DE102008060750B4

DE102008060750B4 - Allzweckwärmespeicher zur Speicherung verschiedener Arten von Energie

Info

Publication number: DE102008060750B4
Application number: DE102008060750A
Authority: DE
Inventors: Klaus Quast; Peter Rössler
Original assignee: PHOENIX METALL GmbH
Current assignee: DOMIZIL LMMOBILIEN GMBH, DE
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2028-12-06
Also published as: DE102008060750A1

Abstract

Allzweckwärmespeicher zur Speicherung von Energie, wobei die Energiespeicherung in wenigstens einem Wärmespeicherblock (2) erfolgt, in dem durch die Energiespeicherung erhitzbare Verdampferrohre (17) eingebettet sind, in welche ein flüssiges Kondensat in einer vorgegebenen Menge einzutropfen imstande ist, wodurch sich in den Verdampferrohren (17) Dampf bildet, welcher nach außerhalb des Wärmespeicherblocks leitbar ist und dessen Wärmeinhalt für Heizzwecke oder Sekundärenergieerzeugung nutzbar ist, wobei ein Wärmetauscher (4) vorgesehen ist, der in einem Wasserbad eines Wasserbehälters (20) aufgenommen ist, und der Dampf derart durch den Wärmetauscher (4) geführt ist, dass im Wärmetauscher (4) entstehendes Kondensat ohne Vermischung mit dem Wasser des Wasserbades aus dem Bereich des Wärmetauschers (4) abfließt, der sich im Wasserbad befindet, wobei der Wasserbehälter (20) oberhalb eines Zwei-Phasen-Behälters (27) positioniert ist, der oberhalb des Wärmespeicherblocks (2) mit mindestens einem Verdampferrohr (17) angeordnet ist, welches in den Zwei-Phasen-Behälter (27) hineinragt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Allzweckwärmespeicher zur Speicherung von Energie, wobei die Energiespeicherung in wenigstens einem Wärmespeicherblock erfolgt, in dem durch die Energiespeicherung erhitzbare Verdampferrohre eingebettet sind, in welche ein flüssiges Kondensat in einer vorgegebenen Menge einzutropfen imstande ist, wodurch sich in den Verdampferrohren Dampf bildet, welcher nach außerhalb des Wärmespeicherblocks leitbar ist und dessen Wärmeinhalt für Heizzwecke oder Sekundärenergieerzeugung nutzbar ist.
Seit langem besteht der Bedarf nach einem Allzweckwärmespeicher, der Energie, die z. B. aus Wind, Sonne oder Wasserkraft gewonnen wird, dauerhaft speichert. Die Zuführung und Speicherung von solar gewonnener Wärmeenergie hoher Temperatur in Verbindung mit flüssigen Medien, wie z. B. Flüssigmetallen ist zwar möglich, allerdings mangels geeigneter langzeitstabiler und kostengünstiger Übertragungsmedien heute noch nicht wirtschaftlich darstellbar.
Da die zuvor genannten Energiequellen weder zeitlich noch quantitativ planbar und bedarfsorientiert vorhanden sind, besteht ein großer Bedarf, deren Energien zu Zeiten des Überflusses zu speichern und zu Zeiten des Mangels aus einem solchen Allzweckwärmespeicher kontrolliert zu entnehmen.
Nur so lässt sich eine flächendeckend kontinuierliche Energieversorgung auf Basis natürlicher Energiequellen aufbauen, ohne dass permanent enorme Kapazitäten der herkömmlichen Energieerzeugung bereitgehalten werden müssen, damit im Falle des Ausfalls der alternativen Energiequellen dennoch die Energieversorgung sichergestellt ist.
Es sind Lösungen vorgeschlagen worden, Energie in Form von Druckluft in Bergwerken oder großen künstlichen Behältern zu speichern. Die Wärme speicherung in Form von erhitztem Wasser ist ebenso bekannt, wie die Wärmespeicherung in Form von erhitztem und verflüssigtem Salz. Auch die Speicherung von potentieller Energie, wie sie in Wasser-Speicherkraftwerken seit fast 100 Jahren praktiziert wird, gehört dazu.
Jede der vorhandenen Lösungen bietet aber nur eine geringe Speicherdichte an Energie pro eingesetztem Volumen. Das bedeutet, das sehr große und somit teure Speicher installiert werden müssen, um die Energieversorgung zu sichern. Natürliche oder „recycelte” Speicher, wie z. B. stillgelegte Bergwerke zur Druckluftspeicherung oder Stauseen zur Wasserspeicherung, sind zwar prinzipiell geeignet. Es sind aber viel zu wenig dieser Speicher vorhanden, um den Bedarf nach Speicherkapazität zu decken.
Vor diesem Hintergrund nennt die WO 2006/072185 A1 einen Wärmespeicherblock, der durch elektrische Heizstäbe erwärmbar und von einem Rohrsystem mit einem Auslass und einem Auslass durchzogen ist. Das Rohrsystem erlaubt, ein Fluid durch den gesamten Wärmespeicherblock zu strömen und zu erwärmen.
Ein Allzweckwärmespeicher zur Speicherung vergleichsweise großer Energiemengen pro Volumen, die bei Bedarf in Form von überhitztem Dampf entnommen und zum Beispiel mehrstufigen Turbinen zur Stromerzeugung zugeführt werden können, ist in der WO 2008/135100 A1 vorgeschlagen worden. Dieser Allzweckwärmespeicher kann auch zur Lieferung von Fernwärme verwendet werden. Der vorgeschlagene Allzweckwärmespeicher kann dauerhaft Wärmeenergie speichern und beispielsweise zur Strom- oder Warmwassererzeugung abgeben.
