WO2020151850A1 - Wärmeübertrager mit phasenspeicher sowie dampfturbinenanlage umfassend einen solchen wärmeübertrager - Google Patents

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Karl Breuer
Jörg Döhring
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • Heat exchanger with phase storage and steam turbine system comprising such a heat exchanger
  • the invention relates to a heat exchanger according to the Oberbe handle of independent claim 1, and a steam turbine plant according to independent claim 7.
  • liquid salt storage is one way of storing energy.
  • the energy in the form of electricity or heat is stored in the form of heat in the liquid salt.
  • Salt as a storage material offers many advantages.
  • Salt is a very inexpensive material and is available almost indefinitely worldwide. In liquid form it can be used at temperatures between 170 and 560 ° C. In contrast to water, it is not under pressure even at high temperatures and can be easily pumped. It is non-toxic and non-flammable so that it can also be used for applications in which special safety precautions with regard to explosion protection or fire load are to be taken.
  • the acquisition costs for liquid salt storage also remain well calculable, since the properties do not deteriorate over many cycles. H. a high number of charging and discharging cycles (also partial loads) are possible.
  • a first heat transfer medium for example a thermal oil from a solar power plant
  • the heat exchanger is here as an indirect heat exchanger with a heat-permeable Wall trained.
  • the liquid storage tank has two separate tanks. Pumped by special salt pumps, the liquid salt flows from one tank via the heat exchanger to the other tank.
  • the salt flows from the "cold” tank via the heat exchanger to the "hot” tank and absorbs thermal energy. When the storage tank is unloaded, the direction of flow is reversed and the salt flows from the "hot” tank via the heat exchanger to the "cold” tank, releasing thermal energy to the first heat transfer medium.
  • the heat exchanger according to the invention for transferring thermal energy from a heat source or a first heat carrier to a second heat carrier is characterized in that the heat exchanger comprises a phase accumulator and the phase accumulator absorbs the thermal energy from the heat or the first heat carrier and transfers it to the can deliver two heat transfer media.
  • the phase accumulator uses the phase transition compared to conventional liquid accumulators and thus enables a significantly higher storage capacity than conventional accumulators.
  • the solidification of the storage medium is part of the functional principle of the phase storage and, in contrast to conventional storage, is not a technical risk.
  • the integration of the phase accumulator in the heat exchanger means that no wear-intensive moving components such as salt pumps are required.
  • the phase accumulator like liquid salt accumulator, can achieve very long useful lives. Partial load operation is also possible at any time and the system connected to the heat exchanger can be shut down and started up without any technical precautionary measure.
  • the trace heating of the containers that is necessary for liquid salt storage can also be dispensed with, as can the two containers previously required.
  • the heat source is an electrical heating resistor.
  • a heating coil comes into consideration as an electrical heating resistor.
  • the electrical heating resistor can be provided with electricity, which is generated in different ways, for example by a wind turbine. This allows the electricity that is generated when there is a lot of wind to be stored and in the case of no wind again in the form of heat be delivered. The heat emitted can then, for example, be emitted in a conventional steam turbine.
  • the first heat transfer medium is a first fluid.
  • the first fluid can be, for example, a thermal oil, which is heated in a solar power plant with the help of solar energy.
  • the heat provided by solar energy can be stored in the phase memory and released again at night, for example, and can also flow through a conventional steam turbine.
  • a further embodiment of the invention provides that the phase storage is a salt storage.
  • the big advantage of salt is that it can be used over a high temperature range. Salt is widely available and non-toxic.
  • Another advantage of liquid salt is that it is pressure-free even at high temperatures. Usual temperature ranges for a salt plant are up to 380 ° C where the salt usually solidifies at 250 ° C. However, this does not represent a limit with regard to the lower temperature in the phase accumulator, since the phase accumulator can also emit heat when the storage medium, in this case the salt, is already completely solidified.
  • An embodiment of the invention provides that the thermal energy is provided directly or indirectly by a solar power plant or a wind power plant.
  • the energy from the solar power plant or the wind power plant can be stored in the form of heat.
  • the heat can be dissipated using a steam turbine, for example. This means that the energy can be provided at any time, regardless of the weather conditions.
