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Die
Erfindung betrifft einen Wärmespeicher mit
einer Wärmespeicherstruktur.
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Es
sind Wärmespeicher
bekannt, die ein Gehäuse
aufweisen, das mit einem wärmespeichernden Material,
insbesondere keramischen Material, gefüllt sind. Zum Laden des Wärmespeichers
wird ein heißer
Mediumstrom durch das Material geleitet, sodass sich dieses aufheizt.
Zum Entladen wird ein kalter Mediumstrom durch das heiße Material
geleitet, wodurch sich der Mediumstrom aufheizt und als heißer Mediumstrom
zur Verfügung
steht. Als keramisches Material werden insbesondere keramische Wabensteine
eingesetzt. Es sind auch Schüttkörper und/oder
Platten einsetzbar. Diese weisen eine Vielzahl von Durchströmungskanälen für das Medium auf.
Das Einbringen von Wärme
und die Entnahme von Wärme
erfolgen in Abhängigkeit
der Energieströme
bei der Be- und Entladung, wobei diese Energieströme unterschiedlich
groß sein
können.
Hierdurch kann es lokal zu Temperaturerhöhungen in der Wärmespeicherstruktur
des Wärmespeichers
kommen. Beim Einbringen von Wärme
in das wärmespeichernde
Material stellt sich ein Wärmeprofil
ein, das heißt die
höchste
Temperatur weist das wärmespeichernde
Material eingangsseitig auf. Die Temperatur des wärmespeichernden
Materials nimmt in Richtung auf den Ausgang des Speichers ab. Entsprechendes
gilt für
die Temperaturverteilung beim Entnehmen von Wärme. Ruht der Speicher, wird
also keine Wärmeenergie
eingetragen oder entnommen, so vergleichmäßigt sich die Temperatur über das
Volumen der Wärmespeicherstruktur
von der warmen zur kalten Seite hin.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher mit einer Wärmespeicherstruktur
zu schaffen, bei dem ein gewünschter
insbesondere horizontaler und/oder vertikaler Temperaturverteilungszustand
auch bei längeren
Ruhepausen beibehalten wird. Insbesondere wird ein reproduzierbarer
Zustand beibehalten, sodass eine optimale Betriebsführung mit
hohem Wirkungsgrad möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Wärmespeicherstruktur
des Wärmespeichers
mindestens zwei Speicherelemente aufweist, die zum Laden von einem
Medium durchströmt
werden und dabei jeweils durch Temperaturschichtung ein „heißes Ende" und ein „kaltes
Ende" ausbilden,
wobei eine Mediumspüleinrichtung
vorgesehen ist, die in einem Spülbetrieb
des Wärmespeichers
mindestens einen kalten Mediumspülstrom
erzeugt und in das kalte Ende von mindestens einem der Speicherelemente
einleitet, wobei der dadurch aus dem heißen Ende des genannten Speicherelements
austretende, heiße
Mediumspülstrom über mindestens
einen Spülleitweg
in das im geladenen Zustand heiße
Ende des mindestens einen anderen Speicherelements eintritt. Mittels
des Mediumspülstromes,
der insbesondere im Ruhezustand des Wärmespeichers von der Mediumspüleinrichtung
erzeugt wird, wird also das kalte Ende des mindestens einen Speicherelements
beaufschlagt. Der Spülmediumstrom
durchsetzt das Speicherelement in entgegengesetzter Richtung zum
Mediumladestrom. Der Mediumladestrom hat beim Durchströmen des
Speicherelements ein Wärmeprofil
erzeugt, das heißt,
in der Eintrittszone ist das Speicherelement heißer als in der Austrittszone.
Dadurch ergibt sich eine Temperaturschichtung, ausgehend vom heißen Ende
zum kalten Ende, wobei letzteres das Austrittsende des Speicherelements
für den
Mediumladestrom darstellt. Wird nun der Mediumspülstrom, der relativ zum Mediumladestrom
eine niedrigere Temperatur aufweist, also „kalt" ist, in das kalte Ende des geladenen Speicherelements
eingeleitet, so erwärmt
sich der Mediumspülstrom
beim Durchsetzen des Speicherelements und tritt als heißer Mediumspülstrom aus dem
heißen
Ende des erwähnten
Speicherelements aus. Dieser heiße Mediumspülstrom wird nun über den
mindestens einen Spülleitweg
in das im geladenen Zustand heiße
Ende des mindestens einen anderen Speicherelements eingeleitet.
