WO2021185709A1 - Be- und entladevorrichtung für einen wärmespeicher, wärmespeicher sowie betriebsverfahren für einen wärmespeicher - Google Patents

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WO2021185709A1
WO2021185709A1 PCT/EP2021/056423 EP2021056423W WO2021185709A1 WO 2021185709 A1 WO2021185709 A1 WO 2021185709A1 EP 2021056423 W EP2021056423 W EP 2021056423W WO 2021185709 A1 WO2021185709 A1 WO 2021185709A1
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inductor
susceptor
loading
working fluid
heat
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PCT/EP2021/056423
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Peter Vetter
Werner Kraft
Veronika STAHL
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a loading and unloading device for a heat store, a heat store and operating methods for a heat store.
  • Both stationary and mobile heat accumulators are generally charged with heat thermally, for example by means of a fluid flow, or electrothermally.
  • an electric heating process e.g. resistance heating
  • the discharge takes place via known heat transport mechanisms in the form of radiation, conduction and convection.
  • An active discharge can in particular be caused by conduction and / or convection.
  • Particularly high outputs can be achieved with the help of an evaporation process similar to a steam generator in a power plant, an evaporator in heat pumps and the like.
  • a fluid is evaporated on a surface to be cooled (evaporator) and the resulting vapor is condensed on a surface to be heated (condenser).
  • the evaporation or condensation enthalpy increases the heat transport performance compared to processes without a phase change.
  • Discharge process serves to dissipate heat.
  • the inductor coil thus simultaneously represents a loading and unloading device. It is embedded in the storage unit by means of a temperature-resistant electrical insulation layer.
  • Another object of the invention is to provide an efficient heat store.
  • Another object of the invention is to specify a favorable operating method for a heat storage device.
  • Another object of the invention is to specify an inductor for an efficient loading and unloading device for a heat storage device.
  • the invention is based on a loading and unloading device for a heat store, with at least one inductor for inductive heating of a storage medium and / or objects of the heat store adjoining the storage medium.
  • the device have a fluid passage device for supplying and removing a working fluid to the at least one inductor, which washes around the at least one inductor on its outer area, at least in the discharging mode.
  • Objects adjoining the storage medium can be susceptor structures, for example.
  • a material that can evaporate under operating conditions for example water, can be used as the working fluid.
  • air or a protective gas, for example helium, can be used.
  • Particularly high outputs can be achieved with the help of an evaporation process similar to a steam generator in a power plant, an evaporator in heat pumps and the like.
  • the working fluid can be evaporated on a surface to be cooled.
  • the resulting vapor is condensed on a surface to be heated (condenser).
  • the evaporation or condensation enthalpy increases the heat transport performance compared to processes without a phase change.
  • the loading and unloading device with the inductor advantageously has a double function, namely a heat input by means of induction heating and a heat discharge.
  • some interfaces can advantageously be provided in or on the inductor.
  • an internally cooled inductor is used for electrical charging and this is positioned in such a way that it is in close proximity to the storage material, it can also be used to dissipate heat.
  • the inductor cooling also takes on the task of thermal discharge (primary or secondary) of the heat accumulator.
  • the heat transport can also be regulated by adding fluid to the inductor environment. There is an air gap between the inductor and the storage wall. The working fluid, for example water and / or water vapor, therefore transports the heat from the storage wall to the inductor surface, which in turn can be absorbed and transported away by the inductor cooling fluid.
  • the storage wall can simultaneously take on the task of a susceptor for coupling in the electromagnetic alternating field generated by the inductor.
  • the heat generated in the susceptor can thus in turn be transferred to the storage material via thermal conduction.
  • Heat can be dissipated as required by means of controllable heat transfer between the housing and the inductor.
  • targeted modification of the inductor surface enables the cooling performance to be optimized, for example by providing cooling fins in one or more areas of the inductor that are not primarily used to generate the inductive alternating field.
  • the loading and unloading device advantageously allows waste heat to be used for vehicle preconditioning, for loading a low-temperature heat store or for heating the working fluid.
  • the loading and unloading device can in principle be used in all heat accumulators that are to be electrically charged and thermally discharged.
  • Heat accumulators are particularly suitable where a high loading and unloading capacity as well as a high volumetric and gravimetric power density are required.
  • Mobile latent heat storage devices that are operated with a metallic phase change material (mPCM) as the storage material are therefore particularly suitable. These can represent a useful addition to electrochemical energy storage devices in battery-electric city buses, for example.
  • mPCM metallic phase change material
  • Another area of application is the temperature control of tools with targeted heating and cooling of tool areas.
  • Another area of application is compact buffer storage, which is operated according to the so-called power-to-heat principle.
  • the inductor can have an inductor flange which has the fluid passage device.
  • a compact component can advantageously be created.
  • the fluid passage device can have an injector for the working fluid.
  • the working fluid can expediently be supplied in a targeted manner to a favorable area of the injector or the loading and unloading device.
  • the injector can advantageously be formed from an electrically non-conductive material. In this way, unfavorable heating of the injector by eddy currents can be avoided.
  • the inductor can have one or more cooling fins.
  • the cooling performance can advantageously be improved.
  • the at least one inductor can be designed as an internally cooled inductor.
  • the inductor cooling can be used to improve the cooling performance.
  • the at least one inductor can be formed from a waveguide.
  • the at least one inductor can be formed from a waveguide with a rectangular cross section.
  • the cross section has two broad sides and two narrow sides which are narrower than the broad sides.
  • a favorable area ratio of the inductor surface facing the susceptor can advantageously be achieved if essentially broad sides of the inductor are arranged as close as possible to the susceptor.
  • the at least one inductor can be arranged in a susceptor.
  • the susceptor can be designed as an evaporator for the working fluid.
  • the inductor can be provided at least in some areas as a capacitor for the working fluid.
  • evaporated working fluid can condense in the loading and unloading device, for example on the outside of the inductor, with which a compact design can be achieved.
  • an external capacitor can additionally or alternatively be coupled to the loading and unloading device for this purpose.
  • a heat storage device with a housing in which a storage medium is arranged, and with a loading and unloading device, with at least one inductor for inductive heating of the storage medium and / or objects of the heat storage device adjacent to the storage medium.
  • the loading and unloading device has a fluid passage device for supplying and removing a working fluid to the at least one inductor, which washes around the at least one inductor on its outer area, at least in the unloading mode.
  • the cooling capacity can be actively influenced via the loading and unloading device.
  • Particularly high outputs can be achieved with the help of an evaporation process similar to a steam generator in a power plant, an evaporator in heat pumps and the like.
  • the working fluid can be evaporated on a surface to be cooled.
  • the resulting vapor is condensed on a surface to be heated (condenser).
  • the evaporation or condensation enthalpy increases the heat transport performance compared to processes without a phase change.
  • the at least one inductor can be arranged in a susceptor which is at least partially surrounded by the storage medium. This allows a favorable thermal contact to the storage medium.
  • a substantially helical inductor in particular an external field inductor, can advantageously be used.
  • the helical inductor can have a circular cross section, so that the inductor has a substantially cylindrical shape.
  • the cross section can also be angular, in particular rectangular, so that the inductor essentially has a cuboid shape.
  • an internally cooled, helical inductor this is formed by a correspondingly wound waveguide, which can have a round or angular hollow conductor cross section.
  • the side facing the susceptor is advantageously longer or wider than the side of the hollow conductor cross section running transversely thereto.
  • the cross section has two broad sides and two narrow sides which are narrower than the broad sides.
  • a favorable area ratio of the inductor surface facing the susceptor can advantageously be achieved if essentially an inner and outer broad side of the inductor are arranged as close as possible to the susceptor.
  • Cylindrical inductors have a high loading efficiency.
  • an internal field inductor surrounding the heat accumulator can be used.
  • the at least one inductor can be arranged in a susceptor which is arranged adjacent to the storage medium, in particular the susceptor can be integrated into a base of the housing. This allows a favorable thermal contact to the storage medium and the use of a flat inductor.
  • the flat inductor can be designed, for example, in the shape of a horseshoe, meander or spiral.
  • a rectangular cross section of the waveguide forming the flat inductor is advantageous.
  • the side facing the susceptor is advantageously longer than the side of the hollow conductor cross section running transversely thereto.
  • a capacitor for the working fluid can be assigned to the susceptor.
  • the inductor can advantageously be provided as a capacitor at least in some areas. Evaporated working fluid can be liquefied again and reused.
  • a compact component can advantageously be created.
  • the susceptor can be designed as an evaporator for the working fluid. This allows a compact design of the heat accumulator.
  • the at least one inductor can be formed from a waveguide.
  • the at least one inductor can be formed from a waveguide with a rectangular cross section.
  • a surface of the waveguide facing the susceptor can advantageously be larger than an area of the waveguide transverse to the facing surface. This allows an advantageous coupling between inductor and susceptor.
  • a method for operating a heat store with a loading and unloading device with at least one inductor for inductive heating of a storage medium and / or objects of the heat store adjoining the storage medium.
  • a working fluid is supplied through a fluid passage device for supplying and removing the working fluid to the at least one inductor, which washes around the at least one inductor on its outer area, at least in the discharging mode.
  • a thermal discharge of the heat accumulator is also conceivable during electrothermal charging.
  • no flushing is necessary, provided that internal cooling of the inductor, in particular, is sufficient to dissipate the loading losses.
  • This allows the cooling capacity to be actively influenced via the loading and unloading device.