In der WO 2008/135100 A1 ist insbesondere vorgeschlagen worden, den Allzweckwärmespeicher mit einem wasserdurchströmten Wärmetauscher zu kombinieren, der in einem Dampfraum positioniert ist. Dabei sind oberhalb der Verdampferrohre düsenförmige Regelelemente vorgesehen, welche das Kondensat gleichmäßig auf Verdampferrohre verteilen.
Der in den Verdampferrohren entstandene Dampf kondensiert innerhalb des Dampfraumes an dem Wärmetauscher. Hierdurch kann die abgegebene Wärme des Dampfes in Form von erwärmtem Wasser an eine Heizungsanlage übergeben werden. Der Wärmetauscher ist in einem Kondensatsammelbehälter angeordnet, aus dem das Kondensat in einem Kreislauf wieder in die Verdampferrohre rückführbar ist.
Bei dieser Ausgestaltung ist die kontrollierte Abgabe dauerhaft gespeicherter Wärme an eine Heizungsanlage nur unter erheblichem Aufwand regelbar. Die Dampferzeugung muss so angesteuert werden, dass das Wasser, welches durch den Wärmetauscher geführt wird, definiert erwärmt wird. Dies hat sich in der Praxis als häufig nur schwer realisierbar erwiesen.
Vor diesem Hintergrund zeigt die DE 2 013 565 A1 zwar einen gattungsbildenden Allzweckwärmespeicher, bei dem zwei Wärmetauscher in einem Wasserbad je eines Wasserbehälters aufgenommen sind und in welchem das aus dem Dampf entstehende Kondensat ohne Vermischung mit dem Wasserbad der Tanks abfließt. Jedoch kann sich in dem Wärmetauscher ein erheblicher Kondensatpegel ausbilden. Dieser Kondensatpegel vermindert die Effizienz des Wärmetauschers erheblich. Zur Vermeidung dieses Problems ist bei dem in der DE 1778983 A beschriebenen Wärmespeicher in der Kondensatrücklaufleitung unterhalb des Sammelbehälters eine Umwälzpumpe angeordnet und die Rücklaufleitung in einer Stauschleife über den Sammelbehälter hochgezogen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher als Allzweckwärmespeicher zu schaffen, der eine dauerhafte Speicherung von Wärmeenergie erlaubt und dessen Wärmeabgabe derart problemlos regelbar ist, dass Wasser definiert und hocheffizient erwärmbar ist.
Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Allzweckwärmespeicher der eingangs genannten Gattung in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass unterschiedlichste Energiequellen genutzt werden können, um im Wärmespeicherblock dauerhaft Wärme zu speichern und nutzbar zu machen. Beispielsweise kann Strom aus beliebigen Energiequellen über Heizelemente in Wärme umgewandelt und in Wärmespeicherblöcken dauerhaft gespeichert werden. Ein Wärmespeicherblock kann insbesondere mit Rohrleitungen durchzogen sein, durch die ein hoch erhitztes flüssiges Medium geleitet wird. Der Wärmespeicherblock kann auch unmittelbar durch die Verbrennung beliebiger Stoffe beheizt werden. Besonders sinnvoll ist hier die Nutzung regenerativer Energiequellen. Beispielhaft sei hierzu die Solarwärme genannt, welche durch geeignete Kollektoren und ein entsprechend hochtemperaturstabiles flüssiges Medium zu den Wärmespeicherblöcken geleitet und über eine entsprechende Rohrleitung im Wärmespeicherblock an diesen abgegeben wird. Die Photovoltaik erlaubt sogar, den aus Sonnenlicht direkt erzeugten Strom zur Erhitzung elektrischer Heizstäbe im Wärmespeicherblock zu nutzen. Durch aus Biomasse gewonnene Biogase kann über Brenner Wärme erzeugt werden, die direkt die Wärmespeicherblöcke erwärmt. Auch Windenergie kann überraschend genutzt werden. Im Gegensatz zu heutigen Windanlagen können diese sehr einfach aufgebaut sein, da die elektrischen Heizstäbe unkritisch gegenüber Strom- und Frequenzschwankungen sind.
Insbesondere ist aber erkannt worden, dass die Erwärmung von Brauchwasser durch einen Allzweckwärmespeicher dadurch problemlos geregelt werden kann, dass der vom Wärmespeicherblock erzeugte Dampf durch den Wärmetauscher geführt wird. Der Wärmetauscher gibt die Wärme des Dampfes an ein Wasserbad aus Brauchwasser ab, welches den Wärmetauscher im Wasserbehälter umgibt. Die Wärme des Wasserbades ist durch geeignete Zuleitung des Dampfes in den Wärmetauscher überraschend einfach regelbar. Die relativ schwierige Kontrollierung der Erwärmung eines Wärmetauschers, der Wasser führt und in einem Dampfbad aufgenommen ist, wird erfindungsgemäß überwunden. Dadurch, dass statt der Führung des Brauchwassers durch den Wärmetauscher der Dampf hindurchgeführt und das Kondensat vom Brauchwasser getrennt ist, werden insbesondere auch die Probleme unterschiedlicher Dampfdrücke vermieden, da der Dampfdruck innerhalb eines Wärmetauschers in einfacher Weise zu beherrschen ist, wodurch auch eine bessere Wartung der gesamten Anlage resultiert. Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Führung des Dampfes von oben nach unten nahezu vollständig verhindert, dass sich im Wärmetauscher ein Kondensatpegel ausbildet. Das innerhalb des Wärmetauschers entstehende Kondensat wird erfindungsgemäß aus dem Bereich des Wärmetauschers abgeführt, vorzugsweise durch die Schwerkraft, wobei sich der Wärmetauscher im Wasserbad des Wasserbehälters befindet. Hierdurch ist eine hocheffiziente Erwärmung von Brauchwasser ermöglicht, da nahezu ausschließlich heißer Dampf zur Erwärmung des Wasserbades genutzt wird. Folglich ist die genannte Aufgabe gelöst.
