DE29512343U1

DE29512343U1 - Storage for low temperature heat

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Publication number: DE29512343U1
Application number: DE29512343U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2005-08-02

Description

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BeschreibungDescription

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit Flüssigkeit gefüllten Wärmespeicher für Niedertemperatur-Wärme mit Temperaturschichtung, wobei das Speichervolumen in eine obere Zone möglichst hoher Temperatur und in eine untere Zone möglichst tiefer Temperatur eingeteilt ist. Typische Anwendungen derartiger Wärmespeicher sind z.B. Wärmespeicher von thermischen Solaranlagen und Wärmerückgewinnungsanlagen sowie Wärme-Pufferspeicher in Heizungsanlagen und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen .The present invention relates to a liquid-filled heat storage unit for low-temperature heat with temperature stratification, whereby the storage volume is divided into an upper zone with the highest possible temperature and a lower zone with the lowest possible temperature. Typical applications of such heat storage units are, for example, heat storage units of thermal solar systems and heat recovery systems as well as heat buffer storage units in heating systems and combined heat and power systems.

Bei der Beladung dieser Wärmespeicher ist zu unterscheiden zwischen der Erwärmung der Speicherflüssigkeit durch den im Speicher innen angeordneten Wärmeübertrager und der Erwärmung der Speicherflüssigkeit außerhalb des Speichers durch einen externen Wärmeübertrager. Da der Wärmeübertrager im Innern des Wärmespeichers notwendigerweise im Speicher ganz unten angeordnet sein muß, wird bei jedem Beladevorgang die Temperaturschichtung total zerstört. Daher bezieht sich die Erfindung auf Wärmespeicher, die durch einen externen Wärmeübertrager beladen werden. Durch den externen Belade-Wärmeübertrager zirkuliert die Speicherflüssigkeit, wobei die Speicherflüssigkeit der unteren kalten Speicherzone entnommen und nach der Aufheizung im Wärmeübertrager bei gewünschter Temperatur von oben in den Speicher eingeschichtet wird. Derartige Speicher sind also leere Behälter. Dieses Verfahren wird in der Praxis vielfach eingesetzt, wobei das notwendige Speichervolumen - soweit möglich - in einem Behälter ausgeführt wird. Dabei erweist sich als thermodynamisch sehr nachteilig, daß die gesamte Speichermasse thermisch gekoppelt ist. Durch Wärmeleitung und freie Konvektion wird sowohl in der Speicherflüssigkeit als auch in der Behälterwand Wärme aus der heißen Speicherzone zur kalten Zone transportiert,When loading these heat storage units, a distinction must be made between heating the storage fluid by the heat exchanger located inside the storage unit and heating the storage fluid outside the storage unit by an external heat exchanger. Since the heat exchanger inside the heat storage unit must necessarily be located at the very bottom of the storage unit, the temperature stratification is completely destroyed during each loading process. The invention therefore relates to heat storage units that are loaded by an external heat exchanger. The storage fluid circulates through the external loading heat exchanger, whereby the storage fluid is taken from the lower cold storage zone and, after heating in the heat exchanger at the desired temperature, is layered into the storage unit from above. Such storage units are therefore empty containers. This method is often used in practice, whereby the necessary storage volume - as far as possible - is carried out in one container. The fact that the entire storage mass is thermally coupled proves to be very disadvantageous from a thermodynamic point of view. Through heat conduction and free convection, heat is transported from the hot storage zone to the cold zone in both the storage fluid and the container wall,

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wobei dieser selbstätig ablaufende Ausgleichsprozeß erst bei einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand, also bei gleicher Temperatur im gesamten Speicher, endet. Die Folge ist ein stetiger Verlust an nutzbarer Wärme aus der heißen Speicherzone und eine stetige Verringerung der Speicherkapazität. Die Wärmespeicherung über mehrere Tage, Wochen oder Monate ist bei dieser üblichen Speicherausführung nicht möglich.This automatic balancing process only ends when a thermodynamic equilibrium is reached, i.e. when the temperature is the same throughout the storage unit. The result is a constant loss of usable heat from the hot storage zone and a constant reduction in storage capacity. Heat storage over several days, weeks or months is not possible with this standard storage design.