  • the steam turbine system according to the invention comprises at least one heat exchanger, which is designed according to one of claims 1 to 6, and a steam turbine, the second heat carrier being the working medium of the steam turbine. In this way, as already stated, the heat energy can be converted into electrical current in a simple manner.
  • the second heat transfer medium is the working medium of the steam turbine results in a particularly high degree of efficiency of the steam turbine system.
  • the working medium does not necessarily have to be water / water vapor.
  • Other liquids, such as organic liquids or ammonia, can also be used for the steam turbine. He is also warming air and relaxing in an air turbine, without thereby leaving the scope of the invention.
  • the heat exchanger according to the invention with an integrated phase memory enables heat to be stored with a high energy density and at the same time takes up little space, the charging of the phase memory and the discharge of the phase memory being possible in a simple manner via the heat exchanger.
  • the integration of heat exchanger and phase accumulator results in a very compact and structurally simple structure. This is almost maintenance and wear free.
  • special energy from regenerative sources can be stored in a simple manner and can be called up if necessary.
  • the conversion of the stored heat into electrical current can be carried out easily using the steam turbine system according to the invention. Conventional steam turbine systems can be used for electricity generation without this requiring a larger adjustment.
  • 1 shows a conventional heat exchanger
  • 2 shows a conventional steam turbine plant with liquid salt
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a heat exchanger according to the invention
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a heat exchanger according to the invention.
  • the heat exchanger 1 shows a heat exchanger 1 for transferring thermal energy from a first heat transfer medium 3 to a second heat transfer medium 4.
  • the heat exchanger is designed as a simple indirect heat exchanger and comprises a wall 9 that separates the material flows and is heat-permeable.
  • Such a commercially available heat exchanger 1 becomes example, used for a solar power plant (Concentrated Solar Powerplant CSP), as shown in FIG 2.
  • the solar energy is first bundled and heated with the solar energy of the first heat transfer medium 3, for example a thermal oil.
  • the heated thermal oil flows through egg NEN belonging to a steam turbine system 6 second heat exchanger 15 and thereby releases thermal energy to the working medium around the steam turbine system 6.
  • the working medium 4 is evaporated there and then expanded in the turbine 7.
  • the turbine in turn drives a generator that
  • the system has a liquid salt storage.
  • the liquid salt store comprises two separate tanks 10, 11.
  • the stores 10, 11 filled with liquid salt communicate with the thermal oil of the solar power plant via the first heat exchanger 1.
  • the thermal energy is transferred from the thermal oil (first heat carrier 3) via the heat exchanger 1 to the salt of the liquid reservoir (second heat carrier 4).
  • the liquid salt flows from the "cold" tank 11 via the heat exchanger 1 to the "hot” tank 10 and thereby absorbs thermal energy Q.
  • the direction of flow is reversed and the liquid salt flows from the "hot” tank 10 via the heat exchanger 1 to the "cold” tank and thereby releases the stored thermal energy to the thermal oil (the first heat carrier 3).
  • the salt is pumped from one tank to another using salt pumps. To operate the system, it is imperative that the salt is always in liquid form and that the salt does not crystallize, as this would lead to irreversible damage to the salt pumps and to the heat exchanger 1. For this reason, the containers have a trace heating, which ensures that the temperature of the liquid salt is always above the crystallization temperature.
  • the heat exchanger 1 serves to transfer thermal energy Q from a heat source 2 or a first heat transfer medium 3 to a second heat transfer medium 4.
  • a heat source 2 or a first heat transfer medium 3
  • a second heat transfer medium 4 for example, any type of fluids and in particular liquids comes as the first heat transfer medium into consideration. Liquids are particularly useful because they have a higher specific heat capacity than gases. In principle, gas can also be used as the first heat transfer medium. All heat sources are also suitable as heat sources 2. Heat sources which are electrically operated are particularly suitable here, for example electrical heating resistors and heating wires. This makes it possible to store electrical energy in the form of heat.
  • the heat exchanger 1 comprises a phase accumulator 5, which is an integral part of the heat exchanger 1.
  • the phase memory 5 can be, for example, a salt memory act.
  • the phase change is used to increase the storage capacity.
  • the Phasenspei cher 5, which absorbs thermal energy, can deliver this to a second heat transfer medium 4 if necessary.
