls, but could also be designed like a funnel.
  • Such a design would also be possible regarding only one of the flow guides 24, 26 and 28, with z. B. no second flow guide 26 and/or third flow guide 28 could be present.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmespeicheranordnung (10) zur Speicherung und/oder Übertragung von mittels elektromagnetischer Induktion erzeugter Wärme, umfassend einen Speicherraum (14) mit einem induktiv erwärmbaren Speichermaterial (12) und einer ersten Strömungsführung (24) zur Leitung von Wärmeträgermedium (16) in thermischem Kontakt zu dem Speichermaterial (12) von einer Eintrittsseite (34) zu einer Austrittsseite (36) und eine Induktoranordnung (40) mit einer um den Speicherraum (14) angeordneten Induktorvorrichtung (42) zur Erwärmung des Speichermaterials (12). Eine erhöhte Effizienz ist dadurch erreichbar, dass das Speichermaterial (12) in Form zumindest eines Einsatzelements (13) vorliegt, welches ein elektrisch leitfähiges, keramisches Material umfasst oder daraus gebildet ist und als erste Strömungsführung (24) zumindest einen von dem Wärmeträgermedium (16) durchströmbaren Strömungspfad (54) aufweist, wobei ein spezifischer Hohlraumanteil und/oder eine spezifische Wärmeübertragungsfläche zwischen dem zumindest einen Strömungspfad (54) und dem Speichermaterial (12) innerhalb des Einsatzelements (13) in radialer Richtung nach außen hin zunehmen

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmespeicheranordnung zur Speicherung und/oder Übertragung von mittels elektromagnetischer Induktion erzeugter Wärme, umfassend einen Speicherraum mit einem induktiv erwärmbaren Speichermaterial und einer ersten Strömungsführung zur Leitung von Wärmeträgermedium in thermischem Kontakt zu dem Speichermaterial von einer Eintrittsseite zu einer Austrittsseite und eine Induktoranordnung mit einer um den Speicherraum angeordneten Induktorvorrichtung zur Erwärmung des Speichermaterials. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Speicherung und/oder Übertragung von Wärme in einer Wärmespeicheranordnung.
  • Eine derartige Wärmespeicheranordnung geht aus der DE 10 2019 207 967 A1 hervor. Dabei ermöglicht die Induktionserwärmung durch den berührungslosen Leistungstransport mit der direkten Wärmeerzeugung in dem Speichermaterial deutlich höhere Leistungsdichte und somit kompaktere Wandlungssysteme als beispielsweise bei Systemen unter Verwendung einer Widerstandsheizung.
  • Die DE 2 117 103 A zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines erhitzten Mediums für Beheizungszwecke. Die Vorrichtung umfasst einen metallischen Block, der von Induktionsspulen und wärmeisolierenden Wandungen umgeben ist. Die Induktionsspulen bzw. Kupferspulen sind in einer feuerfesten keramischen, wärmeisolierenden, vorzugsweise hochporösen Masse eingebettet.
  • Die DE 10 2017 125 669 A1 zeigt einen Latentwärmespeicher mit einer Vielzahl von Wärmespeicherelementen.
  • Die DE 11 2018 001 252 T5 zeigt eine poröse Wabenwärmespeicherstruktur zum Einsatz auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge.
  • Weitere Vorrichtungen zur Speicherung und/oder Übertragung von Wärme sind in den Druckschriften DE 10 2011 109 779 A1 , US 3 596 034 A , DE 2 117 103 A1 , DE 10 2016 119 668 A1 und EP 2 574 756 A1 angegeben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeicheranordnung der eingangs genannten Art mit einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen, sowie ein entsprechendes Verfahren.
  • Die Aufgabe wird für die Wärmespeicheranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder des Anspruchs 12 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 24 gelöst.
  • Bei der Wärmespeicheranordnung ist vorgesehen, dass das Speichermaterial in Form zumindest eines Einsatzelements vorliegt, welches (als Speichermaterial) ein elektrisch leitfähiges, keramisches Material umfasst oder daraus gebildet ist und als erste Strömungsführung zumindest einen von dem Wärmeträgermedium durchströmbaren Strömungspfad aufweist, wobei ein spezifischer Hohlraumanteil (von Wärmeträgermedium durchströmbares bzw. durchströmtes Hohlraumvolumen, insbesondere Volumen des zumindest einen Strömungspfades, zu Gesamtvolumen des Einsatzelements z. B. innerhalb eines definierten Segments des Einsatzelements (wobei das Gesamtvolumen Speichermaterial-Volumen und Hohlraumvolumen umfasst oder daraus gebildet ist)) und/oder eine spezifische Wärmeübertragungsfläche (Wärmeübertragungsfläche zu Gesamtvolumen z. B. innerhalb eines definierten Segments des Einsatzelements) zwischen dem zumindest einen Strömungspfad und dem Speichermaterial innerhalb des Einsatzelements, in radialer Richtung nach au-ßen hin zunehmen.
  • Der Hohlraumanteil kann beispielsweise, z. B. je nach Segment, zwischen 35 % und 90 % betragen. Ein insbesondere radial am weitesten innenliegendes Segment kann auch ohne Hohlraumanteil ausgebildet sein.
  • Die Wärmeübertragungsfläche kann beispielsweise, z. B. je nach Segment, bis zu mehr als 100 1/m, vorzugsweise mehr als 200 1/m, insbesondere mehr als 250 1/m betragen.
  • Die Außengestalt des Speicherraums und/oder des Einsatzelements und/oder die Anordnung der Induktorvorrichtung kann beispielsweise zylindrischer oder im Querschnitt (orthogonal zur Längsachse) polygonaler Art ausgebildet sein.
  • "Spezifisch" bedeutet hierbei bezogen auf ein bestimmtes Gesamtvolumen des Einsatzelements, beispielsweise eines definierten Segments des Einsatzelements.
  • In axialer Richtung kann/können der Hohlraumanteil und/oder die Wärmeübertragungsfläche beispielsweise konstant bleiben oder ebenfalls variieren.
  • Der Hohlraumanteil und/oder die Wärmeübertragungsfläche kann/können zwischen beispielsweise (gedachten) ringartigen, radial umeinander liegenden, Segmenten variieren, wobei er/sie in radial weiter außen liegenden Segmenten zunimmt/zunehmen.
  • Insbesondere ist das Einsatzelement unmittelbar (mit direktem Kontakt zwischen Speichermaterial und Wärmeträgermedium, ohne Zwischenordnung eines anderen Mediums) von Wärmeträgermedium durchströmbar bzw. durchströmt.
  • Insbesondere ist die Wärmespeicheranordnung zum Betrieb mit hohen Temperaturen in dem Speichermaterial und/oder in dem Wärmeträgermedium, von maximalen Temperaturen von mindestens 800 °C, vorzugsweise von mindestens 1000 °C, ausgebildet.
  • Auf diese Weise kann vorteilhaft in dem radial äußeren Bereich des Einsatzelements eine höhere Wärmeleistung an das Wärmeträgermedium übertragen und von diesem abtransportiert werden. So wird vorteilhaft die Verteilung der an das Wärmeträgermedium übertragenen thermischen Leistung an die Verteilung der bei der induktiven Erwärmung im Festkörper eingetragenen Leistung (d. h. an die Verteilung der Leistungsdichte) angepasst. Bei der induktiven Erwärmung wird aufgrund des sogenannten (frequenzabhängigen) "Skin-Effekts" in den radial äußeren Bereichen des Einsatzelements eine höhere Leistung eingekoppelt als in den radial inneren Bereichen des Einsatzelements. Insgesamt kann durch diese Maßnahme die Effizienz der Wärmespeicheranordnung und damit der Wirkungsgrad gesteigert werden.