Aus Herstellungsgründen und oft auch aus räumlichen Gründen werden größere Speichervolumen durch Aufstellung mehrerer Einzelspeicher realisiert, die dann hydraulisch in Reihe oder parallel miteinander verbunden werden. Dabei wird, gewollt oder ungewollt, eine weitgehende thermische Entkopplung der Behälter erzielt, doch ergeben sich bei dieser Vorgehensweise im Vergleich zur Ein-Behälter-Bauweise erheblich größere Wärmespeicherverluste durch ein großes Oberflächen/Volumen-Verhältnis. Noch gravierender für die Praxis ist der Anstieg der spezifischen Speicherkosten in DM/m durch die Behälterzahl und den notwendigen Verrohrungs- und Isolieraufwand.For manufacturing reasons and often for spatial reasons, larger storage volumes are achieved by setting up several individual storage tanks, which are then hydraulically connected in series or parallel. In this way, a large thermal decoupling of the tanks is achieved, whether intentionally or unintentionally, but this approach results in considerably greater heat storage losses compared to the single-tank design due to a large surface/volume ratio. Even more serious in practice is the increase in the specific storage costs in DM/m due to the number of tanks and the necessary piping and insulation effort.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die vorbeschriebenen Nachteile; sie beinhaltet ein kostengünstiges, modulares Speicherbehälter-System, mit dem in Baukasten-Bauweise beliebige Speichervolumen realisiert werden können, wobei in zusammengebautem Zustand eine thermische Trennung der einzelnen Module, ein möglichst kleines Oberflächen/Volumen-Verhältnis und eine einfache hydraulische Reihenschaltung der Module realisiert ist.The present invention avoids the disadvantages described above; it includes a cost-effective, modular storage tank system with which any storage volume can be realized in a modular design, whereby in the assembled state a thermal separation of the individual modules, a surface/volume ratio as small as possible and a simple hydraulic series connection of the modules are realized.

Die Erfindung wird anhand Fig. 1, die den Erfindungsgegenstand beispielhaft zeigt, näher beschrieben.The invention is described in more detail with reference to Fig. 1, which shows the subject matter of the invention by way of example.

Der Wärmespeicher wird aus zwei oder mehreren stapelbaren Behältern, gemäß dem benötigten Speichervolumen, aufgebaut.The heat storage unit is constructed from two or more stackable containers, depending on the required storage volume.

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Dabei werden vorzugsweise identische, in Serie vorgefertigte Behälter 1 aufeinandergestapelt. Je nach Anordnung des Einzelbehälters (oben, Mitte, unten) wird ein Teil der Ein-/ Austrittsstutzen funktionsgemäß genutzt bzw. die nicht benötigten Stutzen werden blind verschlossen. Es erfolgt die Beladung des Speichers durch Entnahme kalter Speicherflüssigkeit am untersten Anschlußstutzen 3 und Einschichtung dieser Flüssigkeit nach Erhitzung in einem externen Wärmeübertrager 7 durch den obersten Anschlußstutzen 4 in den obersten Speicherbehälter. Die Überströmleitungen 2 zwischen den Behältern ermöglichen das Durchladen des gesamten Speichers von oben nach unten. Die Anschlußstutzen 5, 6 dienen der Speicherentladung.
Die Behälter-Stapelbauweise ermöglicht die thermische Entkopplung der Einzelbehälter durch Zwischenlegung von druckfesten Dämmplatten 8. Damit bleibt die Temperaturschichtung von Einzelbehälter zu Einzelbehälter erhalten und es ist die grundlegende Voraussetzung für Wärmespeicherung über längere Zeiträume (mehrere Tage, Wochen, Monate) bei Erhaltung maximaler Speicherkapazität realisiert.Preferably, identical containers 1 prefabricated in series are stacked on top of each other. Depending on the arrangement of the individual container (top, middle, bottom), some of the inlet/outlet nozzles are used for their function or the nozzles that are not required are closed off. The storage tank is loaded by removing cold storage fluid from the lowest connection nozzle 3 and, after heating this fluid in an external heat exchanger 7, layering it through the top connection nozzle 4 into the top storage tank. The overflow lines 2 between the containers enable the entire storage tank to be loaded from top to bottom. The connection nozzles 5, 6 are used to discharge the storage tank.
The container stacking design enables the thermal decoupling of the individual containers by interposing pressure-resistant insulation panels 8. This maintains the temperature stratification from individual container to individual container and the basic prerequisite for heat storage over longer periods of time (several days, weeks, months) while maintaining maximum storage capacity is realized.

