DE202011106400U1

DE202011106400U1 - heat storage

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Publication number: DE202011106400U1
Application number: DE202011106400U
Authority: DE
Original assignee: Boge Kompressoren Otto Boge GmbH and Co KG
Current assignee: Boge Kompressoren Otto Boge GmbH and Co KG
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2011-11-21
Anticipated expiration: 2021-10-08

Abstract

Wärmespeicher mit Rohren (R) zur Führung eines Wärme abgebenden und wieder aufnehmenden Fluides, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (R) von Lehm (L) und Metall umgeben sind, wobei Lehm (L) zu verstehen ist als natürliche oder künstliche Mischung des Hauptbestandteils Ton mit Füllstoffen wie Sand und Kies.Heat accumulator with tubes (R) for guiding a fluid that emits and absorbs heat, characterized in that the tubes (R) are surrounded by clay (L) and metal, clay (L) being understood as a natural or artificial mixture of the main component Clay with fillers such as sand and gravel.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, mit Rohren zur Führung eines Wärme abgebenden und wieder aufnehmenden Fluides.The invention relates to a heat accumulator, with pipes for guiding a heat-releasing and resuming fluid.

Aufgabe:Task:

In vielen Fällen soll Wärme, die in größeren Mengen im Temperaturbereich bis 400°C (Mitteltemperaturwärme) anfällt, für eine spätere Verwendung gespeichert werden. Ein zur Zeit stark diskutierter Fall ist die Speicherung erneuerbarer Energie. Dazu gibt es erfolgreich arbeitende Bespiele von Solarwärmespeichern mit Salzschmelzen, die aber leider recht teuer sind. Eine neuere Aufgabe besteht im Speichern der Kompressionswärme bei adiabaten Druckluft-Energiespeicheranlagen für die spätere Rückexpansion. Hier gibt es Versuche mit Blöcken aus feuerfestem Beton, in welchen druckhaltende Rohre für die heiße Druckluft eingegossen sind (→ DE 10 2008 047 557 , DE 10 2009 060 911 oder http://www.stoffstrom.org/fileadmin/userdaten/dokumente/Solartagung/Vortraege/Laing.pdf ). Da Beton keine gute Wärmeleitung hat, wird auch an den Einbau von nadelförmigen Metallstücken gedacht (vgl. Bild der Wissenschaft Ausgabe 10/2010, S. 94 oder Patent DE 2054057 C2 , Textspalte 4, Zeile 29). Nachteilig ist wieder der doch recht hohe Preis des Betons. Auch die Beständigkeit gegen schnelle Temperaturwechsel ist noch fraglich.In many cases, heat, which is obtained in larger quantities in the temperature range up to 400 ° C (medium temperature heat), should be stored for later use. One case that is currently heavily debated is the storage of renewable energy. There are successfully working examples of solar heat storage with molten salts, but unfortunately are quite expensive. A recent task is to store the heat of compression in adiabatic compressed air energy storage systems for later re-expansion. Here there are tests with blocks made of refractory concrete, in which pressure-retaining pipes for hot compressed air are poured (→ DE 10 2008 047 557 . DE 10 2009 060 911 or http://www.stoffstrom.org/fileadmin/userdaten/dokumente/Solartagung/Vortraege/Laing.pdf ). Since concrete does not have good heat conduction, it is also thought of the incorporation of acicular metal pieces (see. Bild der Wissenschaft issue 10/2010, p. 94 or patent DE 2054057 C2 , Text column 4, line 29). The disadvantage is again the quite high price of the concrete. The resistance to rapid temperature changes is still questionable.

Die vorgeschlagene Lösung:The proposed solution:

Zur Lösung der Aufgabe weist ein erfindungsgemäßer Wärmespeicher die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Insbesondere zur Speicherung von Mitteltemperaturwärme im Bereich 80 bis 400 Grad Celsius, wie sie speziell bei der Speicherung der Kompressionswärme in Druckluft-Energiespeichern benötigt wird, wird eine Anordnung von Rohren für das wärmeübertragende Medium, vorzugsweise Druckluft, in einem Block aus Lehm und Metall bzw. Schrott vorgeschlagen.To achieve the object, an inventive heat accumulator on the features of claim 1. In particular, for the storage of average temperature heat in the range 80 to 400 degrees Celsius, as is needed especially in the storage of the heat of compression in compressed air energy storage, an array of pipes for the heat transfer medium, preferably compressed air, in a block of clay and metal or Scrap proposed.