Das heiße
Ende dieses anderen Speicherelements ist das Ende, das beim üblichen
Laden mit einem heißen
Mediumladestrom beaufschlagt wird. Der Zustand „heißes Ende" liegt bei dem anderen Speicherelement
nur dann vor, wenn eine entsprechende Aufladung erfolgt ist. Deshalb
wurde die Formulierung „im
geladenen Zustand heißes
Ende" gewählt, was
also nicht bedeutet, dass beim Einleiten des heißen Mediumspülstroms
in das (heiße)
Ende des anderen Speicherelements ein geladenes Speicherelement
vorliegen muss, also ein heißes
Ende mit hoher Temperatur vorliegen muss. Es kann sich hierbei deshalb
auch um ein ungeladenes oder teilgeladenes anderes Speicherelement handeln,
also ein Speicherelement, das noch kein oder ein entsprechend ausgeprägtes Temperaturprofil
aufweist. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass auch das andere
Speicherelement einen geladenen oder zumindest teilgeladenen Zustand
aufweist, dass also der aus dem einen Speicherelement austretende
heiße
Mediumspülstrom
auf das heiße Ende
des anderen Speicherelements trifft. Aufgrund dieses Vorgehens bleibt
die vorhandene, durch den Ladevorgang erzeugte Temperaturschichtung
in einem ersten Speicherelement vorhanden, da das kalte Ende durch
den kalten Mediumspülstrom „gekühlt" wird und der aus
dem heißen
Ende austretende heiße
Mediumspülstrom
dem heißen
Ende des anderen, zweiten Spei cherelements zugeführt wird. Demgemäß sorgt
der heiße
Mediumspülstrom
in dem zweiten Speicherelement ebenfalls für eine Beibehaltung seines
Temperaturprofils, also seiner Temperaturschichtung, da sich der
heiße
Mediumspülstrom
im Zuge des Durchsetzens des anderen Speicherelements abkühlt, sodass
das andere Speicherelement eintrittsseitig eine höhere Temperatur
als austrittsseitig in Bezug auf die Durchströmungsrichtung des Mediumspülstroms
aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass bei einer längeren Stillstandszeit
diese Spülung
mit dem Mediumspülstrom
wiederholt wird, wobei dann vorzugsweise das kalte Ende des anderen,
zweiten Speicherelements mit einem kalten Mediumspülstrom beaufschlagt
wird, der aus dem heißen
Ende des zweiten Speicherelements austritt und dem heißen Ende
des einen, ersten Speicherelements zugeleitet wird. Diese Vorgänge können wiederholt
werden. Mithin erfolgt hierdurch ein Hin- und Herpendeln der mittels
des jeweiligen Mediumspülstroms
transportierten Energie unter Beibehaltung der Temperaturschichtungen
der mindestens beiden Speicherelemente. Eine Vergleichmäßigung der Temperaturen
der Speicherelemente ist damit verhindert, sodass reproduzierbare
Verhältnisse
vorliegen und für
das Laden und Entladen jeweils im Wesentlichen gleichbleibende Temperaturen
zur Verfügung gestellt
werden, das heißt,
die Austrittstemperatur des Ladestroms aus dem kalten Ende des mindestens
einen, ersten Speicherelements ist stets in etwa gleichbleibend
und die Entnahmetemperatur beim Entladen des mindestens einen, ersten
Speicherelements ist ebenfalls reproduzierbar, sodass nachgeschaltete
Wärmenutzungsprozesse
mit optimalem Wirkungsgrad geführt
werden können.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die heißen Enden
obere Enden und die kalten Enden untere Enden der Speicherelemente
bilden. Die Speicherelemente weisen demgemäß eine Vertikalerstreckung
auf, wobei in die oberen Enden der Mediumladestrom eingeleitet wird,
der aus den unteren Enden wieder austritt. Der kalte Mediumspülstrom tritt
in das untere Ende mindestens eines Speicherelements ein. Der dadurch
erzeugte heiße
Mediumspülstrom
tritt aus dem oberen Ende dieses Speicherelements aus und wird in
das obere Ende mindestens eines weiteren Speicherelements eingeleitet
und tritt als kalter Mediumspülstrom
aus dem unteren Ende des letztgenannten Speicherelementes wieder
aus.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der die mindestens
zwei Speicherelement an ihren heißen Enden verbindende Spülleitweg
als oberhalb der Speicherelemente angeordnete, sich über diese
zumindest teilweise erstreckende, gemeinsame Verbindungskammer ausgebildet
ist. Mithin sind die Speicherelemente an ihren heißen Enden über die
gemeinsame Verbindungskammer kommunizierend miteinander verbunden,
sodass der heiße
Mediumspülstrom
aus mindestens einem Speicherelement in mindestens ein anderes Speicherelement,
und zwar in dessen heißes
Ende, eintreten kann.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn oberhalb jedes der Speicherelemente mindestens
eine erste Mediumöffnung
liegt. Insbesondere ist vorgesehen, dass die ersten Mediumöffnungen
im Ladebetrieb des Wärmetauschers
erste Wärmeeinbringöffnungen und
im Entladebetrieb des Wärmespeichers
erste Wärmeaustragsöffnungen
bilden. Die Verbindungskammer weist bevorzugt die ersten Mediumöffnungen
auf. Demzufolge kann der Mediumladestrom über die jedem Speicherelement
zugeordnete erste Mediumöffnung
dem entsprechen den Speicherelement von oben her zugeführt werden,
wobei der Mediumladestrom aus der eine erste Wärmeeinbringöffnung bildenden ersten Mediumöffnung nach
unten gerichtet austritt, die Verbindungskammer im Wesentlichen
vertikal durchsetzt und auf das obere Ende des erwähnten, zugeordneten
Speicherelements tritt. Beim Entladebetrieb des Wärmespeichers
wird ein kalter Mediumstrom dem unteren Ende des betrachteten Speicherelements
zugeführt.
Er durchströmt – nach oben
hin – das
Speicherelement und erwärmt
sich dabei. Er tritt als heißer
Mediumentladestrom aus dem oberen, heißen Ende des Speicherelements
aus und durchströmt
vertikal die Verbindungskammer und gelangt dann zur ersten Mediumöffnung,
die – in
diesem Betriebsfall – eine
erste Wärmeaustragsöffnung bildet
und strömt
von dort über
ein Kanalsystem zu einer Wärmeverwertungsstelle.