Gleichzeitig bietet diese Behälter-Stapelbauweise große Kostenvorteile, da alle Behälter identisch gefertigt, ohne besonderen Aufwand transportiert und durch übliche Türen in Räume eingebracht werden können.At the same time, this container stacking method offers great cost advantages, as all containers are manufactured identically, can be transported without any special effort and can be brought into rooms through standard doors.

Weitere Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Further characteristics and features of the present invention are the subject of further subclaims and emerge from the following description of preferred embodiments.

Fig. 2 zeigt einen Behälterstapel, wobei der oberste Behälter 9 z.B. bei einer thermischen Solaranlage die Funktion des Wärmespeicher-Bereitschaftsteils mit Nachheizung übernimmt.Fig. 2 shows a container stack, whereby the uppermost container 9 takes over the function of the heat storage standby part with additional heating, e.g. in a thermal solar system.

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Dieser ganzjährig benutzte Behälter 9 kann in seiner Geometrie für minimale Wärmeverluste optimiert werden und somit von der Gestalt der übrigen, nur zu Zeiten des Sonnenstrahlungsangebots benötigten Stapelbehälter abweichen. Auch für den Bereitschaftsteil erweist sich die thermische Entkopplung zum darunter befindlichen Behälter als großer Vorteil, da Nachheizung - als Folge von Wärmeverlusten in die unteren Speicherbereiche - vermieden wird. Fig. 3 zeigt einen Behälterstapel, wobei der oberste Behälter 10 die Funktion des Ausdehnungsgefäßes für die Speicherflüssigkeit im Behälterstapel übernimmt. Dieser Behälter kann in seiner Geometrie, z.B. Höhe, vom darunterliegenden Behälter abweichen, wobei auch hier die thermische Entkopplung wiederum von Vorteil ist.This container 9, which is used all year round, can be optimized in its geometry for minimal heat loss and thus deviate from the shape of the other stacked containers, which are only needed at times when solar radiation is available. The thermal decoupling from the container below also proves to be a great advantage for the standby part, as reheating - as a result of heat loss into the lower storage areas - is avoided. Fig. 3 shows a container stack, with the top container 10 taking on the function of the expansion vessel for the storage fluid in the container stack. This container can deviate in its geometry, e.g. height, from the container below, whereby here too the thermal decoupling is an advantage.

Fig. 4 zeigt, daß je nach benötigtem Speichervolumen und vorhandener Raumgeometrie mehrere Behälterstapel nebeneinander aufgebaut und hydraulisch sehr einfach miteinander verbunden werden können.Fig. 4 shows that, depending on the required storage volume and the existing spatial geometry, several container stacks can be built next to each other and connected hydraulically very easily.

Ohne figürliche Abbildung ist der Unteranspruch, der die zweckmäßige und kostengünstige Wärmeisolierung des/der Behälterstapel anbetrifft. Neben der Möglichkeit einer konventionellen Wärme-Isolierung ist erfindungsgemäß vor-0 gesehen, den/die Behälterstapel in einem vorhandenen oder mit einer einfachen Trennwand zu schaffenden, separaten Raum anzuordnen und samt Zuleitungen sowie Verbihdungsleitungen zwischen den Behältern mit wärmeisolierenden Schüttgütern auf der Basis anorganischer Stoffe oder organischer Stoffe (Biomasse) gegen Wärmeverluste zu dämmen. Diese Isoliermaterial-Schüttung füllt alle Räume um den/die Behälterstapel in idealer Weise aus und schafft somit die örtlich maximal mögliche Wärmedämmung.The subclaim, which concerns the practical and cost-effective thermal insulation of the container stack(s), is not illustrated. In addition to the possibility of conventional thermal insulation, the invention provides for the container stack(s) to be arranged in an existing separate room or one that can be created with a simple partition wall and to be insulated against heat loss, including supply lines and connecting lines between the containers, with thermally insulating bulk materials based on inorganic substances or organic substances (biomass). This insulating material fills all the spaces around the container stack(s) in an ideal manner and thus creates the maximum possible thermal insulation locally.