Das wärmeführende Medium wird in Rohren durch den Block aus Lehm geleitet. In diesem Lehmblock ist vorteilhafterweise in Nähe der Rohre Metall, insbesondere Schrott anwesend. Die Rohre weisen einen Abstand zueinander von 5 bis 15 cm auf und verlaufen insbesondere parallel zueinander. Lehm ist im Sinne dieses Textes vorzugsweise definiert als eine durch Druck bzw. Stampfen zu einem hohlraumfreien Klotz verdichtbare Masse mit den Haupt-Bestandteilen Ton, Sand und/oder Kies, auch als künstlich hergestellte Mischung.The heat-carrying medium is passed through the block of clay in tubes. In this clay block is advantageously in the vicinity of the pipes metal, especially scrap present. The tubes have a distance from each other of 5 to 15 cm and in particular run parallel to each other. For the purposes of this text, clay is preferably defined as a mass which can be compacted by pressure or stamping into a cavity-free brick with the main constituents clay, sand and / or gravel, also as an artificially produced mixture.

Schrott ist im Sinne dieses Textes vorzugsweise definiert als artreiner Metallabfall, üblicherweise bestimmt zur Wiederverwertung durch Einschmelzen. Zur Verwendung käme hier insbesondere artenreiner Stahl-Eisen-Schrott oder Aluminium-Schrott, mit einer Stücklänge unter 250 mm, vorzugsweise unter 80 mm, Stückvolumen unter 0,5 dm^3, noch besser unter 0,05 dm^3, vorzugsweise länglich geformte Stücke, hergestellt durch Zerschneiden. Schrott ist preisgünstig und ein guter Wärmeleiter. In einer Schrott und Lehm enthaltenden Lage beträgt der Schrottanteil insbesondere 5 bis 30 Volumenprozent.For the purposes of this text, scrap is preferably defined as art-clean metal waste, usually intended for recycling by smelting. For use here would be in particular species-pure steel-iron scrap or aluminum scrap, with a length less than 250 mm, preferably less than 80 mm, piece volume less than 0.5 dm ^ 3, more preferably less than 0.05 dm ^ 3, preferably oblong shaped Pieces made by cutting up. Scrap is cheap and a good heat conductor. In a scrap and clay containing layer, the scrap content is in particular 5 to 30 percent by volume.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung im Übrigen und aus den Ansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Further features of the invention will become apparent from the description, moreover, and from the claims. Advantageous embodiments of the invention are explained below with reference to drawings. Show it:

1: eine perspektivische Darstellung eines Schnitts entlang der Linie A-A durch eine Platte eines Wärmespeichers gemäß 2, 1 FIG. 2: a perspective view of a section along the line AA through a plate of a heat accumulator according to FIG 2 .

2: eine Seitenansicht eines aus mehreren übereinander liegenden Platten gebildeten Wärmespeichers, 2 FIG. 2: a side view of a heat accumulator formed from a plurality of superposed plates, FIG.

3: ein Temperaturprofil des Wärmespeichers gemäß 2, nämlich die Temperatur T in Relation zur Höhe HS des Speichers. 3 a temperature profile of the heat accumulator according to 2 , namely the temperature T in relation to the height HS of the memory.

Beschreibung einer vorzugsweisen Ausführung:Description of a preferred embodiment:

