AT516315A1 - Wärmespeicher - Google Patents

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AT516315A1
AT516315A1 ATA736/2014A AT7362014A AT516315A1 AT 516315 A1 AT516315 A1 AT 516315A1 AT 7362014 A AT7362014 A AT 7362014A AT 516315 A1 AT516315 A1 AT 516315A1
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Abstract

Wärmespeicher umfassend, einen Behälter (1 ), ein in dem Behälter (1) vorgesehenes erstes Medium (2) zum Speichern und/oder zum Transport von Wärme, ein in dem Behälter vorgesehenes zweites Medium (3) zum Speichern und/oder zum Transport von Wärme, einen ersten Wärmetauscher (4), der zumindest mit dem ersten Medium (2) in Kontakt steht, sodass bei vorliegen einer Temperaturdifferenz ein Wärmestrom zwischen dem ersten Medium (2) und dem ersten Wärmetauscher (4) erfolgt, einen zweiten Wärmetauscher (5), der zumindest mit dem zweiten Medium (3) in Kontakt steht, sodass bei vorliegen einer Temperaturdifferenz ein Wärmestrom zwischen dem zweiten Medium (3) und dem zweiten Wärmetauscher (5) erfolgt, wobei das erste Medium (2) eine höhere Dichte aufweist als das zweite Medium (3), wobei die beiden Medien (2, 3), also das erste Medium (2) und das zweite Medium (3), zwei ineinander nicht lösbare Stoffe sind, und wobei die beiden Medien (2, 3) direkt aneinander anliegend als Zweiphasensystem im Behälter (1) angeordnet sind.

Description

Wärmespeicher
Die Erfindung betrifft einen Energie- oder Wärmespeicher umfassend einen Behälter,ein in dem Behälter vorgesehenes erstes Medium zum Speichern und/oder zumTransport von Wärme, ein in dem Behälter vorgesehenes zweites Medium zumSpeichern und/oder zum Transport von Wärme, einen ersten Wärmetauscher, derzumindest mit dem ersten Medium in Kontakt steht, sodass bei vorliegen einerTemperaturdifferenz ein Wärmestrom zwischen dem ersten Medium und dem erstenWärmetauscher erfolgt, einen zweiten Wärmetauscher, der zumindest mit dem zweitenMedium in Kontakt steht, sodass bei vorliegen einer Temperaturdifferenz einWärmestrom zwischen dem zweiten Medium und dem zweiten Wärmetauscher erfolgt. Wärmespeicher sind für unterschiedliche Anwendungen bekannt. Beispielsweise sindPufferspeicher für Heizungsanlagen und ähnliche wärmetechnische Anlagen bekannt.Der Begriff Puffer(wärme)speicher stammt insbesondere aus der vorrangigenAnwendung, nämlich der Speicherung von Energie über einen relativ zum Jahr oder zurSaison kurzen Zeitraum. Der Wärmeeintrag in den Wärmespeicher kanngegebenenfalls in Menge und Leistung ebenso unterschiedlich sein wie dieWärmeentnahme aus diesem Speicher.
Diese Pufferspeicher dienen insbesondere dazu, Wärme zu speichern undgegebenenfalls wieder abzugeben, um beispielsweise Wärmeertragsschwankungenoder Wärmebedarfsschwankungen auszugleichen.
Herkömmliche unter dem Namen Pufferspeicher bekannte Wärmespeicher umfasseneinen Behälter, in dem ein Wärmespeichermedium wie beispielsweise Wasservorgesehen ist. Ferner sind in dem Pufferspeicher mehrere Wärmetauschervorgesehen, über die Wärme in das Wärmespeichermedium eingebracht oder aus demWärmespeichermedium entnommen werden kann. Beispielsweise ragen in denBehälter Wärmetauscher, um Wärme von Solarthermie-Paneelen oder vonherkömmlichen Heizkesseln auf das Wärmespeichermedium zu übertragen. Darüberhinaus ragen Wärmetauscher in den Behälter, die zur Wärmeentnahme eingerichtetsind. Beispielsweise sind Wärmetauscher zur Speisung einer Zentralheizungsanlageoder für heißes Brauchwasser vorgesehen.
Gemäß Stand der Technik ist es zur Erhöhung der Wärmekapazität desWärmespeichermediums bekannt, ein Phasenwechselspeichermedium zu verwenden,das insbesondere durch einen Phasenwechsel, also einen Wechsel desAggregatzustandes, gegenüber Wasser im Bereich der Phasenwechseltemperatur einestark erhöhte Wärmekapazität aufweist. Ein Beispiel für einPhasenwechselspeichermedium ist Paraffin. Nachteilig an herkömmlichen Paraffin-Pufferspeichern ist, dass bei einer Entnahme der Wärme durch einen Wärmetauscher,das Paraffin zuerst in jenem Bereich aushärtet, in dem die Wärme entnommen wird -also im Bereich des Wärmetauschers. Dadurch packt festes Paraffin an demWärmetauscher an, was den Wärmeübergang beeinträchtigt und die Effizienz desSystems verschlechtert.
Gemäß Stand der Technik sind Pufferspeicher bekannt, in denen Wasser vorgesehenist, wobei in das Wasser in Kunststofffolien verpackte Beutel mit Paraffin eingebrachtsind. Nachteilig an dieser Konstruktion ist, dass bekanntePhasenwechselspeichermedien wie beispielsweise Paraffin einen hohenWärmeausdehnungskoeffizienten haben, wodurch bei beutelförmig aufgebautenParaffinelementen die Gefahr besteht, dass diese platzen und dadurch die Effizienz des
Systems verringern. Darüber hinaus ist auch durch die ungleichmäßige Verteilung derParaffinbeutel die Effizienz verringert.