Im bereits erläuterteren
Spülbetrieb
strömt
ein kalter Mediumspülstrom
in das kalte, untere Ende mindestens eines geladenen Speicherelements
ein und tritt aus dem oberen, heißen Ende dieses Speicherelements
aus. Nunmehr wird der heiße
Mediumspülstrom
in der Verbindungskammer umgelenkt, derart, dass er zum Beispiel
im Zuge einer 180°-Umlenkung
dem heißen
Ende mindestens eines anderen Speicherelements zugeführt wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der
ersten Mediumöffnungen ein
erstes Absperr-/Querschnittsverstellelement – in Strömungsrichtung des Mediums beim
Ladebetrieb gesehen – vorgelagert
ist. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die ersten Absperr-/Querschnittsverstellelemente – in Strömungsrichtung
des Mediums beim Ladebetrieb gesehen – der Verbindungskammer vorgelagert
sind. Durch Schließen
eines ersten Absperr-/Querschnittsverstellelements
wird im Ladebetrieb diesem Speicherelement kein oder über ein
anderes Absperr- /Querschnittsverstellelement
und die Verbindungskammer nur noch ein sehr kleiner Mediumladestrom
zugeführt.
Je nachdem, ob die ersten Absperr-/Querschnittsverstellelemente
entsprechender Speicherelemente geöffnet oder geschlossen sind,
erfolgt ein Laden oder Nichtladen des zugehörigen Speicherelements. Demgemäß kann der
Ladevorgang durch gezieltes Zuführen
des Mediumladestroms zu gewünschten
Speicherelementen gesteuert oder geregelt werden. Ein geschlossenes
Absperr-/Querschnittsverstellelement eines Speicherelements führt im Spülbetrieb
dazu, dass der aus dem zugehörigen
Speicherelement austretende heiße Mediumspülstrom nicht
einem externen Wärmeverbraucher
zugeführt
wird, sondern über
die Verbindungskammer umgelenkt und mindestens einem anderen Speicherelement
zugeführt
wird. Unabhängig von
der Betriebsart führt
der Grad des Absperrens oder des Öffnens eines Absperr-/Querschnittsverstellelements
stets dazu, dass der zugehörige
Mediumstrom in seinem Volumenstrom einstellbar ist.
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Die
ersten Absperr-/Querschnittsverstellelemente können bevorzugt als erste Klappen
ausgebildet werden. Die Ausbildung als Klappen stellt eine robuste
und einfache Lösung
dar.
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Unterhalb
jedes der Speicherelemente ist mindestens eine zweite Mediumöffnung vorgesehen.
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Die
zweiten Mediumöffnungen
bilden im Ladebetrieb des Wärmespeichers
Mediumrückführöffnungen
für den
im Kreislauf geführten
Mediumladestrom. Im Entladebetrieb des Wärmespeichers bilden die zweiten
Mediumöffnungen
Mediumzuführöffnungen.
Im Ladebetrieb durchsetzt der Mediumladestrom oder mindestens ein
Anteil davon mindestens ein Speicherelement und tritt aus dem unteren, kalten Ende
des Speicherelements aus und gelangt zur zugehörigen zweiten Mediumöffnung.
Von dort wird der nunmehr kalte Mediumladestrom zu einer Wärmequelle
zurückgeführt, um
dort wieder erhitzt zu werden, sodass er als heißer Mediumladestrom wieder zum
Wärmespeicher
geführt
werden kann. Demzufolge liegt ein Mediumkreislauf vor. Natürlich ist
die Funktion des Wärmespeichers
auch bei einem Ausführungsbeispiel
denkbar, bei dem kein geschlossener Kreislauf vorliegt. Im Falle
des Entladens tritt ein heißer
Mediumentladestrom aus dem oberen, heißen Ende des betrachteten Speicherelements
aus und wird einem Wärmeverbraucher
zugeführt.
Der Wärmeverbraucher
kühlt den
Mediumentladestrom ab. Dieser wird anschließend zum Wärmespeicher zurückgeführt, indem
er durch die zweite Mediumöffnung,
also die Mediumzuführöffnung in
das untere, kalte Ende des zugehörigen
Speicherelements eintritt und das Speicherelement nach oben hin
durchsetzt, wodurch er sich erhitzt und als heißer Mediumentladestrom wieder
dem Wärmeverbraucher
zugeführt
werden kann. Auch in diesem Falle ist ein Mediumkreislauf ausgebildet.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass jedes der mindestens
zwei Speicherelemente mit seinem kalten Ende an eine Einzelkammer
angrenzt, wobei die Einzelkammern unterhalb der Speicherelemente
angeordnet sind. Die jeweilige Einzelkammer stellt sicher, dass
das Medium den gesamten Querschnitt des jeweils zugeordneten Speicherelements
bestromen kann. Die jeweilige Einzelkammer stellt demzufolge eine
Mediumverteilkammer dar, sowohl für den Ladebetrieb und den Entladebetrieb
als auch für
den Spülbetrieb.
In ähnlicher
Weise wirkt auch der jeweils oberhalb eines Speicherelements liegende
Bereich der Verbindungskammer.
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Vorzugsweise
ist jeder der zweiten Medienöffnungen
ein zweites Absperr-/Querschnittsverstellelement – in Strömungsrichtung
des Mediums beim Entladebetrieb gesehen – vorgelagert. Insbesondere ist
vorgesehen, dass die zweiten Absperr-/Querschnittsverstellelemente – in Strömungsrichtung
des Mediums beim Entladebetrieb gesehen – den Einzelkammern vorgelagert
sind.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zugehörige Mediumladestrom beziehungsweise
Mediumentladestrom seitlich aus den Einzelkammern austritt beziehungsweise
seitlich in die Einzelkammern eintritt. Vorzugsweise weisen die
Einzelkammern die zweiten Mediumöffnungen auf.