  • In einer vorteilhaft herstellbaren, strömungsgünstigen Ausbildungsvariante ist der zumindest eine Strömungspfad durch zumindest einen durchgängigen Strömungskanal gebildet, dessen Mittellängsachse zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Speicherraums angeordnet ist.
  • Vorzugsweise ist das Einsatzelement von einer Vielzahl von Strömungspfaden, insbesondere Strömungskanälen, durchsetzt, die symmetrisch, insbesondere drehsymmetrisch, um die Längsachse in dem Einsatzelement angeordnet sind.
  • Vorteilhafte Auslegungsmöglichkeiten ergeben sich, wenn das Speichermaterial in Form von sich axial erstreckenden Wandungen angeordnet ist, zwischen welchen die Strömungskanäle verlaufen, wobei die Wandungen im Querschnitt insbesondere als radiale Wandungen (in radiale Richtung verlaufend) und/oder (z. B. (kreis-)ringförmig und/oder polygonal) umlaufende Wandungen (in umlaufende Richtung verlaufend) angeordnet sind. Die Strömungskanäle können je nach Anordnung der Wandungen beispielsweise gerundete und/oder gerade Wandabschnitte, für einen gerundeten, z. B. kreisringartigen, und/oder polygonalen Strömungsquerschnitt, aufweisen. Die Wandungen können insbesondere bei konstantem Querschnitt in axialer Richtung in definierter Form beispielsweise durch Strangpressen oder Formgießen in hoher Stückzahl kostengünstig und mit einer präzisen vordefinierten Geometrie hergestellt werden.
  • Besonders bevorzugt nimmt/nehmen der Hohlraumanteil und/oder die Wärmeübertragungsfläche, auslegbar insbesondere über den Verlauf und/oder die Geometrie (z. B. die Stärke) der Wandungen und/oder die Verteilung und/oder (spezifische) Anzahl und/oder die Geometrie (z. B. der Strömungsquerschnitt) der Strömungskanäle, derart nach außen hin zu, dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung, insbesondere in radialer Richtung und/oder in umlaufender Richtung, innerhalb des Speichermaterials erreichbar ist oder vorliegt. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung liegt insbesondere vor, wenn eine Temperaturdifferenz, insbesondere in radialer Richtung, zwischen der minimalen und der maximalen Temperatur des Speichermaterials innerhalb des Einsatzelements in einem (z. B. simulierten) stationären und/oder quasistationären Betriebszustand (mit Erwärmung des Wärmeträgermediums auf Temperaturen von mindestens 800 °C, vorzugsweise mindestens 1000 °C) nicht größer ist als 400 K, vorzugsweise nicht größer als 300 K, insbesondere nicht größer ist als 200 K ist.
  • Die Auslegung, insbesondere hinsichtlich des Kriteriums der gleichmäßigen Temperaturverteilung, erfolgt insbesondere numerisch, z. B. unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM). In dem Auslegungsverfahren werden insbesondere in einer numerischen Simulation Maxwell-Gleichungen zur Beschreibung des Leistungseintrags durch die elektromagnetische Induktion gekoppelt mit Wärmetransport-Gleichungen zur Beschreibung der vorliegenden Wärmetransportprozesse sowie Wärmeverlustmechanismen und daraus die Temperaturverteilung innerhalb des Einsatzelements unter beispielhaften Betriebs-Randbedingungen ermittelt.
  • Als gegebene Randbedingung kann beispielsweise zumindest eine der folgenden Größen vorgegeben sein: eine Frequenz (der die Induktion bewirkenden elektrischen Spannung bzw. des induzierten elektrischen Stroms) zusammen mit Materialspezifika, z. B. des Speichermaterials, und somit die Eindringtiefe des Erwärmungsprozesses des Speichermaterials, eine am Induktor angelegte Wechselspannung bzw. Wechselstrom, Materialspezifika des Wärmeträgermediums, Betriebsgrößen wie Durchflussmengen des Wärmeträgermediums etc.. Freiheitsgrade zur Optimierung der spezifischen Hohlraumverteilung und/oder spezifischen Wärmeübertragungsflächen, um die gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen, bildet für ein Satz an Materialspezifikationen des Speichermaterials z. B. zumindest eine der folgenden Größen: Anordnung und/oder Geometrie der Wandungen, Anordnung und/oder Geometrie und/oder die spezifische Anzahl der Strömungspfade bzw. Strömungskanäle. Das Einsatzelement kann zur Berechnung z. B. in unterschiedliche Segmente (z. B. in 1 bis n Segmente), beispielsweise in umlaufende, ineinander liegende, aneinander angrenzende (Ring-)Segmente unterteilt werden, zwischen welchen sich die Freiheitsgrade zu Optimierungszwecken unterscheiden können.
  • Insbesondere bei vorstehend angegebener Auslegung kann vorteilhafterweise eine Stärke der, insbesondere radialen, Wandungen im Querschnitt in radialer Richtung nach außen hin abnehmen (nach innen hin zunehmen). Die Abnahme kann kontinuierlich oder diskret (z. B. zwischen den einzelnen (Ring-)Segmenten) erfolgen. Alternativ kann die Wandstärke konstant bleiben. Durch die nach innen hin zunehmende Wandstärke wird der thermische Widerstand innerhalb des Speichermaterials nach innen hin verkleinert und so eine bessere Wärmeleitung von radial außen, wo eine deutlich höhere Leistung eingekoppelt wird, nach innen, wo eine deutlich geringere Leistung eingekoppelt wird, ermöglicht. So wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb des Einsatzelements erreicht.
  • Sowohl zugunsten der Wärmeleitung für eine gleichmäßige Temperaturverteilung als auch für eine vorteilhafte Kompensation von thermo-mechanischen Spannungen sind vorzugsweise zumindest einige der radialen Wandungen, vorzugsweise in drehsymmetrischer Anordnung, strahlartig radial durchgängig von einer innersten umlaufenden Wandung zu einer äußersten umlaufenden Wandung angeordnet.
  • Insbesondere bei Verwendung eines feststoffartigen Wärmeträgermediums (beispielsweise von Sand und/oder Bauxit und/oder Kalk, insbesondere in pulverartiger und/oder granularer Form) kann es vorteilhaft sein, wenn die Strömungskanäle in Strömungs- bzw. Flussrichtung, insbesondere in Schwerkraftrichtung (axialer Richtung), einen sich stetig und/oder monoton verengenden Strömungsquerschnitt aufweisen, wobei sich insbesondere die Wandungen konstant, trichterartig, aneinander annähern. Dabei ist vorzugsweise die Wärmespeicheranordnung mit ihrer axialen Richtung (in Richtung Längsachse L) derart ausgerichtet, dass der zumindest eine Strömungspfad in Schwerkraftrichtung, insbesondere senkrecht, verläuft. Durch diese Ausbildung weist der zumindest eine Strömungspfad, bzw. weisen insbesondere die Strömungskanäle, zur Strömungsführung in Flussrichtung eine Verengung auf. Neben der radialen Hohlraumverteilung ergibt sich eine sich ändernde Hohlraumverteilung in axialer Richtung. Auf diese Weise wird bei einem Granulat an Wärmeträgermedium vorteilhafterweise im oberen Eintrittsbereich eine Stauzone vermieden. So wird eine längere Verweilzeit zur effizienten Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und/oder Strahlung innerhalb des Einsatzelements erreicht. Diese Maßnahme wirkt dem Nachteil der typischerweise geringen Wärmeleitung eines granularen Wanderbetts entgegen. Herstellbar ist ein derartiges Design beispielsweis mittels additiver Fertigung (3D-Druck), insbesondere unter Verwendung von Siliziumcarbid.