  • Particularly high outputs can be achieved with the help of an evaporation process similar to a steam generator in a power plant, an evaporator in heat pumps and the like.
  • the working fluid can be evaporated on a surface to be cooled.
  • the resulting vapor is condensed on a surface to be heated (condenser).
  • the evaporation or condensation enthalpy increases the heat transport performance compared to processes without a phase change.
  • the discharge of heat from the susceptor can be regulated or controlled by the working fluid.
  • a needs-based, efficient heat dissipation is possible.
  • a flow rate and / or a pressure and / or a temperature of the working fluid can be set for regulating or controlling the heat output from the susceptor. Efficient heat dissipation as required is possible.
  • an inductor for a loading and unloading device wherein an inductor flange is provided with a fluid passage device for supplying and removing a working fluid to the at least one inductor that washes around the at least one inductor on its outer area, at least in the unloading mode.
  • Particularly high outputs can be achieved with the help of an evaporation process similar to a steam generator in a power plant, an evaporator in heat pumps and the like.
  • the working fluid can be evaporated on a surface to be cooled.
  • the resulting vapor is condensed on a surface to be heated (condenser).
  • the evaporation or condensation enthalpy increases the heat transport performance compared to processes without a phase change.
  • the fluid passage device can have an injector for the working fluid.
  • the working fluid can be introduced precisely in a favorable area of the inductor.
  • one or more cooling fins can be provided on at least one line for cooling the inductor. This allows an improvement in the heat dissipation capacity for cooling the heat accumulator.
  • the at least one inductor can be formed from a waveguide.
  • the at least one inductor can be formed from a waveguide with a rectangular cross section.
  • a surface of the waveguide facing the susceptor can advantageously be larger than an area of the waveguide transverse to the facing surface. This allows an advantageous coupling between inductor and susceptor.
  • FIG. 1 shows a loading and unloading device in a heat accumulator in a perspective view according to an embodiment of the invention, in which an inductor is arranged centrally in the heat accumulator;
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the heat accumulator from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the loading and unloading device from FIG. 1;
  • FIG. 4 is a perspective view of the inductor according to FIG. 1;
  • Fig. 5 is a perspective view of an inductor according to a
  • Embodiment of the invention with cooling fins Embodiment of the invention with cooling fins
  • FIG. 6 shows a section through a simplified representation of a heat store with an inductor which surrounds a housing, according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 7 is a perspective view of a heat store with a
  • FIG. 8 shows a view into the interior of the heat accumulator from FIG. 7 with the housing partially cut open;
  • FIG. 9 shows a flow diagram of a method for operating a
  • Heat accumulator according to an embodiment of the invention.
  • FIGs 1 and 2 show a heat accumulator 100 according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a loading and unloading device 10 in the heat storage 100 in a perspective view.
  • FIG. 2 shows a section through the heat accumulator 100.
  • FIG. 3 shows the loading and unloading device 10 in detail in section.
  • the heat accumulator 100 has a housing 110 with a first housing part 112, for example in the form of a housing pot, and a second housing part 114, for example in the form of a housing cover.
  • the housing cover 114 has an opening, not designated in any more detail, into which the loading and unloading device 10 is inserted.
  • a storage material 106 which encloses the loading and unloading device 10, is arranged in the interior 102 of the housing 110.
  • the storage material 106 is advantageously a metallic phase change material.
  • the loading and unloading device 10 has an inductor 20 which is inserted into a susceptor 50.
  • the inductor 20 is arranged with an inductor flange 40 on a flange 54 of the susceptor 50.
  • inductor 20 and susceptor 50 are cylindrical and are arranged coaxially to one another.
  • the heat store 100 can have any shape and the loading and unloading device 10 can be positioned at any point. In the case of a symmetrical storage geometry as shown in FIG. 1, a central position of the loading and unloading device 10 is advantageous. Optionally, a plurality of loading and unloading devices 10 can also be present in the heat accumulator 100.
  • the loading and unloading device 10 consists essentially of an internally cooled external field inductor 20.
  • the susceptor 50 forms an evaporator, so that the inductor 20 is located in an evaporator chamber 52 of the cylindrical susceptor 50.
  • the susceptor 50 is in turn enclosed by the storage material 106.
  • Inductor 20 is formed from a waveguide and has two electrical and fluidic connections 22, 24, so that inductor 20 can be internally cooled.
  • a cooling fluid can be supplied to inductor 20 via connection 22, for example, and removed via connection 24.
  • the waveguide is helically wound and leads from the connection 22 to the connection 24.
  • the hollow conductor can have a round or angular hollow conductor cross section.
  • the cross section of the coiled section of the waveguide is a cylinder.
  • a rectangular cross section of the waveguide is provided.
  • the rectangular waveguide has two opposite broad sides 28 and two each other opposite narrow sides. The narrow sides are made narrower than the broad sides 28.
  • the side facing the susceptor 50 is advantageously wider than the side transverse to it, so that a conveniently large area of the inductor 20, namely the inner and outer broad side 28 of the hollow conductor, are arranged as close as possible to the susceptor 50.
  • the axial length of the successive coil sections is longer than the length of the coil sections in the radial direction.
  • a second fluid hereinafter referred to as working fluid (e.g. water) can be supplied via a further fluid connection 14. This can be done gravitationally or with the help of a pump.
  • Working fluid e.g. steam
  • An injector 12 for the working fluid is connected to the fluid connection 14 and protrudes from the inductor 20 at the lower end and ends at the bottom of the susceptor 50.
  • the fluid connection 14 and the extraction points 16 form components of a fluid passage device 60 of the inductor 20.
  • the fluid passage device 60 can be shut off and released with suitable valves.
  • an electromagnetic alternating field is generated with the aid of the inductor 20, which is connected to an alternating field generator (not shown) via the electrical connections, and is coupled into the susceptor 50.
  • the inductor 20 is cooled via the connections 22 and 24. In this state, there is no working fluid in the evaporator chamber 52.
  • the inductor 20 is inevitably heated. This is not available for heating the susceptor 50 and must be removed via the inductor cooling fluid.
  • the loading efficiency results primarily from the inductor and susceptor materials and their design.
  • the heat loss can be used in neighboring systems to increase overall efficiency. If this is not possible, it must be released into the environment.
  • the working fluid is supplied via the axial supply line in the form of an injector 12, to which Evaporator surface evaporated in the evaporator space 52 and condensed either directly on the inductor surface or in an additional external condenser which is connected to steam extraction points 16 (not shown).
  • the working fluid injector 12 consists of a non-conductive material. Otherwise, eddy currents are induced in these and, as a result, unfavorable heating is produced.
  • the injector 12 is not in contact with the storage material 106.
  • the working fluid emerges at the end of the injector 12, for example.
  • this evaporates at the bottom of the interior space 52, so that the steam enables a high degree of heat transfer from the susceptor wall to the inductor 20.
  • the injector 12 can also have axially spaced through openings along its longitudinal extension, so that the working fluid does not or not only exits at the bottom, but along the longitudinal extension of the injector 12.
  • the injector 12 can rotate relative to the interior 52 of the susceptor 50, wherein the injector 12 and / or the susceptor 50 can be designed to be rotatable about a longitudinal axis of the susceptor 50. In this case, the working fluid can be distributed relatively homogeneously on the susceptor wall.
  • sensitive storage media e.g. metals with high heat capacity such as aluminum
  • mPCM metallic phase chance material
  • storage materials 106 are used which have a greater coefficient of thermal expansion than the material of susceptor 50, good mechanical and, in particular, thermal contact, ie a low thermal contact resistance between storage material 106 and susceptor 50, is ensured during operation of loading and unloading device 10.
  • the good heat transport between susceptor 50 and storage material 106 thus enables high loading and unloading capacities.
  • the susceptor 50 can, provided the material properties permit, the storage material 106 itself represent, for example in the form of a stainless steel or aluminum block. If a phase change is dispensed with and a gaseous working fluid is used, graphite is favorable due to its high thermal capacity, high temperature resistance and very good inductive heating properties.
  • FIG. 4 shows a perspective view of the inductor 20 of the loading and unloading device 10 according to FIG. 1. Since all essential interfaces are integrated in the injector flange 40, the loading and unloading device 10 can be easily installed or, in the case of maintenance, removed. Since the inductor 20 fulfills a double function, in the ideal case, depending on the required discharge capacity, an external capacitor can be dispensed with, so that a potentially increased system power density can be assumed.
  • a permanently gaseous working fluid such as air or helium
  • heat dissipation by means of evaporation has the advantage that it is significantly higher
  • Allow operating temperatures there is also the possibility of using a permanently liquid thermal oil.
  • hydrogen can also be used because of its better heat transport properties, if the ingress of oxygen can be safely ruled out.
  • the inductor surface can be enlarged in a targeted manner in order to optimize the heat transfer.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the invention in which the inductor 20 is provided with cooling fins 30 in an area which is not primarily used for inductive alternating field generation. If both inductor legs are modified symmetrically, it can be assumed that the respective alternating field lines compensate each other and increased self-heating is locally prevented. In addition to this macro-modification, there is the possibility of optimizing the inductor surface for heat transfer by means of a micro-modification. By providing the surface with structures in the nanometer range, for example, the rate of condensation of water vapor and thus the heat dissipation can be increased or even maximized.
  • the inductor 20 is not in direct contact with the working fluid, but is surrounded by an electrically non-conductive structure (eg ceramic).
  • an electrically non-conductive structure eg ceramic
  • the working fluid cannot condense directly on the inductor surface, but only on the surface of the non-conductive structure or in an external capacitor.