  • the combination of heat exchanger 1 and integrated phase sensor 5 means that no additional moving parts, such as salt pumps, are required. This results in a particularly simple construction and a low-wear and extremely durable heat exchanger. Due to the phase memory 5, which allows the phase change and takes advantage of additional trace heating ver. As soon as the phase accumulator 5 is charged and has a stationary temperature, the heat exchanger 1 works in principle like a conventional heat exchanger. If the temperature of the first heat transfer medium 3 drops below the temperature of the storage material of the phase accumulator 5, heat is given off from the phase accumulator 5 to the second heat transfer medium 4.
  • the steam turbine system 6 comprises a heat exchanger 1 according to the invention, and a steam turbine 7, the second heat exchanger 4 being the working medium of the steam turbine 7.
  • electrical energy is generated via a wind turbine 15.
  • the electrical energy is stored in the heat exchanger 1 or in the phase memory 5 of the heat exchanger 1.
  • electric heating resistors in the form of a heating coil are introduced in the heat exchanger 1 or in the phase memory.
  • the electrical current of the wind wheel provides the necessary electrical heating power and the electrical heating resistor ensures through its heating that thermal energy is transferred to the phase memory 5.
  • the phase accumulator 5 absorbs the thermal energy and transfers it to the working medium 4 of the steam turbine 7.
  • the working medium can be steam / water but also other suitable liquids, for example ammonia or an organic liquid for an ORC (Organic Rankine Cycle) turbine. Also the Air heating and the relaxation of air in an air turbine are conceivable.
  • the heat transfer device 1 according to the invention thus makes it possible to store the electrical energy of the wind motorcycle in the form of heat and, if necessary, convert it back into electrical power via a steam turbine system 6.
  • the heat exchanger 1 comprises a tank 12 which is filled with a salt, for example sodium salt (NaNCg). Spiral tubes 13 are laid inside the tank. A first heat carrier 3 flows through the tubes 13, for example a thermal oil, which is heated by a solar power plant. The hot thermal oil heats the salt in the tank 12 and melts it. Then the cooled thermal oil leaves the tank 12 through an outlet from the lower end of the tank 12. In the tank 12, further pipes are introduced, which can be supplied via an inlet 4 with the working medium of a steam turbine, for example water. The water rises in the vertical on ordered pipes 14 and evaporates from the salt due to the thermal energy supplied. The water vapor is removed from the upper outlet of the container and fed to a steam door and relaxed in it. The steam turbine in turn drives a generator that generates electrical current.
  • a salt for example sodium salt (NaNCg).
  • NaNCg sodium salt
  • Spiral tubes 13 are laid inside the tank.
  • a first heat carrier 3 flows through the tubes 13, for example a thermal oil
  • the spiral tubes 13, which are flowed through by a first heat transfer medium 3, can also be replaced by electrical heating elements.
  • the salt is then liquefied electrically.
  • a heat exchanger 1 is particularly suitable when electrical energy is to be stored directly. That would be the case, for example, with a wind power plant in which the wind generates high amounts of electrical power at peak times and this is to be stored for times when there is a shortage of wind.
  • the heat exchanger according to the invention with an integrated phase memory can be used to store heat and / or electricity in the form of heat in a simple manner. There are only minor losses and the phase storage enables a high storage density compared to other storage forms.
  • the memory and the heat exchanger connected to it are particularly simple in construction and inexpensive. Combined with a steam turbine system according to the invention, the stored heat can be used at any time to generate electrical current.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) zum Übertragen thermischer Energie von einer Wärmequelle (2) oder einem ersten Wärmeträger (3) auf einen zweiten Wärmeträger (4). Der Wärmeübertrager (1) umfasst einen Phasenspeicher (5) wobei der Phasenspeicher (5) die thermische Energie von der Wärmequelle (2) oder dem ersten Wärmeträger (3) aufnehmen und an einen zweiten Wärmeträger (4) abgeben kann. Darüber hinaus umfasst die Erfindung eine Dampfturbinenanlage mit einem Wärmeübertrager (1) mit Phasenspeicher (5).

Description

Beschreibung
Wärmeübertrager mit Phasenspeicher sowie Dampfturbinenanlage umfassend einen solchen Wärmeübertrager
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbe griff des unabhängigen Patentanspruch 1, sowie eine Dampftur binenanlage entsprechend des unabhängigen Patentanspruchs 7.