  • Vorzugsweise weist das Wärmeträgermedium ein Gas, insbesondere Luft oder Wasserstoff, und/oder einen Feststoff, z. B. Sand und/oder Bauxit und/oder Kalk, auf oder ist daraus gebildet.
  • Vorzugsweise ist das Speichermaterial elektrisch leitend und weist eine elektrische Leitfähigkeit von 103 S/m bis 106 S/m auf. Auf diese Weise kann ein hoher induktiver Wirkungsgrad des Speichermaterials, von vorzugsweise 90 % oder mehr, erreicht werden.
  • Vorteilhaft kann sein, wenn das Speichermaterial eine Dichte in einem Bereich von etwa 2500 kg/Kubikmeter oder mehr, insbesondere von ca. 3000 kg/Kubikmeter oder mehr aufweist.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Speichermaterial eine Wärmekapazität bei konstantem Druck und/oder einer Temperatur von 1000 °C oder mehr von ca. 600 J/(kgK) oder mehr, insbesondere von etwa 900 J/(kgK) oder mehr, aufweist.
  • Das Speichermaterial weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 15 W pro (Meter mal Kelvin) oder mehr, insbesondere von 20 W pro (Meter mal Kelvin) oder mehr auf.
  • Zweckmäßig ist es, wenn das Speichermaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst oder daraus gebildet ist: carbidkeramische Materialien, insbesondere Siliziumcarbid und/oder Titancarbid, silizidkeramische Materialien, insbesondere Molybdän-Disilizid, boridkeramische Materialien, insbesondere Titanborid.
  • Eine thermische Entkopplung des Einsatzelements von der Induktoranordnung einhergehend mit einer Wirkungsgradoptimierung wird erreicht, wenn zwischen dem Mantel und dem Speicherraum zumindest ein Isoliermittel zur thermischen Isolation angeordnet ist, z. B. aus hochtemperaturfestem und/oder mikroporösem Material.
  • Alternativ oder zusätzlich wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Wärmespeicheranordnung einen umlaufend um den Speicherraum angeordneten, elektrisch nicht-leitenden Mantel umfasst, in welchen die Induktorvorrichtung eingebracht (z. B. innerhalb eines Induktorkanals eingegossen) ist, wobei in dem Mantel zumindest eine weitere Strömungsführung zur Leitung eines Anteils des Wärmeträgermediums angeordnet ist. Dadurch wird auch der Mantel mittels des Wärmeträgermediums gekühlt und es können dadurch Wirkungsgradeinbußen bedingt durch eine notwendige Prozesskühlung der Induktorvorrichtung minimiert werden. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Wärmespeicheranordnung verbessert.
  • Der Mantel umfasst insbesondere Beton und/oder ist aus selbigem gebildet.
  • Zusätzlich kann die Induktorvorrichtung durch ein anderes Kühlmedium, beispielsweise Kühlwasser, gekühlt sein.
  • Das Speichermaterial kann als Einsatzelement und/oder mit poröser Struktur und/oder als Schüttung (ohne definiert ausgerichtete Strömungspfade) vorliegen.
  • Zweckmäßig ist es, wenn das Speichermaterial auch im Zusammenhang mit der oben angegebenen, besonderen Ausbildung des Mantels aus elektrisch leitfähigem Material gebildet ist und eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst oder daraus gebildet ist: carbidkeramische Materialien, insbesondere Siliziumcarbid und/oder Titancarbid, silizidkeramische Materialien, insbesondere Molybdän-Disilizid, boridkeramische Materialien, insbesondere Titanborid.
  • Vorzugsweise weist das Wärmeträgermedium ein Gas, insbesondere Luft oder Wasserstoff, und/oder einen Feststoff, z. B. Sand und/oder Bauxit und/oder Kalk, auf oder ist daraus gebildet.
  • Vorzugsweise umfasst dabei die weitere Strömungsführung eine zweite Strömungsführung, die radial zwischen dem Speicherraum und der Induktorvorrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise ist die zweite Strömungsführung in ihrem Längsverlauf parallel zu der Längsachse L und/oder zu der Achse angeordnet, um die auch die Induktorvorrichtung angeordnet ist.
  • Dabei kann besonders bevorzugt die zweite Strömungsführung als, insbesondere (vollständig) umlaufend, um den Speicherraum angeordneter Ringkanal ausgebildet sein, z. B. in Art eines umlaufenden, z. B. zylindrischen, Spaltraums). Vorzugsweise sind dabei nur derart wenige Stützstrukturen zwischen einer Innenwand und einer Außenwand des Ringskanals vorhanden, wie zur mechanischen Stabilisierung der Wärmespeicheranordnung benötigt werden. Durch diese Ausbildung wird vorteilhaft die Wärmeleitung innerhalb des Mantels zwischen der Induktorvorrichtung und dem Speichermaterial zumindest weitgehend unterbrochen. Auf diese Weise wird die thermische Isolation zwischen der Induktorvorrichtung und dem Speichermaterial verbessert, was mit einer verbesserten Effizienz und Erhöhung des Wirkungsgrades einhergeht.
  • Vorzugsweise umfasst die weitere Strömungsführung zumindest eine dritte Strömungsführung, welche in einem die Induktorvorrichtung radial außen umgebenden Teil des elektrisch nicht-leitenden Mantels angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch die radial nach außen in den Mantel eintretende Wärme abgeführt und/oder in den Prozess reintegriert werden.
  • Für eine effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Mantel und dem Wärmeträgermedium weist die dritte Strömungsführung vorzugsweise zumindest einen, vorzugsweise eine Vielzahl von, den Mantel durchsetzenden Kanal/Kanäle auf. Die Kanäle können auch in radialer Richtung versetzt sein bzw. in ihrem Verlauf eine radiale Richtungskomponente aufweisen.
  • Ebenfalls einer effizienten Wärmeübertragung ist es zuträglich, wenn zumindest ein Kanal der weiteren Strömungsführungen, insbesondere der dritten Strömungsführung, eine die Wärmeübertragung verbessernde Kanalgeometrie und/oder erhöhte Wandrauhigkeit (gegenüber einer, soweit mit dem Mantelmaterial möglichen, glatten Ausbildung der Mantelwand) aufweist. Entsprechende Geometrien und/oder Wandstrukturen bzw. Wand-Oberflächenbeschaffenheit können insbesondere in einem Gussverfahren eines Mantels aus Beton vorteilhaft realisiert werden.
  • Vorzugsweise geht die zumindest eine weitere Strömungsführung zumindest teilweise von der Eintrittsseite aus, wobei das Wärmeträgermedium von einem Gesamtstrom in einen ersten Anteil zur Durchströmung der ersten Strömungsführung und zumindest einen weiteren Anteil zur Durchströmung der zumindest einen weiteren Strömungsführung aufteilbar und/oder aufgeteilt ist. So ist eine einfache Prozessführung erreichbar, innerhalb der der Gesamtstrom an Wärmeträgermedium an die Wärmespeicheranordnung herangeführt und dort aufgeteilt wird.
