WO2006021464A1 - Verfahren für den betrieb von systemen mit aggregatzustand wechselnden medien und einrichtung, sowie verwendung - Google Patents

Verfahren für den betrieb von systemen mit aggregatzustand wechselnden medien und einrichtung, sowie verwendung Download PDF

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WO2006021464A1
WO2006021464A1 PCT/EP2005/009601 EP2005009601W WO2006021464A1 WO 2006021464 A1 WO2006021464 A1 WO 2006021464A1 EP 2005009601 W EP2005009601 W EP 2005009601W WO 2006021464 A1 WO2006021464 A1 WO 2006021464A1
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Karl Heinz Gast
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Karl Heinz Gast
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0034—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using liquid heat storage material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
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    • F25B2400/141—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant the extracted power is not recycled back in the refrigerant circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a method for operating systems with aggregate state changing media, such as heat pumps, cooling systems, differential pressure drives and units for aggregate state changing units, as well as the use of the method and the device.
  • aggregate state changing media such as heat pumps, cooling systems, differential pressure drives and units for aggregate state changing units, as well as the use of the method and the device.
  • the general state of the art is in heat pumps or steam generating
  • Equipment heat exchangers used to vaporize and liquefy the heat transfer media. In this case, two different heat transfer media are guided past each other at the heat exchangers. Such devices require the design of the heat exchanger according to the desired peak power with the necessary exchange surface or flow rate and the required material cost.
  • the heat or cold can not be utilized. For example, in a heat pump, the cooled medium d. H. the cold was not used. In cooling systems, this is the reverse.
  • the invention is based on the object, while avoiding the disadvantages of the known heat transfer in such systems, the method so that The energy-exchanging units can be designed so that this material can be performed sparingly and the system receives better efficiency.
  • the energy required for liquefaction and evaporation should be used as optimally as possible.
  • the energy required for this purpose should be obtained as regeneratively as possible and stored energies should be stored or otherwise made available.
  • the object is achieved by the method specified in the characterizing part of claim 1, namely the fact that the or the physical state change in a storing device in or on heat transfer media done and aggregate state changes are carried out according to the temperature in each case in a colder and in a warmer zone wherein the zones are loadable and dischargeable.
  • the invention also provides a device for operating systems with aggregate state changing media, mainly according to one or more of claims 1 to 24 which mutatis mutandis, the same object is the same as the method. This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 25, namely the fact that heat exchanging units consist of two successive shells, which form an interior. As a result, the required pressures can be maintained and a high heat exchange performance material saving and envelope surfaces can be achieved optimized.
  • the subject of the invention is a use of devices and / or methods in the form that they are used for the heat exchange of supply of cold areas and / or heat areas or for heat exchanging energy input and output, and for pressure vessels.
  • the stock productivity of the heat exchanging units is increased, i. These are optimized in terms of pressure and heat exchange material, so that it is achieved with low material usage high functionality in terms of heat exchange and pressure level.
  • the use of such methods increases the efficiency and degree of utilization of heating systems and mechanical energy generators for power generation or compression. Above all, this can be done with renewable energy.
  • FIG. 1 shows an example.
  • the storage heat transfer medium (17, 24) may, for example, be a fluid, wherein this fluid can be regeneratively heated or filled via supply (5, 20) and discharge (29, 21).
  • supply (5, 20) and discharge (29, 21) For example, with heat from a solar collector and / or geothermal energy.
  • a high or low temperature level is brought into the device thus storing with a layer loading and provision device (3, 25, 18, 19) and at the same time an optional temperature is made available from the storing device.
  • the two storing devices are advantageously insulated from each other heat (16).
  • the aggregate state changing media are located in the heat exchanging units (7, 9). According to the invention, these also store the state of matter changing media, which for example consist of propane or butane or a mixture of the two.
  • the aggregate state changing units (7, 9) are connected by lines (11, 12, 13) and are separable from each other with valves (6, 14).
  • a connecting line (12,13) is a compressor (8) and in the other connecting line (10) driven by flow of small turbine (10), vorgenanten components with a switching device (15) are switched according to the function.
  • the units of state (7, 9) which change state of matter also receive changing functions with regard to liquefaction and evaporation.
  • a heat exchanger In conventional heat pumps and refrigeration units, a heat exchanger always has the same function and the storage of the energy state of at least one side is not provided there. This is also advantageous for specific devices, since the heat transfer media are led past the heat exchangers with a large surface area for a high exchange rate. In a heat pump operation with the storing devices (1, 2) and the
  • state of matter changing units (7, 9) can also store the energy state of both sides in a colder and in a warmer zone.
  • the warmer zone is in the so-storing device (1) and the colder zone in the storing device (2), whereby the heat energy usefully in the storing device (2) as by a liquid from a Geoley Eatayneer.