Durch den Rückgang von fossilen Brennstoffen und die gleich zeitige Zunahme bei erneuerbaren Energien, wie Wind- und So larkraft, werden die Speicherung und die von äußeren Witte rungseinflüssen unabhängige Bereitstellung von gespeicherter Energie immer wichtiger. Eine Möglichkeit der Energiespeiche rung stellen die sogenannten Flüssigsalzspeicher dar. Dabei wird die in Form von Strom oder Wärme vorliegende Energie in Form von Wärme im flüssigen Salz gespeichert. Salz als Spei chermaterial bietet viele Vorteile, Salz ist ein sehr kosten günstiges Material und weltweit nahezu unbegrenzt verfügbar. In flüssiger Form kann es bei Temperaturen zwischen 170 und 560 °C eingesetzt werden. Im Gegensatz zu Wasser steht es auch bei hohen Temperaturen nicht unter Druck und kann prob lemlos gepumpt werden. Es ist ungiftig und nicht brennbar so dass es sich auch für Anwendungen bei denen besondere Sicher- heitsvorkehrung im Hinblick auf Explosionsschutz oder Brand last zu treffen sind, einsetzen lässt. Die Anschaffungskosten für Flüssigsalzspeicher bleiben darüber hinaus gut kalkulier bar, da sich die Eigenschaften über viele Zyklen nicht ver schlechtern, d. h. eine hohe Anzahl von Lade- und Entladezyk len (auch teillastig) möglich sind.
Zum Laden des Flüssigsalzspeichers wird Wärme von einem ers ten Wärmeträger, beispielsweise einem Thermoöl aus einem So larkraftwerk, über einen Wärmetauscher an das Salz des Flüs sigsalzspeichers übertragen. Beim entladen wird die im Flüs sigsalzspeicher gespeicherte Wärme wieder zurück an den ers ten Wärmeübertrager übertragen. Der Wärmeübertrager ist hier zu als indirekter Wärmetauscher mit einer wärmedurchlässigen Wand ausgebildet. Der Flüssigkeitsspeicher weist zwei ge trennte Tanks auf. Das flüssige Salz strömt gepumpt von spe ziellen Salzpumpen von einem Tank über den Wärmetauscher in den anderen Tank. Zum Aufladen des Flüssigsalzspeichers strömt das Salz vom „kalten" Tank über den Wärmeaustauscher zum „heißen" Tank und nimmt dabei Wärmeenergie auf. Beim Ent laden des Speichers ist die Strömungsrichtung umgekehrt und das Salz strömt vom „heißen" Tank über den Wärmetauscher zum „kalten" Tank und gibt dabei Wärmeenergie an den ersten Wär meträger ab.
Bei Flüssigsalzspeichern ist allerdings stets darauf zu ach ten, dass das Salz flüssig bleibt, da es bei der Kristallisa tion des Salzes (Einfrieren) zu irreversiblen Schäden an den Pumpen und an dem Wärmetauscher kommen kann. Aus diesem Grund weisen die Behälter immer Begleitheizungen auf.
Dadurch, dass eine Kristallisation des Salzes unter allen Um ständen vermieden werden muss, verbleibt immer eine größere Wärmemenge ungenutzt im Flüssigsalzspeicher.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegen den Anmeldung einen Wärmeübertrager bereitzustellen, welcher die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet. Des Wei teren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dampf turbinenanlage mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager bereitzustellen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Wärmeübertragers durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsicht lich der Dampfturbinenanlage wird die Aufgabe durch den unab hängigen Patentanspruch 7 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche . Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager zum Übertragen thermi scher Energie von einer Wärmequelle oder einem ersten Wärme träger auf einen zweiten Wärmeträger zeichnet sich dadurch aus, dass der Wärmeübertrager einen Phasenspeicher umfasst und der Phasenspeicher, die thermische Energie von der Wärme quelle oder dem ersten Wärmeträger aufnehmen und an den zwei ten Wärmeträger abgeben kann. Der Phasenspeicher nutzt gegen über herkömmlichen Flüssigkeitsspeichern den Phasenübergang aus und ermöglicht dadurch eine deutlich höhere Speicherkapa zität als herkömmliche Speicher. Das Erstarren des Speicher mediums gehört dabei zum Funktionsprinzip des Phasenspeichers und ist im Gegensatz zu herkömmlichen Speichern kein techni sches Risiko. Durch die Integration des Phasenspeichers in den Wärmeübertrager werden keine verschleißintensiven beweg ten Komponenten, wie beispielsweise Salzpumpen benötigt.