Somit ist erfindungsgemäß der Wasserbehälter oberhalb eines Zwei-Phasen-Behälters positioniert, wobei der Zwei-Phasen-Behälter oberhalb eines Wärmespeicherblocks mit mindestens einem Verdampferrohr angeordnet ist, welches in den Zwei-Phasen-Behälter hineinragt. Durch diese Ausgestaltung kann Dampf aus den Verdampferrohren in den Zwei-Phasen-Behälter einströmen und von dort nach oben zum Wärmetauscher gelangen, der im Wasserbehälter angeordnet ist. Dabei wird die natürliche Ausbreitungsrichtung des Dampfes ausgenutzt.
Hierzu kann der Zwei-Phasen-Behälter durch eine Rohrverbindung mit dem oberen Ende der wendelförmigen Rohrschlange strömungsverbunden sein. Der Dampf ist durch die Rohrverbindung definiert führbar.
Der Wärmetauscher kann als wendelförmige Rohrschlange mit einem unteren und einem oberen Ende ausgebildet sein, wobei der Dampf der Rohrschlange an deren oberem Ende zuführbar ist. Durch die Ausgestaltung des Wärmetauschers als Rohrschlange wird eine sehr große Wärmeaustauschfläche geschaffen. Durch die Zuführung des Dampfes am oberen Ende kann der Dampf in der Rohrschlange von oben nach unten strömen und dabei kondensieren. Das entstehende Kondensat hindert den Dampf bei dieser vorteilhaften Strömungsführung nicht an dessen Ausbreitung im Wärmetauscher, das Kondensat fließt nach unten aus dem Wärmetauscher ab, bevorzugt somit am unteren Ende desselben.
Der Wasserbehälter, der den Wärmetauscher aufnimmt, kann an einem unteren Bereich einen Wasserzulauf und an einem oberen Bereich einen Wasserablauf aufweisen. Durch diese Ausgestaltung kann am unteren Bereich kaltes Wasser in den Wasserbehälter eingebracht und am oberen Bereich warmes Wasser entnommen werden. Vorteilhaft wird das unten eingebrachte kalte Wasser durch den von oben in den Wärmetauscher eingeführten heißen Dampf in einer Gegenströmung erwärmt.
Die Rohrschlange kann am unteren Ende einen Kondensatablauf aufweisen, welcher eine Trennwand durchgreift, die den Wasserbehälter in einen wärmetauscherseitigen Raum und einen Kondensatraum aufteilt. Im wärmetauscherseitigen Raum ist der Bereich des Wärmetauschers aufgenommen, der sich im Wasserbad befindet und mit dem Wasserbad in Wärmekontakt tritt. Durch diese Ausgestaltung wird verhindert, dass in der Rohrschlange kondensiertes Wasser die Effizienz des Wärmetauschers vermindert, nämlich mit dem zu erwärmenden Wasser im Wasserbehälter in Wärmekontakt tritt. Das Kondensat kann überdies gesammelt werden und dem Zwei-Phasen-Behälter bedarfsweise zugeführt werden.
Hierzu kann der Kondensatraum mit einer Ventilsteuerung strömungsverbunden sein, welche das Kondensat dem Zwei-Phasen-Behälter bedarfsweise zuführt. Die Ventilsteuerung kann ein Magnetventil umfassen, welches außerhalb des Wasserbehälters und des Zwei-Phasen-Behälters positioniert ist. Durch das Magnetventil kann der Kondensatraum mit dem Zwei-Phasen-Behälter strömungsverbunden werden. Das Kondensat kann im Kreislauf gefördert werden und erneut verdampft werden.
Hierfür kann der Zwei-Phasen-Behälter eine Verdampferrohrzuleitung aufweisen, welche mit einem Ende in einer Pegelhöhe in den Zwei-Phasen-Behälter hineinragt und mit ihrem anderen Ende mit einem Verdampferrohr im Wesentlichen axial fluchtet. Dabei kann die Verdampferrohrzuleitung in das Verdampferrohr hineinragen, um Leckagen und Kondensataustritte zu vermeiden. Die Verdampferrohrzuleitung erlaubt, Kondensat aus dem Zwei-Phasen-Behälter nach Überschreiten einer Pegelhöhe dem Verdampferrohr im Wärmespeicherblock zuzuleiten. Das Kondensat wird dann erneut verdampft und dem Kreislauf zugeführt. Die Pegelhöhe kann durch die Ventilsteuerung beeinflusst werden, indem nämlich Kondensat aus dem Kondensatraum in den Zwei-Phasen-Behälter eingeleitet wird.
Die Wärmespeicherblöcke sind quaderförmig, insbesondere quaderförmiglänglich, gestaltet, wobei die Verdampferrohre aus Stahl oder aus einem anderen Werkstoff bestehen sowie das flüssige Kondensat Wasser ist, so dass beim Verdampfen Wasserdampf entsteht und das Kondensat in einem Kreislauf geführt ist. Der Wärmespeicher ist somit dergestalt konzipiert, dass die Wärmespeichermasse in Form eines Quaders oder Würfels geformt ist, in dessen Mitte wenigstens ein Rohrstück eingebracht ist, welches an einem Ende, bevorzugt das untere Ende, verschlossen ist. Am Rohrstück sind Blechstücke seitlich angeschweißt, um die Wärmeleitung von der Speichermasse zum Rohr zu vergrößern.