  • Der erste Anteil dient insbesondere dazu, die in das Speichermaterial eingekoppelte Leistung abzuführen. Der zweite Anteil dient z. B. dazu eine Erwärmung der Induktorvorrichtung durch das erwärmte Speichermaterial durch Unterbrechung des Wärmerückflusses an die Induktorvorrichtung zu verhindern. Zusätzlich kann die Abwärme des zweiten Anteils genutzt, insbesondere in den Prozess reintegriert werden. Der dritte Anteil dient insbesondere zur Abwärmenutzung, in dem die bei Durchströmung des Mantels aufgenommene Wärme in den Prozess reintegriert wird.
  • Die Aufteilung der Anteile erfolgt beispielsweise aufgrund der Auslegung der Geometrien der Strömungsführungen, z. B. derart, dass der erste Anteil zumindest 70 %, vorzugsweise zumindest 80 %, besonders bevorzugt zumindest 90 % des Gesamtstromes beträgt und die weiteren Anteile maximal 30 %, vorzugsweise maximal 20 %, besonders bevorzugt maximal 10 %.
  • Das Verhältnis der Anteile kann vorteilhafterweise während des Betriebs variierbar sein. Dazu können z. B. Mittel zur Geometrieänderung z. B. am Eintritt in die Strömungsführungen vorhanden sein. Dabei kann der erste Anteil beispielsweise anfangs bis zu 100 % betragen und innerhalb des Betriebs auf z. B. minimal 90 %, 80 % oder 70 % reduziert werden.
  • Einer vorteilhaften Wärmenutzung durch Reintegration in den Gesamtprozess ist es zuträglich, wenn die zumindest eine weitere Strömungsführung zumindest teilweise auf der Austrittsseite mündet, wobei die Anteile des Wärmeträgermediums auf der Austrittsseite zusammenführbar und/oder zusammengeführt sind.
  • Bei der Zusammenführung kann es vorteilhaft sein, wenn an der Austrittsseite, anschließend an den Mantel, eine Sammelvorrichtung angeordnet ist, in dem die Anteile zusammenführbar und/oder zusammengeführt sind. Die Sammelvorrichtung kann insbesondere umlaufend außen anschließend an dem Mantel angeordnet sein, so dass alle Strömungsführungen innerhalb der Sammelvorrichtung münden. Die Sammelvorrichtung kann beispielsweise eine, z. B. konusartige, Querschnittsverengung aufweisen. Die Temperatur des Wärmeträgermediums der weiteren Anteile liegt deutlich unterhalb der Temperatur des Wärmeträgermediums des ersten Anteils, beispielsweise bei bis zu 150 °C oder bis zu 100 °C. Auf diese Weise können vorteilhaft die weiteren Anteile bei Eintritt in die Sammelvorrichtung eine Kühlwirkung in Art einer Filmkühlung auf die Wände der Sammelvorrichtung entfalten. Dabei wird die auf die Sammelvorrichtung wirkende Strahlungswärme durch die weiteren Anteile konvektiv abgeführt, so dass die Temperaturanforderungen für diese Komponente deutlich abgesenkt werden und den Einsatz von verfügbaren und damit kostengünstigen Feuerfestwerkstoffen (anstelle einer Hochtemperatur-Keramik) erlauben.
  • In einer kosteneffizienten Ausbildungsvariante sind zwischen der Sammelvorrichtung und dem Mantel strömungstechnische Dichtmittel angeordnet, die insbesondere nicht hochtemperaturfest ausgebildet sind, z. B. aus Graphit-Material (mit einer Temperaturfestigkeit von bis zu 400 °C). Dies ist insbesondere aufgrund der Kühlwirkung der weiteren Anteile, insbesondere durch die dritte Strömungsführung, möglich. Mittels der Graphitdichtung ist eine deutlich verbesserte Dichtwirkung erzielbar als mittels der Hochtemperaturdichtung. So können Transmissionswärmeverluste durch einen Leckagestrom an Wärmeträgermedium nach außen minimiert werden.
  • Für eine weitere Optimierung der thermischen Isolation einhergehend mit einer Wirkungsgradoptimierung ist zwischen dem Mantel und dem Speicherraum zumindest ein Isoliermittel zur thermischen Isolation angeordnet, z.B. aus hochtemperaturfestem und/oder mikroporösem Material.
  • Insbesondere bei Verwendung eines feststoffartigen Wärmeträgermediums (beispielsweise von Sand und/oder Bauxit und/oder Kalk, insbesondere in pulverartiger und/oder granularer Form) kann es vorteilhaft sein, wenn die Strömungskanäle in Strömungs- bzw. Flussrichtung, insbesondere in Schwerkraftrichtung (axialer Richtung), einen sich stetig und/oder monoton verengenden Strömungsquerschnitt aufweisen, wobei sich insbesondere die Wandungen konstant, trichterartig, aneinander annähern. Dabei ist vorzugsweise die Wärmespeicheranordnung mit ihrer axialen Richtung (in Richtung Längsachse L) derart ausgerichtet, dass der zumindest eine Strömungspfad in Schwerkraftrichtung, insbesondere senkrecht, verläuft.
  • Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Speicherung und/oder Übertragung von mittels elektromagnetischer Induktion erzeugter Wärme in einer Wärmespeicheranordnung, die insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, bei dem in einem Speicherraum angeordnetes Speichermaterial mittels einer um dem Speicherraum angeordneten Induktorvorrichtung einer Induktoranordnung induktiv erwärmt wird und wobei die Wärme bei der Entnahme an ein Wärmeträgermedium übertragen wird, welches von einer Eintrittsseite zu einer Austrittsseite durch zumindest eine erste Strömungsführung strömt und/oder fließt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Wärmespeicheranordnung mit einer in einem Mantel eingebrachten Induktorvorrichtung, wobei der Mantel weitere Strömungsführungen umfasst, in schematischer Darstellung im Längsschnitt,
    Fig. 2
    ein Teil einer weiteren beispielhaften Wärmespeicheranordnung mit Strömungsführungen und einer Sammelvorrichtung in schematischer Darstellung im Längsschnitt,
    Fig. 3
    eine Wärmespeicheranordnung mit Anordnung eines Speichermaterials als Einsatzelement in einer ersten Ausführungsvariante in schematischer Darstellung im Querschnitt,
    Fig. 4
    eine Wärmespeicheranordnung mit Anordnung eines Speichermaterials als Einsatzelement in einer weiteren Ausführungsvariante in schematischer Darstellung im Querschnitt,
    Fig. 5
    ein Einsatzelement zum Einsatz in einer Wärmespeicheranordnung in einer weiteren Ausführungsvariante im Querschnitt und
    Fig. 6
    eine Wärmespeicheranordnung mit sich in Strömungs-/Flussrichtung verengenden Strömungskanälen in schematischer Darstellung im Längsschnitt.