Hierdurch kann der Wärmeübertrager nahezu verschleißfrei ar beiten. Der Phasenspeicher kann dabei, ähnlich wie Flüssig salzspeicher, sehr hohe Grenznutzungsdauern erreichen. Auch ein Teillastbetrieb ist jederzeit möglich und die an den Wär meübertrager angeschlossene Anlage kann ohne technische Vor sichtsmaßnahme ab- und angefahren werden. Auf die bei Flüs sigsalzspeichern notwendigen Begleitheizungen der Behälter kann ebenso verzichtet werden, wie auf die bislang notwendi gen zwei Behälter. Durch den Verzicht der beweglichen Teile, insbesondere von Pumpen und den Verzicht von Begleitheizungen sowie die Reduzierung auf einen einzigen Speicherbehälter wird der konstruktive Aufwand des Speichers und des Wärme übertragers deutlich reduziert und die Anlagenkosten können erheblich reduziert werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wärme quelle ein elektrischer Heizwiderstand ist. Als elektrischer Heizwiderstand kommt beispielsweise eine Heizspirale in Be tracht. Der elektrische Heizwiderstand kann mit Strom ver sorgt werden, der auf unterschiedliche Weise, beispielsweise durch eine Windkraftanlage erzeugt wird. Hierdurch kann der Strom, der bei hohen Windaufkommen gewonnen wird, gespeichert werden und im Falle von Windstille wieder in Form von Wärme abgegeben werden. Die abgegeben Wärme kann dann beispielswei se in einer herkömmlichen Dampfturbine verströmt werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der erste Wärmeträger ein erstes Fluid ist. Das erste Fluid kann beispielsweise ein Thermoöl sein, welches in einem Solar kraftwerk mit Hilfe von Sonnenenergie erwärmt wird. Die mit Sonnenenergie bereitgestellte Wärme kann im Phasenspeicher gespeichert werden und beispielsweise nachts wieder abgegeben werden und ebenfalls über eine herkömmliche Dampfturbine ver strömt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Phasenspeicher ein Salzspeicher ist. Salz hat den großen Vor teil, dass es über einen hohen Temperaturbereich genutzt wer den kann. Salz ist in hohem Maße verfügbar und ungiftig. Der weitere Vorteil bei flüssigem Salz besteht darin, dass es auch bei hohen Temperaturen druckfrei ist. Übliche Tempera turbereiche für eine Salzanlage liegen bei bis zu 380 °C wo bei das Salz üblicherweise bei 250 °C erstarrt. Dies stellt beim Phasenspeicher jedoch keine Grenze hinsichtlich der un teren Temperatur dar, da der Phasenspeicher auch Wärme abge ben kann, wenn das Speichermedium, in diesem Fall das Salz bereits vollständig erstarrt ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die thermi sche Energie mittel oder unmittelbar von einem Solarkraftwerk oder einer Windkraftanlage bereitgestellt wird. Mittels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit integriertem Phasen speicher kann die Energie vom Solarkraftwerk oder der Wind kraftanlage in Form von Wärme gespeichert werden. In Zeiten, in denen kein Strom über die regenerativen Energien bereitge stellt werden kann, lässt sich die Wärme beispielsweise mit tels einer Dampfturbine verströmen. Somit kann die Energie, unabhängig von den Witterungsbedingungen, jederzeit bereitge stellt werden. Die erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage umfasst wenigstens einen Wärmeübertrager, welcher nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist, sowie eine Dampfturbine, wobei der zweite Wärmeträger das Arbeitsmedium der Dampfturbine ist. Hierdurch kann, wie bereits ausgeführt, auf einfache Weise die Wärme energie in elektrischen Strom umgewandelt werden. Dadurch, dass der zweite Wärmeträger direkt das Arbeitsmedium der Dampfturbine ist, ergibt sich ein besonders hoher Wirkungs grad der Dampfturbinenanlage. Das Arbeitsmedium muss dabei nicht zwangsläufig Wasser-/Wasserdampf sein. Es können für die Dampfturbine auch andere Flüssigkeiten, wie organische Flüssigkeiten oder Ammoniak verwendet werden. Auch eine Er wärmung von Luft und die Entspannung in einer Luftturbine sind denkbar, ohne dass hierdurch der Bereich der Erfindung verlassen wird.