  • the additional structure serves to protect the inductor 20 from excessive heating and / or chemical influences of the working fluid.
  • the inside of the susceptor 50 can, for example, be filled with a thermally conductive but electrically insulating material (for example, compressed magnesium oxide).
  • the inductor 20 can be manufactured from high-purity copper powder by means of selective laser sintering. As a result, on the one hand, complex inductor geometries can be implemented for optimized cooling fluid guidance and, on the other hand, a long service life can be achieved due to the lack of soldered connections, as is required in conventional inductor manufacture.
  • FIG. 6 shows a section through a simplified representation of a heat store 100 with an inductor 20 designed as an internal field inductor according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the inductor 20 can be a waveguide and, as in the previous exemplary embodiment, be designed in a coiled manner. Connections for a coolant that flows through the waveguide of the inductor 20 are not shown.
  • the cross section of the coiled section of the waveguide is a cylinder.
  • a rectangular cross section of the waveguide is provided.
  • the rectangular waveguide has two opposite broad sides 28 and two opposite narrow sides. The narrow sides are made narrower than the broad sides 28.
  • the side facing the susceptor 50 is advantageously wider than the side transverse to it, so that a conveniently large area of the inductor 20, namely the inner and outer broad side 28 of the hollow conductor, are arranged as close as possible to the susceptor 50.
  • the axial length of the successive coil sections is longer than the length of the coil sections in the radial direction.
  • the inductor 20 embodied as an internal field inductor surrounds a housing 110 in which a storage material 106, in particular a metallic phase change material, is arranged in an interior 102.
  • the housing wall serves as a susceptor 50.
  • the inductor 20 with its coiled section in the lower part 112 is advantageously arranged as close as possible to the bottom of the housing 110.
  • the melted storage material 106 contracts and separates from the housing 110, so that there is thermal contact with the housing 110, which forms the susceptor 50, in the areas of the housing 110 in which the storage material is acted upon the force of gravity drops and the housing wall in the lower housing part 112 of the housing 110 inevitably makes contact.
  • the thermal contact is good only in the lower region of the lower housing part 12 over the entire temperature profile during the loading and unloading of the heat accumulator 100. In the liquid state, however, this area expands to include the level of the molten phase change material.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a heat store 100 in which a flat inductor 20 is positioned on the bottom 116 of a housing 110.
  • the loading and unloading takes place according to the same principle as in the variants explained above.
  • a flat inductor 20 too, a rectangular cross section of the waveguide forming the flat inductor 20 is advantageous.
  • the side facing the susceptor 50 is advantageously wider than the side transverse to it, so that a conveniently large area of the inductor 20, namely the inner and outer broad side 28 of the hollow conductor, is arranged as close as possible to the susceptor 50.
  • a cooling fluid can accordingly be supplied to the inductor 20, for example, via the fluid connection 22 and discharged via the fluid connection 24.
  • a working fluid can be supplied via the working fluid connection 14 and withdrawn via the working fluid connection 16.
  • FIG. 8 shows the same storage configuration as before, but with a container cutout.
  • the view of the storage material 106 in the Interior 102 of the housing 110 and the container bottom 116 free.
  • a space 52 is also formed around the inductor 20, which can be flooded with a working fluid.
  • the space 52 is the interior of a susceptor 50 on the floor of the housing 110.
  • An intermediate floor 104 and the floor 116 form walls of the susceptor 50.
  • the heat loss is used for the thermal preconditioning of a vehicle or its drive components.
  • the heat loss is stored in a low-temperature heat storage device.
  • the heat loss is used to preheat the working fluid, similar to a regenerative feed water preheating. As a result, the heat loss can be recovered and potential freezing of the working fluid can be avoided at low ambient temperatures.
  • the susceptor 50 can be modified in such a way that the heat transfer surface and the coupling of the alternating field are maximized. This can potentially lead to higher loading and unloading capacities.
  • all electrically conductive materials can be used as susceptor materials.
  • stainless steels or graphite are particularly suitable.
  • the susceptor 50 is in direct contact with the storage material 106, then in addition to the chemical resistance to the working fluid, the resistance to the storage material 106 must also be taken into account. If the susceptor material requires a protective gas atmosphere due to the corresponding operating temperatures, the protective gas (e.g. helium) can be used at the same time as a working fluid, therefore for heat transport.
  • the protective gas e.g. helium
  • FIG. 9 shows a flow chart of a method for operating a heat store 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the operation of the heat store 100 essentially takes place in three phases.
  • the heat accumulator 100 is charged in step S100 by applying a high-frequency current to the inductor 20, which radiates a high-frequency electromagnetic field into the susceptor 50 and heats it and any neighboring components within the effective range of the inductor 20. There is still no working fluid in the interior 52 of the susceptor 50.
  • the heat input can be influenced via the amplitude and / or frequency of the high-frequency electrical current that couples the electromagnetic alternating field into the susceptor.
  • the second phase corresponds to the storage operation of the heat accumulator 100, in which the temperature should remain as constant as possible, but decreases over time due to inevitable self-discharge.
  • the inductor 20 can optionally be cooled if the inductor 20 is exposed in this phase to a temperature that is critical for it, which could damage the inductor 20, as a result of which the self-discharge can be increased in the second phase.
  • the temperature of the inductor 20 is checked in the optional step S104. If it is in a critical area (“j” in the flow chart), the inductor cooling is activated in step S106.
  • step S108 If the temperature is outside the critical range (“n” in the flowchart), the heat accumulator 100 remains in the second phase until a discharge of the heat accumulator 100 is required. This is checked in step S108. If discharging is not required (“n” in the flow chart), it can optionally be checked again in step S104 whether the temperature of the inductor 20 is in a critical range, or there is no cooling of the inductor 20 in the second phase.
  • the heat accumulator 100 is discharged in the third phase in step S110.
  • the discharge can take place secondarily by cooling the inductor 20.
  • the heat accumulator 100 is discharged, the heat is discharged primarily via the working fluid fed into the interior 52 of the susceptor 50.
  • the working fluid is via the fluid connection 14 of the
  • the heat output can be influenced, in particular regulated, via the amount of fluid and / or the volume flow of the working fluid and / or the pressure of the working fluid, in particular of the evaporated working fluid. If the working fluid is a fluid with a phase change, for example water or alcohol, the pressure of the resulting vapor can be influenced by the Fluid passage device 60, the steam is removed. You can also work with superheated steam as an option. In this case, an external storage facility for the working fluid must be provided. The working fluid can through the fluid connection 14 of the
  • Fluid passage device 60 are introduced, which is then shut off.
  • the fluid can circulate internally in the interior space 52, namely evaporate on the susceptor wall and condense on the inductor 20.
  • a flow of the working fluid can be provided and that
  • Working fluid and / or the vaporized working fluid can be removed from the extraction connection 16.
  • a regulated heat input and a regulated heat discharge at high discharge power are advantageously obtained in each case.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Be- und Entladevorrichtung (10) für einen Wärmespeicher (100), mit wenigstens einem Induktor (20) zur induktiven Erwärmung eines Speichermediums (106) und/oder an dem Speichermedium (106) angrenzenden Objekten des Wärmespeichers (100). Be- und Entladevorrichtung (10) weist eine Fluiddurchgangsvorrichtung (60) zur Zufuhr und zur Entnahme eines Arbeitsfluids zum wenigstens einen Induktor (20) auf, das den wenigstens einen Induktor (20) zumindest im Entladebetrieb an seinem Außenbereich (26) umspült. Die Erfindung betrifft ferner einen Wärmespeicher (100) mit einer Be- und Entladevorrichtung (10), ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmespeichers (100) mit einer Be- und Entladevorrichtung (10), sowie einen Induktor (20) für eine Be- und Entladevorrichtung (10).

Description

Beschreibung
Titel
BE- UND ENTLADEVORRICHTUNG FÜR EINEN WÄRMESPEICHER, WÄRMESPEICHER SOWIE BETRIEBSVERFAHREN FÜR EINEN WÄRMESPEICHER
Die Erfindung betrifft eine Be- und Entladevorrichtung für einen Wärmespeicher, Wärmespeicher sowie Betriebsverfahren für einen Wärmespeicher.
Stand der Technik
Sowohl stationäre als auch mobile Wärmespeicher werden in der Regel thermisch, beispielsweise mittels eines Fluidstroms, oder elektrothermisch mit Wärme beladen. Bei elektrothermischer Beladung wird ein Elektrowärmeverfahren (z.B. Widerstandserwärmung) angewendet. Die Entladung erfolgt über an sich bekannte Wärmetransportmechanismen in Form von Strahlung, Konduktion und Konvektion. Eine aktive Entladung kann insbesondere durch Konduktion und/oder Konvektion hervorgerufen werden. Besonders hohe Leistungen können dabei mithilfe eines Verdampfungsprozesses ähnlich eines Dampferzeugers im Kraftwerk, eines Verdampfers in Wärmepumpen und dergleichen, erzielt werden. Dabei wird ein Fluid an einer zu entwärmenden Oberfläche verdampft (Verdampfer) und der resultierende Dampf an einer zu erwärmenden Oberfläche (Kondensator) kondensiert. Die Verdampfungs- bzw. Kondensations-Enthalpie steigert die Wärmetransportleistung gegenüber Verfahren ohne Phasenwechsel.