  • Fig. 1 zeigt eine Wärmespeicheranordnung 10 zur Speicherung und/oder Übertragung von Wärme an ein Wärmeträgermedium 16 in schematischer Darstellung im Längsschnitt. Die Wärmespeicheranordnung 10 umfasst einen zentral auf einer Längsachse L der Wärmespeicheranordnung 10 angeordneten Speicherraum 14 mit einem induktiv erwärmbaren, elektrisch leitfähigen Speichermaterial 12. Der Speicherraum 14 umfasst eine erste Strömungsführung 24 zur Leitung von Wärmeträgermedium 16 in thermischem Kontakt zu dem Speichermaterial 12. Das Speichermaterial 12 ist insbesondere ein elektrisch leitfähiges Keramikmaterial mit einem spezifischen Hohlraumanteil.
  • Die erste Strömungsführung 24 erstreckt sich von einer Eintrittsseite 34, wo das Wärmeträgermedium 16 in den Speicherraum 14 und/oder in das Speichermaterial 12 eintritt, zu einer hier beispielhaft gegenüberliegend angeordneten Austrittsseite 36, wo das Wärmeträgermedium 16 aus dem Speicherraum 14 und/oder aus dem Speichermaterial 12 austritt.
  • Zur Erzeugung von Wärme innerhalb des Speichermaterials 12 umfasst die Wärmespeicheranordnung 10 zudem eine Induktoranordnung 40 mit einer um den Speicherraum 14 umlaufend angeordneten Induktorvorrichtung 42, insbesondere eine Spule, zur Erwärmung des Speichermaterials 12 mittels elektromagnetischer Induktion (vgl. Fig. 1: "Pel"). Die Induktorvorrichtung 42 kann in einem Induktorkanal 44 angeordnet sein und durch ein separates Kühlmedium (z. B. Wasser) gekühlt werden. Die Induktionserwärmung ermöglicht vorteilhaft einen berührungslosen Leistungstransport mit unmittelbarer Wärmeerzeugung innerhalb des Speichermaterials 12, ohne den Leistungseintrag limitierenden Wärmetransport z. B. durch Wärmeleitung. Dadurch sind vorteilhaft hohe Leistungsdichten und somit eine vergleichsweise (z. B. zur Verwendung einer Widerstandsheizung) kompakte Ausbildung der Wärmespeicheranordnung 10 erreichbar.
  • Zwischen dem Speichermaterial 12 und der Induktorvorrichtung 42, insbesondere zwischen dem Mantel 30 und dem Speichermaterial 12, ist zur weitgehenden thermischen Entkopplung ein umlaufend angeordnetes Isoliermittel 38 vorhanden.
  • Weiterhin umfasst die Wärmespeicheranordnung 10 einen (vollständig) umlaufend um den Speicherraum 14 angeordneten Mantel 30, in welchen die Induktorvorrichtung 42 eingebracht, insbesondere eingegossen, ist. Der Mantel 30 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden, insbesondere mechanisch stabilen Mantelmaterial 32, insbesondere aus Beton.
  • Als eine Effizienz- bzw. Wirkungsgrad-steigernde Maßnahme sind in dem Mantel 30 beispielhaft eine zweite Strömungsführung 26 und eine dritte Strömungsführung 28 angeordnet. Die zweite Strömungsführung 26 dient zur Leitung eines zweiten Anteils 20 und die dritte Strömungsführung 28 zur Leitung eines dritten Anteils 22 an Wärmeträgermedium 16, neben einem ersten Anteil 18 an Wärmeträgermedium 16, welcher im Betrieb die erste Strömungsführung 24 durchströmt. Dadurch kann eine Verlustleistung "PV" (Wärmeverluste an die Umgebung) reduziert werden, wobei aus dem Speichermaterial 12 entweichende Wärme von dem Wärmeträgermedium 16 aufgenommen und in den Prozess reintegriert werden kann, wie die nachfolgenden Ausführungen zeigen.
  • Die zweite Strömungsführung 26 ist radial zwischen dem Speicherraum 14 und der Induktorvorrichtung 42 angeordnet. Die zweite Strömungsführung ist als insbesondere (vollständig) um den Speicherraum umlaufender Ringkanal 50 ausgebildet. Der Ringkanal 50 ist insbesondere zylindrisch ausgebildet und/oder koaxial zur Längsachse L und/oder zu dem Speicherraum 14 der Wärmespeicheranordnung 10 angeordnet.
  • Zur mechanischen Stabilisierung sind vorzugsweise Stützstrukturen zwischen einer Innenwand und einer Außenwand des Ringkanals 50 angeordnet (hier nicht gezeigt). Diese sind vorzugsweise in möglichst geringer Anzahl vorhanden und/oder mit geringen Kontaktflächen zwischen Innen- und Außenwand versehen und/oder thermisch isolierend ausgebildet. Durch diese Ausbildung wird vorteilhaft die Wärmeleitung innerhalb des Mantels 30 zwischen der Induktorvorrichtung und dem Speichermaterial 12 zumindest weitgehend unterbrochen und so die thermische Isolation zwischen der Induktorvorrichtung und dem Speichermaterial 12 verbessert.
  • Die dritte Strömungsführung 28 ist in dem die Induktorvorrichtung 42 radial außen umgebenden Teil des Mantels 30 angeordnet. Dabei weist die dritte Strömungsführung 28 beispielsweise eine Vielzahl von den Mantel 30 durchsetzenden Kanälen auf, die auch in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sein können (in Fig. 1 und Fig. 2 durch zwei radial versetzte Kanäle angedeutet). Auf diese Weise kann auch die radial nach außen in den Mantel 30 eintretende Wärme abgeführt und/oder in den Prozess reintegriert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Prozesses erhöht werden kann.
  • Wie in Fig. 2 in einem Ausschnitt einer weiteren Wärmespeicheranordnung 10 angedeutet, kann insbesondere die dritte Strömungsführung 28 eine die Wärmeübertragung verbessernde Wandstruktur (erhöhte Wandrauhigkeit 52) und/oder eine die Wärmeübertragung verbessernde Kanalgeometrie (hier nicht gezeigt) aufweisen.
  • Die zweite Strömungsführung 26 und die dritte Strömungsführung 28 gehen von der Eintrittsseite 34 aus. So ist im Betrieb das Wärmeträgermedium 16, das in einem Gesamtstrom an die Wärmespeicheranordnung 10 heranströmt, aufteilbar in den ersten Anteil 18 zur Durchströmung der ersten Strömungsführung 24, in den zweiten Anteil 20 zur Durchströmung der zweiten Strömungsführung 26 und in den dritten Anteil 22 zur Durchströmung der dritten Strömungsführung 28. Die Größe der Anteile lässt sich insbesondere vorab z. B. durch die Geometrie in der Strömungsführungen 24, 26 und 28 und damit verbundenen Druckverlusten auslegen. Insbesondere ist der erste Anteil 18 größer als die Summe des zweiten Anteils 20 und des dritten Anteils 22, vorzugsweise 70 % des Gesamtanteils oder mehr.
  • Die Höhe des ersten Anteils kann z. B. durch Geometrieänderung am Eintritt in die Strömungsführungen 24, 26, 28 variiert werden und beispielsweise anfangs bis zu 100 % betragen und innerhalb des Betriebs auf z. B. minimal 80 % oder 70 % reduziert werden.