Aufgabe der Erfindung ist es nun einen Wärmespeicher zu schaffen, der effizientarbeitet. Insbesondere soll ein Wärmespeicher geschaffen werden, der eine hoheWärmekapazität bei geringer Baugröße aufweist und darüber hinaus eine effiziente undrasche Wärmeentnahme ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale derunabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen Energie- oder Wärmespeicher umfassendeinen Behälter, ein in dem Behälter vorgesehenes erstes Medium zum Speichernund/oder zum Transport von Wärme, ein in dem Behälter vorgesehenes zweitesMedium zum Speichern und/oder zum Transport von Wärme, einen erstenWärmetauscher, der zumindest mit dem ersten Medium in Kontakt steht, sodass beivorliegen einer Temperaturdifferenz ein Wärmestrom zwischen dem ersten Medium unddem ersten Wärmetauscher erfolgt, einen zweiten Wärmetauscher, der zumindest mitdem zweiten Medium in Kontakt steht, sodass bei vorliegen einer Temperaturdifferenzein Wärmestrom zwischen dem zweiten Medium und dem zweiten Wärmetauschererfolgt, wobei das erste Medium eine höhere Dichte aufweist als das zweite Medium, wobei diebeiden Medien, also das erste Medium und das zweite Medium, zwei ineinander nichtlösbare Stoffe sind, und wobei die beiden Medien direkt aneinander anliegend und/oderaufeinander als Zweiphasensystem im Behälter angeordnet sind.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Medium und dem zweitenMedium eine Grenzschicht gebildet ist, und dass bei vorliegen einerTemperaturdifferenz ein Wärmestrom zwischen dem ersten Medium und dem zweitenMedium über die Grenzschicht hinweg erfolgt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass zumindest eines der beiden Medien einPhasenwechselspeichermedium ist, dessen Phasenwechselpunkt imBetriebstemperaturbereich des Wärmespeichers liegt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das erste Medium ein
Phasenwechselspeichermedium ist, dessen Phasenwechselpunkt zwischen flüssigemund festem Aggregatzustand im Betriebstemperaturbereich des Wärmespeichers liegt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das erste Medium Paraffin ist oder enthält.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das zweite Medium im Betriebstemperaturbereich imflüssigen Aggregatzustand vorliegt, oder dass das zweite Medium einPhasenwechselspeichermedium ist, dessen Phasenwechselpunkt zwischen flüssigemund dampfförmigem Aggregatzustand außerhalb des Betriebstemperaturbereichs desWärmespeichers liegt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das zweite Medium einPhasenwechselspeichermedium ist, dessen Phasenwechselpunkt zwischen flüssigemund dampfförmigem Aggregatzustand im Betriebstemperaturbereich desWärmespeichers liegt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das zweite Medium Alkohol ist oder enthält.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher mit einer Wärmequelleverbunden oder verbindbar ist, sodass ein Wärmeeintrag in den Wärmespeicher überden ersten Wärmetauscher erfolgt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher mit einer Wärmesenkeverbunden oder verbindbar ist, sodass eine Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicherüber den zweiten Wärmetauscher erfolgt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher in das erste Mediumund zumindest teilweise auch in das zweite Medium ragt, sodass bei vorliegen einerTemperaturdifferenz ein Wärmestrom vom ersten Wärmetauscher direkt in beideMedien erfolgt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher entfernt von demersten Medium angeordnet ist oder entfernt von dem ersten Medium in das zweiteMedium ragt, sodass keine direkte Berührung zwischen dem zweiten Wärmetauscherund dem ersten Medium gegeben ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher einen von einemWärmetauschermedium durchströmten ersten Wärmetauscherkanal umfasst undinsbesondere als in den Behälter ragender Rohrwärmetauscher ausgebildet ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher eineWärmeabgabestrecke umfasst, entlang derer Wärme von dem ersten Wärmetauscheran die Wärmespeichermedien abgegeben wird, sodass ein den ersten Wärmetauscherdurchströmendes Wärmetauschermedium zuerst einen ersten Wärmetauscherabschnittund dann einen zweiten Wärmetauscherabschnitt durchströmt, und dass der ersteWärmetauscherabschnitt zumindest teilweise in das zweite Medium ragt oder mit demzweiten Medium in Kontakt steht.