Die Wärmespeichermasse der Wärmespeicherblöcke kann als feuerfeste Masse aus Schamottmehl und/oder gemahlenen Ziegelsteinen und/oder zermahlenem Porzellan und/oder Beton und/oder Tonerde bestehen, wobei innerhalb der Wärmespeicherblöcke jeweils wenigstens ein Verdampferrohr eingebettet ist, welches an seinem unteren Ende verschlossen und an seinem oberen Ende zum Einführen des Kondensats offen ist. Die Wärmespeichermasse wird aus Schamottmehl und/oder aus gemahlenen Ziegelsteinen und/oder aus zermahlenem Porzellan und/oder aus üblichem Beton angefertigt, wobei der Zement, welcher für die feuerfesten Baustoffe vorgesehen ist, vermischt wird. Durch die Wasserzugabe wird der feuerfeste Mörtel angefertigt. In einer speziell geformten Schalung wird der feuerfeste Mörtel eingegossen, um quaderförmige Wärmespeicherblöcke herzustellen. In der Mitte des Quaders wird das Rohrstück, das an einem Ende verschlossen ist, eingebracht und mit der feuerfesten Masse fest verbunden.
Die Verdampferrohre können mit Stahldraht armiert sein. Hierdurch ist ein guter Wärmekontakt zwischen den Verdampferrohren und der Wärmespeichermasse erzielbar.
Zur Speicherung von Wind- und/oder Sonnenenergie können die Wärmespeicherblöcke Kanäle aufweisen, in die je ein elektrischer Heizstab eingebettet ist zur Aufheizung der Wärmespeicherblöcke auf eine Temperatur von vorzugsweise zwischen 900°C bis 1.200°C. Falls die Wärmespeichermasse für die Speicherung der elektrischen Energie benutzt wird, sind seitlich auf bestimmten Quaderhöhen Kanäle für den Heizstab vorgesehen, in die die Heizstäbe eingebettet werden können.
Mehrere Wärmespeicherblöcke können durch Ventile oder Verrohrungen hintereinander oder parallel geschaltet sein. In einen ersten Wärmespeicherblock einer solchen Kette kann Wasser eingeleitet und verdampft werden. Da die Wärmespeicherblöcke in Reihe angeordnet sind, kann der Dampf stufenweise weiter erwärmt („überhitzt”) werden. Da ein aus gängigen und preisgünstigen Materialien hergestellter, hier beschriebener Wärmespeicherblock bis mindestens 900°C erhitzt werden kann, kann auf diese Weise Dampf mit mehr als 400°C hergestellt werden. Es ist im Wesentlichen eine Frage der Skalierung, d. h. wie viele solcher Wärmespeicherblock-Einheiten jeweils zusammengeschaltet werden müssen, um damit sogar Dampfturbinen beliebiger Größe betreiben zu können.
Ein Wärmespeicherblock kann zur momentanen Energieerzeugung nutzbar sein, während ein weiterer Wärmespeicherblock zur späteren Energieerzeugung zeitgleich erwärmt wird. Hierdurch ist ein Allzweckwärmespeicher darstellbar, bei dem durch entsprechende Steuerung zeitgleich Energie aus geladenen Bereichen entnommen werden kann, während andere Wärmespeicherblöcke „geladen” werden.
Der hier beschriebene Allzweckwärmespeicher kann vorteilhaft gemeinsam mit einer Windkraftanlage betrieben werden. Die Windkraftanlage kann vereinfacht werden, da sie keinen netzsynchronen Wechselstrom erzeugen muss. Bei einer Verwendung des Allzweckwärmespeichers müssen lediglich die Wärmespeicherblöcke durch den aus Windkraft gewonnen Strom erwärmt werden. Da die elektrischen Heizstäbe des Allzweckspeichers weitgehend unempfindlich hinsichtlich Strom- und Frequenzschwankungen sind, reicht einfachst erzeugter, sogenannter „schmutziger” Strom zum Laden des Allzweckwärmespeichers völlig aus. Das hat auch zur Folge, dass der nutzbare Windstärkenbereich praktisch nur noch durch die mechanische Stabilität der Windkraftanlage begrenzt wird. Die Windkraftanlage wird folglich billiger in der Herstellung und im Betrieb wobei zugleich auch noch der Nutzungsgrad der Windkraftanlage steigt.
Durch Nutzung des Allzweckwärmespeichers kann selbst ein Gezeitenkraftwerk gleichmäßig Strom abgeben, da nur die Primärenergie gezeitenabhängig schwankend erzeugt wird, diese aber durch den Wärmespeicherblock, der hier als Puffer dient, in eine gleichmäßige und bedarfsabhängig steuerbare Abgabe, ans Netz umgewandelt werden kann.
Die Anwendungsmöglichkeiten gemäß dieser Erfindung sind in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht. Dabei zeigen:
1 einen Allzweckwärmespeicher des Stands der Technik mit einem Wärmespeicherblock, der auch bei dem Allzweckspeicher gemäß den 2 und 3 zum Einsatz kommt,
2 eine Schnittansicht eines Allzweckwärmespeichers, der auf den in 1 gezeigten Wärmespeicherblock aufgesetzt ist,
3 eine Schnittansicht eines Allzweckwärmespeichers gemäß 2, wobei die Schnittebene gegenüber 2 verändert ist und
4 eine vergrößerte Abbildung des Zwei-Phasen-Behälters gemäß 3.