Stahlrohre R von 15 mm Innendurchmesser und 1 mm Wandstärke werden durch Biegen und Verbinden zu einer Anordnung gebracht, die einem Grillrost von 2 × 5 Metern und 10 cm Roststab-(= Rohr-)Abstand gleicht und in der die Rohre R, teilweise parallel geschaltet, von heißer Druckluft durchströmt werden können (Sammelrohre SR an den Enden sind 5 cm dick). Lehm L wird angerührt, vorzugsweise mit etwas Glyzerin statt Wasser. Daraus wird ein flaches Bett von 2,2 × 5,2 Meter und 12 cm Höhe gestampft (oder anderweitig durch Druck verdichtet). Darauf kommt eine 6 cm dicke Lage bzw. Mischung aus Lehm L und 10 Volumenprozent Schrott S (in dieser Lage dafür weniger Sand und Kies). Nun wird der ”Grillrost” darauf gelegt und mit weiteren 8 cm Lehm L mit 10 Volumenprozent Schrott S überdeckt. Es wird wieder gestampft, um Hohlräume zu beseitigen. Darauf kommen wieder 12 cm Lehm L. Oben und unten erhält diese ”Platte” PL etwas Wärmeisolierung. Dafür kann z. B. ein halber cm Glasfaservlies G verwendet werden, siehe 1.Steel tubes R of 15 mm inner diameter and 1 mm wall thickness are brought by bending and joining to an arrangement that is similar to a grill of 2 × 5 meters and 10 cm grate bar (= tube) distance and in which the tubes R, partially connected in parallel , can be flowed through by hot compressed air (manifolds SR at the ends are 5 cm thick). Loam L is mixed, preferably with some glycerine instead of water. From this a flat bed of 2.2 x 5.2 meters and 12 cm height is tamped (or otherwise by Compressed pressure). Then there is a 6 cm thick layer or mixture of loam L and 10 percent by volume scrap S (less sand and gravel in this layer). Now the "Grillrost" is placed on it and covered with another 8 cm of loam L with 10 volume percent scrap S. It is tamped again to eliminate voids. Then come back 12 cm clay L. Above and below, this "plate" PL gets some heat insulation. For z. B. half a glass fiber mat G are used, see 1 ,

Etwa fünf dieser Platten PL werden übereinander gestapelt, siehe 2, fünf Stapel nebeneinander gestellt und alles zusammen noch einmal mit wetterfester Wärmeisolierung, beispielsweise 15 cm Glaswolle und Verkleidungsblech umgeben. Die Rohre R werden miteinander verbunden, so dass bei Eintritt von z. B. warmer Druckluft WD mit 40 bar und 300°C zuerst die Rohre der obersten Platte, dann die der nächsttieferen Platte usw. bis unten (siehe Luftweg LW) durchströmt werden, die Luft dann als kalte Druckluft KD mit 39 bar und 40°C austritt. Wenn die Wärme wieder zurückgeholt werden soll, strömt die Druckluft in entgegengesetzter Richtung. Das Gewicht so eines Wärmespeichers läge bei etwa 200 Tonnen und die gespeicherte Wärmemenge bei 30 Kelvin Differenz zwischen mit Wärme aufgeladenem und entladenem Zustand bei etwa 1500 kWh.About five of these plates PL are stacked on top of each other, see 2 , five stacks next to each other and all together again with weatherproof thermal insulation, for example, 15 cm glass wool and cladding sheet surrounded. The tubes R are connected to each other, so that when entering z. B. warm compressed air WD with 40 bar and 300 ° C, first the tubes of the top plate, then the next lower plate, etc. down (see airway LW) are flowed through, the air then as cold compressed air KD with 39 bar and 40 ° C. exit. When the heat is to be restored, the compressed air flows in the opposite direction. The weight of such a heat storage would be about 200 tons and the amount of stored heat at 30 Kelvin difference between heat charged and discharged state at about 1500 kWh.

3 zeigt das Temperaturprofil in dem Stapel der fünf Platten gemäß 2. Mit zunehmender Speicherhöhe HS ist auch die Temperatur T höher. Dabei ergibt sich ein im Wesentlichen stufenförmiges Profil, in erster Linie bedingt durch die Wärmeisolierung zwischen den einzelnen Platten. 3 shows the temperature profile in the stack of the five plates according to 2 , With increasing storage height HS, the temperature T is higher. This results in a substantially step-shaped profile, primarily due to the thermal insulation between the individual plates.