  • Die unterschiedlichen Anteile 18, 20 und 22 erfüllen im Betrieb unterschiedliche Funktionen. Der erste Anteil 18 dient dazu, die in das Speichermaterial 12 elektromagnetisch eingekoppelte Leistung abzuführen. Der zweite Anteil 20 dient dazu, zusätzlich zu dem Isoliermittel 38, eine Erwärmung der Induktorvorrichtung 42 durch das erwärmte Speichermaterial 12 durch Unterbrechung des Wärmerückflusses an die Induktorvorrichtung 42 zu minimieren. Zusätzlich kann die Induktorvorrichtung 42 durch ein anderes Kühlmedium, beispielsweise Kühlwasser, gekühlt sein. Zusätzlich kann die Abwärme des zweiten Anteils 20 genutzt werden. Der dritte Anteil 22 dient insbesondere zur Abwärmenutzung, indem die bei Durchströmung des Mantels 30 aufgenommene Wärme in den Prozess reintegriert wird.
  • Das Wärmeträgermedium 16 des ersten Anteils 18 weist Temperaturen von beispielsweise 1000 °C bis 2000 °C auf. Das Wärmeträgermedium 16 des zweiten Anteils 20 weist Temperaturen von beispielsweise zwischen 40 °C und 400 °C auf. Das Wärmeträgermedium 16 des dritten Anteils 22 weist Temperaturen von beispielsweise zwischen 40 °C und 100 °C auf.
  • Für die Reintegration der durch den zweiten Anteil 20 und den dritten Anteil 22 aufgenommenen Wärme in den Prozess ist es vorteilhaft, wenn die zweite Strömungsführung 26 und die dritte Strömungsführung 28 auf der Austrittseite 24 münden. Auf diese Weise sind die Anteile 18, 20, 22 des Wärmeträgermediums auf der Austrittsseite 34 wieder zu dem Gesamtstrom zusammenführbar bzw. zusammengeführt.
  • Wie Fig. 2 zeigt, weist die Wärmespeicheranordnung 10 zur Zusammenführung der Anteile 18, 20, 22 eine Sammelvorrichtung 46 auf. Die Sammelvorrichtung 46 ist (vollständig) umlaufend radial außen anschließend an den Mantel 30 angeordnet, so dass die Strömungsführungen 24, 26, 28 innerhalb der Sammelvorrichtung 46 münden. Die Sammelvorrichtung 46 weist beispielhaft eine konische Verengung auf.
  • Insbesondere der dritte Anteil 22 entfaltet bei Ausströmen des Wärmeträgermediums 16 aufgrund der vergleichsweise niedrigen Temperatur eine Kühlwirkung auf die Sammelvorrichtung 46 in Art einer Filmkühlung. Dabei wird die auf die Sammelvorrichtung 46 wirkende Strahlungswärme konvektiv abgeführt, so dass die Temperaturanforderungen für diese Komponente deutlich abgesenkt werden.
  • Aufgrund der Kühlwirkung ist es möglich, ein zwischen der Sammelvorrichtung 46 und dem Mantel 30 angeordnetes Dichtmittel 48 nicht hochtemperaturfest auszubilden, beispielsweise aus einem handelsüblichen Material wie Graphit-Material, wodurch eine erhöhte Dichtwirkung unter Vermeidung von Verlusten aufgrund von Leckageströmen erzielt wird.
  • Eine weitere Effizienz- bzw. Wirkungsgrad-steigernde Maßnahme besteht in einer optimierten Ausbildung bzw. Anordnung des Speichermaterials 12 und/oder der ersten Strömungsführung 24.
  • Derart optimierte Ausbildungen bzw. Anordnungen sind in Fig. 3, Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt. Das Speichermaterial 12 liegt dabei in Form eines Einsatzelements 13 vor. Das Einsatzelement 13 umfasst ein elektrisch leitfähiges, keramisches Material als Speichermaterial 12 oder ist daraus gebildet. Ferner weist das Einsatzelement 13 als erste Strömungsführung 24 eine Vielzahl von mit dem Wärmeträgermedium 16 durchströmbaren Strömungspfade 54 auf. Die spezifischen Hohlraumanteile und/oder spezifischen Wärmeübertragungsflächen zwischen den Strömungspfaden 54 und dem Speichermaterial 12 innerhalb des Einsatzelements 13 nehmen in radialer Richtung nach außen hin zu. Dadurch kann die Temperaturverteilung innerhalb des Speichermaterials 12 verbessert werden, indem dem sogenannten "Skin-Effekt" Rechnung getragen wird.
  • Vorzugsweise nehmen die spezifischen Hohlraumanteile und/oder spezifischen Wärmeübertragungsflächen derart nach außen hin zu, dass im Betrieb eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Speichermaterials 12 erreicht wird, zumindest in einem stationären (oder quasistationären) Betriebszustand. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung liegt insbesondere vor, wenn eine Temperaturdifferenz, insbesondere in radialer Richtung, zwischen der minimalen und der maximalen Temperatur des Speichermaterials 12 innerhalb des Einsatzelements 13 in einem stationären und/oder quasistationären Betriebszustand nicht größer ist als 400 K, vorzugsweise nicht größer als 300K, insbesondere nicht größer ist als 200 K ist.
  • Die Auslegung, insbesondere hinsichtlich des Kriteriums der gleichmäßigen Temperaturverteilung, erfolgt vorzugsweise numerisch, z. B. unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM). In dem Auslegungsverfahren werden insbesondere in einer numerischen Simulation Maxwell-Gleichungen zur Beschreibung des Leistungseintrags durch die elektromagnetischen Induktion gekoppelt mit Wärmetransport-Gleichungen zur Beschreibung der vorliegenden Wärmetransportprozesse und daraus die Temperaturverteilung innerhalb des Einsatzelements 13 unter beispielhaften Betriebs-Randbedingungen ermittelt.
  • Die Strömungspfade 54 sind durch von der Eintrittsseite 34 zur Austrittsseite 36 durchgängige Strömungskanäle 55 gebildet, die das Einsatzelement 13 durchsetzen und deren Mittellängsachsen zumindest im Wesentlichen parallel zu der Längsachse L des Speicherraums 14 bzw. der Wärmespeicheranordnung 10 angeordnet sind.
  • Ein zentrischer Hohlraum 64 dient beispielsweise zu Montagezwecken, z. B. nicht als durchströmbarer bzw. durchströmter Hohlraum.
  • Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Strömungskanäle 55, drehsymmetrisch um die Längsachse L in dem Einsatzelement 13 angeordnet sind. Die Strömungskanäle 55 verlaufen zwischen im Querschnitt umlaufenden Wandungen 58 und radialen Wandungen 56. Die umlaufenden Wandungen 58 sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 polygonal, hier beispielhaft oktogonal, angeordnet. Die radialen Wandungen 56 kreuzen die umlaufenden Wandungen 58 an den Ecken des Polygons. So sind die Strömungskanäle 55 jeweils von geraden Wandabschnitten umgrenzt und weisen einen trapezartigen Strömungsquerschnitt auf.
  • Wie Fig. 3 weiter zeigt, nimmt die Wandstärke der radialen Wandungen 56 nach au-βen hin ab. Dabei weist in Fig. 3 beispielhaft ein erstes, inneres Ringsegment 60 radiale Wandungen 56 mit größerer Wandstärke auf als ein zweites, äußeres Ringsegment 62. Auf diese Weise wird zum einen der Hohlraumanteil nach außen hin erhöht. Zusätzlich wird die Wärmeleitung von außen nach innen durch Reduktion des Wärmeleitwiderstands der radialen Wandungen 56 verbessert, so dass diese Ausbildung zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung beiträgt.