  • the storing device (2) could also be located directly as a storage heat exchanger in a geological underground.
  • the division of the storage into an insulated storage device (2) and into a heat exchanging storage device additionally enables the utilization of the refrigeration temperature profile generated by the evaporation in the unit state changing unit (7) and storable with the layering and supply device by circulation of the frost-proof heat storage fluid (17), for example of oil or a water glycol mixture in heat exchangers in rooms or cabinets to be cooled.
  • the increased heat is achieved by compressing the evaporation agent with the compressor (8) into the heat exchange unit (9), the valve (14) allowing only a flow towards the heat exchange unit (9) and relaxing the compressed gas with the valve (9). 6) and the turbine (10) in the storing device (9).
  • the valves have in the prior art mechanically fixed functions with respect to backflow prevention and throttling.
  • variable pressure functions are provided by means of the pressure sensors (27, 26).
  • Backflow prevention is achieved in this arrangement by measuring pressure changes and releasing the valve in the case of flow making changes (14). But also with an additional measurement of the pressure at the compressor outlet is the backflow prevention and an exact Adjustment of pressure generation possible.
  • the switching device switches the processes depending on the measured pressures (26, 27) whereby a corresponding temperature level in the storing devices (1, 2) are generated.
  • the stored state-changing media in the heat exchange units (7, 9) allow operation in a wide pressure range, so that the different temperature levels and thus loading a vaporizing storing device in a wide temperature range, so that in addition to geothermal heat and waste heat or solar heat with this Device can be brought to a usable heat level, so that accumulating heat from diffuse radiation and lower temperatures from geothermal extraction can be used with the same system with high efficiency.
  • the refrigeration requirement is but to take into account what the arrangement of the inlet and outlet lines (20, 21) but allows, since the cold, for example, is lower storable than the supply and removal is arranged for the Krriarni. Like sr.hiohthar, Snit can hear Hif »Wäri ⁇ ippr7Piiminii ⁇ vm ⁇ Listen Heat requirements are kept independent of refrigeration demand and the cold are provided in several temperature levels.
  • the working pressure points of the evaporation and liquefaction can be much further apart by the storage, whereby the turbine can be operated optimally and the interaction of compression and relaxation is independent of each other.
  • the clocked operation of a heat pump, i. in time-separated phases is thereby possible, which also electrical energy from solar radiation can be better used for the compression, and solar radiation pauses can be at least partially bridged with the turbine.
  • the clocked operation allows a certain decoupling of refrigeration demand and heat demand, so that thermal limitations or cooling restrictions can be bridged, for example, by the limited storage capacity.
  • such a device provides not only heat but also refrigeration for use, so that the efficiency increases as, for example, the energy requirement for the cold is eliminated and the energy regeneratively or partially regeneratively generated, so that the environmental impact can be reduced. Also, the use of the aggregates takes place several times for heat and cold, which also savings can be achieved.
  • the refrigeration unit operation differs from the heat pump operation in that the storage capacity is more displaced in the colder zone and that the warmer zone is also cooled, for example, with geothermal heat insofar as the accumulated heat is not needed. This is with the storing device (1) the Zu (28) and derivative (29) in the field of
  • Heat exchanging unit (9) possible, while still heat can be brought with the stratifying device (25) in the upper region. As a result, with high cooling demand cooling with high efficiency is possible and heat is also available.
  • the system in Figure 1 is also operable in differential pressure mode. The required heat and cold, for example, also regenerative with solar heat or
  • FIG. 2 shows the heat exchanging unit for the physical state changes (7, 9) in an expanded and improved form. The problem with the heat exchange is that on the one hand high pressures must be maintained and the largest possible heat exchange surface is available.
  • the lower pressure stability of this form is compensated by connections of the shells (33) at intervals, which may advantageously be sleeves, so that through these sleeves a better convection of the storage medium (17, 24) is made possible.
  • a double wall (36) or bodies (37) with liquid and gas line to and from the outer wall (33) also the pressure stability and the simultaneous heat conduction, as well as a small wall thickness and thus a high heat exchange performance is achieved have a round or elongated shape with recesses which form an interior, which form short paths from the large outer surface into the internal medium, so that the heat exchange is optimal.
  • At least one compound (30) is liquid level-retaining, whereby the heat exchange with gas participation always have several storage heat exchanger in contact with liquid.
  • Storage heat exchangers in the manner described are also useful as a mere complement in other storage facilities, for example, for pressurized hot water or pressurized heat storage medium.
  • the method claimed for operating systems with aggregate state changing media such as heat pumps, cooling systems, differential pressure drives, that the or the state of aggregation in a storing device (1, 2) in or on heat transfer media (17, 24) carried out and aggregate state change in accordance with the temperature in each case a colder and in a warmer zone, where the zones are loadable and dischargeable (5, 29, 9, 7, 20, 21, 22, 23) can be used for heat-powered, cooling systems, or differential pressure operated fluid mechanical drives.