Wird ein thermischer Speicher elektrisch mittels Widerstandsheizern beladen, so wird die maximale Beladeleistung und Endtemperatur durch die verwendeten Heizelemente limitiert. Weiterhin kann sich die Standzeit selbiger durch eine inhomogene Wärmeabfuhr drastisch reduzieren und zu einem frühzeitigen Ausfall des gesamten Speichersystems führen. Ein Wechsel defekter Heizelemente ist je nach Konstruktion mehr oder weniger aufwändig oder gar unmöglich. Sollen die Wärmeeintragsflächen zudem räumlich nah an den
Wärmeaustragsflächen liegen oder sich mit diesen überschneiden, so kommt es zwangsläufig zu einem Zielkonflikt zwischen Ein- und Austragsleistung. Weiterhin wird ein externer Kondensator zur Übertragung der im Dampf enthaltenen Wärme auf das Zielmedium benötigt. Dies verursacht einen erhöhten Bauraum, erhöhtes Gewicht, erhöhte Kosten und zusätzliche Fehlerquellen der Entladevorrichtung.
Aus der DE102009006784A1 ist ein induktives Be- und Entladesystem für einen metallischen Latentwärmespeicher mit einem Induktor bekannt, der in den Speicherbehälter eingesetzt ist. Eine Induktorkühlung dient dabei zusätzlich zum Wärmeaustrag. Dieser Induktor wird von einem Wärmeträgerfluid durchflossen, welches beim Beladevorgang der Kühlung des Induktors und beim
Entladevorgang dem Wärmeabtransport dient. Die Induktorspule stellt somit gleichzeitig Be- und Entladeeinrichtung dar. Sie ist mittels einer temperaturbeständigen elektrischen Isolationsschicht in den Speicher eingebettet.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine effiziente Be- und Entladevorrichtung anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen effizienten Wärmespeicher anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein günstiges Betriebsverfahren für einen Wärmespeicher anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Induktor für eine effiziente Be- und Entladevorrichtung für einen Wärmespeicher anzugeben.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. Die Erfindung geht nach einem Aspekt der Erfindung aus von einer Be- und Entladevorrichtung für einen Wärmespeicher, mit wenigstens einem Induktor zur induktiven Erwärmung eines Speichermediums und/oder an dem Speichermedium angrenzenden Objekten des Wärmespeichers.
Es wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine Fluiddurchgangsvorrichtung zur Zufuhr und zur Entnahme eines Arbeitsfluids zum wenigstens einen Induktor aufweist, das den wenigstens einen Induktor zumindest im Entladebetrieb an seinem Außenbereich umspült.
An das Speichermedium angrenzende Objekte können beispielsweise Suszeptorstrukturen sein.
Als Arbeitsfluid kann ein unter Betriebsbedingungen verdampfbares Material, beispielsweise Wasser, eingesetzt werden. Alternativ kann Luft oder ein Schutzgas, beispielsweise Helium, eingesetzt werden.
Besonders hohe Leistungen können dabei mithilfe eines Verdampfungsprozesses ähnlich eines Dampferzeugers im Kraftwerk, eines Verdampfers in Wärmepumpen und dergleichen, erzielt werden. Dabei kann das Arbeitsfluid an einer zu entwärmenden Oberfläche verdampft werden. Der resultierende Dampf wird an einer zu erwärmenden Oberfläche (Kondensator) kondensiert. Die Verdampfungs- bzw. Kondensations-Enthalpie steigert die Wärmetransportleistung gegenüber Verfahren ohne Phasenwechsel.
Die Be- und Entladevorrichtung mit dem Induktor weist vorteilhaft eine Doppelfunktion auf, nämlich einen Wärmeeintrag mittels Induktionserwärmung und einen Wärmeaustrag. Günstigerweise können einige Schnittstellen dazu im oder am Induktor vorgesehen sein.
Wird zur elektrischen Beladung ein innengekühlter Induktor verwendet und dieser so positioniert, dass er sieh in räumlicher Nähe zum Speichermaterial befindet, so kann dieser gleichzeitig zum Wärmeaustrag genutzt werden. Die Induktorkühlung übernimmt damit zusätzlich die Aufgabe der thermischen Entladung (primär oder sekundär) des Wärmespeichers. Der Wärmetransport kann dabei zusätzlich durch Fluidzugabe in die Induktorumgebung geregelt werden. Zwischen Induktor und Speicherwand befindet sich ein Luftspalt. Das Arbeitsfluid, beispielsweise Wasser und/oder Wasserdampf, transportiert die Wärme daher von der Speicherwand zur Induktoroberfläche, welche dann wiederum von dem Induktor-Kühlfluid aufgenommen und abtransportiert werden kann.
Die Speicherwand kann dabei gleichzeitig die Aufgabe eines Suszeptors zur Einkopplung des vom Induktor erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes übernehmen. Die im Suszeptor erzeugte Wärme kann somit wiederum über Wärmeleitung auf das Speichermaterial übertragen werden.
Es kann ein bedarfsgerechter Wärmeaustrag durch eine regelbare Wärmeübertragung zwischen Einhausung und Induktor erfolgen.
Ferner kann durch eine gezielte Modifikation der Induktor-Oberfläche eine Optimierung der Entwärmungsleistung ermöglicht werden, beispielsweise durch das Vorsehen von Kühlrippen in einem oder mehreren Bereichen des Induktors, die nicht primär zur Erzeugung des induktiven Wechselfelderzeugung dient.
Die Be- und Entladevorrichtung erlaubt günstigerweise eine Nutzung von Verlustwärme zur Fahrzeugvorkonditionierung, zur Beladung eines Niedertemperatur-Wärmespeichers oder zur Arbeitsfluid-Erwärmung.
Die Be- und Entladevorrichtung kann prinzipiell in allen Wärmespeichern angewendet werden, welche elektrisch beladen und thermisch entladen werden sollen. Besonders geeignet sind Wärmespeicher bei denen eine hohe Be- und Entladeleistung sowie hohe volumetrische und gravimetrische Leistungsdichte erforderlich ist. Daher eignen sich insbesondere mobile Latentwärmespeicher, welche mit metallischem Phasenwechselmaterial (mPCM) als Speichermaterial betrieben werden. Diese können beispielsweise in batterieelektrischen Stadtbussen eine sinnvolle Ergänzung zu elektrochemischen Energiespeichern darstellen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet findet sich in der Temperierung von Werkzeugen mit gezielter Erwärmung und Kühlung von Werkzeugbereichen. Ein weiteres Anwendungsgebiet bilden kompakte Pufferspeicher, welche nach dem so genannten Power-to-Heat-Prinzip betrieben werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Be- und Entladevorrichtung kann der Induktor einen Induktorflansch aufweisen, der die Fluiddurchgangsvorrichtung aufweist. Vorteilhaft kann ein kompaktes Bauteil geschaffen werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Be- und Entladevorrichtung kann die Fluiddurchgangsvorrichtung einen Injektor für das Arbeitsfluid aufweisen. Günstigerweise kann das Arbeitsfluid gezielt an einen günstigen Bereich des Injektors oder der Be- und Entladevorrichtung zugeführt werden. Vorteilhaft kann der Injektor aus einem elektrisch nichtleitenden Material gebildet sein. Auf diese Weise kann eine unvorteilhafte Erwärmung des Injektors durch Wirbelströme vermieden werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Be- und Entladevorrichtung kann der Induktor eine oder mehrere Kühlrippen aufweisen. Vorteilhaft kann die Entwärmungsleistung verbessert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Be- und Entladevorrichtung kann der wenigstens eine Induktor als innengekühlter Induktor ausgebildet sein. Die Induktorkühlung kann zur Verbesserung der Entwärmungsleistung genutzt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Be- und Entladevorrichtung kann der wenigstens eine Induktor aus einem Hohlleiter gebildet sein. Optional kann der wenigstens eine Induktor aus einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt gebildet sein. Bei einem rechteckigen Hohleiterquerschnitt weist der Querschnitt zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten, die schmaler ausfallen als die Breitseiten, auf. Vorteilhaft kann ein günstiges Flächenverhältnis der dem Suszeptor zugewandten Induktor-Oberfläche erreicht werden, wenn im Wesentlichen Breitseiten des Induktors möglichst nahe zu dem Suszeptor angeordnet sind. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Be- und Entladevorrichtung kann der wenigstens eine Induktor in einem Suszeptor angeordnet sein. Dies erlaubt insbesondere eine günstige Einkopplung der vom Induktor erzeugten Wechselströme in den Suszeptor und/oder insbesondere eine günstige Wärmeübertragung aus dem Speichermaterial in die Be- und Entladevorrichtung. Insbesondere kann der Suszeptor als Verdampfer für das Arbeitsfluid ausgebildet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Be- und Entladevorrichtung kann der Induktor wenigstens bereichsweise als Kondensator für das Arbeitsfluidvorgesehen sein. Verdampftes Arbeitsfluid kann beim Entladevorgang in der Be- und Entladevorrichtung kondensieren, beispielsweise an der Außenseite des Induktors, womit eine kompakte Bauweise erreicht werden kann. Optional kann hierfür zusätzlich oder alternativ ein externer Kondensator an die Be- und Entladevorrichtung angekoppelt sein.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wärmespeicher vorgeschlagen mit einem Gehäuse, in dem ein Speichermedium angeordnet ist, sowie mit einer Be- und Entladevorrichtung, mit wenigstens einem Induktor zur induktiven Erwärmung des Speichermediums und/oder an dem Speichermedium angrenzenden Objekten des Wärmespeichers. Die Be- und Entladevorrichtung weist eine Fluiddurchgangsvorrichtung zur Zufuhr und zur Entnahme eines Arbeitsfluids zum wenigstens einen Induktor auf, das den wenigstens einen Induktor zumindest im Entladebetrieb an seinem Außenbereich umspült.