1 zeigt einen Allzweckwärmespeicher, wie er in der WO 2008/135100 A1 vorgeschlagen ist. Ein Wärmespeicherkessel gemäß der 1 ist ein rechtwinkliger bzw. quaderförmiger Behälter 1, der mit Wärmespeicherblöcken 2, in Form von Quadern, befüllt ist, dergestalt, dass die Wärmespeicherblöcke 2 nebeneinander gestellt sind und praktisch den ganzen Innenraum des Behälters 1 ausfüllen. Die Wärmespeicherblöcke 2 bilden eine Wärmespeichermasse, wobei der Behälter 1 mit einer Wärmedämmung 19 isoliert ist.
Oberhalb der Wärmespeicherblöcke 2 ist ein Kondensatsammelbehälter 3 vorgesehen, in den ein Wärmetauscher 4 eingebaut ist. Die Verbindung zwischen dem Kondensatsammelbehälter 3 und einem Dampfraum 5, in dem sich der Kondensatsammelbehälter 3 und der Wärmetauscher 4 befinden, erfolgt mittels Rohrleitungen 6. Ein Magnetventil 7 und ein nachfolgendes Nadelventil 8, die in den Rohrleitungen 6 angeordnet sind, dienen zur Regelung der Wärmeleistung; das Nadelventil 8 dient zur Feineinregelung des Kondensatdurchflusses durch die Rohrleitungen 6.
Mittels elektrischen Heizstäben 9 wird mit elektrischem Strom die Wärmespeichermasse aufgewärmt, wobei die elektrische Heizstäbe 9 vorzugsweise die Wärmespeichermasse waagrecht durchdringen. Eine Trennplatte 10, die aus rostfreiem Stahl angefertigt ist, dient zum Trennen des Wärmespeicherraumes vom darüber befindlichen Dampfraum 5, um die Befeuchtung der Wärmespeichermasse zu verhindern, die somit dampf- und wasserdicht abgeschottet ist. Der Dampfraum 5 ist mittels einer Deckhaube 11 luftdicht verschlossen, auf der im oberen Bereich eine Revisionsöffnung 12 vorgesehen ist. Eine Verschlussschraube 13 zum Verschließen der Revisionsöffnung 12 dient bei der ersten Inbetriebnahme des Wärmespeichers oder Wärmespeicherkessels der Kontrolle der Dampfbildung.
Der Dampfraum 5 ist mittels eines U-Rohres 14, in Form von vertikal stehenden, kommunizierenden Röhren, mit der Atmosphäre verbunden. Das U-Rohr 14 ist mit Wasser gefüllt, wobei die Wassersäule im U-Rohr 14 die Dichtigkeit des Dampfraumes 5 sichert. Der Behälter 1 des Wärmespeichers ist auf Trägerprofilen 15 aufgestellt, der Raum zwischen dem Behälter 1 und dem Boden ist mit einem Wärmedämmstoff isoliert.
Die Trägerprofile 15 dienen dazu, die heiße Wärmespeichermasse in einem bestimmten Abstand zum Boden zu halten, wodurch verhindert wird, dass sich Wärmebrücken bilden und der Boden beschädigt wird.
Die an ihrem unteren Ende verschlossenen Verdampferrohre 17 sind mit Stahldraht 17a zur Erzielung eines guten Wärmekontaktes zwischen den Verdampferrohren 17 und der Wärmespeichermasse armiert.
Wasserauffangschalen 18 dienen als Puffer für eine eventuelle Wasserbildung im Verdampfungsraum 5. Seitlich an den Segmenten eines Wärmespeicherblocks 2 der Wärmespeichermasse sind Kanäle oder Nuten eingegossen, die dazu dienen, die Heizstäbe 9 einzubetten. Wenn zwei Wärmespeicherblöcke 2 nebeneinander aufgestellt sind, bilden die Kanäle zweier benachbarter Wärmespeicherblöcke 2 jeweils Kreisquerschnitte zur Aufnahme der Heizstäbe 9.
Die in 1 beschriebenen und gezeigten Wärmespeicherblöcke 2 mit Verdampferrohren 17 sind der Übersichtlichkeit halber in den 2 und 3 nicht mehr detailliert dargestellt, sind jedoch ausdrücklich in allen Ausgestaltungen auch Gegenstand des erfindungsgemäßen Allzweckwärmespeichers.
Die 2 und 3 zeigen Schnittansichten eines erfindungsgemäßen Allzweckwärmespeichers zur Speicherung verschiedener Arten von Energie, wie erneuerbare Energie, Wind- oder Sonnenenergie, Nachtstrom sowie Stromenergie im Allgemeinen, als auch Energie aus festen, gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffen, von Energie aus Biomasse sowie von Abfallwärme aus der Industrie, wobei die Energiespeicherung in Wärmespeicherblöcken 2 erfolgt, in denen durch die Energiespeicherung erhitzbare Verdampferrohre 17 eingebettet sind, in die ein flüssiges Kondensat in einer vorgegebenen Menge einzutropfen imstande ist, wodurch sich in den Verdampferrohren 17 Dampf bildet, dessen Wärmeinhalt für Heizzwecke oder Sekundärenergieerzeugung nutzbar ist. Es ist ein Wärmetauscher 4 vorgesehen, durch welchen der Dampf geführt ist. Der Wärmetauscher 4 ist in einem Wasserbehälter 20 aufgenommen und steht mit dem Wasserbad in Kontakt und ist vorzugsweise vollständig von dem zu erwärmenden Wasser umgeben. Der Dampf ist derart durch den Wärmetauscher 4 geführt, dass im Wärmetauscher 4 entstehendes Kondensat aus dem Wärmetauscher 4 heraus nach außerhalb des Wärmetauschers 4 abfließt. Daher befindet sich nahezu ausschließlich heißer Dampf innerhalb des Wärmetauschers 4.