Beim dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher ist bevorzugt dasEnergiespeichermedium, also das erste Medium, vom Entnahmewärmetauscher, alsovom zweiten Wäremetauscher, durch eine Energietransferflüssigkeit, also das zweiteMedium, getrennt. Die Wärmeübertragung vom Energiespeichermedium auf dieTransferflüssigkeit findet bevorzugt in einer Medientrennschicht ohne festeWärmetauscherfläche statt, wodurch auf eine feste Wärmetauscherwand in diesemBereich verzichtet werden kann. Stattdessen wird bevorzugt eine mit demPhasenwechselmedium schwer bzw. kaum mischbare Flüssigkeit alsWärmetransfermedium zwischen Phasenwechselmedium und demEntnahmewärmetauscher eingeführt. Das hat zur Folge, dass sich verfestigendePhasenwechselmediumteile absetzen können, ohne dass der Wärmetausch an einerfesten Fläche behindert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind demnach in dem Behälter zumindestzwei Medien vorgesehen. Das erste Medium ist insbesondere dazu eingerichtet undgeeignet Wärme zu speichern. Dieses erste Medium weist bevorzugt eine höhere Wärmekapazität auf als das zweite Medium. Die höhere Wärmekapazität wirdinsbesondere durch den im Betriebsbereich des Wärmespeichers liegendenPhasenwechselpunkt bewirkt. Wärme, kommend von einer Wärmequelle, wiebeispielsweise von einer Solarthermieanlage oder von einem Heizkessel, wird übereinen Wärmetauscher, insbesondere in das erste Medium eingebracht und daringespeichert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das erste Medium und das zweite Medium als ineinander nicht lösbare Medien ausgebildet sind. Als Beispiel für derartige Medien wirddie Medienpaarungen Paraffin und Alkohol, oder ähnliche nicht ineinander lösbareStoffe genannt. Bevorzugt sind die beiden Medien derart im Behälter angeordnet, dasskeine oder nur eine geringe Durchmischung erfolgt. Mögliche Medien/Mediumspaarungen:
Erstes Medium:
Phasenwechselmaterial z.B. Paraffin
Schmelzbereich: 38 - 43°C; (kann je nach Druck variieren)
Dichte fest: 0,85kg/dm3 bei 25°C;
Dichte flüssig: 0,76kg/dm3 bei 80°CZweites Medium: Wärmetransferflüssigkeit z.B. EthanolDampfdruck 58 hPa bei 20°CDichte bei 20°C: flüssig: 0,79kg/dm3Dichte bei 80°: kleiner als 0,76 kg/dm3
Bevorzugter Betriebstemperaturbereich der obengenannten Mediumspaarung: etwa20°C bis 60°C. Beispielhafter Duck in den Medien im Betriebstemperaturbereich: ca.2bar bis 8bar; bevorzugt temperaturabhängig um etwa 6bar.
Der Schmelzbereich des ersten Mediums und der Dampfdruck des zweiten Mediumskönnen je nach Inhaltsstoffen und/oder Druck-Temperatur-Paarung beeinflusst undverändert werden.
Zwischen jeweils zwei Medien ist bevorzugt eine Grenzschicht vorgesehen. In allenAusführungsformen können die Medien, insbesondere das erste Medium und das zweite Medium, direkt aneinander anliegen. Bevorzugt sind keine Wände oderMembrane zwischen den Medien vorgesehen.
Bevorzugt weisen die Medien unterschiedliche Dichten, insbesondere ausreichendstark voneinander abweichende Dichten auf, sodass das eine Medium auf einemweiteren Medium angeordnet werden kann, ohne dass eine selbsttätige, starkeDurchmischung erfolgt. Beispielsweise weist das erste Medium eine höhere Dichte aufals das zweite Medium, wodurch das erste Medium im Behälter unterliegendangeordnet ist und das zweite Medium gegebenenfalls auf dem ersten Mediumschwimmt.
Bevorzugt ist das erste Medium ein Phasenwechselspeichermedium oder einLatentwärmematerial, das im Betriebstemperaturbereich des Wärmespeichers einenPhasenwechselpunkt aufweist.
Als Phasenwechselpunkt wird eine Temperatur-/Druckkombination oder ein Bereich(Schmelzbereich) einer Temperatur-/Druckkombination definiert, bei deren Über- oderUnterschreitung das Medium zumindest teilweise seinen Aggregatzustand ändert.
Bevorzugt erfolgt im Betriebstemperaturbereich des Wärmespeichers bei dem erstenMedium ein Phasenwechsel von fest zu flüssig oder von flüssig zu fest. Als Beispiel fürein derartiges Phasenwechselspeichermedium wird Paraffin genannt, das imBetriebstemperaturbereich des Wärmespeichers im festen und/oder im flüssigenAggregatzustand vorliegen kann. Verwendbare Phasenwechselspeichermedien, wiebeispielsweise Paraffin, können folgende Vorteile aufweisen: chemisch inert, ungiftig,langszeitstabil und/oder hohe Wärmekapazität insbesondere bei derPhasenwechseltemperatur.
Bevorzugt sind die beiden Medien so gewählt, dass im Betriebstemperaturbereich inkeinem der Aggregatzustände eine maßgebliche Durchmischung der beiden Medienauftritt. So kann beispielsweise das erste Medium fest oder flüssig sein, wobei sich daszweite Medium mit dem ersten Medium weder in dessen festem noch in dessenflüssigem Aggregatzustand löst.
Insbesondere ist bevorzugt auch die Dichte des zweiten Mediums derart gewählt, dasssie (im Betriebstemperaturbereich des Wärmespeichers) in jedem Aggregatzustand deszweiten Mediums unterhalb der Dichte des ersten Mediums liegt. Dies bedeutet, daszweite Medium ist bevorzugt leichter als das erste Medium im festen Aggregatzustandund leichter als das erste Medium im flüssigen Aggregatzustand.
Gegebenenfalls ist auch das zweite Medium ein Phasenwechselmedium, das imBetriebstemperaturbereich des Wärmespeichers einen Phasenwechselpunkt aufweist.Gegebenenfalls ist das zweite Medium jedoch ein Medium, das imTemperatureinsatzbereich des Wärmespeichers keinen Phasenwechselpunkt aufweist.Bevorzugt ist das zweite Medium im gesamten Temperatureinsatzbereich desWärmespeichers in einem flüssigen Aggregatzustand oder zu großen Teilen in einemflüssigen Aggregatzustand, sodass der Wärmeübergang zwischen dem zweitenMedium und dem zweiten Wärmetauscher effizient erfolgt. Gegebenenfalls liegt beimzweiten Medium ein Phasenwechselpunkt im Betriebstemperaturbereich desWärmespeichers vor, wobei insbesondere ein Phasenwechsel von flüssig zudampfförmig oder von dampfförmig zu flüssig erfolgt.
Bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Wärmespeicher zumindest einen erstenWärmetauscher. Dieser erste Wärmetauscher ist bevorzugt mit dem ersten Medium inKontakt, sodass ein Wärmestrom zwischen dem ersten Medium und dem erstenWärmetauscher erfolgen kann. Gegebenenfalls ist der erste Wärmetauscher auch inKontakt mit dem zweiten Medium, sodass ein direkter Wärmestrom zwischen demersten Wärmetauscher und dem zweiten Medium erfolgen kann. Der Wärmestrom vomersten Wärmetauscher zum ersten und/oder zweiten Medium erfolgt in dieserAusführungsform insbesondere durch direkten Kontakt zwischen dem erstenWärmetauscher und dem ersten und/oder dem zweiten Medium.
Gegebenenfalls weist der Wärmetauscher einen ersten Wärmetauscherkanal auf, durchden ein Wärmetauschermedium befördert wird oder ist. Dieses Wärmetauschermediumtritt an einer ersten Stelle des ersten Wärmetauschers in den Behälter ein, wird entlangeiner Wärmeabgabestrecke durch den ersten Wärmetauscher und den Behälter geleitetund tritt an einer zweiten Stelle wieder aus.
Gegebenenfalls ist der Wärmetauscher als Rohrwärmetauscher ausgebildet, der einRohr bzw. ein spiralförmig oder mäanderförmig verlaufendes Rohr umfasst. DiesesRohr tritt durch die Behälterwand des Behälters in den Behälter ein, ist in weiterer Folgedurch zumindest eines der Medien geführt, und tritt an einer weiteren Stelle wiederdurch die Behälterwand aus dem Behälter aus. Bevorzugt ist das Rohr des erstenWärmetauschers im Bereich des Eintritts in den Behälter durch das zweite Mediumgeführt, sodass Wärme gegebenenfalls direkt an das zweite Medium abgegeben wird.
In weiterer Folge erstreckt sich der Wärmetauscher, insbesondere das Rohr, durch denBehälter und in das erste Medium. Dabei durchtritt der Wärmetauscher bevorzugt dieGrenzschicht zwischen den beiden Medien. Ferner tritt der Wärmetauscherkanal,insbesondere das Rohr, in einem weiteren Bereich, in dem bevorzugt das erste Mediumvorgesehen ist, wieder aus dem Behälter aus.
Die in den Behälter eingebrachte Wärme wird insbesondere an das erste Mediumabgegeben und dort gespeichert. Die Wärme der Wärmequelle wird indirekt über denersten Wärmetauscher auf das erste Medium und weiter über die Grenzschicht an daszweite Medium übertragen. Ferner kommt es gegebenenfalls auch zu einem direktenEintrag von Wärme des ersten Wärmetauschers in das zweite Medium, insbesondere injenem Bereich, in dem gegebenenfalls ein Teil des ersten Wärmetauschers in daszweite Medium ragt oder mit diesem in Kontakt steht.
Bevorzugt weist das Wärmetauschermedium beim Eintritt in den ersten Wärmetauschereine höhere Temperatur auf als beim Austritt. Dadurch ist gegebenenfalls auch dieOberflächentemperatur des Wärmetauschers in Bereich des Eintritts höher als imBereich des Austritts. Somit weist der erste Wärmetauscher gegebenenfalls einenheißen Bereich und einen kühleren Bereich auf. Insbesondere ist der heiße Bereichderart angeordnet, dass er in das zweite Medium und/oder in das erste Medium ragt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen.Über diesen Wärmetauscher kann Wärme von einer Wärmesenke aus demWärmespeicher entnommen werden. Beispielsweise kann Wärme für heißesBrauchwasser oder für ein Zentralheizungssystem eines Haushaltes entzogen werden.Bevorzugt steht dieser zweite Wärmetauscher in Kontakt mit dem zweiten Medium.
Bevorzugt ist der Wärmetauscher ausschließlich mit dem zweiten Medium und nicht mitdem ersten Medium in Kontakt. Das zweite Medium wirkt in dieser Konfigurationhauptsächlich als Wärmeüberträger und gegebenenfalls nur nachrangig alsWärmespeicher. Durch diese Anordnung wird beispielsweise verhindert, dass daserkaltende, aushärtende erste Medium an den zweiten Wärmetauscher anpackt undsomit die Effizienz verringert.
Gegebenenfalls sind weitere Wärmetauscher vorgesehen, die in Kontakt mit einem,beiden oder im Falle mehrerer Medien mit mehreren Medien in Kontakt stehen. WeitereWärmetauscher können beispielsweise Wärme von einer Solaranlage, einemHeizkessel, einer Wärmepumpe oder ähnlichen Vorrichtungen an eines oder mehrereMedien übertragen. Gegebenenfalls können weitere Wärmetauscher jedoch auchWärmetauscher zur Abfuhr von Wärme sein. Beispielsweise können getrennteWärmetauscher für die Brauchwasserheizung und die Zentralheizung vorgesehen sein.
Alle Wärmetauscher, insbesondere der zweite Wärmetauscher, können ähnlich demersten Wärmetauscher ausgebildet sein und insbesondere einen Wärmetauscherkanalund ein Wärmetauschermedium umfassen. Gegebenenfalls können alleWärmetauscher aller Ausführungsformen, insbesondere der zweite Wärmetauscher, alsRohrwärmetauscher ausgebildet sein.