Dies erlaubt eine aktive Beeinflussung der Entwärmeleistung über die Be- und Entladevorrichtung. Besonders hohe Leistungen können dabei mithilfe eines Verdampfungsprozesses ähnlich eines Dampferzeugers im Kraftwerk, eines Verdampfers in Wärmepumpen und dergleichen, erzielt werden. Dabei kann das Arbeitsfluid an einer zu entwärmenden Oberfläche verdampft werden. Der resultierende Dampf wird an einer zu erwärmenden Oberfläche (Kondensator) kondensiert. Die Verdampfungs- bzw. Kondensations-Enthalpie steigert die Wärmetransportleistung gegenüber Verfahren ohne Phasenwechsel. Nach einer günstigen Ausgestaltung des Wärmespeichers kann der wenigstens eine Induktor in einem Suszeptor angeordnet sein, der von dem Speichermedium wenigstens bereichsweise umgeben ist. Dies erlaubt einen günstigen thermischen Kontakt zum Speichermedium. Günstigerweise kann ein im Wesentlichen wendelförmiger Induktor, insbesondere ein Außenfeldinduktor, eingesetzt werden. Der wendelförmige Induktor kann einen kreisförmigen Querschnitt ausweisen, so dass der Induktor im Wesentlichen Zylinderform aufweist. Alternativ kann der Querschnitt auch eckig, insbesondere rechteckig ausgebildet sein, so dass der Induktor im Wesentlichen Quaderform aufweist.
Bei einem innengekühlten wendelförmigen Induktor wird dieser durch einen entsprechend gewundenen Hohlleiter gebildet, der einen runden oder eckigen Hohleiterquerschnitt aufweisen kann. Vorteilhaft ist bei einem rechteckigen Hohleiterquerschnitt die dem Suszeptor zugewandte Seite länger oder breiter als die quer dazu verlaufende Seite des Hohlleiterquerschnitts. Bei einem rechteckigen Hohleiterquerschnitt weist der Querschnitt zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten, die schmaler ausfallen als die Breitseiten, auf. Vorteilhaft kann ein günstiges Flächenverhältnis der dem Suszeptor zugewandten Induktor-Oberfläche erreicht werden, wenn im Wesentlichen eine innere und äußere Breitseite des Induktors möglichste nahe zu dem Suszeptor angeordnet sind. Zylindrische Induktoren weisen eine hohe Beladeeffizienz auf. Optional kann ein den Wärmespeicher umschließender Innenfeldinduktor eingesetzt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Wärmespeichers kann der wenigstens eine Induktor in einem Suszeptor angeordnet sein, der angrenzend an das Speichermedium angeordnet ist, insbesondere kann der Suszeptor in einen Boden des Gehäuses integriert sein. Dies erlaubt einen günstigen thermischen Kontakt zum Speichermedium und den Einsatz eines Flachinduktors.
Der Flachinduktor kann beispielsweise hufeisenförmig, mäanderförmig oder spiralförmig ausgebildet werden.
Auch bei einem Flachinduktor ist ein rechteckiger Querschnitt des den Flachinduktor bildenden Hohlleiters vorteilhaft. Vorteilhaft ist bei einem rechteckigen Hohleiterquerschnitt die dem Suszeptor zugewandte Seite länger ist als die quer dazu verlaufende Seite des Hohlleiterquerschnitts. Es versteht sich, dass mehrere Induktoren vorgesehen sein können und unterschiedliche Typen von Induktoren, etwa Flachinduktoren mit zylindrischen Induktoren oder anderen Arten kombiniert werden können.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Wärmespeichers kann dem Suszeptor ein Kondensator für das Arbeitsfluid zugeordnet sein. Vorteilhaft kann der Induktor wenigstens bereichsweise als Kondensator vorgesehen sein. Verdampftes Arbeitsfluid kann wieder verflüssigt werden und wiederverwendet werden. Vorteilhaft kann ein kompaktes Bauteil geschaffen werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Wärmespeichers kann der Suszeptor als Verdampfer für das Arbeitsfluid ausgebildet sein. Dies erlaubt eine kompakte Bauweise des Wärmespeichers.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Wärmespeichers kann der wenigstens eine Induktor aus einem Hohlleiter gebildet sein. Optional kann der wenigstens eine Induktor aus einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt gebildet sein. Vorteilhaft kann eine dem Suszeptor zugewandte Fläche des Hohlleiters größer sein als eine Fläche des Hohlleiters quer zu der zugewandten Fläche. Dies erlaubt eine vorteilhafte Kopplung zwischen Induktor und Suszeptor.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmespeichers mit einer Be- und Entladevorrichtung vorgeschlagen, mit wenigstens einem Induktor zur induktiven Erwärmung eines Speichermediums und/oder an dem Speichermedium angrenzenden Objekten des Wärmespeichers. Ein Arbeitsfluid wird durch eine Fluiddurchgangsvorrichtung zur Zufuhr und zur Entnahme des Arbeitsfluids zum wenigstens einen Induktor zugeführt, das den wenigstens einen Induktor zumindest im Entladebetrieb an seinem Außenbereich umspült.
Eine thermische Entladung des Wärmespeichers ist jedoch auch während einer elektrothermischen Beladung denkbar. In der ausschließlichen Beladungsphase des Wärmespeichers ist keine Umspülung notwendig, sofern eine insbesondere interne Kühlung des Induktors ausreicht, um die Beladeverluste abzuführen. Dies erlaubt eine aktive Beeinflussung der Entwärmeleistung über die Be- und Entladevorrichtung. Besonders hohe Leistungen können dabei mithilfe eines Verdampfungsprozesses ähnlich eines Dampferzeugers im Kraftwerk, eines Verdampfers in Wärmepumpen und dergleichen, erzielt werden. Dabei kann das Arbeitsfluid an einer zu entwärmenden Oberfläche verdampft werden. Der resultierende Dampf wird an einer zu erwärmenden Oberfläche (Kondensator) kondensiert. Die Verdampfungs- bzw. Kondensations-Enthalpie steigert die Wärmetransportleistung gegenüber Verfahren ohne Phasenwechsel.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Wärmeaustrag aus dem Suszeptor durch das Arbeitsfluid geregelt oder gesteuert werden. Es ist eine bedarfsgerechte effiziente Entwärmungsleistung möglich.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Durchfluss und/oder ein Druck und/oder eine Temperatur des Arbeitsfluids zur Regelung oder Steuerung des Wärmeaustrags aus dem Suszeptor eingestellt werden. Es ist eine bedarfsgerechte effiziente Entwärmeleistung möglich.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Induktor für eine Be- und Entladevorrichtung vorgeschlagen, wobei ein Induktorflansch vorgesehen ist mit einer Fluiddurchgangsvorrichtung zur Zufuhr und zur Entnahme eines Arbeitsfluids zum wenigstens einen Induktor das den wenigstens einen Induktor zumindest im Entladebetrieb an seinem Außenbereich umspült.
Dies erlaubt eine aktive Beeinflussung der Entwärmeleistung über die Be- und Entladevorrichtung. Besonders hohe Leistungen können dabei mithilfe eines Verdampfungsprozesses ähnlich eines Dampferzeugers im Kraftwerk, eines Verdampfers in Wärmepumpen und dergleichen, erzielt werden. Dabei kann das Arbeitsfluid an einer zu entwärmenden Oberfläche verdampft werden. Der resultierende Dampf wird an einer zu erwärmenden Oberfläche (Kondensator) kondensiert. Die Verdampfungs- bzw. Kondensations-Enthalpie steigert die Wärmetransportleistung gegenüber Verfahren ohne Phasenwechsel.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Induktors kann die Fluiddurchgangsvorrichtung einen Injektor für das Arbeitsfluid aufweisen. Das Arbeitsfluid kann zielgenau in einem günstigen Bereich des Induktors eingeführt werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung des Induktors können an wenigstens einer Leitung zur Induktorkühlung eine oder mehrere Kühlrippen vorgesehen sein dies erlaubt eine Verbesserung der Entwärmeleistung zur Kühlung des Wärmespeichers.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Induktors kann der wenigstens eine Induktor aus einem Hohlleiter gebildet sein. Optional kann der wenigstens eine Induktor aus einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt gebildet sein. Vorteilhaft kann eine dem Suszeptor zugewandte Fläche des Hohlleiters größer sein als eine Fläche des Hohlleiters quer zu der zugewandten Fläche. Dies erlaubt eine vorteilhafte Kopplung zwischen Induktor und Suszeptor.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:
Fig. 1 eine Be- und Entladevorrichtung in einem Wärmespeicher in perspektivischer Ansicht nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Induktor zentral im Wärmespeicher angeordnet ist;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Wärmespeicher aus Figur 1;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Be- und Entladevorrichtung aus Figur 1 ;
Fig. 4 eine perspektivisch Ansicht des Induktors nach Figur 1 ;
Fig. 5 eine perspektivisch Ansicht eines Induktors nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Kühlrippen;
Fig. 6 ein Schnitt durch eine vereinfachte Darstellung eines Wärmespeichers mit einem Induktor, der ein Gehäuse umgibt, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Wärmespeichers mit einem
Flachinduktor am Boden des Gehäuses nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 8 einen Blick in das Innere des Wärmespeichers aus Figur 7 mit teilweise aufgeschnittenem Gehäuse;
Fig. 9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines
Wärmespeichers nach einem Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Wärmespeicher 100 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 1 zeigt eine Be- und Entladevorrichtung 10 in dem Wärmespeicher 100 in perspektivischer Ansicht. Figur 2 zeigt einen Schnitt durch den Wärmespeicher 100. Figur 3 zeigt im Schnitt die Be- und Entladevorrichtung 10 im Detail. Der Wärmespeicher 100 weist ein Gehäuse 110 auf mit einem ersten Gehäuseteil 112, beispielsweise in Form eines Gehäusetopfs und einem zweiten Gehäuseteil 114, beispielsweise in Form eines Gehäusedeckels. Der Gehäusedeckel 114 weist eine nicht näher bezeichnete Öffnung auf, in welche die Be- und Entladevorrichtung 10 eingesetzt ist. Im Inneren 102 des Gehäuses 110 ist ein Speichermaterial 106 angeordnet, das die Be- und Entladevorrichtung 10 umschließt. Vorteilhaft ist das Speichermaterial 106 ein metallisches Phasenwechselmaterial.