Zum Beispiel weist der Wasserbehälter 20 ein Volumen von 4000 cm³ auf. Der Wasserbehälter 20 nimmt ein Wasserbad aus Brauchwasser für den Wärmetauscher 4 auf.
Der Wärmetauscher 4 ist als wendelförmige Rohrschlange mit einem unteren Ende 21 und einem oberen Ende 22 ausgebildet, wobei der Dampf der Rohrschlange an deren oberen Ende 22 zuführbar ist und das Kondensat am unteren Ende 21 ausläuft; vorzugsweise ist somit die Rohrschlange aufrecht innerhalb des Wärmetauschers 4 gehaltert. Es können auch andere Wärmetauscher, wie zum Beispiel Nadelwärmetauscher, verwendet werden; es sollte nur in vorteilhafter Weise sicher gestellt sein, dass bevorzugt der Dampfeinlass oberhalb des Kondensat- oder Restdampfauslasses liegt.
Die Rohrschlange besteht zum Beispiel aus einem 4000 mm langen Rohr mit einem Innendurchmesser von 3 mm; die Rohrschlange weist ein Volumen von 28,3 cm³ auf. Durch die Ausgestaltung des Wärmetauschers 4 als Rohrschlange wird eine sehr große Wärmeaustauschfläche geschaffen. Durch die Zuführung des Dampfes am oberen Ende 22 kann der Dampf in der Rohrschlange von oben nach unten strömen und dabei kondensieren. Das entstehende Kondensat hindert den Dampf bei dieser vorteilhaften Strömungsführung nicht an dessen Ausbreitung im Wärmetauscher 4.
Der Wasserbehälter 20, der den Wärmetauscher 4 aufnimmt, weist an einem unteren Bereich 23 einen Wasserzulauf 24 und an einem oberen Bereich 25 einen Wasserablauf 26 auf. Durch diese Ausgestaltung kann am unteren Bereich 23 kaltes Wasser in den Wasserbehälter 20 eingebracht und am oberen Bereich 25 warmes Wasser entnommen werden. Vorteilhaft wird das unten eingebrachte kalte Wasser durch den von oben in den Wärmetauscher 20 eingeführten heißen Dampf in einer Gegenströmung erwärmt. Der Wasserbehälter 20 ist als Wasserkessel ausgestaltet und nimmt die Rohrschlange vollständig auf.
Der Wasserbehälter 20 ist oberhalb eines Zwei-Phasen-Behälters 27 positioniert, wobei der Zwei-Phasen-Behälter 27 oberhalb des Wärmespeicherblocks 2 mit Verdampferrohren 17 angeordnet ist, welche in den Zwei-Phasen-Behälter 27 hineinragen. Der Zwei-Phasen-Behälter 27 hat ein Volumen von 150 cm³. Im Zwei-Phasen-Behälter 27 können sich zwei Phasen, nämlich eine Flüssigphase und eine Gasphase des Wassers ausbilden. Dampf kann aus den Verdampferrohren 17 in den Zwei-Phasen-Behälter 27 einströmen und von dort nach oben zum Wärmetauscher 4 gelangen, der im Wasserbehälter 20 angeordnet ist. Dabei wird die natürliche Ausbreitungsrichtung des Dampfes ausgenutzt.
Hierzu ist der Zwei-Phasen-Behälter 27 durch eine in ihn ragende Rohrverbindung 28 mit dem oberen Ende 22 der wendelförmigen Rohrschlange strömungsverbunden. Der Dampf aus dem Zwei-Phasen-Behälter 27 ist durch diese Rohrverbindung 28 definiert in den Wärmetauscher 4 führbar.
Die Rohrschlange des Wärmetauschers 4 weist am unteren Ende 21 einen Kondensatablauf 29 auf, welcher eine Trennwand 30 innerhalb des Wasserbehälters 20 durchgreift, die den Wasserbehälter 20 in einen wärmetauscherseitigen, mit Brauchwasser gefüllten Raum 31 und einen Kondensatraum 32 aufteilt, in welchem sich kein Brauchwasser befindet. Im wärmetauscherseitigen Raum 32 ist der Bereich des Wärmetauschers 4 aufgenommen, der sich im Wasserbad befindet und mit dem Wasserbad in Wärmekontakt tritt. Durch diese Ausgestaltung wird verhindert, dass in der Rohrschlange kondensiertes Wasser die Effizienz des Wärmetauschers 4 vermindert, nämlich mit dem zu erwärmenden Brauchwasser im Wasserbehälter 20 in Wärmekontakt tritt. Das Kondensat wird innerhalb des wärmetauscherseitigen Raums 32 gesammelt und dem Zwei-Phasen-Behälter 27 bedarfsweise zugeführt. Der Kondensatraum 32 weist zum Beispiel ein Volumen von 100 cm³ auf.
Hierzu ist der Kondensatraum 32 mit Rohren und einer Ventilsteuerung 33 strömungsverbunden, welche das Kondensat dem Zwei-Phasen-Behälter 27 bedarfsweise zuführen, wobei die Ventilsteuerung 33 eine Dosierung des Kondensats durchzuführen imstande ist. Die Ventilsteuerung umfasst ein Magnetventil, welches vorzugsweise außerhalb des Wasserbehälters 20, des Kondensatraums 32 und des Zwei-Phasen-Behälters 27 positioniert ist. Durch das Magnetventil kann der Kondensatraum 32 mit dem Zwei-Phasen-Behälter 27 strömungsverbunden werden. Das Kondensat kann dadurch im Kreislauf gefördert werden und erneut verdampft werden.