Zusammenfassend lässt sich somit festhalten, dass durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit integriertem Phasen speicher eine Speicherung von Wärme mit hoher Energiedichte bei gleichzeitig geringem Platzbedarf ermöglicht wird, wobei das Aufladen des Phasenspeichers und das Entladen des Phasen speichers auf einfache Weise über den Wärmeübertrager möglich ist. Durch die Integration von Wärmeübertrager und Phasen speicher ergibt sich ein sehr kompakter und konstruktiv ein facher Aufbau. Dieser ist nahezu wartungs- und verschleiß frei. Durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann insbe sondere Energie aus regenerativen Quellen auf einfache Weise gespeichert werden und im Bedarfsfall abgerufen werden. Die Umwandlung der gespeicherten Wärme in elektrischen Strom kann mittels der erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage problemlos erfolgen. Zur Verstromung können dabei übliche Dampfturbinen anlagen verwendet werden, ohne dass diese eine größere Anpas sung erforderlich machen.
Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt,
FIG 1 einen herkömmlichen Wärmeübertrager, FIG 2 eine herkömmliche Dampfturbinenanlage mit Flüssigsalz speicher,
FIG 3 eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärme übertrager,
FIG 4 eine erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage und
FIG 5 eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wär meübertragers .
Die Darstellungen zeigen teilweise stark vereinfachte und schematische Darstellungen der Erfindung. Gleiche bzw. funk tionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt einen Wärmeübertrager 1 zum Übertragen von ther mischer Energie von einem ersten Wärmeträger 3 auf einen zweiten Wärmeträger 4. Der Wärmeübertrager ist als einfacher indirekter Wärmetauscher ausgebildet und umfasst eine, die Stoffströme räumlich trennende und wärmedurchlässige Wand 9. Ein solcher handelsüblicher Wärmetauscher 1 wird beispiels weise für ein Solarkraftwerk (Concentrated-Solar-Powerplant CSP) verwendet, wie es in FIG 2 dargestellt ist. Bei der dar gestellten Anlage wird zunächst die Sonnenergie gebündelt und mit der Sonnenenergie der erste Wärmeträger 3, beispielsweise ein Thermoöl erhitzt. Das erhitzte Thermoöl strömt durch ei nen zu einer Dampfturbinenanlage 6 gehörenden zweiten Wärme übertrager 15 und gibt dabei Wärmeenergie an das Arbeitsmedi um der Dampfturbinenanlage 6 ab. Das Arbeitsmedium 4 wird da bei verdampft und anschließend in der Turbine 7 entspannt.
Die Turbine treibt ihrerseits einen Generator an, der
elektrischen Strom erzeugt.
Um auch in Zeiten, in denen die Sonne nicht scheint, Strom zu erzeugen, weist die Anlage einen Flüssigsalzspeicher auf. Der Flüssigsalzspeicher umfasst zwei getrennte Tanks 10, 11. Die mit flüssigem Salz befüllten Speicher 10, 11 kommunizieren mit dem Thermoöl des Solarkraftwerks über den ersten Wärme übertrager 1. Zur Speicherung der Wärmeenergie vom Solar kraftwerk wird die Wärmeenergie vom Thermoöl (erster Wärme träger 3) über den Wärmetauscher 1 an das Salz des Flüssig- keitsspeichers (zweiter Wärmeträger 4) übertragen. Hierzu strömt das flüssige Salz vom „kalten" Tank 11 über den Wärme tauscher 1 zum „heißen" Tank 10 und nimmt dabei Wärmeenergie Q auf. Beim Entladen des Speichers ist die Strömungsrichtung umgekehrt und das flüssige Salz strömt vom „heißen" Tank 10 über den Wärmetauscher 1 zum „kalten" Tank und gibt dabei die gespeicherte Wärmeenergie an das Thermoöl (den ersten Wärme träger 3) ab. Das Salz wird dabei mittels Salzpumpen von ei nem Tank zum anderen gepumpt. Zum Betrieb der Anlage ist es unbedingt notwendig, dass das Salz stets in flüssiger Form vorliegt und es nicht zu einer Kristallisation des Salzes kommt, da dies zu irreversiblen Schäden an den Salzpumpen und am Wärmetauscher 1 führen würde. Aus diesem Grund weisen die Behälter eine Begleitheizung auf, die dafür sorgt, dass die Temperatur des flüssigen Salzes immer oberhalb der Kristalli sationstemperatur liegt.