  • Der verbesserten Wärmeleitung ist ebenfalls zuträglich, dass, wie in Fig. 3 gezeigt, die radialen Wandungen 56 strahlartig radial durchgängig von der innersten umlaufenden Wandung 58 zu der äußersten umlaufenden Wandung 58 verlaufen.
  • Fig. 4 zeigt eine Wärmespeicheranordnung 10 mit einer weiteren, hinsichtlich der Verteilung des Wärmeübergangs optimierten Ausführungsform des Einsatzelements 13. Dabei sind die umlaufenden Wandungen 58 kreisringförmigen ausgebildet und können je nach Segment (s1 bis sn) eine unterschiedliche Wandstärke aufweisen. Die radialen Wandungen 56 sind hier beispielhaft mit konstanter Wandstärke ausgebildet.
  • Fig. 5 zeigt eine weitere, hinsichtlich der Verteilung des Wärmeübergangs optimierte Ausführungsform des Einsatzelements 13. Hierbei ist in radialer Richtung eine Vielzahl von Strömungskanälen 55 in Ringsegmenten angeordnet. Die spezifische Anzahl der Strömungskanäle 55 nimmt dabei in radialer Richtung nach außen hin zu und ist in einem äußeren Ringsegment maximal. Dies wird in bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Anzahl der radialen Wandungen 56 nach außen hin zunimmt. Die Wandstärke der radialen Wandungen 56 ist beispielhaft konstant.
  • Fig. 6 zeigt eine insbesondere zum Betrieb mit einem granularen Feststoff als Wärmeträgerfluid 16 (z. B. Sand und/oder Bauxit und/oder Kalk) optimierte Ausbildungsvariante der Wärmespeicheranordnung 10. Dabei ist die Eintrittsseite 34 bezüglich einer Schwerkraftrichtung oben und die gegenüberliegende Austrittsseite 36 unten angeordnet, wobei die Wärmespeicheranordnung 10 mit ihrer axialen Richtung (in Richtung Längsachse L) derart ausgerichtet ist, dass der zumindest eine Strömungspfad in Schwerkraftrichtung, insbesondere senkrecht, verläuft. Dabei weisen die Strömungskanäle 55 in Strömungs- bzw. Flussrichtung, insbesondere in Schwerkraftrichtung (axialer Richtung), einen sich stetig und/oder monoton verengenden Strömungsquerschnitt auf, wobei sich die Wandungen 56, 58 konstant, trichterartig, aneinander annähern. Diese Ausbildung betrifft in Fig. 6 beispielhaft sowohl die erste Strömungsführung 24 als auch die dritte Strömungsführung 28. Die zweite Strömungsführung 26 ist vorliegend mit parallel verlaufenden Wandungen ausgebildet, könnte jedoch ebenfalls trichterartig ausgebildet sein. Ebenso wäre eine derartige Ausbildung betreffend nur eine der Strömungsführungen 24, 26 und 28 möglich, wobei auch z. B. keine zweite Strömungsführung 26 und/oder dritte Strömungsführung 28 vorhanden sein könnte.

Claims (19)

  1. Wärmespeicheranordnung (10) zur Speicherung und/oder Übertragung von mittels elektromagnetischer Induktion erzeugter Wärme, umfassend
    - einen Speicherraum (14) mit einem induktiv erwärmbaren Speichermaterial (12) und einer ersten Strömungsführung (24) zur Leitung von Wärmeträgermedium (16) in thermischem Kontakt zu dem Speichermaterial (12) von einer Eintrittsseite (34) zu einer Austrittsseite (36) und
    - eine Induktoranordnung (40) mit einer um den Speicherraum (14) angeordneten Induktorvorrichtung (42) zur Erwärmung des Speichermaterials (12),
    wobei das Speichermaterial (12) in Form zumindest eines Einsatzelements (13) vorliegt, welches ein elektrisch leitfähiges, keramisches Material umfasst oder daraus gebildet ist und als erste Strömungsführung (24) zumindest einen von dem Wärmeträgermedium (16) durchströmbaren Strömungspfad (54) aufweist, wobei ein spezifischer Hohlraumanteil und/oder eine spezifische Wärmeübertragungsfläche zwischen dem zumindest einen Strömungspfad (54) und dem Speichermaterial (12) innerhalb des Einsatzelements (13) in radialer Richtung nach außen hin zunehmen.
  2. Wärmespeicheranordnung (10) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der zumindest eine Strömungspfad (54) durch zumindest einen durchgängigen Strömungskanal (55) gebildet ist, dessen Mittellängsachse (M) zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (L) des Speicherraums (14) angeordnet ist.
  3. Wärmespeicheranordnung (10) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Einsatzelement (13) von einer Vielzahl von Strömungspfaden, insbesondere Strömungskanälen (55), durchsetzt ist, die symmetrisch, insbesondere drehsymmetrisch, um die Längsachse (L) in dem Einsatzelement (13) angeordnet sind.
  4. Wärmespeicheranordnung (10) nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Speichermaterial (12) in Form von sich axial erstreckenden Wandungen (56, 58) angeordnet ist, zwischen welchen die Strömungskanäle (55) verlaufen, wobei die Wandungen (56, 58) im Querschnitt insbesondere als radiale Wandungen (56) und/oder umlaufende Wandungen (58) angeordnet sind.
  5. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Hohlraumanteil und/oder die Wärmeübertragungsfläche, insbesondere der Verlauf und/oder die Geometrie der Wandungen (56, 58) und/oder die Verteilung und/oder die Geometrie und/oder die spezifische Anzahl der Strömungskanäle (55), derart nach außen hin zunehmen, dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung, insbesondere in radialer Richtung und/oder in umlaufender Richtung , innerhalb des Speichermaterials (12) erreichbar ist oder vorliegt, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen einer minimalen und einer maximalen Temperatur des Speichermaterials (12) innerhalb des Einsatzelements (13) in einem stationären und/oder quasistationären Betriebszustand nicht größer ist als 400 K, vorzugsweise nicht größer als 300 K, insbesondere nicht größer ist als 200 K ist.
  6. Wärmespeicheranordnung (10) nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Stärke der, insbesondere radialen, Wandungen (58) im Querschnitt in radialer Richtung nach außen hin abnimmt und/oder
    dass zumindest einige der radialen Wandungen (56), vorzugsweise in drehsymmetrischer Anordnung, strahlartig radial durchgängig von einer innersten umlaufenden Wandung (58) zu einer äußersten umlaufenden Wandung (58) angeordnet sind.
  7. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strömungskanäle (55) in Strömungs-/Flussrichtung, insbesondere in Schwerkraftrichtung, einen sich stetig und/oder monoton verengenden Strömungsquerschnitt aufweisen, wobei sich insbesondere die Wandungen konstant, trichterartig, aneinander annähern.
  8. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Wärmeträgermedium (16) ein Gas, insbesondere Luft oder Wasserstoff, und/oder einen Feststoff, z. B. Sand und/oder Bauxit und/oder Kalk, aufweist oder daraus gebildet ist.
  9. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Speichermaterial (12) elektrisch leitend ist und eine elektrische Leitfähigkeit von 103 S/m bis 106 S/m aufweist.
  10. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Speichermaterial (12) eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst oder daraus gebildet ist: carbidkeramische Materialien, insbesondere Siliziumcarbid und/oder Titancarbid, silizidkeramische Materialien, insbesondere Molybdän-Disilizid, boridkeramische Materialien, insbesondere Titanborid.