  • the combination of such systems to a heat storage device is useful, especially if they are divided into zones and thus different temperature levels can be produced and implemented useful.
  • Heat exchanging units result in new operating methods, for example, a range of more tolerant control of the energy conversion by the construction and degradation of gas pressures. For this purpose, however, facilities according to claims 25 to 31 are required. Also useful is the method that the aggregate state changing units (7, 9) and / or joints (11, 12, 13) between them are liquid and gas collecting formed and arranged so that a natural exchange can take place. As a result, the efficiency is improved, including, however, the storing zones are also arranged with difference in height. Further developing the method that aggregate state changing units (7, 9) and the adjacent heat storage media (17, 24) in an insulating space (1, 2) or storage space are integrated.
  • the zones can be built adjacent and kept at their temperature, which can not be done for a long time without supply of temperature level in a pure stratification.
  • the use of storage capacities, for example in earthen areas, is facilitated by the integration of the units in storage spaces and more economical.
  • Isolation chambers (1, 2) are located, high temperature differences can be realized for storage.
  • the procedure that contains frost-prone or cooking zones (1, 2) or connected exchange systems as a heat storage medium or heat transfer medium oil or a water glycol mixture or gas allows operation and replacement especially for the use of freezing temperatures or high temperatures. But also a tolerant heat pump function with regard to temperature level and pressure level without danger of frost at further
  • the natural exchange of aggregate state changing or storing media can also be maintained during the cascading.
  • Operating benefit also brings the method for operating systems with aggregate state changing media that heat from and in an aggregate state changing units (7, 9) and / or storing devices (l, 2) temperature selectable removable and loadable (3, 18, 19, 25).
  • the storage temperature can be adapted to the respective use and heat supply phases, which also increases the efficiency.
  • Also useful for economic operation is the method for operating systems with aggregate state changing media, that the relaxation and / or compression of the physical state changing units (7, 9) is temperature-dependent.
  • Application gain brings the method for operating systems with aggregate state changing media, that is discharged from an aggregate state changing device heat and cold or electrical (8) or mechanical energy (8). As a result, for example, larger cold rooms can be created, which, for example, modern basement for
  • Ingredients are to be used for irinotitis anr. H. Intznm ⁇ ⁇ mn Irnctenaiinctin cr% a; r ⁇ , a * u n ⁇ a ⁇ Solar energy for the generation of electrical energy supports the regeneration of this form of energy and helps to apply it as well.
  • the method of operating systems with aggregate state alternating media that the loading and / or unloading (5, 29, 9, 20, 21, 22, 23, 7) of the zones (1,2) is regenerative, such as with solar panels, Geothermal, earth cold, air (37, 38), allows the extension of the zones (1,2)
  • a protective liquid (39) protects the heat storage fluid and the storing device from oxygen entry and thus from corrosion.
  • Dölich for operating systems with aggregate state changing media is the method that is switched at the risk of frost of a regenerative generator by Wä ⁇ neentddling to another generator and / or heat excess temperature level in an endangered generator is supplied. As a result, for example, the system efficiency is improved.
  • the method for operating systems with aggregate state changing media that at least 2 of the following modes in an aggregate state changing system are operable: heat pump operation, refrigeration mode, differential pressure drive operation. This allows the production of electrical energy from heat using units for the operating modes. Also advantageous is the method that aggregates or memory from a refrigeration system or
  • Heat pump system can be used for a differential pressure operation or vice versa.
  • the differential pressure operation is more economically feasible and heat pump operation and cooling operation can functionally benefit from it.
  • electrical energy can be recovered and utilized within the systems and used for example for auxiliary energy and electrical energy to the outside independent of the conversion rate of energy to Will be provided.
  • Beneficial is the method that in heat pump operation or refrigeration operation, the relaxation energy is converted into mechanical energy and this energy is reused, such as by mechanically driving a generator that supplies the compression drive with energy or drives a pre-compression. As a result, the efficiency or the number of working is improved and the delivery of electrical energy can be supported with these units.
  • the energy is optimally utilized and the efficiency of Plant is improved.
  • the feed can be done by a housing surrounded by the storage heat transfer medium or a heat transfer medium by means of natural convection or by passage into the storing device (1,2) or in an exchange circulation.
  • the provision that the heat exchanging units (7, 9) take place by means of two shells (33) mounted one on top of the other can also provide the heat exchanging units with pressure stability and storage capability and can also be adapted to the formation of heat zones or cold zones, wherein also a stratification within the zones is made possible in compact dimensions.
  • an installation position or installation position can be kept tolerant, since only slight heat transfer is possible due to changes in position.