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Bezugs2eichenReference2oaks

1 Behälter1 container

2 Überströmleitung2 Overflow line

3, 4 Anschlußstutzen für Speicherbeladung3, 4 Connection nozzles for storage tank loading

5, 6 Anschlußstutzen für Speicherentladung5, 6 Connection piece for storage discharge

7 Externer Wärmeübertrager7 External heat exchanger

8 Wärmedämmplatte8 Thermal insulation board

9 Wärmespeicher-Bereitschaftsteil mit Nachheizung9 Heat storage standby unit with reheating

10 Ausdehnungsgefäß für Speicherflüssigkeit10 Expansion vessel for storage fluid

Claims

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1. Speicher für Niederteraperatur-Wärme, gefüllt mit Wasser oder einer sonstigen zur Wärmespeicherung geeigneten Flüssigkeit, unter atmosphärischem Druck oder Über-/Unterdruck, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher aus zwei bis beliebig vielen stapelbaren Behältern mit äußeren Verbindungsleitungen aufgebaut wird.1. Storage tank for low-temperature heat, filled with water or another liquid suitable for heat storage, under atmospheric pressure or overpressure/underpressure, characterized in that the storage tank is constructed from two to any number of stackable containers with external connecting lines.

2. Speicher nach Patentanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Behälter im Stapel durch Zwischenlagen aus druckfesten Wärmedämmstoffen gegeneinander isoliert sind.2. Storage according to claim 1, characterized in that the individual containers in the stack are insulated from one another by intermediate layers of pressure-resistant thermal insulation materials.

3. Speicher nach Patentanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß vorwiegend stapelbare Behälter mit identischen Abmessungen und Anschlüssen verwendet werden.3. Storage according to claim 1, characterized in that predominantly stackable containers with identical dimensions and connections are used.

4. Speicher nach etanspruch 1. und 3., dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher-Teilvolumen mit spezieller Aufgabe, wie z.B. Bereitschaftsteil mit Nachheizung bei thermischen Solaranlagen, mit anderen Abmessungen als der übrige Speicherstapel ausgeführt wird.4. Storage according to claim 1 and 3, characterized in that a partial storage volume with a special function, such as a standby part with additional heating in thermal solar systems, is designed with different dimensions than the rest of the storage stack.

5. Speicher nach aentanspruch 1. bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß das Ausdehnungsgefäß für die Speicherflüssigkeit in den Behälterstapel, z.B. als oberster Behälter, integriert ist.5. Storage according to claim 1 to 4, characterized in that the expansion vessel for the storage liquid is integrated into the container stack, e.g. as the topmost container.

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6. Speicher nach Patentanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß bei begrenzter Bauhöhe mehrere Behälter-Stapel nebeneinander aufgebaut und hydraulisch miteinander verbunden werden.6. Storage according to claim 1, characterized in that, with a limited construction height, several container stacks are built next to one another and hydraulically connected to one another.

7. Speicher nach anspruch l., dadurch gekennzeichnet, daß der/die Behälterstapel samt Zuleitungen und Verbindungsleitungen zwischen den Behältern mit wärmeisolierenden Schüttgütern auf der Basis anorganischer Stoffe oder organischer Stoffe (Biomasse) gegen Wärmeverluste gedämmt ist/sind.7. Storage according to claim 1, characterized in that the container stack(s) including supply lines and connecting lines between the containers is/are insulated against heat loss with heat-insulating bulk materials based on inorganic substances or organic substances (biomass).