Diese sind an den Seiten der Einzelkammern ausgebildet. Die Einzelkammern
weisen bevorzugt Wandungen auf, denen die zweite Absperr-/Querschnittsverstellelemente
zugeordnet sind. Vorzugsweise erfolgt eine Anströmung beziehungsweise Abströmung des
Mediums seitlich in die Einzelkammern hinein beziehungsweise seitlich
aus den Einzelkammern heraus.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung sind die Speicherelemente in Speicherkammern
eines Gehäuses
eines Wärmespeichers
angeordnet. Bevorzugt sind die Speicherkammern benachbart zueinander
ausgebildet und mittels mindestens einer gemeinsamen Trennwand voneinander
getrennt. Bei der Trennwand handelt es sich bevorzugt um eine Vertikalwand.
Auch die Einzelkammern liegen bevorzugt benachbart zueinander und
werden mittels einer gemeinsamen Abtrennwand voneinander getrennt.
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Als
Medium wird bevorzugt Gas, insbesondere Luft eingesetzt.
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Die
Speicherelemente weisen bevorzugt keramisches Material auf, was
ein hohes Wärmespeichervermögen garantiert.
Insbesondere sind die Speicherelemente aus Einzelelementen zusammengesetzt.
Als Einzelelemente können
zum Beispiel Sattelkörper
und/oder Kugeln als Schüttgut
eingesetzt werden.
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Zusätzlich oder
alternativ können
die Einzelelemente bevorzugt als Wabensteine ausgebildet sein. Die
Wabensteine weisen Mediumdurchströmungskanäle auf, sodass sehr große Wärmetauschflächen bei
niedrigen Strömungsverlusten
zur Verfügung
stehen.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Speichern von Wärme in einem
Speicherelemente aufweisenden Wärmespeicher,
insbesondere in einem Wärmespeicher
wie vorstehend beschrieben, mit den Schritten: Einleiten eines heißen Mediums
in mindestens ein Speicherelement zum Laden und Ausbilden eines
heißen
und eines kalten Endes aufgrund von Temperaturschichtung im Speicherelement,
Einleiten mindestens eines kalten Mediumspülstroms in das kalte Ende des
Speicherelements und Einleiten des dadurch aus dem heißen Ende
des Speicherelements austretenden heißen Mediumspülstroms
in ein im geladenen Zustand heißes
Ende mindestens eines weiteren Speicherelements.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass das Einleiten des mindestens einen kalten Mediumspülstroms – wie vorstehend
beschrieben – mehrfach
derart durchgeführt
wird, dass mittels des heißen
Mediumspülstroms
Wärme zwischen
mindestens zwei Speicherelementen hin- und hertransportiert wird.
Die Wärme
wird somit von dem einen Speicherelement auf das andere Speicherelement übertragen
und danach wiederum von dem anderen Speicherelement zum einen Speicher element
und so weiter. Stets wird hierdurch die Temperaturschichtung, also
das Temperaturprofil des jeweiligen Speicherelements, aufrechterhalten.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels,
und zwar zeigt:
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1 eine
Wärmespeicheranlage
mit einem Wärmespeicher,
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2 den
Wärmespeicher
der 1 in schematischer perspektivischer Ansicht,
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3 eine
der 2 entsprechende Darstellung leicht schräg von unten,
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4 ein
Schaltbild der Wärmespeicheranlage
gemäß 1,
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5 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Wärmespeichers
und
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6 bis 8 zwei
Seitenansichten sowie eine Draufsicht auf den Wärmetauscher gemäß 5.
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Die 1 zeigt
eine Wärmespeicheranlage 1,
die einen Wärmespeicher 2 aufweist.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird der Wärmespeicher 2 demgemäß mittels
einer Wärmequelle 5 betrieben. Die
Verwendung des Wärmespeichers 2 kann
jedoch auch in Zusammenhang mit mehreren, auch gegebenenfalls verschiedenen
Wärmeenergiequellen
erfolgen, ohne dass der Gegenstand der Erfindung verlassen wird.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 ist die Wärmequelle 5 an
einen Mediumkreislauf angeschlossen, wobei als Medium Luft verwendet
wird. Im Mediumkreislauf 6 befinden sich zwei Gebläse 7 und 8,
wobei mindestens ein Gebläse 7 oder 8 während des
Wärmeeintrags
durch die Wärmequelle 5 Luft
zur Wärmequelle 5 über eine
Leitung 9 fördert.
Die Luft wird in der Wärmequelle 5 sehr
stark erhitzt und die erhitzte Luft wird über eine Leitung 10 einer
Abzweigung 11 zugeführt.
Von der Abzweigung 11 geht eine Leitung 12 aus,
die an einen Wärmeabnehmer 13 angeschlossen
ist. Die Heißluft
weist vorzugsweise eine Temperatur von mehreren Hundert °C bei insbesondere
1 bar auf. Die den Wärmeabnehmer 13 verlassende
Luft, die abgekühlt
ist und einen Druck von vorzugsweise 1 bar aufweist, wird mittels
des Gebläses 8 und/oder 7 der
Wärmequelle 5 erneut
zugeführt.