Gegebenenfalls oder bevorzugt ist eine Ausgleichsvorrichtung vorgesehen. DieseAusgleichsvorrichtung dient insbesondere dem Ausgleich der temperaturabhängigenVolumenausdehnung des oder der Medien. Insbesondere ein Phasenwechselmediumweist einen erhöhten Temperaturausdehnungskoeffizienten auf. Durch dieAusgleichsvorrichtung geschieht beispielsweise eine Beeinflussung des Drucks in demBehälter. Gegebenenfalls kann es von Vorteil sein, wenn bei Erhitzung undWärmeeintrag der Druck im Behälter steigt. Durch eine Erhöhung des Drucksverschieben in der Regel auch die Phasenwechselpunkte eines oder beider Medien.Beispielsweise kann durch eine Erhöhung des Drucks der Siedepunkt des zweitenMediums erhöht werden, womit das zweite Medium auch bei erhöhter Temperatur inflüssiger Form vorliegt oder der Anteil der Dampfphase zumindest verringert ist. DieAusgleichsvorrichtung kann als herkömmliche Ausgleichsvorrichtung ausgebildet sein,die beispielsweise einen mit Gas wie Druckluft gefüllten Ausgleichsbehälter umfasst, der mit dem Behälter in Fluidverbindung steht. Durch die Komprimierbarkeit des in demAusgleichsbehälter angeordneten Gases kann der Druck im Behälter bei Ausdehnungder Medien begrenzt, verringert oder zumindest gedämpft werden.
Die Wärmeübertragung von dem ersten Medium auf das zweite Medium erfolgtbevorzugt durch direkten Kontakt der beiden Medien miteinander. Insbesondere erfolgtder Wärmetransport über eine zwischen den beiden Medien vorgesehene, durch direkteAnlage der beiden Medien gebildete Grenzschicht. Die Wärmeübertragung geschiehtinsbesondere durch direkte Wärmeleitung des einen Mediums auf das andere.Gegebenenfalls erfolgt eine Wärmeübertragung auch über natürliche oder künstlicheKonvektion. Beispielsweise bilden sich in dem ersten Medium, in dem zweiten Mediumund/oder in dem Behälter Transportwalzen aus, entlang derer das oder die Medien eineBewegung erfahren. Diese Transportwalzen können durch natürliche Konvektion, ohnefremde Anregung oder durch künstliche Konvektion, beispielsweise durch einen Rührerentstehen. Gegebenenfalls ist der Behälter derart ausgestaltet, dass eine thermischeBewegung oder Konvektion begünstigt ist.
Gegebenenfalls sind in dem Behälter Leitmittel, wie beispielsweise Leitbleche oderRohre vorgesehen. Diese Leitmittel dienen insbesondere dazu, den Wärmetransport zuverbessern. Bevorzugt wird der Wärmetransport dadurch verbessert, dass eine gezielteSteuerung von Transportwalzen bzw. der konvektiven Bewegungen verbessert wird.
Die Erkaltung und Aushärtung des Phasenwechselmediums, insbesondere des erstenMediums, geschieht an der Grenzschicht, bevorzugt entfernt von festen Komponentenwie Rohren oder Wärmetauschern, sodass der obengenannte nachteilige Effekt desStandes der Technik verringert wird.
Zumindest ein Teil der Wärmeübertragung vom ersten Wärmetauscher auf den zweitenWärmetauscher erfolgt indirekt. Dazu wird Wärme vom ersten Wärmetauscher auf daserste Medium übertragen. Das erste Medium nimmt diese Wärme auf und speichert sie.Durch die direkte Anlage des ersten Mediums am zweiten Medium wird die Wärme vomersten Medium auf das zweite Medium übertragen. Diese Übertragung erfolgtinsbesondere über die Grenzschicht. Im zweiten Medium wird die übertragene Wärme aufgenommen und beispielsweise an den zweiten Wärmetauscher übertragen. Ingewissem Maße wird die Wärme auch im zweiten Medium gespeichert.
Eine Übertragung von Wärme erfolgt, wie in allen Ausführungsformen und auch in denPatentansprüchen angemerkt, physikalisch betrachtet insbesondere dann, wenn einTemperaturunterschied der Wärmeüberträger vorliegt. Die Wärmeübertrager sindbeispielsweise ein Wärmetauscher, ein Wärmetauscherfluid, einWärmetauschermedium, die genannten Medien, insbesondere das erste Medium, daszweite Medium und/oder andere Medien. So wird beispielsweise vom ersten Mediumauf das zweite Medium nur dann Wärme übertragen, wenn ein Temperaturunterschiedbesteht, insbesondere, wenn das erste Medium eine höhere Temperatur aufweist, alsdas zweite Medium. Gegebenenfalls weisen die beiden Wärmeüberträger an ihrenOberflächen, Berührflächen oder Grenzschichten dieselben Temperaturen auf. AlsTemperaturdifferenz wird daher insbesondere eine Temperaturdifferenz der beidenWärmeüberträger bezeichnet, durch die ein Wärmefluss entsteht oder gegeben ist.
Das zweite Medium überträgt Wärme an den zweiten Wärmetauscher. Insbesonderewird durch den zweiten Wärmetauscher Wärme aus dem zweiten Medium entnommen.Dadurch wird gegebenenfalls das zweite Medium gekühlt. Durch die Kühlung deszweiten Mediums kommt es gegebenenfalls zu einer Kühlung der Grenzschicht undinsbesondere zur Kühlung des ersten Mediums.
Geschieht eine Kühlung bis unterhalb des Phasenwechselpunktes des ersten Mediums,so entstehen an der Grenzschicht oder im Bereich der Grenzschicht Bereiche, in denenein Phasenwechsel des ersten Mediums von flüssig zu fest erfolgt. Die festen Teilebzw. Volumenelemente des ersten Mediums weisen bevorzugt eine höhere Dichte aufals das erste Medium in seinem flüssigen Aggregatzustand. Dadurch sinken die festenVolumenteile bevorzugt Richtung Boden des Behälters. In diesem tieferliegendenBereich des ersten Mediums liegt bei Entnahme von Wärme gegebenenfalls einehöhere Temperatur vor als im Bereich der Grenzschicht, womit die erstarrtenVolumenteile wieder aufgeschmolzen werden. Der Wärmefluss zwischen den beidenMedien erfolgt über den Kontakt der beiden Medien, wobei zumindest das zweiteMedium bevorzugt einen flüssigen Aggregatzustand aufweist. Bevorzugt weist auch daserste Medium zumindest teilweise einen flüssigen Aggregatzustand auf. Durch diese
Anordnung wird vermieden, dass erstarrte Teile des ersten Mediums an Komponentenzur Wärmeentnahme anpacken und den Wärmeübergang verschlechtern.