  • such units can be carried out over a large area, whereby, for example, the application is given in heat exchanging exchangers of a heating system.
  • the mounting position is independent and gas inclusions can be avoided, whereby the heat exchange performance can be kept constant.
  • Other layers than in the figures can be realized with other attachment of the inlets and outlets and depending on the application feasible and with advantages in terms of heat conduction over short distances and with storing recording and delivery of heat is providable.
  • geothermal can be obtained by little earth movement with such heat exchange units.
  • the device is favorable in that the media receiving units increase surfaces and pressure stabilizing. As a result, the heat exchange over a larger area and by a corresponding embodiment of the area enlargement Druckstabütician is additionally increased, whereby thin walls can be realized and thereby the heat exchange performance is also improved.
  • the device that the press-in edges are semi-honeycomb structured, allows additional stability and surface enlargement through the structure.
  • a pressure stabilization (28) and / or surface enlargement of the media receiving units by means of heat storage media, such as by integration in fluid pressure accumulator.
  • the fluid pressure takes over part of the pressure stabilization for safety and the fluid heat conduction.
  • brackets also by sleeves, the pressure stability is increased and by a design that these means are arranged to conduct heat and constructive so that in addition one significant varnishleit industrial or convection relief is possible.
  • sleeves are designed as a guide for a screw connection and in addition the sleeve is made so large that convection can take place through the sleeve, as a result of which large-area heat exchange units are quasi are interrupted and the convection can take shorter paths and thus a better natural exchange of media takes place.
  • devices and methods according to claims 1 to 29 are used for the heat exchange supply of cooling areas and / or heat areas or for heat exchanging energy input and output.
  • Different degrees of cold and heat can be used in different areas such as compartments, cabinets and rooms. For example, freezing, cooling, air conditioning, heating, heating, heating. Areas remote from the storage device may be provided with fluid exchange devices and heat exchange units of the type according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, wie Wärmepumpen, Kühlsysteme, Differenzdruckantrieben, in welchen erfindungsgemäss die oder der Aggregatzustandswechsel in einer speichernden Einrichtung in oder an Wärmeträgermedien erfolgen und Aggregatzustandswechsel entsprechend der Temperatur jeweils in einer kälteren und in einer wärmeren Zone durchgeführt werden, wobei die Zonen ladbar und entladbar sind. Vorteilhafte Weiterbildungen eines solchen Verfahrens sind angegeben. Weiterhin wird eine Einrichtung beschrieben bei der wärmetauschende Einheiten aus zwei aufeinander 10 angebrachten Schalen bestehen, welche einen Innenraum bilden. Die Verwendung des Verfahrens und der Einrichtung für Kälte- und Wärmezwecke wird angegeben. Dies erfüllt die Aufgabe der Verbesserung von Wirkungsgraden Material sparend zu erfüllen und die regenerative Nutzung von Wärme und Kälte zu erweitern, sowie den Anwendernutzen zu erhöhen.

Description

Verfahren für den Betrieb von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien und Einrichtung, sowie Verwendung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, wie Wärmepumpen, Kühlsysteme, Differenzdruckantrieben und eine Einrichtung für Aggregatzustand wechselnde Einheiten, sowie die Verwendung des Verfahrens und der Einrichtung. Beim allgemeinen Stand der Technik werden in Wärmepumpen oder Dampf erzeugenden
Einrichtungen Wärmetauscher verwendet, um die die Wärmeträgermedien zu Verdampfen und zu verflüssigen. Hierbei werden jeweils zwei unterschiedliche Wärmeträgermedien an den Wärmetauschern aneinander vorbeigeführt. Solche Einrichtungen erfordern die Auslegung der Wärmetauscher entsprechend der gewünschten Spitzenleistung mit der dazu notwendigen Tauscherfläche oder Strömungsgeschwindigkeit und dem dazu erforderlichen Materialaufwand. Beim Betrieb mit an Wärmetauschern vorbei geführten Medien kann die Wärme oder Kälte nicht verwertet werden. Beispielsweise wird bei einer Wärmepumpe das abgekühlte Medium d. h. die Kälte nicht genutzt. Bei Kühlsystemen ist dies umgekehrt. Ausgehend von einem Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, wie Wärmepumpen, Kühlbereiche, Differenzdruckantrieben, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, unter Vermeidung der Nachteile des bekannten Wärmetransfers bei solchen Systemen das Verfahren so auszubilden, dass die Energietauschenden Einheiten so ausgelegt werden können, dass diese Material sparend ausgeführt werden können und das System einen besseren Wirkungsgrad erhält. Hierbei soll die zur Verflüssigung und Verdampfung benötigte Energie möglichst optimal genutzt werden. Weiterhin soll die die dazu notwendige Energie möglichst regenerativ gewonnen und frei werdende Energien gespeichert werden oder anderweitig zur Verfügung gestellt werden.
Erfϊndungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Verfahren gelöst, nämlich dadurch, dass die oder der Aggregatzustandswechsel in einer speichernden Einrichtung in oder an Wärmeträgermedien erfolgen und Aggregatzustandswechsel entsprechend der Temperatur jeweils in einer kälteren und in einer wärmeren Zone durchgeführt werden, wobei die Zonen ladbar und entladbar sind.
Diese können beispielsweise einen Verflüssiger oder ein Verdampfer oder beides enthalten, je nach dem welche der Betriebsarten, wie Wärmepumpen, Kühlen oder Differenzdruckbetrieb auf Grund des Temperaturaiveaus oder des Bedarfs genutzt wird. Hierdurch kann das entstehende Temperturniveau zur weiteren Verwertung gespeichert werden oder ein zusätzlich regenerativ gewonnenes Temperaturniveau für die Betriebsarten und die Versorgung genutzt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 24 angegeben. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Einrichtung zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, vorwiegend nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24 welchem sinngemäß die gleiche Aufgabe zu Grunde liegt wie dem Verfahren. Diese Aufgabe wird durch die in den Kennzeichen des Anspruchs 25 angegebenen Merkmale gelöst, nämlich dadurch, dass wärmetauschende Einheiten aus zwei aufeinander angebrachten Schalen bestehen, welche einen Innenraum bilden. Hierdurch können die geforderte Drücke gehalten werden und eine hohe Wärmetauschleistung Material sparend und Hüllflächen optimiert erreicht werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Einrichtung sind in den Ansprüchen 25 bis 31 angegeben. Ferner ist Gegenstand der Erfindung eine Verwendung von Einrichtungen und/oder Verfahren in der Form, dass diese zur Wärmetauschenden Versorgung von Kältebereichen und/oder Wärmebereichen oder für Wärmetauschende Energieaufnahme und -Abgabe, sowie für Druckbehälter verwendet werden.
Mit den vorgenannten Einrichtungen, Verfahren werden nachfolgend beschriebenen Vorteile erzielt. Die Stofϊbroduktivität der Wärme tauschenden Einheiten wird gesteigert, d.h. diese sind hinsichtlich Druck und Wärmetausch Material optimiert, so dass sie bei geringerem Materialeinsatz hohe Funktionalität hinsichtlich Wärmeaustausch und Druckhöhe erreicht wird. Weiterhin können gegenüber dem herkömmlichen Betreiben von Aggregatzustand wechselnden Systemen Bauteile eingespart werden, wie Pumpen, Ventile, alternierende oder Betriebsarten abhängige Verflüssiger und/oder Verdampfer. Die Nutzung solcher Verfahren steigert den Wirkungsgrad und Nutzungsgrad von Heizungsanlagen sowie mechanischer Energieerzeuger zur Stromerzeugung oder zu Verdichtung Vor allem kann dies mit regenerativer Energie erfolgen.
Hierzu mussten allerdings mehrere erfinderische Weiterbildungen ergänzt werden, um ein solches Verfahren zuverlässig lauffähig zu haben. Beispielsweise sind hierzu unterschiedliche Wäπnespeicherflüssigkeiten erforderlich, welche Frost und Kochgefahr minimieren. Auch die Ausführung von Wärmetauschenden Einheiten, welche bei fast allen Flüssigkeitsständen einen optimalen Wärmetausch gewährleisten war notwendig. Bei standardmäßig gewickelten Rohrwärmetauschern, welche man zum Aggregatzustandswechsel in einen Speicher integrieren könnte stellt sich das Problem der Verringerung von Wärmetauschleistung durch abnehmenden Kontakt mit Wärmetauschfläche bei reduziertem Flüssigkeitsstand besonders. Weiterhin ist geschichtete oder Temperaturraum gelagerte Kälteenergie bisher nicht bekannt, aber für Systeme bei denen auch diese genutzt wird für wirtschaftliche Anwendungen erforderlich. Damit und mittels Bereitstellungseinrichtungen für Kälte ist auch die wirtschaftliche zur Verfügungsstellung von Kälte mit wahlfreier Temperatur nutzbringend durchgeführt
Im Folgenden wird die Einrichtung und das Verfahren an Hand der Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt zum Teil in schematischer Darstellung: Figurl: Speichernde Einrichtung mit integrierten Aggregatzustand wechselnden Einheiten Figur2: Aggregatzustand wechselnden Einheiten kaskadiert
Eine der Aufgabenstellung gemäße Ausführung eines Systems mit Aggregatzustand wechselnden Medien zeigt Figur 1 beispielhaft. Darin sind speichernde Einrichtungen (1,2) mit Speicherwärmeträgermedien (17, 24) mit einer integrierten Aggregatzustand wechselnden Einheiten (7, 9) dargestellt. Das Speicherwärmeträgermedium (17, 24) kann beispielsweise ein Fluid sein, wobei dieses Fluid über Zu- (5, 20) und Ableitung(29, 21) regenerativ erwärmt oder befüllt werden kann. Beispielsweise mit Wärme aus einem Solarkollektor und/oder mit Erdwärme. Hierbei wird mit einer Schichtenlade- und Bereitstellungseinrichtungen (3, 25,18 ,19) ein hohes bzw. niedriges Temperaturniveau in die so speichernde Einrichtung gebracht und gleichzeitig eine wahlfreie Temperatur aus der speichernden Einrichtung zur Verfügung gestellt. Die beiden speichernden Einrichtungen sind vorteilhafter weise gegeneinander Wärme isoliert (16).