FIG 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs gemäßen Wärmeübertragers 1. Der Wärmeübertrager 1 dient zum Übertragen thermischer Energie Q von einer Wärmequelle 2 o- der einem ersten Wärmeträger 3 auf einen zweiten Wärmeträger 4. Als erster Wärmeträger kommt beispielsweise jegliche Art von Fluiden und insbesondere Flüssigkeiten in Betracht. Flüs sigkeiten bieten sich besonders deshalb an, da sie eine höhe re, spezifische Wärmekapazität als Gase aufweisen. Grundsätz lich kann als erster Wärmeträger aber auch Gas verwendet wer den. Als Wärmequellen 2 kommen ebenfalls sämtliche Wärmequel len infrage. Insbesondere eignen sich hier Wärmequellen, wel che elektrisch betrieben werden, beispielsweise elektrische Heizwiderstände und Heizdrähte. Hierdurch ist es möglich, elektrische Energie in Form von Wärme zu speichern. Der Wär meübertrager 1 umfasst einen Phasenspeicher 5, welcher integ raler Bestandteil des Wärmeübertrager 1 ist. Bei dem Phasen speicher 5 kann es sich beispielsweise um einen Salzspeicher handeln. Bei dem Phasenspeicher 5 wird der Phasenwechsel ge nutzt, um die Speicherkapazität zu erhöhen. Der Phasenspei cher 5, welcher thermische Energie aufnimmt, kann diese im Bedarfsfälle an einen zweiten Wärmeträger 4 abgeben. Durch die Kombination von Wärmeübertrager 1 und integriertem Pha senspeicher 5 sind keine zusätzlichen bewegten Teile, wie beispielsweise Salzpumpen erforderlich. Hierdurch ergeben sich ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau und ein verschleißarmer und extrem langlebiger Wärmeübertrager. Auf grund des Phasenspeichers 5, welcher den Phasenwechsel zu lässt und ausnutzt kann auf zusätzliche Begleitheizungen ver zichtet werden. Sobald der Phasenspeicher 5 aufgeladen ist und eine stationäre Temperatur aufweist, arbeitet der Wärme übertrager 1 prinzipiell wie ein üblicher Wärmeübertrager. Sinkt die Temperatur des ersten Wärmeträgers 3 unterhalb der Temperatur des Speichermaterials des Phasenspeichers 5, wird Wärme vom Phasenspeicher 5 an den zweiten Wärmeträger 4 abge geben .
FIG 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage 6. Die Dampfturbinenanlage 6 umfasst ei nen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1, sowie eine Dampftur bine 7, wobei der zweite Wärmeübertrager 4 das Arbeitsmedium der Dampfturbine 7 ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird über eine Windkraftanlage 15 elektrische Energie er zeugt. Die elektrische Energie wird im Wärmeübertrager 1 bzw. im Phasenspeicher 5 des Wärmeübertragers 1 gespeichert. Hier zu sind im Wärmeübertrager 1 bzw. im Phasenspeicher 5 elekt rische Heizwiderstände in Form einer Heizwendel eingebracht. Der elektrische Strom des Windrads sorgt für die notwendige elektrische Heizleistung und der elektrische Heizwiderstand sorgt durch seine Erwärmung dafür, dass Wärmeenergie an den Phasenspeicher 5 übertragen wird. Der Phasenspeicher 5 nimmt die Wärmeenergie auf und gibt sie an das Arbeitsmedium 4 der Dampfturbine 7 ab. Bei dem Arbeitsmedium kann es sich um Dampf/Wasser aber auch um andere geeignete Flüssigkeiten, beispielsweise Ammoniak oder eine organische Flüssigkeit für eine ORC-Turbine (Organic-Rankine-Cycle) handeln. Auch die Erwärmung von Luft und die Entspannung von Luft in einer Luftturbine sind denkbar. Der erfindungsgemäße Wärmeübertra ger 1 ermöglicht es somit die elektrische Energie des Wind kraftrads in Form von Wärme zu speichern und diese im Be darfsfall über eine Dampfturbinenanlage 6 wieder in elektri schen Strom umzuwandeln.