Bei Anmischen des Lehms mit Wasser ist erst eine Trocknungszeit nötig, bis höhere Temperaturen erreicht werden können. Um die Bildung von Wasserdampfblasen zu vermeiden, muss vorsichtig getrocknet werden. Bei Anmischen des Lehms mit Glyzerin und Temperaturen unter 300°C ist ein solch vorsichtiges Trocknen nicht notwendig. Statt des zur Zeit preisgünstigen Glyzerins kann zum Anrühren oder Anmischen auch eine andere biologisch abbaubare, organische, insbesondere wassermischbare Flüssigkeit mit einem Siedepunkt über 220°C verwendet werden. Vorzugsweise enthält die Flüssigkeit zum Anrühren des Lehms mindestens 70% Glyzerin.When mixing the clay with water, a drying time is necessary until higher temperatures can be achieved. To avoid the formation of water vapor bubbles, it is important to dry carefully. When mixing the clay with glycerin and temperatures below 300 ° C, such careful drying is not necessary. Instead of the currently inexpensive glycerol, another biodegradable, organic, in particular water-miscible, liquid having a boiling point above 220 ° C. can also be used for mixing or mixing. Preferably, the liquid for stirring the clay contains at least 70% glycerol.

Je nach Anforderungen an gespeicherter Wärme, Wärmeübertragungsleistung und Druckverlust können auch andere Maße für Schichtdicken, Rohrdurchmesser, Rohrabstände und Schrottanteile verwendet werden.Depending on the requirements for stored heat, heat transfer performance and pressure loss, other dimensions for layer thicknesses, pipe diameters, pipe distances and scrap proportions may also be used.

Um vorzugsweise längliche Schrott-Stücke passender Größe zu erhalten, kann angelieferter Schrott durch eine Scheranlage geleitet werden, die parallele Schnitte durch größere Schrottstücke, von z. B. mehr als 2 cm Breite, durchführt.In order to obtain preferably elongated scrap pieces of suitable size, delivered scrap can be passed through a shear system, the parallel cuts by larger pieces of scrap, z. B. more than 2 cm wide, performs.

Erwähnt sei die Möglichkeit, einen Teil des Schrottes durch Schweißen an die Rohre anzubinden, wodurch die Wärmeübertragung verbessert wird.Mention should be the possibility to attach a portion of the scrap by welding to the pipes, whereby the heat transfer is improved.

Erwähnt sei auch die Möglichkeit, die unterste Platte eines Stapels, falls sie maximal 80°C warm wird, aus Beton statt Lehm herzustellen, welche damit zugleich ein Fundament für die oberen, wärmeren Platten bildet. Falls die Verformbarkeit des Lehm nicht ausreicht, um Unterschiede in der Wärmeausdehnung zu den typischerweise aus Metall bestehenden Rohren auszugleichen, kann auf die üblichen Rezepte wie Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Zusatzstoffen (Sand, Kies) zum Lehm, Zusätzen zur Förderung der Ausbildung von feinen, vorzugsweise senkrecht zu der Rohrachse verlaufenden Rissen oder Zusätze für bessere plastische Verformbarkeit (Glyzerin, biologisch abbaubares Öl, Wachse) zurück gegriffen werden. Bezugszeichenliste: G Glasfaservlies HS Höhe Speicher KD Kalte Druckluft L Lehm LW Luftweg bei Einspeicherung der Wärme PL Platte R Rohre S Schrott SR Sammelrohr T Temperatur im Speicher WD Warme Druckluft Mention should also be the possibility of the lowest plate of a stack, if it is not more than 80 ° C warm, made of concrete instead of clay, which thus also forms a foundation for the upper, warmer plates. If the deformability of the clay is not sufficient to compensate for differences in thermal expansion to the typically metal existing pipes, can on the usual recipes such as adjustment of the coefficient of thermal expansion in the additives (sand, gravel) to the clay, additives to promote the formation of fine, preferably perpendicular to the tube axis running cracks or additives for better plastic deformability (glycerin, biodegradable oil, waxes) are used. LIST OF REFERENCE NUMBERS G fiberglass mat HS Height memory KD Cold compressed air L Clay LW Airway when storing the heat PL plate R Tube S scrap metal SR manifold T Temperature in the store WD Warm compressed air