Die Be- und Entladevorrichtung 10 weist einen Induktor 20 auf, der in einen Suszeptor 50 eingesetzt ist. Der Induktor 20 ist mit einem Induktorflansch 40 an einem Flansch 54 des Suszeptors 50 angeordnet. Induktor 20 und Suszeptor 50 sind in diesem Beispiel zylindrisch ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet.
Der Wärmespeicher 100 kann jede beliebige Form besitzen und die Be- und Entladevorrichtung 10 an jeder beliebigen Stelle positioniert sein. Bei einer symmetrischen Speichergeometrie wie in Figur 1 dargestellt ist eine zentrale Position der Be- und Entladevorrichtung 10 vorteilhaft. Es können optional auch mehrere Be- und Entladevorrichtungen 10 in dem Wärmespeicher 100 vorhanden sein.
Die Be- und Entladevorrichtung 10 besteht im Wesentlichen aus einem innengekühlten Außenfeldinduktor 20. Der Suszeptor 50 bildet einen Verdampfer, so dass der Induktor 20 sich in einem Verdampferraum 52 des zylindrischen Suszeptors 50 befindet. Der Suszeptor 50 wird wiederum vom Speichermaterial 106 umschlossen.
Zwischen Induktor 20 und Suszeptor 50 befindet sich ein Luftspalt 56. Der Induktor 20 ist aus einem Hohlleiter gebildet und verfügt über zwei elektrische und fluidische Anschlüsse 22, 24, so dass eine Innenkühlung des Induktors 20 erfolgen kann. Ein Kühlfluid kann dem Induktor 20 beispielsweise über Anschluss 22 zugeführt und über Anschluss 24 entnommen werden. Der Hohlleiter ist wendelförmig gewunden und führt vom Anschluss 22 zum Anschluss 24. Der Hohlleiter kann einen runden oder eckigen Hohleiterquerschnitt aufweisen. Der Querschnitt des gewendelten Abschnitts des Hohlleiters ist ein Zylinder. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein rechteckiger Querschnitt des Hohlleiters vorgesehen. Der rechteckige Hohlleiter weist zwei sich gegenüberliegende Breitseiten 28 und zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten auf. Die Schmalseiten sind schmaler ausgebildet als die Breitseiten 28. Vorteilhaft ist bei einem rechteckigen Hohleiterquerschnitt die dem Suszeptor 50 zugewandte Seite breiter als die Seite quer dazu, so dass eine günstig große Fläche des Induktors 20, nämlich die innere wie die äußere Breitseite 28 des Hohlleiters, möglichst nahe zu dem Suszeptor 50 angeordnet sind. Bei dem abgebildeten Induktor 20 mit zylinderförmig gewendeltem Hohlleiter ist die axiale Länge der aufeinander folgenden Wendelabschnitte länger als die Länge der Wendelabschnitte in radialer Richtung.
Über einen weiteren Fluid-Anschluss 14 kann ein zweites Fluid, im Folgenden Arbeitsfluid (z.B. Wasser) genannt, zugeführt werden. Dies kann gravitationsgetrieben oder mithilfe einer Pumpe erfolgen. Über Entnahmestellen 16 kann dem Verdampferraum 52 des Suszeptors 50 Arbeitsfluid (z.B. Dampf) entnommen werden. An den Fluidanschluss 14 ist ein Injektor 12 für das Arbeitsfluid angeschlossen, der am unteren Ende aus dem Induktor 20 herausragt und am Boden des Suszeptors 50 endet. Der Fluidanschluss 14 sowie die Entnahmestellen 16 bilden Bestandteile einer Fluiddurchgangsvorrichtung 60 des Induktors 20. Die Fluiddurchgangsvorrichtung 60 kann mit geeigneten Ventilen abgesperrt und freigegeben werden.
Beim induktiven Beladeprozess wird mithilfe des Induktors 20, welcher über die elektrischen Anschlüsse an einem Wechselfeldgenerator (nicht dargestellt) angeschlossen ist, ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt und in den Suszeptor 50 eingekoppelt. Der Induktor 20 wird dabei über die Anschlüsse 22 und 24 gekühlt. Es befindet sich in diesem Zustand kein Arbeitsfluid im Verdampferraum 52.
Dabei kommt es zwangsweise zu einer Erwärmung des Induktors 20. Diese steht nicht zur Erwärmung des Suszeptors 50 zur Verfügung und muss über das Induktor-Kühlfluid abgeführt werden. Die Belade-Effizienz resultiert dabei in erster Linie aus den Induktor- und Suszeptor-Materialien und deren Design.
Zur Steigerung der Gesamteffizienz kann die Verlustwärme in benachbarten Systemen genutzt werden. Ist dies nicht möglich, so muss diese an die Umgebung abgegeben werden.
Soll der Wärmespeicher 100 entladen werden, so wird das Arbeitsfluid über die axiale Zuleitung in Form eines Injektors 12 zugeführt, an der Verdampferoberfläche im Verdampferraum 52 verdampft und entweder direkt an der Induktoroberfläche oder in einem zusätzlichen externen Kondensator, der an Dampfentnahmestellen 16 angeschlossen ist (nicht dargestellt) kondensiert.
Zur Vermeidung von Beladeverlusten ist es vorteilhaft, wenn der Arbeitsfluid- Injektor 12 aus einem nichtleitenden Material besteht. Andernfalls werden in diesen Wirbelströme induziert und in Folge dessen eine unvorteilhafte Erwärmung hervorgerufen. Der Injektor 12 steht nicht im Kontakt zum Speichermaterial 106.
Das Arbeitsfluid tritt beispielsweise am Ende des Injektors 12 aus. Im Falle beispielsweise von Wasser als Arbeitsfluid verdampft dieses am Boden des Innenraums 52, so dass der Dampf eine hohe Wärmeübertragung von der Suszeptorwand zum Induktor 20 ermöglicht. Optional kann der Injektor 12 auch entlang seiner Längserstreckung axial voneinander beabstandete Durchtrittsöffnungen aufweisen, so dass das Arbeitsfluid nicht oder nicht nur am Boden austritt, sondern entlang der Längserstreckung des Injektors 12. Optional kann der Injektor 12 relativ zum Innenraum 52 des Suszeptors 50 rotieren, wobei der Injektor 12 und/oder der Suszeptor 50 drehbar um eine Längsachse des Suszeptors 50 ausgebildet sein können. In diesem Fall kann eine relativ homogene Verteilung des Arbeitsfluids an der Suszeptorwand erfolgen.
Weiterhin besteht die Möglichkeit die Beladeeffzienz durch die Positionierung eines Feldkonzentrators (nicht dargestellt) innerhalb der Induktor-Helix des Induktors 20 zu maximieren. Bei dem Speichermaterial 106 kann es sich sowohl um sensible Speichermedien (z.B. Metalle mit hoher Wärmekapazität wie z.B. Aluminium) als auch latente Speichermedien (PCM= Phase Change Material) und insbesondere metallische PCM (mPCM= metallic Phase Chance Material) handeln.
Werden Speichermaterialien 106 verwendet, welche einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen als das Material des Suszeptors 50, so wird beim Betrieb der Be- und Entladevorrichtung 10 ein guter mechanischer als auch insbesondere thermischer Kontakt, d.h. ein geringer thermischer Kontaktwiderstand zwischen Speichermaterial 106 und Suszeptor 50 gewährleistet. Der gute Wärmetransport zwischen Suszeptor 50 und Speichermaterial 106 ermöglicht damit hohe Be- und Entladeleistungen. Bei ausschließlich sensiblem Speicherbetrieb kann der Suszeptor 50, sofern es die Materialeigenschaften erlauben, bereits das Speichermaterial 106 selbst repräsentieren, beispielsweise in Form eines Edelstahl- oder Aluminiumblocks. Wird auf einen Phasenwechsel verzichtet und ein gasförmiges Arbeitsfluid verwendet, so ist Graphit aufgrund einer hohen Wärmekapazität, hoher Temperaturbeständigkeit und sehr guten induktiven Erwärmungseigenschaften günstig.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Darstellung des Induktors 20 der Be- und Entladevorrichtung 10 nach Figur 1. Indem alle wesentlichen Schnittstellen im Injektor-Flansch 40 integriert sind, kann die Be- und Entladevorrichtung 10 einfach montiert bzw. im Falle einer Wartung demontiert werden. Da der Induktor 20 eine Doppelfunktion erfüllt, kann im Idealfall, je nach erforderlicher Austragsleistung, auf einen externen Kondensator verzichtet werden, sodass potenziell von einer erhöhten Systemleistungsdichte ausgegangen werden kann.