Hierfür weist der Zwei-Phasen-Behälter 27 eine Verdampferrohrzuleitung 34 auf, welche mit ihrem oberen Ende 35, vorzugsweise oberhalb der Pegelhöhe des Kondensats, in den Zwei-Phasen-Behälter 27 hineinragt und mit ihrem unteren Ende 36 mit einem Verdampferrohr 17 axial fluchtet, nämlich in dieses hineinragt. Dabei ragt die Verdampferrohrzuleitung 34, vorzugsweise wenigstens teilweise, in das Verdampferrohr 17 hinein, um Leckagen und Kondensataustritte zu vermeiden. Die Verdampferrohrzuleitung 34 erlaubt, Kondensat aus dem Zwei-Phasen-Behälter 27 nach Überschreiten einer Pegelhöhe dem Verdampferrohr 17 im Wärmespeicherblock 2 zuzuleiten. Das Kondensat wird dann erneut verdampft und dem Kreislauf zugeführt. Die Pegelhöhe des Kondensats kann durch die Ventilsteuerung 33 beeinflusst werden, indem nämlich Kondensat aus dem Kondensatraum 32 in den Zwei-Phasen-Behälter 27 über ein Rohrsystem 37 eingeleitet wird. Das Rohrsystem 37 wirkt mit der Ventilsteuerung 33 zusammen.
Innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters 27, der vorzugsweise rotationssymmetrisch ist, befindet sich mittig ein nach oben bombierter, vorzugsweise runder, Boden 38, welcher fest mit der Boden-Innenwandung 39 des Zwei-Phasen-Behälters 27 verbunden ist und durch welchen von unten ein freies Rohrstück 40 des Rohrsystems 37 mittig hindurchragt, durch welches das flüssige Kondensat aus dem Kondensatraum 32 in den Zwei-Phasen-Behälter 27 zurückfließt, wie es den 2 und 3 zu entnehmen ist. Die Boden-Innenwandung 39 des Zwei-Phasen-Behälters 27 ist vorzugsweise nach unten bombiert, so dass sich dort, wo der nach oben bombierten Boden 38 innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters 27 auf der nach unten bombierte Boden-Innenwandung 39 aufliegt, peripher eine ringförmig umlaufende Fläche 41 ausbildet, welche die tiefste Fläche 41 innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters 27 darstellt. Der Boden 38 stellt somit im gezeigten Beispiel einen doppelten Boden innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters 27 dar. Die Verdampferrohre 17 durchstoßen die Boden-Innenwandung 39 des Zwei-Phasen-Behälters 27 innerhalb dieser tiefsten Fläche 41, so dass die Verdampferrohre in äquidistanten Abständen um den nach oben bombierten Boden 38 herum angeordnet sein können. Die freien Enden der Verdampferrohre 17 ragen in den Zwei-Phasen-Behälters 27 hinein und überragen hinsichtlich ihrer freien Länge den nach oben bombierten Boden 38, wie es den 2 und 3 zu entnehmen ist. Die Verdampferrohre 17 weisen direkt im Bereich oberhalb ihres Durchstoßpunktes innerhalb der Boden-Innenwandung 39 Löcher 42 auf, durch, welche das sich auf der tiefsten, umlaufenden Fläche 41 sammelnde Kondensat innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters 27 zurück in die Verdampferrohre 17 für einen weiteren Verdampfungsprozess fließen kann.
Das Funktionsprinzip des Allzweckwärmespeichers ist wie folgt:
Beim Starten des Allzweckwärmespeichers werden die elektrischen Heizstäbe 9 eingeschaltet und erhitzt, bis die Wärmespeichermasse der Wärmespeicherblocke 2 eine vorgegebene Temperatur, beispielsweise weit über der Siedetemperatur des Wassers, vorzugsweise eine Temperatur von 800 bis 900°C, erreicht hat. Ein Thermostat kontrolliert die Aufheiztemperatur der Wärmespeichermasse und schaltet die Heizstäbe 9 mit Erreichen der vorgegebenen Temperatur aus.
Bei Energiebedarf wird den Verdampferrohren 17, die innerhalb der einzelnen Wärmespeicherblöcke 2 verlaufen und an ihren unteren Enden verschlossen sind, Kondensat zugeführt. Wenn das Kondensat, dessen Temperatur beim stationären Betrieb um 100°C beträgt, auf die Innenfläche der heißen Verdampferrohre 17 tropft, verdampft es schlagartig, verlässt die Verdampferrohre 17 über die Verdampferrohrzuleitung 34 und das obere Ende 35 der Verdampferrohrzuleitung 34 als Dampf in den Zwei-Phasenbehälter 27, steigt von dort in die Rohrverbindung 28, durchläuft abwärts den Wärmetauscher 4 und wird anschließend im Wärmetauscher 4 absteigend wieder kondensiert, wobei der Dampf seine Wärme an das Wasser im Wasserbehälter 20 abgibt. Aus dem Wasserbehälter 20 kann erwärmtes Wasser entnommen und beispielsweise einer Heizungsanlage zugeführt werden. Dieser Vorgang wiederholt sich.
Der Gegenstand der Erfindung ist insbesondere zur Energiespeicherung verschiedener Arten von Energie geeignet.