Zwischen den beiden Gebläsen 7 und 8 befindet
sich ein Abzweig 19, von dem eine Speicherleitung 20 abgeht,
die zum Wärmespeicher 2 führt. Ferner
zweigt vom Abzweig 11 eine Speicherleitung 21 ab,
die ebenfalls zum Wärmespeicher 2 führt. Die Speicherleitung 20 führt zum „kalten
Ende" 22 und die
Speicherleitung 21 zum „heißen Ende" 23 des Wärmespeichers 2. Auf
die Bedeutung der vorstehenden Begriffe wird nachstehen noch näher eingegangen.
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Während des
Wärmeeintrags
der Wärmequelle 5 lässt sich
mittels der Speicherleitung 21 nicht vom Wärmeabnehmer 13 benötigte Wärmeenergie dem
Wärmespeicher 2 zuführen, das
heißt,
ein entsprechender Heißluftstrom
wird dem heißen
Ende 23 des Wärmespeichers 2 über die
Speicherleitung 21 zugeführt. Der den Wärme speicher 2 aufheizende Heißluftstrom
kühlt sich
beim Durchströmen
des Wärmespeichers 2 von
zum Beispiel etwa 700°C
(die Temperatur liegt insbesondere im Bereich von 300°C bis 1000°C) auf zum
Beispiel 150°C
(die Temperatur liegt insbesondere im Bereich von 50°C bis 250°C) ab und
verlässt
das kalte Ende 22 des Wärmespeichers 2 über die
Speicherleitung 20. Anschließend wird die den Wärmespeicher 2 durchströmende Luft wieder
der Wärmequelle 5 zugeführt. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
die gesamte Energie der Wärmequelle 5 nur
dem Wärmespeicher 2 zuzuführen, wenn
beispielsweise der Wärmeabnehmer 13 aus
bestimmten Betriebsführungsgründen nicht aktiv
ist.
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Eine
Entladung des Wärmespeichers 2 wird während Zeitdauern
durchgeführt,
wenn keine oder keine hinreichende Wärmeenergie von der Wärmequelle 5 geliefert
wird. In einem solchen Fall wird das Gebläse 7 ausgeschaltet
und die Wärmequelle 5 mittels
Schließen
zweier Ventile 24 vom Kreislauf abgetrennt. Das Gebläse 8 ist
aktiv und führt
Luft über
die Speicherleitung 20 dem kalten Ende 22 des
Wärmespeichers 2 zu.
Die Luft durchsetzt den Wärmespeicher 2 und
heizt sich zum Beispiel vorzugsweise auf etwa 700°C auf und
verlässt
den Wärmespeicher 2 über die
Speicherleitung 21. Die Heißluft strömt dann über die Leitung 12 zum
Wärmeabnehmer 13 (zum Beispiel
Wärmetauscher)
und von dort wieder zurück zum
Gebläse 8.
Hieraus wird deutlich, dass der Wärmeabnehmer 13 auch
während
Zeiten, in denen keine oder keine hinreichende Wärmeenergie von der Wärmequelle 5 geliefert
wird, betrieben werden kann.
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Die 2 und 3 verdeutlichen
den Aufbau des Wärmespeichers 2 anhand
eines Ausführungsbeispiels.
Der Wärmespeicher 2 weist ein
Gehäuse 25 auf,
das in mehreren Speicherkammern 26 bis 29 unterteilt
ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
sind vier Speicherkammern 26 bis 29 vorgesehen.
In jeder Speicherkammer 26 bis 29 befindet sich
ein Speicherelement 30 bis 33, das in der Lage ist,
Wärmeenergie
zu speichern. Die Speicherelemente 30 bis 33 weisen
vorzugsweise keramisches Material, beispielsweise keramische Wabensteine, auf,
das heißt,
die Speicherelemente 30 bis 33 setzen sich aus
Einzelelementen zusammen. Die Speicherkammern 26 bis 29 sind
benachbart zueinander angeordnet und mittels gemeinsamer Trennwände 34 bis 37 voneinander
getrennt.
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Oberhalb
der Speicherkammern 26 bis 29 ist eine gemeinsame
Verbindungskammer 38 im Gehäuse 25 ausgebildet,
die für
das Medium, insbesondere die genannte Luft, eine Verbindung der
Speicherelemente 30 bis 33 untereinander schafft.
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Oberhalb
jedes der Speicherelemente 30 bis 33 befindet
sich eine erste Mediumöffnung 39 bis 42, wobei
die ersten Mediumöffnungen 39 bis 42 in
einer Deckwand 43 der Verbindungskammer 38 ausgebildet
sind.
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Die
Speicherleitung 21 teilt sich -gemäß 2 – in vier
Einzelleitungen 44 bis 47 auf, wobei in den Einzelleitungen 44 bis 47 erste
Absperr-/Querschnittsverstellelemente 48 bis 51 angeordnet
sind. Die ersten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 48 bis 51 sind
als Luftklappen, insbesondere Doppelluftklappen, ausgebildet. Die
Einzelleitungen 44 bis 47 sind an die ersten Mediumöffnungen 39 bis 42 – jeweils
entsprechend – angeschlossen.
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Unterhalb
jedes der Speicherelemente 30 bis 33 beziehungsweise
der Speicherkammern 26 bis 29 befinden sich Einzelkammern 52 bis 55,
wobei jeweils eine strömungstechnische
Verbindung zwischen der entsprechenden Speicherkammer 26 bis 29 und
der sich darunter befindlichen Einzelkammern 52 bis 55 besteht.