Die Aggregatzustands wechselnden Medien befinden sich in den Wäπnetauschenden Einheiten (7, 9). Diese speichern erfindungsgemäß auch die Aggregatzustands wechselnden Medien, welche beispielsweise aus Propan oder Butan oder einem Gemisch aus beiden bestehen. Die Aggregatzustands wechselnden Einheiten (7, 9) sind durch Leitungen (11, 12, 13) verbunden und sind mit Ventilen (6, 14) voneinander trennbar. In einer Verbindungsleitung (12,13) befindet sich ein Verdichter (8) und in der anderen Verbindungsleitung (10) eine durch Strömung angetriebene Kleinturbine (10), wobei vorgenanten Bauteile mit einer Schalteinrichtung (15) entsprechend der Funktion geschaltet werden. Die Aggregatzustands wechselnden Einheiten (7, 9) erhalten erfϊndungsgemäß je nach Funktion der Anordnung ebenfalls wechselnde Funktionen hinsichtlich Verflüssigung und Verdampfung. Bei üblichen Wärmepumpen und Kälteaggregaten hat ein Wärmetauscher immer dieselbe Funktion und die Speϊcherung des Energiezustandes mindestens einer Seite ist dort nicht vorgesehen. Dies ist für spezifische Geräte auch vorteilhaft, da die Wärmeträger für eine hohe Tauscherleistung an den Wärmetauschern mit großer Oberfläche vorbeigeführt werden. Bei einem Wärmepumpenbetrieb mit den speichernden Einrichtungen (1, 2) und den
Aggregatzustands wechselnden Einheiten (7, 9) ist jedoch auch der Energiezustand beider Seiten in einer kälteren und in einer wärmeren Zone speicherbar. In diesem Beispiel befindet sich die wärmere Zone in der so speichernden Einrichtung (1) und die kältere Zone in der speichernden Einrichtung (2), wodurch die Wärmeenergie sinnvoller weise in die speichernde Einrichtung (2) etwa durch eine Flüssigkeit aus einem Geowärmespeicherwärmetauscher. Die speichernde Einrichtung (2) könnte sich auch direkt als Speicherwärmetauscher in einem geologischen Untergrund befinden. Dies ist rtoπomihor ViarL-nmmKnhar TWΗniLr ohpnfallo τrr>rfo»ilhnftϊ»r Aa firahnncreai+if-it«-n fnr Warm*»taiiof>lif»r besonders bei geologisch schwierig zugänglichem Untergrund oder bei schon angelegten Grundstücken erleichtert und minimiert wird. Die Zweiteilung der Speicher in einen isolierte Speichereinrichtung (2) und in eine Wärmetauschende Speichereinrichtung ermöglicht zusätzlich die Nutzung des durch die Verdampfung in der Aggregatzustandswechselnden Einheit (7) entstehenden und mit der Schichten- und Bereitstellungseinrichtung speicherbaren Kältetemperaturprofϊls durch Umwälzung des frostsicheren Wärmespeicherfluids (17) beispielsweise von Öl oder eines Wasserglykolgemisches in Wärmetauscher in zu kühlenden Räumen oder Schränken. Die erhöhte Wärme wird durch Verdichtung des Verdampfungsmittels mit dem Verdichter (8) in die Wärmetauschende Einheit (9), wobei das Ventil (14) nur eine Strömung in Richtung der Wärmetauschenden Einheit (9) zulässt, und Entspannung des verdichteten Gases mit dem Ventil (6) und der Turbine (10) in der speichernden Einrichtung (9) erzeugt. Die Ventile haben beim Stand der Technik mechanisch feste Funktionen hinsichtlich Rückströmungsverhinderung und Drosselung. Mit Hilfe der schaltbaren Ventile (14,6) und der Schalteinheit (15) können vorgenannten Funktionen variabler hinsichtlich der Druckhaltung und Druckreduzierung gestaltet oder die Rückströmungsverhinderung aufgehoben werden. Variable Druckfunktionen werden mit Hilfe der Drucksensoren (27, 26) ermöglicht Die Rückströmungsverhinderung wird bei dieser Anordnung durch Messungen von Druckänderungen und Freischaltung des Ventils bei Strömungssicherstellenden Änderungen(14) erreicht Aber auch mit einer zusätzlichen Messung des Drucks am Verdichterausgang ist die Rückströmungsverhinderung und eine exakte Einstellung der Druckerzeugung möglich.