Gegebenenfalls steht der erste Wärmetauscher sowohl mit dem ersten Medium alsauch mit dem zweiten Medium in Kontakt. Gegebenenfalls ragt der ersteWärmetauscher durch die Grenzschicht von dem ersten Medium in das zweite Medium.Somit ist die Grenzschicht gegebenenfalls nicht komplett frei von festen Komponenten.Es kann Vorkommen, dass erstarrendes erstes Medium an diesem erstenWärmetauscher anpackt. Jedoch ist der erste Wärmetauscher insbesondere zumEnergieeintrag eingerichtet, womit in der Regel die Temperatur an oder im Bereich desersten Wärmetauschers höher ist, als die Temperatur der Medien.
In allen Ausführungsformen stehen die beiden Medien bevorzugt in direktem Kontaktzueinander. Gegebenenfalls sind mehr als zwei Medien vorgesehen. Als Medium wirdin diesem Zusammenhang ein Stoff zur Wärmespeicherung bzw. zur Wärmeübertragung bezeichnet. Insbesondere eignen sich dazu jene Stoffe, diezumindest in einem Teilbereich des Einsatztemperaturbereichs des Wärmespeichers inflüssiger Form vorliegen. Der Betriebstemperaturbereich des Wärmespeichers kannbeispielsweise zwischen - 10°C und 150°C liegen. Bevorzugt liegt derBetriebstemperaturbereich des Wärmespeichers zwischen 1°C und 100°C. Besondersbevorzugt liegt der Betriebstemperaturbereich zwischen etwa 5°C und 85°C. Für dieAnwendung als Pufferspeicher in einer Haus-Heizungsanlage liegt derBetriebstemperaturbereich beispielsweise zwischen 5°C und 85°C, wobei beiherkömmlichem Betrieb ein Betriebstemperaturbereich zwischen 20°C und 85°Cund/oder zwischen 30°C und 60°C bevorzugt sind. Für die Anwendung alsPufferspeicher einer Haus-Heizungsanlage ist der Betriebstemperaturbereichinsbesondere durch die Phasenübergangspunkte des zu erwärmenden Wassersbegrenzt. So sollten in Rohrleitungssystemen Temperaturen von 85°C nichtüberschritten und Temperaturen von 5°C nicht unterschritten werden.
Bevorzugte Druckbereiche des oder der Medien zum Speichern und/oder zumTransport von Wärme können zwischen 1bar(Umgebungsdruck und beispielsweise10bar liegen. Besonders bevorzugt sind Drücke zwischen 3 und 8bar, oder um 6bar.Durch Erhöhung des Drucks können die Phasenwechselpunkte der Medien oder des
Mediums verschoben werden. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, durch Erhöhungdes Drucks im Behälter, insbesondere auf beispielsweise etwa 2-8 bar, dieSiedetemperatur des zweiten Mediums zu erhöhen. Der Druck der Medien im Behälterkann vom Druck des Wärmetauschermediums abweichen.
Bevorzugt ist der Behälter als geschlossener Behälter ausgebildet. Gegebenenfalls istdie Behälterwand starr. Gegebenenfalls steht mit dem Behälter eineAusgleichsvorrichtung in Fluidverbindung. Insgesamt ist der Energiespeicher jedochbevorzugt als im Wesentlichen geschlossenes System, bevorzugt umfassend einengeschlossenen Behälter und eine geschlossene Ausgleichsvorrichtung ausgebildet. Indieses geschlossene System ragen bevorzugt ein oder mehrere Wärmetauscher. DieWärmetauscher umfassen bevorzugt Wärmetauscherkanäle, durch die ein odermehrere Wärmetauschermedien zur Entnahme oder Einbringung von Wärmeenergiehindurchgeführt sein können. Der Behälter weist beispielsweise eine Tonnenform, eineZylinderform oder eine Quaderform auf.
In allen Ausführungsformen kann der zweite Wärmetauscher derart angeordnet sein,dass er innerhalb des Behälters vollständig von dem zweiten Medium umgeben ist. Daszweite Medium wirkt insbesondere als Transfermedium oder als Transferflüssigkeit. Daszweite Medium nimmt Wärme aus dem ersten Medium auf und kühlt dieses dadurch ab.Das abgekühlte erste Medium kann daraufhin, sogar wenn es fest wird, feste Elementeenthält oder teilweise verfestigt ist, problemlos absinken. Nachströmende, noch warme,nicht fest gewordene Teile des ersten Mediums können aufsteigen, insbesondere umWärme an das zweite Medium zu übertragen.
In allen Ausführungsformen kann zumindest einer oder zumindest zwei Wärmetauschervorgesehen sein. Die Wärmetauscher sind bevorzugt metallische Wärmetauscher. Dererste Wärmetauscher, der insbesondere als Ladewärmetauscher ausgebildet ist,befindet sich im Bereich des ersten Mediums. Der zweite Wärmetauscher, derinsbesondere als Entladewärmetauscher ausgebildet ist, befindet sich im Bereich deszweiten Mediums.