Die Einzelkammern 52 bis 55 liegen benachbart
zueinander und sind mittels gemeinsamer Abtrennwände 56 bis 59 voneinander
getrennt. Jeder Einzelkammer 52 bis 55 ist eine
Umlenkkammer 60 bis 63 zugeordnet, wobei die Umlenkkammern 60 bis 63 seitlich
am Gehäuse 25 jeweils
im Bereich der zugehörigen
Einzelkammer 52 bis 55 befinden. Jede Einzelkammer 52 bis 55 ist
mit einer zugehörigen
Umlenkkammer 60 bis 63 über eine zweite Mediumöffnung 64 bis 67 verbunden.
Die Umlenkkammern 60 bis 63 weisen Bodenwände 68 bis 71 auf,
die mit zweiten Absperr-/Querschnittsverstellelementen 72 bis 75 versehen
sind. Die zweiten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 72 bis 75 sind bevorzugt
als Tellerventile ausgebildet. An die zweiten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 72 bis 75 ist
die Speicherleitung 20 angeschlossen (in den 2 und 3 nicht
gezeigt).
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Ferner
sind seitlich am Gehäuse 25 Umlenkkammern 76 bis 79 angeordnet,
die jeweils mit den zugehörigen
Einzelkammern 52 bis 55 strömungstechnisch verbunden sind.
Die Einzelkammern 52 bis 55 sind über Mediumspülöffnungen 80 bis 83 mit
den jeweils zugehörigen
Umlenkkammern 76 bis 79 verbunden. Die Umlenkkammern 76 bis 79 weisen
Bodenwände 84 bis 87 auf,
die mit dritten Absperr-/Querschnittsverstellelementen 88 bis 91 versehen
und an eine in den 2 und 3 nicht
dargestellte Mediumspülleitung 92 (4)
angeschlossen sind. Die dritten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 88 bis 91 sind
bevorzugt als Tellerventile ausgebildet.
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Die 4 verdeutlicht
anhand eines Schaltbilds die Wärmespeicheranlage 1.
Die Wärmequelle 5 und
der Wärmeabnehmer 13 sind
jeweils als gestrichelter Kasten dargestellt. Neben den Ventilen 24 sind
ferner Ventile 93 vorgesehen, die aus der 1 nicht
ersichtlich und dem Wärmeabnehmer 13 zugeordnet
sind. Gegenüber
der Darstellung der 1 ist das dem Gebläse 7 zugeordnete
Ventil 24 nicht stromaufwärts, sondern stromabwärts des
Gebläses 7 angeordnet,
was jedoch funktionsmäßig keinen
Unterschied erbringt. Der 4 ist zu
entnehmen, dass die Mediumspülleitung 92 von
einem Mediumspülgebläse 94 gespeist
wird, das über
einen Luftfilter 95 Umgebungsluft zu den dritten Absperr-/Querschnittsverstellelementen 88 bis 91 zuführen kann.
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Es
ergibt sich folgende Funktion: Zunächst wird davon ausgegangen,
dass Wärmeenergie
zur Verfügung
steht, das heißt,
die Wärmequelle 5 liefert Wärmeenergie
zum Aufheizen der mittels des Gebläses 7 und/oder des
Gebläses 8 im
Kreislauf geführten,
das Medium bildenden Luft. Die Heißluft wird vorzugsweise 700°C heiß und weist
vorzugsweise 1 bar Druck auf. Sie wird über die Leitung 10,
das offene Ventil 24, die Leitung 12 und das offene
Ventil 93 zum Wärmeabnehmer 13 und
von dort zurück über das
Gebläse 8,
das offene Ventil 93, das Gebläse 7 und das offene
Ventil 24 sowie die Leitung 9 zur Wärmequelle 5 zurückgeführt. Es
ist aber auch möglich, die
Luft über
das Gebläse 7 direkt
in das Freie abzugeben. Nachdem die Heißluft den Wärmeabnehmer 13 verlassen
hat, weist sie vorzugsweise noch 150°C bei einem Druck von 1 bar
auf.
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Wird
nicht die gesamte Wärmeenergie
vom Wärmeabnehmer 13 benötigt, so
wird ein Teil der Heißluft
am Abzweig 12 abgezweigt und über die Speicherleitung 21 mindestens
einem der Speicherelemen te 30 bis 33 zugeführt. Die
Wahl des Speicherelements 30 bis 33 beziehungsweise
der Speicherelemente 30 bis 33 erfolgt durch Öffnen oder
teilweises Öffnen
der ersten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 48 bis 51.
Sind beispielsweise alle ersten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 48 bis 51 geöffnet, so
wird über
die gemeinsame Verbindungskammer 38 jeweils ein entsprechender
Teilheißluftstrom
von oben her den Speicherelementen 30 bis 33 zugeführt. Durch
das Hindurchströmen
der Heißluft durch
die Speicherelemente 30 bis 33 werden diese unter
Ausbildung eines Temperaturprofils aufgeheizt. Die Folge ist, dass
sie im oberen Bereich ein heißes Ende 23 und
im unteren Bereich ein kaltes Ende 22 ausbilden. Es liegt
demzufolge ein Temperaturprofil über
die Länge
des jeweiligen Speicherelements 30 bis 33 vor,
wobei das heiße
Ende eine Temperatur von vorzugsweise etwa 700° und das kalte Ende eine Temperatur
von etwa 150°C,
jeweils bei 1 bar Druck besitzt. Dieses Temperaturprofil kann auch
als Temperaturschichtung des jeweiligen Speicherelements 30 bis 33 bezeichnet
werden. Die das jeweilige Speicherelement 30 bis 33 durchströmte Heißluft verlässt den
Wärmespeicher 2 über die
jeweils zugeordnete Einzelkammer 52 bis 55 und
das entsprechend geöffnete
zweite Absperr-/Querschnittsverstellelement 72 bis 75 und
gelangt über
ein gemeinsames Ventil 96 in der Speicherleitung 20 und über den
Abzweig 19 zurück
zum Sammler 5, um dort wieder aufgeheizt zu werden.