FIG 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungs gemäßen Wärmeübertragers 1. Der Wärmeübertrager 1 umfasst ei nen Tank 12, der mit einem Salz, beispielsweise Natriumsalz (NaNCg) gefüllt ist. Innerhalb des Tanks sind spiralförmige Rohre 13 verlegt. Durch die Rohre 13 strömt ein erster Wärme träger 3, beispielsweise ein Thermoöl, welches über ein So larkraftwerk erwitzt wird. Das heiße Thermoöl erwärmt das Salz im Tank 12 und bringt es zum Schmelzen. Anschließend verlasst das abgekühlte Thermoöl den Tank 12 über einen Aus lass am unteren Ende des Tanks 12. Im Tank 12 sind weitere Rohre eingebracht, welche über einen Zulauf 4 mit dem Ar beitsmedium einer Dampfturbine, beispielsweise Wasser ver sorgt werden können. Das Wasser steigt in den senkrechten an geordneten Rohren 14 auf und verdampft dabei aufgrund der zu geführten thermischen Energie vom Salz. Der Wasserdampf wird am oberen Auslass des Behälters entnommen und einer Dampftur bine zugeführt und in dieser entspannt. Die Dampfturbine treibt ihrerseits einen Generator an, welcher elektrischen Strom erzeugt.
Die spiralförmigen Rohre 13, die von einem ersten Wärmeträger 3 durchströmt werden, können auch durch elektrische Heizwen deln ersetzt werden. Das Verflüssigen des Salzes erfolgt dann elektrisch. Ein solcher Wärmeübertrager 1 eignet sich insbe sondere dann, wenn elektrische Energie direkt gespeichert werden soll. Das wäre beispielsweise der Fall bei einer Wind kraftanlage, bei der der Wind zu Spitzenzeiten hohe Mengen elektrischen Strom erzeugt und diese für Zeiten in denen Windknappheit herrscht gespeichert werden soll. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch den erfin dungsgemäßen Wärmeübertrager mit integriertem Phasenspeicher auf einfache Weise Wärme und/oder Strom in Form von Wärme ge speichert werden kann. Dabei treten nur geringe Verluste auf und der Phasenspeicher ermöglicht gegenüber anderen Speicher formen eine hohe Speicherdichte. Dabei ist der Speicher und der mit ihm verbundene Wärmeübertrager besonders einfach im Aufbau und kostengünstig. Kombiniert mit einer erfindungsge mäßen Dampfturbinenanlage kann die gespeicherte Wärme jeder- zeit zur Erzeugung elektrischen Strom genutzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmeübertrager (1) zum Übertragen thermischer Energie von einer Wärmequelle (2) oder einem ersten Wärmeträger (3) auf einen zweiten Wärmeträger (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmeübertrager (1) einen Phasenspeicher (5) umfasst und der Phasenspeicher (5) die thermische Energie von der Wärmequelle (2) oder dem ersten Wärmeträger (3) auf nehmen und an den zweiten Wärmeträger (4) abgeben kann.
2. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmequelle (2) ein elektrischer Heizwiderstand ist.
3. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Wärmeträger (3) ein erstes Fluid, ist.
4. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Wärmeträger (4) ein zweites Fluid, ist.
5. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Phasenspeicher (5) ein Salzspeicher ist.
6. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die thermische Energie mittel- oder unmittelbar von ei nem Solarkraftwerk oder einer Windkraftanlage bereitge stellt wird.
7. Dampfturbinenanlage (6) umfassend wenigstens einen Wär meübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 sowie eine Dampfturbine (7), wobei der zweite Wärmeträger (4) das Arbeitsmedium der Dampfturbine ist.
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