Durch Rückgewinnung der bei der Entspannung anfallenden Energie mit einer Turbine wird ein hoher Wirkungsgrad der Wärmepumpe erreicht Vorteilhafter ist dabei die generatorische Gewinnung von elektrischer Energie gegenüber einer mechanisch angetriebenen Vorverdichtung, da elektrische Generatoren hohe Wirkungsgrade besitzen und die Entspannung unabhängig von der Verdichtung mit Rückgewinnung erfolgen kann und damit diese auch zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Differenzdruckbetrieb genutzt werden kann. Die Schalteinrichtung (15) schaltet dabei die Vorgänge abhängig von den gemessenen Drücken (26, 27) wodurch ein entsprechendes Temperaturniveau in den speichernden Einrichtungen (1, 2) erzeugt werden. Die gespeicherten Zustandswechselnden Medien in den Wärmetauschenden Einheiten (7, 9) erlauben den Betrieb in einem weiten Druckbereich, so dass die unterschiedlichsten Temperaturniveaus und damit das Laden einer verdampfenden speichernden Einrichtung in einem weiten Temperaturbereich, so dass neben Geowärme auch Abwärme oder solare Wärme mit dieser Einrichtung auf ein nutzbares Wärmeniveau gebracht werden kann, so dass auch anfallende Wärme aus diffuser Strahlung und tiefere Temperaturen aus der Geothermischen Gewinnung mit der gleichen Anlage bei hohem Wirkungsgrad genutzt werden kann. Der Kältebedarf ist dabei aber zu berücksichtigen, was die Anordnung der Zu- und Ableitungen (20, 21) aber ermöglicht, da die Kälte beispielsweise tiefer lagerbar ist als die Zuführung und Entnahme für die Krriwärme angeordnet ist. snwie sr.hiohthar i«st Snmit kann Hif» Wäriτippr7Piiminii \vmτ Hör Wärmebedarf unabhängig vom Kältebedarf gehalten werden und die Kälte in mehreren Temperaturniveaus zur Verfügung gestellt werden.
Auch die Arbeitsdruckpunkte der Verdampfung und Verflüssigung können durch die Speicherung wesentlich weiter auseinander liegen, wodurch die Turbine optimaler betrieben werden kann und das Zusammenspiel von Verdichtung und Entspannung unabhängiger voneinander ist. Auch der getaktete Betrieb einer Wärmepumpe d.h. in zeitlich getrennten Phasen ist dadurch möglich, wodurch auch elektrische Energie aus solarer Strahlung für die Verdichtung besser genutzt werden kann, und solare Strahlungspausen auch mit der Turbine zumindest teilweise überbrückt werden kann. Weiterhin erlaubt der getaktete Betrieb eine gewisse Entkopplung von Kältebedarf und Wärmebedarf, so dass Wärmebegrenzungen oder Kältebegrenzungen beispielsweise durch die begrenzte Speicherkapazität überbrückt werden können.
Insgesamt liefert eine solche Einrichtung neben Wärme auch Kälte für die Nutzung, so dass hierdurch der Wirkungsgrad steigt, da beispielsweise der Energiebedarf für die Kälte entfallt und die Energie regenerativ oder teilweise regenerativ erzeugt wird, so dass die Umweltbelastungen reduziert werden. Auch die Nutzung der Aggregate erfolgt mehrfach für Wärme und Kälte, wodurch ebenfalls Einsparungen erzielt werden können.