Alternativ zu Wasser kann auch ein permanent gasförmiges Arbeitsfluid wie beispielsweise Luft oder Helium genutzt werden. Ein Wärmeaustrag mittels Verdampfung hat jedoch den Vorteil, dass deutlich höhere
Wärmeübertragungsleistungen erzielt werden können. Sofern es die
Betriebstemperaturen erlauben, besteht auch die Möglichkeit ein permanent flüssiges Thermalöl einzusetzen. Optional kann auch Wasserstoff wegen seiner besseren Wärmetransporteigenschaften eingesetzt werden, wenn ein Eindringen von Sauerstoff sicher auszuschließen ist.
Weiterhin kann die Induktoroberfläche zur Optimierung der Wärmeübertragung gezielt vergrößert werden.
Figur 5 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Induktor 20 in einem Bereich, welcher nicht primär zur induktiven Wechselfelderzeugung dient, mit Kühlrippen 30 versehen ist. Werden beide Induktorschenkel symmetrisch modifiziert, so ist davon auszugehen, dass sich die jeweiligen Wechselfeldlinien kompensieren und eine verstärkte Eigenerwärmung lokal unterbunden wird. Neben dieser Makromodifikation besteht die Möglichkeit, die Induktoroberfläche durch eine Mikromodifikation für die Wärmeübertragung zu optimieren. Indem die Oberfläche mit Strukturen im Nanometerbereich versehen wird, kann beispielsweise die Kondensationsrate von Wasserdampf und damit die Entwärmeleistung gesteigert oder sogar maximiert werden. In einerweiteren Ausgestaltung (nicht abgebildet) der Erfindung steht der Induktor 20 nicht im direkten Kontakt mit dem Arbeitsfluid, sondern wird durch eine elektrisch nichtleitende Struktur (z.B. Keramik) umgeben. Dadurch kann das Arbeitsfluid nicht unmittelbar an der Induktoroberfläche kondensieren, sondern lediglich an der Oberfläche der nichtleitenden Struktur oder in einem externen Kondensator. Die zusätzliche Struktur dient in diesem Fall dazu, den Induktor 20 vor übermäßiger Erwärmung und/oder chemischen Einflüssen des Arbeitsfluides schützen. Zur Maximierung der Wärmeübertragung von der Struktur auf den Induktor 20 kann der Suszeptor 50 innen beispielsweise mit einem wärmeleitenden, jedoch elektrisch isolierenden Material (z.B. verdichtetes Magnesiumoxid) aufgefüllt werden.
Der Induktor 20 kann mittels selektiven Lasersintern aus hochreinem Kupferpulver hergestellt werden. Dadurch lassen sich einerseits komplexe Induktorgeometrien zur optimierten Kühlfluidführung realisieren und andererseits eine hohe Standzeit aufgrund fehlender Lötverbindungen, wie sie bei der konventionellen Induktorherstellung erforderlich sind, erzielen.
Figur 6 zeigt ein Schnitt durch eine vereinfachte Darstellung eines Wärmespeichers 100 mit einem als Innenfeldinduktor ausgebildeten Induktor 20 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier kann der Induktor 20 ein Hohlleiter sein und wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel gewendelt ausgeführt sein. Anschlüsse für ein Kühlmittel, das durch den Hohlleiter des Induktors 20 strömt, sind nicht dargestellt.
Der Querschnitt des gewendelten Abschnitts des Hohlleiters ist ein Zylinder. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein rechteckiger Querschnitt des Hohlleiters vorgesehen. Der rechteckige Hohlleiter weist zwei sich gegenüberliegende Breitseiten 28 und zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten auf. Die Schmalseiten sind schmaler ausgebildet als die Breitseiten 28. Vorteilhaft ist bei einem rechteckigen Hohleiterquerschnitt die dem Suszeptor 50 zugewandte Seite breiter als die Seite quer dazu, so dass eine günstig große Fläche des Induktors 20, nämlich die innere wie die äußere Breitseite 28 des Hohlleiters, möglichst nahe zu dem Suszeptor 50 angeordnet sind. Bei dem abgebildeten Induktor 20 mit zylinderförmig gewendeltem Hohlleiter ist die axiale Länge der aufeinander folgenden Wendelabschnitte länger als die Länge der Wendelabschnitte in radialer Richtung. Der als Innenfeldinduktor ausgebildete Induktor 20 umgibt ein Gehäuse 110, in dem in einem Innenraum 102 ein Speichermaterial 106, insbesondere ein metallisches Phasenwechselmaterial, angeordnet ist. Die Gehäusewand dient als Suszeptor 50. Bei dem Speichermaterial 106 kann es sich sowohl um sensible Speichermedien (z.B. Metalle mit hoher Wärmekapazität wie z.B. Aluminium) als auch latente Speichermedien (PCM= Phase Change Material) und insbesondere metallische PCM (mPCM= metallic Phase Chance Material) handeln.
Vorteilhaft ist der Induktor 20 mit seinem gewendelten Abschnitt im unteren Teil 112 möglichst in der Nähe des Bodens des Gehäuses 110 angeordnet. Beim Abkühlen oder Erstarren zieht sich das aufgeschmolzene Speichermaterial 106 zusammen und löst sich vom Gehäuse 110 ab, so dass ein thermischer Kontakt mit dem Gehäuse 110, das den Suszeptor 50 bildet, in den Bereichen des Gehäuses 110 besteht, bei denen das Speichermaterial durch die Wirkung der Schwerkraft absinkt und die Gehäusewand im unteren Gehäuseteil 112 des Gehäuses 110 zwangsläufig kontaktiert. Dabei ist der thermische Kontakt gravitationsbedingt lediglich im unteren Bereich des unteren Gehäuseteilsl 12 über den gesamten Temperaturverlauf beim Be- und Entladen des Wärmespeichers 100 gut. Im flüssigen Zustand erweitert sich dieser Bereich jedoch um die Füllstandhöhe des geschmolzenen Phasenwechselmaterials. Die Figuren 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Wärmespeichers 100 bei der ein Flachinduktor 20 am Boden 116 eines Gehäuses 110 positioniert wird. Die Be- und Entladung erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie in den zuvor erläuterten Varianten. Auch bei einem Flachinduktor 20 ist ein rechteckiger Querschnitt des den Flachinduktor 20 bildenden Hohlleiters vorteilhaft. Vorteilhaft ist bei einem rechteckigen Hohleiterquerschnitt die dem Suszeptor 50 zugewandte Seite breiter als die Seite quer dazu, so dass eine günstig große Fläche des Induktors 20, nämlich die innere wie die äußere Breitseite 28 des Hohlleiters, möglichst nahe zu dem Suszeptor 50 angeordnet ist.
Dem Induktor 20 kann demnach beispielsweise über den Fluid-Anschluss 22 ein Kühlfluid zugeführt und über den Fluidanschluss 24 abgeführt werden. Über den Arbeits-Fluidanschluss 14 kann ein Arbeitsfluid zugeführt und über den Arbeitsfluid-Anschluss 16 entnommen werden.
Figur 8 zeigt die gleiche Speicherkonfiguration wie zuvor, jedoch mit einem Behälterausschnitt. Dadurch wird der Blick auf das Speichermaterial 106 im Innenraum 102 des Gehäuses 110 und den Behälterboden 116 frei. Es wird deutlich, dass sich ebenfalls ein Raum 52 um den Induktor 20 ausbildet, welcher mit einem Arbeitsfluid geflutet werden kann. Der Raum 52 ist der Innenraum eines Suszeptors 50 am Boden des Gehäuses 110. Ein Zwischenboden 104 und der Boden 116 bilden Wände des Suszeptors 50.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Verlustwärme zur thermischen Vorkonditionierung eines Fahrzeugs bzw. dessen Antriebskomponenten genutzt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Verlustwärme in einem Niedertemperatur-Wärmespeicher gespeichert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Verlustwärme zur Vorwärmung des Arbeitsfluids genutzt, ähnlich wie bei einer regenerativen Speisewasser-Vorwärmung. Dadurch kann die Verlustwärme zurückgewonnen sowie bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine potentielle Vereisung des Arbeitsfluides vermieden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Suszeptor 50 derart modifiziert werden, dass die Wärmeübertragungsfläche sowie die Einkopplung des Wechselfeldes maximiert wird. Dies kann potentiell zu höheren Be- und Entladeleistungen führen. Als Suszeptormaterialien kommen grundsätzlich alle elektrisch leitfähigen Materialien infrage. In der hier vorliegenden Anwendung eignen sich insbesondere rostfreie Stähle oder auch Graphit.
Steht der Suszeptor 50 im direkten Kontakt mit dem Speichermaterial 106, so ist neben der chemischen Beständigkeit gegenüber dem Arbeitsfluid auch die Beständigkeit gegenüber dem Speichermaterial 106 zu berücksichtigen. Erfordert das Suszeptor-Material aufgrund entsprechender Betriebstemperaturen eine Schutzgasatmosphäre, so kann das Schutzgas (z.B. Helium) gleichzeitig als Arbeitsfluid, daher zum Wärmetransport, genutzt werden.