1: Behälter
2: Wärmespeicherblöcke
3: Kondensatsammelbehälter
4: Wärmetauscher
5: Dampfraum
6: Rohrleitungen
7: Magnetventil
8: Nadelventil
9: elektrische Heizstäbe
10: Trennplatte
11: Deckhaube
12: Revisionsöffnung
13: Verschlussschraube
14: U-Rohr
15: Trägerprofile
16: Düsen
17: Verteiler- oder Verdampferrohre
17a: Armierdraht
18: Wasserauffangschale
19: isolierende Mineralwolle
20: Wasserbehälter
21: unteres Ende der Rohrschlange
22: oberes Ende der Rohrschlange
23: unterer Bereich des Wasserbehälters
24: Wasserzulauf
25: oberer Bereich des Wasserbehälters
26: Wasserablauf
27: Zwei-Phasen-Behälter
28: Rohrverbindung
29: Kondensatablauf
30: Trennwand
31: wärmetauscherseitiger Raum
32: Kondensatraum
33: Ventilsteuerung
34: Verdampferrohrzuleitung
35: oberes Ende der Verdampferrohrzuleitung
36: unteres Ende der Verdampferrohrzuleitung
37: Rohrsystem
38: nach oben bombierter, vorzugsweise runder, Boden
39: Boden-Innenwandung des Zwei-Phasen-Behälters
40: Rohrstück
41: tiefste, umlaufende Fläche innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters
42: Löcher innerhalb der Verdampferrohre

Claims

Allzweckwärmespeicher zur Speicherung von Energie, wobei die Energiespeicherung in wenigstens einem Wärmespeicherblock (2) erfolgt, in dem durch die Energiespeicherung erhitzbare Verdampferrohre (17) eingebettet sind, in welche ein flüssiges Kondensat in einer vorgegebenen Menge einzutropfen imstande ist, wodurch sich in den Verdampferrohren (17) Dampf bildet, welcher nach außerhalb des Wärmespeicherblocks leitbar ist und dessen Wärmeinhalt für Heizzwecke oder Sekundärenergieerzeugung nutzbar ist, wobei ein Wärmetauscher (4) vorgesehen ist, der in einem Wasserbad eines Wasserbehälters (20) aufgenommen ist, und der Dampf derart durch den Wärmetauscher (4) geführt ist, dass im Wärmetauscher (4) entstehendes Kondensat ohne Vermischung mit dem Wasser des Wasserbades aus dem Bereich des Wärmetauschers (4) abfließt, der sich im Wasserbad befindet, wobei der Wasserbehälter (20) oberhalb eines Zwei-Phasen-Behälters (27) positioniert ist, der oberhalb des Wärmespeicherblocks (2) mit mindestens einem Verdampferrohr (17) angeordnet ist, welches in den Zwei-Phasen-Behälter (27) hineinragt.
Allzweckwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) als wendelförmige Rohrschlange mit einem unteren Ende (21) und einem oberen Ende (22) ausgebildet ist, wobei der Dampf der Rohrschlange an deren oberem Ende (22) zuführbar und das Kondensat am unteren Ende (21) entnehmbar ist.
Allzweckwärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwei-Phasen-Behälter (27) durch eine Rohrverbindung (28) mit dem oberen Ende (22) der wendelförmigen Rohrschlange strömungsverbunden ist.
Allzweckwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwei-Phasen-Behälter (27) eine Verdampferrohrzuleitung (34) aufweist, welche mit einem Ende (35) in einer Pegelhöhe in den Zwei-Phasen-Behälter (27) hineinragt und mit ihrem anderen Ende (36) in ein Verdampferrohr (17) hineinragt.
Allzweckwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters (27) mittig ein nach oben bombierter Boden (38) befindet, welcher fest mit der Boden-Innenwandung (39) des Zwei-Phasen-Behälters (27) verbunden ist und durch welchen von unten ein freies Rohrstück (40) des Rohrsystems (37) mittig hindurchragt, durch welches das flüssige Kondensat aus dem Kondensatraum (32) in den Zwei-Phasen-Behälter (27) zurückfließt.
Allzweckwärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Boden-Innenwandung (39) des Zwei-Phasen-Behälters (27) nach unten bombiert ist, so dass sich dort, wo der nach oben bombierte Boden (38) peripher innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters (27) auf der nach unten bombierten Boden-Innenwandung (39) aufliegt, eine ringförmig umlaufende Fläche (41) ausbildet, welche die tiefste Fläche (41) innerhalb des Zwei-Phasen-Behälters 27 darstellt, wobei die Verdampferrohre (17) die Boden-Innenwandung (39) des Zwei-Phasen-Behälters (27) innerhalb dieser tiefsten Fläche (41) durchstoßen und wobei die Verdampferrohre (17) direkt im Bereich oberhalb ihres Durchstoßpunktes innerhalb der Boden-Innenwandung (39) Löcher (42) aufweisen für den Rückfluss des flüssigen Kondensats in die Verdampferrohre (17).
Allzweckwärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Wärmetauscher (4) aufnehmende Wasserbehälter (20) an einem unteren Bereich (23) einen Wasserzulauf (24) und an einem oberen Bereich (25) einen Wasserablauf (26) aufweist.
Allzweckwärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschlange des Wärmetauschers (4) am unteren Ende (21) einen Kondensatablauf (29) aufweist, welcher eine Trennwand (30) innerhalb des Wasserbehälters (20) durchgreift, die den Wasserbehälter (20) wasserdicht in einen wärmetauscherseitigen Raum (31) und einen Kondensatraum (32) aufteilt.
Allzweckwärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatraum (32) über ein Rohrsystem (37) mit einer Ventilsteuerung (33) strömungsmäßig verbunden ist, welche das Kondensat dem Zwei-Phasen-Behälter (27) zuführt.
Allzweckwärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerung ein Magnetventil umfasst, welches außerhalb des Wasserbehälters und des Zwei-Phasen-Behälters positioniert ist und durch welches der Kondensatraum mit dem Zwei-Phasen-Behälter strömungsmäßig verbunden ist.