In allen Ausführungsformen können beide Wärmetauscher, der erste Wärmetauscherund der zweite Wärmetauscher mit Strömungsleiteinrichtungen versehen sein, welche einen gewünschten Thermikstrom, insbesondere eine gewünschte Konvektioneinstellen.
In allen Ausführungsbeispielen kann Wärme über den Ladewärmetauscher in das ersteMedium, das insbesondere ein Phasenwechselmedium wie beispielsweise Paraffin ist,eingebracht werden. Das erste Medium wird dadurch geschmolzen und aufgeheizt undinsbesondere mit Wärme beladen.
In allen Ausführungsbeispielen kann das erste Medium (z.B. Energiespeichermedium)vom zweiten Wärmetauscher (z.B. Entladewärmetauscher) durch das zweiteMedium(z.B. Transferflüssigkeit) getrennt sein. Die Wärmeübertragung vom erstenMedium auf das zweite Medium findet bevorzugt in der Grenzschicht, insbesondere inder Medien-Trennschicht statt, wobei zur Wärmeübertragung vom ersten Medium aufdas zweite Medium keine feste Wärmetauscherfläche vorgesehen ist.
In allen Ausführungsformen kann das zweite Medium eine wesentlich geringere Dichteals das erste Medium aufweisen, sodass das zweite Medium unabhängig vomAggregatzustand des ersten Mediums stets im oberen Teil des Behälters vorgesehenoder angeordnet ist.
In allen Ausführungsformen befindet sich zwischen den Medien, insbesondere zwischendem ersten Medium und dem zweiten Medium eine im Wesentlichen waagrechtverlaufende Grenzschicht. Gegebenenfalls kann diese Grenzschicht durch Konvektion,insbesondere natürlich oder künstliche Konvektion von einer ebenen Form abweichen.Jedoch verläuft die Grenzschicht, auch wenn diese durch Verwirbelungen oderEinschlüsse eine gewisse Rauigkeit aufweist, im Wesentlichen waagrecht.
In allen Ausführungsformen kann beim Entladen des Speichers, also bei dem Entziehenvon Wärme aus dem zweiten Medium das zweite Medium abgekühlt werden.Abgekühlte Teilvolumenbereiche sinken durch Dichteänderungen in dem zweitenMedium nach unten, wodurch nachströmendes, wärmeres zweites Medium in denoberen Bereich des zweiten Mediums nachströmen kann. Bevorzugt ist in allenAusführungsformen der zweite Wärmetauscher im oberen Bereich des zweitenMediums vorgesehen.
In allen Ausführungsformen kann ein Rührwerk bzw. ein Rührer vorgesehen sein, derinsbesondere dazu geeignet oder eingerichtet ist, verfestigtes erstes Medium zuzerkleinern oder aufzulockern.
In allen Ausführungsformen kann das zweite Medium schwimmend oder aufliegend aufdem ersten Medium angeordnet sein, wobei sich diese Konfiguration selbsttätigt durchDichteunterschiede einstellt. Darüber hinaus liegen die beiden Medien bevorzugt alsZweiphasensystem vor, wobei eine Phase durch das erste Medium und eine zweitePhase durch das zweite Medium gebildet ist. Zwischen den Phasen verläuft dieGrenzschicht, sodass die beiden Medien im Wesentlichen waagrecht aufeinandergestapelt im Behälter angeordnet sind.
In weiterer Folge wird die Erfindung anhand der Figur weiter beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmespeichersumfassend einen Behälter 1.
Falls nicht anders angegeben, können gegebenenfalls folgende Merkmale vorgesehensein: Behälter 1, erstes Medium 2, zweites Medium 3, erster Wärmetauscher 4, zweiterWärmetauscher 5, Grenzschicht 6, Wärmequelle 7, Wärmesenke 8,Wärmeabgabestrecke 9, erster Wärmetauscherabschnitt 10, zweiterWärmetauscherabschnitt 11, Wärmeeintragsmedium 12, Wärmetauscherkanal 13,Wärmeisolierung 14, Ausgleichsvorrichtung 15
Der Behälter kann als herkömmlicher Pufferspeicherbehälter ausgebildet sein.Beispielsweise umfasst der Behälter eine Wand, die beispielsweise aus Metall oderKunststoff besteht bzw. Metall oder Kunststoff enthält. Insbesondere ist, wie beiherkömmlichen Pufferspeichern, auf die Korrosionsbeständigkeit des Behälters zuachten. In der Behälterwand sind bevorzugt mehrere, bevorzugt verschließbareÖffnungen vorgesehen. Durch diese Öffnungen können beispielsweise Wärmetauscher4, 5 bzw. ein oder mehrere Wärmetauscherkanäle 13 in den Innenraum des Behältersgeführt sein.
Bevorzugt umfasst der Behälter 1 eine Wärmeisolierung 14. Diese kann beispielsweisedurch eine außenliegende Schaumstoffverkleidung des Behälters gebildet sein.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der erste Wärmetauscher alsRohrwärmetauscher ausgebildet. Das Rohr tritt im Bereich der Grenzschicht 6 und/oderentfernt von der Grenzschicht in den Behälter 1 ein. Ferner erstreckt sich das Rohrbevorzugt von dem Bereich der Grenzschicht 6 in den unteren Bereich, um in einementfernt von der Grenzschicht liegenden Bereich, insbesondere in einem unterhalb derGrenzschicht liegenden Bereich, wieder auszutreten. Bevorzugt tritt das Rohr oberhalbder Grenzschicht 6 ein in den Behälter ein, womit es zumindest teilweise durch daszweite Medium geführt ist. Gegebenenfalls oder alternativ tritt das Rohr unterhalb derGrenzschicht 6 in den Behälter ein, sodass es entfernt von dem zweiten Medium 3 indas erste Medium 2 geführt ist. Gegebenenfalls ist ein Mittenbereich des Rohres oderdes ersten Wärmetauschers 4 durch die Grenzschicht in das zweite Medium 3 geführt.Gegebenenfalls liegt der gesamte erste Wärmtauscher 4 entfernt von dem zweitenMedium 3.