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008047557 [0002] DE 102008047557 [0002]
DE 102009060911 [0002] DE 102009060911 [0002]
DE 2054057 C2 [0002] DE 2054057 C2 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

http://www.stoffstrom.org/fileadmin/userdaten/dokumente/Solartagung/Vortraege/Laing.pdf [0002] http://www.stoffstrom.org/fileadmin/userdaten/dokumente/Solartagung/Vortraege/Laing.pdf [0002]
Bild der Wissenschaft Ausgabe 10/2010, S. 94 [0002] Picture of Science Edition 10/2010, p. 94 [0002]

Claims

Wärmespeicher mit Rohren (R) zur Führung eines Wärme abgebenden und wieder aufnehmenden Fluides, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (R) von Lehm (L) und Metall umgeben sind, wobei Lehm (L) zu verstehen ist als natürliche oder künstliche Mischung des Hauptbestandteils Ton mit Füllstoffen wie Sand und Kies.Heat storage with pipes (R) for guiding a heat-releasing and resuming fluid, characterized in that the tubes (R) of clay (L) and metal are surrounded, wherein loam (L) is to be understood as a natural or artificial mixture of the main component Clay with fillers like sand and gravel.

Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nahe der Rohre (R) ein höherer Metallanteil vorliegt als im Durchschnitt.Heat accumulator according to claim 1, characterized in that near the tubes (R) a higher metal content is present than on average.

Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lehm (L) um die Rohre (R) herum verdichtet ist, vorzugsweise durch Stampfen, um wärmeisolierende Hohlräume zu beseitigen.Heat accumulator according to claim 1 or 2, characterized in that the clay (L) is compressed around the tubes (R), preferably by pounding, to remove heat-insulating cavities.

Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Aufbau aus Platten, mit verschiedenen Lagen innerhalb einer oder mehrerer Platten (PL), nämlich einer Mittellage aus Rohren (R), beidseitig der Mittellage je eine Lage Lehm (L) mit Metallanteil und weiter außen beidseitig je eine Lage Lehm (L) ohne Metallanteil.Heat storage according to claim 1 or one of the further claims, characterized by a construction of plates, with different layers within one or more plates (PL), namely a middle layer of tubes (R), on both sides of the middle layer depending on a layer of clay (L) with metal content and further out on both sides each one layer of clay (L) without metal content.

Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallanteil Schrott (S) enthält oder daraus besteht, vorzugsweise Aluminiumschrott und/oder Stahl-Eisen-Schrott.Heat accumulator according to claim 1 or one of the further claims, characterized in that the metal portion contains scrap (S) or consists thereof, preferably aluminum scrap and / or steel-iron scrap.

Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in den Rohren (R) Druckluft ist.Heat accumulator according to claim 1 or one of the further claims, characterized in that the fluid in the tubes (R) is compressed air.

Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lehm (L) als feuchtegebenden Bestandteil eine organische, biologisch abbaubare Flüssigkeit mit einer Siedetemperatur über 220 Grad Celsius enthält.Heat storage according to claim 1 or one of the further claims, characterized in that the clay (L) contains as moisturizing ingredient an organic, biodegradable liquid having a boiling temperature above 220 degrees Celsius.

Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lehm (L) einen feuchtegebenden Bestandteil enthält, welcher überwiegend aus Glyzerin besteht.Heat storage according to claim 1 or one of the further claims, characterized in that the clay (L) contains a moisturizing ingredient, which consists predominantly of glycerol.

Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Aufbau aus Schichten, zur Speicherung von Wärme in Schichten unterschiedlicher Temperatur, wobei Lagen wärmeisolierenden Materials die Schichten unterschiedlicher Temperatur voneinander trennen können.Heat storage according to claim 1 or one of the further claims, characterized by a construction of layers for storing heat in layers of different temperature, wherein layers of heat-insulating material can separate the layers of different temperature from each other.

Druckluft-Energiespeicheranlage mit einem Wärmespeicher nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei Kompressionswärme der Anlage in den Wärmespeicher einspeicherbar und Wärme bei Druckluftexpansion aus dem Wärmespeicher ausspeicherbar ist.Compressed air energy storage system with a heat accumulator according to one of the preceding claims, wherein the heat of compression of the system can be stored in the heat storage and heat ausspeicherbar in compressed air expansion from the heat storage.