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Aus
dem Vorstehenden wird deutlich, dass durch gezieltes Öffnen beziehungsweise
teilweises Öffnen
oder Sperren der Absperr-/Querschnittsverstellelemente 48 bis 51 sowie 72 bis 75 mit
entsprechender Wärmemenge
geladen werden können. Auch
ist es möglich,
nur ein Laden des Wärmespeichers 2 vorzunehmen
und den Wärmeab nehmer 13 nicht
zu betreiben. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Ventile 93 zu
schließen.
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Nachstehend
wird davon ausgegangen, dass für
einen Entladebetrieb des Wärmespeichers 2 die
Ventile 24 geschlossen sind, sodass die Wärmeenergie
nur von dem Wärmespeicher 2 geliefert
wird. Dieser Betrieb kann beispielsweise erfolgen, wenn keine Energie
zur Verfügung
steht, der Wärmeerzeuger 5 also
keine Wärmeenergie
zur Verfügung
stellt. Das Gebläse 8 wird
hierzu in Betrieb genommen, sodass ein entsprechender Luftstrom über die
Leitung 20 und das Ventil 96 sowie die zweiten
Absperr-/Querschnittsverstellelemente 72 bis 75 und den
jeweiligen Einzelkammern 52 bis 55 den kalten Enden 22 der
Speicherelemente 30 bis 33 zugeführt wird.
Selbstverständlich
ist es möglich,
aus der Anzahl der zur Verfügung
stehenden Speicherelemente 30 bis 33 nur das oder
diejenigen auszuwählen,
die gewünscht
sind. Die Auswahl kann durch Schließen beziehungsweise Öffnen der
entsprechenden zweiten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 72 bis 75 erfolgen.
Durch den das jeweilige heiße
Speicherelement 30 bis 33 durchströmende Mediumstrom
heizt sich dieses entsprechend dem im Speicherelement 30 bis 33 vorhandenen
Temperaturprofil auf, sodass Heißluft das jeweilige Speicherelement 30 bis 33 mit einer
Temperatur von zum Beispiel 700° verlässt und durch
die gemeinsame Verbindungskammer 38 sowie die geöffneten
ersten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 48 bis 51,
die Speicherleitung 21 und die Leitung 12 zu dem
Wärmeabnehmer 13 gelangt. Danach
steht die durch das Passieren des Wärmeabnehmers 13 auf
cirka 150°C
heruntergekühlte
Luft wieder für
einen neuen Kreislaufdurchgang zur Verfügung.
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Desweiteren
ist ein Mischbetrieb für
Be- und Entladung des Wärmespeichers 2 möglich. Es
kann parallel Wärmeenergie
an den Abnehmer gegeben und im Wärmespeicher 2 gesammelt
werden. Es kann auch parallel Wärmeenergie
an den Abnehmer gegeben und aus dem Wärmespeicher 2 entnommen werden.
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Von
besonderer Bedeutung ist, dass – gemäß nachstehendem
Vorgehen – während einer
Stillstandszeit des Wärmespeichers 2,
also wenn diesem weder Wärmeenergie
zugeführt
wird noch aus ihm Wärmeenergie
entnommen wird, keine Vergleichmäßigung der
Temperaturschichtung stattfindet. Würde man nichts unternehmen,
so wird sich die Temperaturschichtung innerhalb der Speicherelemente 30 bis 33 langsam
ausgleichen, sodass nicht mehr das Temperaturgefälle (im vorliegenden Beispielsfall
am heißen
Ende 23 700°C
und am kalten Ende 22 150°C zur Verfügung steht. Dies hätte jedoch
zur Folge, dass der Speicher nicht mehr in vollem Kapazitätsumfang
nutzbar wäre,
was den Wirkungsgrad der Gesamtanlage entscheidend vermindern würde. Aufgrund
einer Spülmöglichkeit
einer Mediumspüleinrichtung 98 ist
jedoch vorgesehen, die gewünschte Temperaturschichtung
beim Stillstand des Wärmespeichers 2 aufrecht
zu erhalten. Hierzu wird mittels des Mediumspülgebläses 94 über den
Luftfilter 96 Umgebungsluft angesaugt und – mit nur
sehr geringem Volumenstrom, also geringem Durchsatz – beispielsweise über das
geöffnete
dritte Absperr-/Querschnittsverstellelement 91 und die
zugehörige
Einzelkammer 55 dem kalten Ende 22 des Speicherelements 33 zugeführt. Diese
Luft durchsetzt das Speicherelement 33 von unten nach oben
und erhitzt sich dabei im unteren Bereich zum Beispiel auf etwa 150°C und im
oberen Bereich, also am heißen
Ende 23 zum Beispiel auf 700°C. Die Luft tritt dann am oberen
Ende 23 in die Verbindungskammer 38 ein und wird von
dort beispielsweise dem Speicherelement 31 zugeführt. Die
Verbindungskammer 38 bildet demzufolge einen Spülleitweg 99.