Gegebenenfalls ist der zweite Wärmetauscher 5 als Rohrwärmetauscher ausgebildet.Das Rohr ist durch die Wand des Behälters 1 in dessen Innenraum geführt. Bevorzugtist das Rohr im Bereich der Grenzschicht 6 in das zweite Medium 3 geführt. Bevorzugtist der gesamte zweite Wärmetauscher 5 beabstandet von dem ersten Medium 2angeordnet.
Ferner umfasst die vorliegende Ausführungsform des Wärmespeichers bevorzugt eineAusgleichsvorrichtung 15. Diese Ausgleichsvorrichtung kann beispielsweise alsherkömmliches Ausdehnungsgefäß ausgebildet sein. Das Ausdehnungsgefäß bzw. dieAusgleichsvorrichtung kann innerhalb des Behälters, außerhalb des Behälters oderüberscheidend ausgebildet sein, sodass sie teilweise innerhalb und teilweise außerhalbdes Behälters liegt.

Claims (13)

  1. Patentansprüche 1. Wärmespeicher umfassend:einen Behälter (1), ein in dem Behälter (1) vorgesehenes erstes Medium (2) zum Speichernund/oder zum Transport von Wärme, ein in dem Behälter vorgesehenes zweites Medium (3) zum Speichern und/oderzum Transport von Wärme, einen ersten Wärmetauscher (4), der zumindest mit dem ersten Medium (2) inKontakt steht, sodass bei vorliegen einer Temperaturdifferenz ein Wärmestromzwischen dem ersten Medium (2) und dem ersten Wärmetauscher (4) erfolgt,einen zweiten Wärmetauscher (5), der zumindest mit dem zweiten Medium (3) inKontakt steht, sodass bei vorliegen einer Temperaturdifferenz ein Wärmestromzwischen dem zweiten Medium (3) und dem zweiten Wärmetauscher (5) erfolgt,dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium (2) eine höhere Dichte aufweist als das zweiteMedium (3), dass die beiden Medien (2, 3), also das erste Medium (2) und das zweiteMedium (3), zwei ineinander nicht lösbare Stoffe sind,und dass die beiden Medien (2, 3) direkt aneinander anliegend alsZweiphasensystem im Behälter (1) angeordnet sind.
  2. 2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen demersten Medium (2) und dem zweiten Medium (3) eine Grenzschicht (6) gebildetist, und dass bei vorliegen einer Temperaturdifferenz ein Wärmestrom zwischendem ersten Medium (2) und dem zweiten Medium (3) über die Grenzschicht (6)hinweg erfolgt.
  3. 3. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass zumindest eines der beiden Medien (2, 3) einPhasenwechselspeichermedium ist, dessen Phasenwechselpunkt imBetriebstemperaturbereich des Wärmespeichers liegt.
  4. 4. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass das erste Medium (2) ein Phasenwechselspeichermedium ist, dessenPhasenwechselpunkt zwischen flüssigem und festem Aggregatzustand imBetriebstemperaturbereich des Wärmespeichers liegt.
  5. 5. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass das erste Medium (3) Paraffin ist oder enthält.
  6. 6. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass das zweite Medium (3) im Betriebstemperaturbereich im flüssigenAggregatzustand vorliegt.
  7. 7. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,dass das zweite Medium (3) Alkohol wie Ethanol ist oder enthält.
  8. 8. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass der erste Wärmetauscher (4) mit einer Wärmequelle (7) verbunden oderverbindbar ist, sodass ein Wärmeeintrag in den Wärmespeicher über den erstenWärmetauscher (4) erfolgt.
  9. 9. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass der zweite Wärmetauscher (5) mit einer Wärmesenke (8) verbunden oderverbindbar ist, sodass eine Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicher über denzweiten Wärmetauscher (5) erfolgt.
  10. 10. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,dass der erste Wärmetauscher (4) in das erste Medium (2) und zumindestteilweise auch in das zweite Medium (3) ragt, sodass bei vorliegen einerTemperaturdifferenz ein Wärmestrom vom ersten Wärmetauscher (4) direkt inbeide Medien (2,3) erfolgt.
  11. 11. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass der zweite Wärmetauscher (5) entfernt von dem ersten Medium (2)angeordnet ist oder entfernt von dem ersten Medium (2) in das zweite Medium (3) ragt, sodass keine direkte Berührung zwischen dem zweiten Wärmetauscher (5) und dem ersten Medium (2) gegeben ist.
  12. 12. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,dass der erste Wärmetauscher einen von einem Wärmetauschermedium (12)durchströmten ersten Wärmetauscherkanai (13) umfasst und insbesondere als inden Behälter (1) ragender Rohrwärmetauscher ausgebildet ist.
  13. 13. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,dass der erste Wärmetauscher (4) eine Wärmeabgabestrecke (9) umfasst,entlang derer Wärme von dem ersten Wärmetauscher (4) an dieWärmespeichermedien (2, 3) abgegeben wird, sodass ein den erstenWärmetauscher durchströmendes Wärmetauschermedium (12) zuerst einenersten Wärmetauscherabschnitt (10) und dann einen zweitenWärmetauscherabschnitt (11) durchströmt, und dass der ersteWärmetauscherabschnitt (10) zumindest teilweise in das zweite Medium (3) ragtoder mit dem zweiten Medium in Kontakt steht.
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