  11. Wärmespeicheranordnung (10) zur Speicherung und/oder Übertragung von mittels elektromagnetischer Induktion erzeugter Wärme, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
    - einen Speicherraum (14) mit einem induktiv erwärmbaren Speichermaterial (12) und einer ersten Strömungsführung (24) zur Leitung von Wärmeträgermedium (16) in thermischem Kontakt zu dem Speichermaterial (12) von einer Eintrittsseite (34) zu einer Austrittsseite (36) und
    - eine Induktoranordnung (40) mit einer um dem Speicherraum (14) angeordneten Induktorvorrichtung (42) zur Erwärmung des Speichermaterials (12),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wärmespeicheranordnung (10) einen umlaufend um den Speicherraum (14) angeordneten elektrisch nicht-leitenden Mantel (30) umfasst, in welchen die Induktorvorrichtung (42) eingebracht ist, wobei in dem Mantel (30) zumindest eine weitere Strömungsführung (26, 28) zur Leitung eines Anteils (20, 22) des Wärmeträgermediums (16) angeordnet ist.
  12. Wärmespeicheranordnung (10) nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die weitere Strömungsführung (26, 28) zumindest eine zweite Strömungsführung (26) umfasst, die radial zwischen dem Speicherraum (14) und der Induktorvorrichtung (42) angeordnet ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, die zweite Strömungsführung (26) als, vorzugsweise umlaufend, um den Speicherraum (14) angeordneter Ringkanal (50) ausgebildet ist.
  13. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die weitere Strömungsführung (26, 28) eine dritte Strömungsführung (28) umfasst, welche in einem die Induktorvorrichtung (42) radial außen umgebenden Teil des elektrisch nicht-leitenden Mantels (30) angeordnet ist, wobei die Ausgestaltung insbesondere so ausgeführt ist, dass die dritte Strömungsführung (28) zumindest einen, vorzugsweise eine Vielzahl von, den Mantel (30) durchsetzenden Kanal/Kanäle aufweist.
  14. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest ein Kanal der weiteren Strömungsführungen (26, 28), insbesondere der dritten Strömungsführung (28), eine die Wärmeübertragung verbessernde Kanalgeometrie und/oder erhöhte Wandrauhigkeit aufweist.
  15. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die zumindest eine weitere Strömungsführung (26, 28) zumindest teilweise von der Eintrittsseite (34) ausgeht, wobei das Wärmeträgermedium (16) von einem Gesamtstrom in einen ersten Anteil (18) zur Durchströmung der ersten Strömungsführung (24) und zumindest einen weiteren Anteil (20, 22) zur Durchströmung der zumindest einen weiteren Strömungsführung (26, 28) aufteilbar und/oder aufgeteilt ist, wobei insbesondere das Verhältnis der Anteile (18, 20, 22) während des Betriebs variierbar ist.
  16. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die zumindest eine weitere Strömungsführung (26, 28) zumindest teilweise auf der Austrittsseite (34) mündet, wobei die Anteile (18, 20, 22) des Wärmeträgermediums (16) auf der Austrittsseite (34) zusammenführbar und/oder zusammengeführt sind.
  17. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an der Austrittsseite (34), anschließend an den Mantel (30), eine Sammelvorrichtung (46) angeordnet ist, in dem die Anteile (18, 20, 22) zusammenführbar und/oder zusammengeführt sind, wobei die Ausgestaltung insbesondere so ausgeführt ist,
    dass zwischen der Sammelvorrichtung (46) und dem Mantel Dichtmittel (48) angeordnet sind, die insbesondere nicht hochtemperaturfest ausgebildet sind, z. B. aus Graphit-Material.
  18. Wärmespeicheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen dem Mantel (30) und dem Speicherraum (14) zumindest ein Isoliermittel (38) zur thermischen Isolation angeordnet ist, z.B. aus hochtemperaturfester und mikroporöser Isolation.
  19. Verfahren zur Speicherung und/oder Übertragung von mittels elektromagnetischer Induktion erzeugter Wärme in einer Wärmespeicheranordnung (10), die insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, bei dem in einem Speicherraum (14) angeordnetes Speichermaterial (12) mittels einer um dem Speicherraum (14) angeordneten Induktorvorrichtung (42) einer Induktoranordnung (40) induktiv erwärmt wird und wobei die Wärme bei der Entnahme an ein Wärmeträgermedium (16) übertragen wird, welches von einer Eintrittsseite (34) zu einer Austrittsseite (36) durch zumindest eine erste Strömungsführung (24) strömt und/oder fließt.
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3596034A (en) 1969-12-08 1971-07-27 Hooker Chemical Corp Heat storage
DE2117103A1 (de) 1971-04-07 1972-10-26 Vitt, Gerhard, 5070 Bergisch Glad bach, Baur, Eduard, Dipl Ing , 5256 Waldbruch Verfahren und Vorrichtung zum Erzeu gen eines erhitzten Mediums fur Beheizungs zwecke
DE102011109779A1 (de) 2011-08-09 2013-02-14 Linde Aktiengesellschaft Thermoelektrischer Energiespeicher
EP2574756A1 (de) 2011-09-30 2013-04-03 Ed. Züblin AG Verfahren zum Betrieb eines adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerks und adiabatisches Druckluftspeicherkraftwerk
DE102016119668A1 (de) 2016-10-14 2018-04-19 Heinrich Graucob Induktiver Wärmespeicher und Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie
DE102017125669A1 (de) 2017-11-03 2019-05-09 H.M. Heizkörper GmbH & Co. KG Wärmespeicher
DE112018001252T5 (de) 2017-03-08 2019-12-19 Ngk Insulators, Ltd. Poröse Wabenwärmespeicherstruktur
DE102019207967A1 (de) 2019-05-29 2020-12-03 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Wärmespeichervorrichtung und Verfahren zum Speichern und/oder Übertragen von Wärme

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10318510A1 (de) * 2003-04-24 2004-11-11 Leybold Vakuum Gmbh Wärmespeichermittel

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3596034A (en) 1969-12-08 1971-07-27 Hooker Chemical Corp Heat storage
DE2117103A1 (de) 1971-04-07 1972-10-26 Vitt, Gerhard, 5070 Bergisch Glad bach, Baur, Eduard, Dipl Ing , 5256 Waldbruch Verfahren und Vorrichtung zum Erzeu gen eines erhitzten Mediums fur Beheizungs zwecke
DE102011109779A1 (de) 2011-08-09 2013-02-14 Linde Aktiengesellschaft Thermoelektrischer Energiespeicher
EP2574756A1 (de) 2011-09-30 2013-04-03 Ed. Züblin AG Verfahren zum Betrieb eines adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerks und adiabatisches Druckluftspeicherkraftwerk
DE102016119668A1 (de) 2016-10-14 2018-04-19 Heinrich Graucob Induktiver Wärmespeicher und Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie
DE112018001252T5 (de) 2017-03-08 2019-12-19 Ngk Insulators, Ltd. Poröse Wabenwärmespeicherstruktur
DE102017125669A1 (de) 2017-11-03 2019-05-09 H.M. Heizkörper GmbH & Co. KG Wärmespeicher
DE102019207967A1 (de) 2019-05-29 2020-12-03 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Wärmespeichervorrichtung und Verfahren zum Speichern und/oder Übertragen von Wärme

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