Dies erfolgt dadurch, dass die ersten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 48 bis 51 geschlossen
sind und sich die zweiten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 72, 74, 75 ebenfalls
in Schließstellung
befinden. Geschlossen sind auch die dritten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 88, 89 und 90.
Nur das zweite Absperr-/Querschnittsverstellelement 73 befindet sich
in Offenstellung, sodass die auf cirka 700°C aufgeheizte Heißluft von
der Verbindungskammer 38 in das heiße Ende 23 des Speicherelements 31 eintritt und
das Speicherelement 31 von oben nach unten durchsetzt,
sodass die Luft aus dem kalten Ende 22 mit etwa 150°C austritt.
Sie wird dann über
das zweite Absperr-/Querschnittsverstellelement 73 und
ein Auslassventil 97, das an die Speicherleitung 20 angeschlossen
ist, und vor dem vorzugsweise geschlossenen Ventil 96 liegt
nach außen
in die Umwelt abgeführt.
Dieser Energieverlust ist nur gering, da kein hoher Volumenstrom
gefahren wird. Nach einer gewissen Zeitspanne kann der erwähnte Vorgang umgekehrt
werden, das heißt,
die entsprechenden Ventile und Elemente werden so geschaltet, dass
das Mediumspülgebläse 94 nunmehr
das kalte Ende 22 des Speicherelements 31 bestromt
und die dadurch in die Verbindungskammer 38 eintretende
Heißluft dem
heißen
Ende 23 des Speicherelements 33 zugeführt wird.
Aus alledem wird deutlich, dass durch entsprechendes Schalten der
Ventile und Elemente auch andere Speicherelemente 30 bis 33 und
auch andere Kombinationen von Speicherelementen 30 bis 33 mit
Spülluft
versorgt werden können,
wodurch jeweils das Temperaturprofil der einzelnen Speicherelemente 30 bis 33 erhalten
bleibt. Die Temperaturschichtung wird demzufolge nicht abgebaut,
sondern bleibt aufgrund dieses Spülvor gangs beziehungsweise dieser
Spülvorgänge im jeweiligen
Speicherelement 30 bis 33 auch im Stillstand des
Wärmespeichers 2 erhalten.
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Durch
eine entsprechende Betriebsführung des
Wärmespeichers 2 kann
eine Anpassung an entsprechende Energieströme beim Be- und Entladen, insbesondere auch im
Teillastbetrieb erfolgen, sodass jeweils die Wärmeenergie kontrolliert gespeichert
wird und es nicht zu lokalen Temperaturerhöhungen kommt, die nicht gewünscht sind.
Es wird ferner eine Vergleichmäßigung des
Temperaturprofils in den Speicherelementen vermieden. Bei einer
nicht gewünschten
Vergleichmäßigung der
Temperaturschichtung erhöht
sich bei einer Speicherbeladung die Austrittstemperatur und es verringert
sich bei einer Entladung die Austrittstemperatur. Ein derartiger Speicher
kann somit nur teilweise genutzt werden und muss für eine volle
Be- beziehungsweise Entladung komplett entleert beziehungsweise
stillgelegt werden. Die Erfindung vermeidet dies. Stets ist bei der
Erfindung vorgesehen, dass die heiße Seite beziehungsweise die
heißen
Enden der Speicherelemente mit dem Ladestrom und die kalte Seite
beziehungsweise die kalten Enden mit Entladeströmen beaufschlagt werden. Zum
Stabilisieren und Beibehalten der Temperaturverteilung in den einzelnen Schichten
der Speicherelemente wird von der kalten Seite, also vom kalten
Ende her, mit Spülluft
gespült, welche
auf der heißen
Seite, also am heißen
Ende, auf mindestens ein anderes Speicherelement oder auf verschiedene
andere Speicherelemente verteilt wird. Es ist natürlich auch
möglich,
den Spülmediumstrom
gleichzeitig mehreren Speicherelementen zuzuführen, der nach seiner Aufheizung
mindestens einem anderen Speicherelement zugeleitet wird. Ziel ist
es, bei einer so hoch wie möglichen
Beladungsmenge eine maximale Energiemenge zu speichern.
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Die
Zeichnungen 5 bis 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Wärmespeichers 2,
dessen Aufbau jedoch im Wesentlichen dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
entspricht. Die 5 bis 8 verdeutlichen
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem – gegenüber der 4 – keine
ersten Absperr-/Querschnittverstellelemente 48 bis 51 vorgesehen
sind. Insofern verläuft
die Speicherleitung 21 direkt in die Verbindungskammer 38,
wobei sie sich zuvor teilt, um die Luft möglichst gleichmäßig den
Speicherelementen 30 bis 33 zuführen zu
können.
Für die
jeweilige Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung der Speicherelemente 30 bis 33 ist
es ausreichend die Absperr-/Querschnittsverstellelemente 88 bis 91 und/oder 72 bis 75 zu
betätigen.
Die gemeinsame Speicherleitung 20 ist den 5 bis 8 deutlich
erkennbar (sie ist beim Ausführungsbeispiel
der 2 und 3 nicht eingezeichnet). Der
Anschluss der Mediumspülleitung 92 (4)
an die dritten Absperr-/Querschnittsverstellelemente 88 bis 91 ist – der Übersichtshalber – in den 5 bis 8 nicht
dargestellt. Ansonsten gelten die Ausführungen zu den 1 bis 4 auch
beim Ausführungsbeispiel
der 5 bis 8 entsprechend.