Figur 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Wärmespeichers 100 nach einem Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Der Betrieb des Wärmespeichers 100 erfolgt im Wesentlichen in drei Phasen. In der ersten Phase erfolgt Schritt S100 das Beladen des Wärmespeichers 100, indem ein hochfrequenter Strom auf den Induktor 20 gegeben wird, der ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld in den Suszeptor 50 einstrahlt und diesen und etwaige benachbarte Komponenten in Wirkreichweite des Induktors 20 erwärmt. Es befindet sich noch kein Arbeitsfluid im Innenraum 52 des Suszeptors 50. Der Wärmeeintrag kann über Amplitude und/oder Frequenz des hochfrequenten elektrischen Stroms beeinflusst werden, der das elektromagnetische Wechselfeld in den Suszeptor einkoppelt.
Die zweite Phase entspricht dem Speicherbetrieb des Wärmespeichers 100, bei dem die Temperatur möglichst konstant bleiben soll, jedoch durch unvermeidliche Selbstentladung mit der Zeit abnimmt. In Schritt S102 kann der Induktor 20 gegebenenfalls gekühlt werden, falls der Induktor 20 in dieser Phase einer für diesen kritischen Temperatur ausgesetzt ist, die den Induktor 20 schädigen könnte, wodurch die Selbstentladung in der zweiten Phase erhöht sein kann. Hierzu wird im optionalen Schritt S104 die Temperatur des Induktors 20 überprüft. Befindet sie sich in einem kritischen Bereich („j“ im Flussdiagramm), wird die Induktorkühlung in Schritt S106 aktiviert. Ist die Temperatur außerhalb des kritischen Bereichs („n“ im Flussdiagramm), verbleibt der Wärmespeicher 100 so lange in der zweiten Phase, bis ein Entladen des Wärmespeichers 100 gefordert ist. Dies wird in Schritt S108 geprüft. Ist kein Entladen gefordert („n“ im Flussdiagramm), kann optional wieder in Schritt S104 geprüft werden, ob die Temperatur des Induktors 20 in einem kritischen Bereich ist, oder es erfolgt in der zweiten Phase keine Kühlung des Induktors 20.
Ist ein Entladen gefordert („j“ im Flussdiagramm), erfolgt in der dritten Phase die Entladung des Wärmespeichers 100 in Schritt S110.
Zum einen kann die Entladung sekundär durch die Kühlung des Induktors 20 erfolgen. Primär jedoch erfolgt der Wärmeaustrag bei der Entladung des Wärmespeichers 100 über das in den Innenraum 52 des Suszeptors 50 zugeführte Arbeitsfluid. Das Arbeitsfluid wird über den Fluidanschluss 14 der
Fluiddurchgangsvorrichtung 60 zugeführt. Der Wärmeaustrag kann über die Fluidmenge und/oder den Volumenstrom des Arbeitsfluids und/oder den Druck des Arbeitsfluids, insbesondere des verdampften Arbeitsfluids, beeinflusst, insbesondere geregelt werden. Ist das Arbeitsfluid ein Fluid mit Phasenwechsel, beispielsweise Wasser oder Alkohol, kann der Druck des entstehenden Dampfes beeinflusst werden, indem aus dem Entnahmeanschluss 16 der Fluiddurchgangsvorrichtung 60 der Dampf abgeführt wird. Optional kann auch mit überhitztem Dampf gearbeitet werden. In diesem Fall ist eine externe Speichermöglichkeit für das Arbeitsfluid vorzusehen. Das Arbeitsfluid kann durch den Fluidanschluss 14 der
Fluiddurchgangsvorrichtung 60 eingebracht werden, welche daraufhin abgesperrt wird. Das Fluid kann im Innenraum 52 intern zirkulieren, nämlich an der Suszeptorwand verdampfen und am Induktor 20 kondensieren. Alternativ kann ein Durchfluss des Arbeitsfluids vorgesehen sein und das
Arbeitsfluid und/oder das verdampfte Arbeitsfluid aus dem Entnahmeanschluss 16 abgeführt werden.
Vorteilhaft ergibt sich jeweils ein geregelter Wärmeeintrag und ein geregelter Wärmeaustrag bei hoher Entladeleistung.
Bezugszeichen
10 Be- und Entladevorrichtung
12 Injektor
14 Fluidanschluss
16 Entnahmestelle
20 Induktor
22 Leitung
24 Leitung
26 Außenbereich
28 Breitseite
30 Kühlrippe
40 Flansch
50 Suszeptor Verdampfer 52 Innenraum 54 Flansch 56 Spalt
60 Fluiddurchgangsvorrichtung
100 Wärmespeicher
102 Innenraum
104 Zwischenboden
106 Speichermedium
110 Gehäuse
112 Gehäuseteil
114 Gehäuseteil
116 Boden

Claims

Ansprüche
1. Be- und Entladevorrichtung (10) für einen Wärmespeicher (100), mit wenigstens einem Induktor (20) zur induktiven Erwärmung eines Speichermediums (106) und/oder an dem Speichermedium (106) angrenzenden Objekten des Wärmespeichers (100), gekennzeichnet durch eine Fluiddurchgangsvorrichtung (60) zur Zufuhr und zur Entnahme eines Arbeitsfluids zum wenigstens einen Induktor (20), das den wenigstens einen Induktor (20) zumindest im Entladebetrieb an seinem Außenbereich (26) umspült.
2. Be- und Entladevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (20) einen Induktorflansch (40) aufweist, der die Fluiddurchgangsvorrichtung (60) aufweist.
3. Be- und Entladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluiddurchgangsvorrichtung (60) einen Injektor (12) für das Arbeitsfluid aufweist.
4. Be- und Entladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (20) eine oder mehrere Kühlrippen (30) aufweist.
5. Be- und Entladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (20) als innengekühlter Induktor (20) ausgebildet ist.
6. Be- und Entladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (20) aus einem Hohlleiter gebildet ist, insbesondere einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt.
7. Be- und Entladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (20) in einem Suszeptor (50) angeordnet ist, insbesondere dass der Suszeptor (50) als Verdampfer für das Arbeitsfluid ausgebildet ist.
8. Be- und Entladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (20) wenigstens bereichsweise als Kondensator für das Arbeitsfluidvorgesehen ist.
9. Wärmespeicher (100) mit einem Gehäuse (110), in dem ein Speichermedium (106) angeordnet ist, sowie mit einer Be- und Entladevorrichtung (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Induktor (20) zur induktiven Erwärmung des Speichermediums (106) und/oder an dem Speichermedium (106) angrenzenden Objekten des Wärmespeichers (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Be- und Entladevorrichtung (10) eine Fluiddurchgangsvorrichtung (60) zur Zufuhr und zur Entnahme eines Arbeitsfluids zum wenigstens einen Induktor (20) aufweist, das den wenigstens einen Induktor (20) zumindest im Entladebetrieb an seinem Außenbereich (26) umspült.
10. Wärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (20) in einem Suszeptor (50) angeordnet ist, der von dem Speichermedium (106) wenigstens bereichsweise umgeben ist.
11. Wärmespeicher nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (20) in einem Suszeptor (50) angeordnet ist, der angrenzend an das Speichermedium (106) angeordnet ist, insbesondere dass der Suszeptor (50) in einen Boden des Gehäuses (110) integriert ist.
12. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Suszeptor (50) ein Kondensator für das Arbeitsfluid zugeordnet ist, insbesondere dass ein Kondensator im Suszeptor (50) angeordnet ist.
13. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Suszeptor (50) als Verdampfer für den wenigstens einen Induktor (20) ausgebildet ist.
14. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (20) aus einem Hohlleiter gebildet ist, insbesondere einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt, insbesondere wobei eine dem Suszeptor (50) zugewandte Fläche des Hohlleiters größer ist als eine Fläche des Hohlleiters quer zu der Fläche.
15. Verfahren zum Betreiben eines Wärmespeichers (100) mit einer Be- und Entladevorrichtung (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Induktor (20) zur induktiven Erwärmung eines Speichermediums (106) und/oder an dem Speichermedium (106) angrenzenden Objekten des Wärmespeichers (100), dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsfluid durch eine Fluiddurchgangsvorrichtung (60) zur Zufuhr und zur Entnahme des Arbeitsfluids zum wenigstens einen Induktor (20) zugeführt wird, das den wenigstens einen Induktor (20) zumindest im Entladebetrieb an seinem Außenbereich (26) umspült.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeaustrag aus dem Suszeptor (50) durch das Arbeitsfluid geregelt oder gesteuert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchfluss und/oder ein Druck und/oder eine Temperatur des Arbeitsfluids zur Regelung oder Steuerung des Wärmeaustrags aus dem Suszeptor (50) eingestellt wird.
18. Induktor (20) für eine Be- und Entladevorrichtung (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktorflansch (40) vorgesehen ist mit einer Fluiddurchgangsvorrichtung (60) zur Zufuhr und zur Entnahme eines Arbeitsfluids zum wenigstens einen Induktor (20), das den wenigstens einen Induktor (20) zumindest im Entladebetrieb an seinem Außenbereich (26) umspült.
19. Induktor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluiddurchgangsvorrichtung (60) einen Injektor (12) für das Arbeitsfluid aufweist.
20. Induktor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Leitung (22, 24) zur Induktorkühlung eine oder mehrere Kühlrippen (30) vorgesehen sind.
21. Induktor nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (20) aus einem Hohlleiter gebildet ist, insbesondere einem Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt, insbesondere wobei eine bestimmungsgemäß einem Suszeptor (50) zugewandte Fläche des Hohlleiters größer ist als eine Fläche des Hohlleiters quer zu der zugewandten Fläche.
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