Der Kälteaggregatbetrieb unterscheidet sich vom Wärmepumpenbetrieb dadurch, dass die Speicherkapazität mehr in der kälteren Zone verlagert ist und dass die wärmere Zone ebenfalls beispielsweise mit Erdwärme insoweit gekühlt wie die anfallende Wärme nicht benötigt wird. Dies ist mit der speichernden Einrichtung (1) der Zu (28)und Ableitung (29) im Bereich der
Wärmetauschenden Einheit (9) möglich, wobei trotzdem Wärme mit der Schichtungseinrichtung (25) in den oberen Bereich gebracht werden kann. Hierdurch ist bei großem Kühlbedarf eine Kühlung mit hohem Wirkungsgrad möglich und Wärme ist ebenfalls nutzbar. Die Anlage in Figur 1 ist auch im Differenzdruckbetrieb betreibbar. Die dazu erforderliche Wärme und Kälte wird beispielsweise ebenfalls regenerativ mit solarere Wärme oder
Temperaturaiveauerhöhter Geowärme oder direkter Geokälte oder Kälte aus der Außenluft in die speichernde Einrichtung gebracht. Die Verdampfung kann dann in der Wärmetauschenden Einheit (9) erfolgen und die Verflüssigung durch Abkühlung in der Wärmetauschenden Einheit (7). Durch die gespeicherten Aggregatzustands wechselnden Medien kann der Druck so eingestellt werden, dass die Verdampfung und Verflüssigung bei der erzielbaren Temperaturdifferenz zwischen den speichernden Einrichtungen ermöglicht wird. Die Flüssigkeit müsste dann allerdings zurückgepumpt werden. Dies kann vorteilhafter weise bei einem längeren Differenzdruckbetrieb oder überhaupt vermieden werden, indem die die Speichwärmeträgerflüssigkeiten (17, 24) mit den Lade- und Bereitstellungseinrichtungen ausgetauscht werden und dadurch das höherer und niedere Temperaturniveau der Speichernden Einrichtungen ausgetauscht wird. Dies kann auch während des Aggregatzustands wechselnden Betriebs erfolgen. Hierdurch ist die Erzeugung von mechanischer Energie durch die Turbine (10) und damit von elektrischer Energie mittels Wärme ermöglicht, wobei diese Temperaturniveau schonend umgesetzt wird und damit ein guter Wirkungsgrad der Stromerzeugung bei geringer Leistung und dauerhaftem Betrieb, sowie die weitere Nutzung der Wärme gesichert. Eine zusätzliche Speicherung der elektrischen Energie erlaubt dann auch den Energieausgleich zwischen Tag und Nacht und eventuell weiterer Lastperioden mittels kleiner elektrischer Speicher. Hierdurch und durch die Nutzung der Einrichtung für die Wärme und Kältetechnik ist die wirtschaftliche Anwendung für Heizung Klimatisierung, Kühlung und Gefrierung und Energieumwandlung bei geringer Umweltbelastung gegeben. Figur 2 zeigt die Wärmetauschende Einheit für die Aggregatzustands Wechsel (7, 9) in einer erweiterten und verbesserten Form. Das Problem beim Wärmetausch besteht darin, dass einerseits hohe Drücke gehalten werden müssen und eine möglichst große Wärmetauschfläche zur Verfügung steht Dies wird heute üblicher weise mit Rohrwäπnetauschern gelöst, welche aber den Nachteil haben, dass sie in Speichereinrichtungen einen großen Bereich einnehmen und wenig Speichervolumen für die Aggregatzustand wechselnden Medien bieten. Eine Kugelform oder auch Zylinderform wäre ideal für die Druckhaltung bei geringem Materialaufwand. Zur Ausfüllung eines Wärmetauschers über eine weite Breite der Speichereinrichtung würde aber auch eine große Höhe erfordern, was besonders bei der Speicherung von Gas nachteilig wäre, da eine Große Oberfläche nur schwierig zum Wärmetausch nutzbar wäre. Erfindungsgemäß wird deshalb eine Lösung mittels zweier aufeinander angebrachter flacher Schalen (33) vorgeschlagen, welche Ausdehnungsmaße entsprechend der Form des Speichers besitzen, so dass mindestens die untere Schale die Flüssigkeit direkt verdampfen kann und die obere Schale per Wärmeleitung auf kurzem Wege zusätzliche Wärmetauschleistung bringt. Die geringere Druckstabilität dieser Form wird durch Verbindungen der Schalen (33) in Abständen ausgeglichen, welche vorteilhafter weise auch Hülsen sein können, so dass durch dies Hülsen eine bessere Konvektion des Speichermediums (17, 24) ermöglicht wird. Durch die Anbringung einer doppelten Wand (36) oder von Körpern (37) mit Flüssigkeits- und Gasleitung zur und von der Außenwand (33) wird ebenfalls die Druckstabilität und die gleichzeitige Wärmeleitung, sowie eine geringe Wanddicke und damit eine hohe Wärmetauschleistung erreicht Die Schalen können eine runde oder längliche Form mit Vertiefungen besitzen, welche einen Innenraum bilden, welcher kurze Wege von der großen Außenfläche in das innen liegende Medium bilden, so dass der Wärmetausch optimal verläuft.
Durch Kaskadϊerung solcher Flachwärmespeichertauscher kann die speichernde Einrichtung für die jeweilige Wärmetauschleistung erweitert werden. Dabei ist vorteilhaft, dass mindestens eine Verbindung (30) Flüssigkeitsniveaurückhaltend ist, wodurch beim Wärmetausch mit Gasbeteiligung stets mehrere Speicherwärmetauscher Kontakt mit Flüssigkeit haben. Dadurch können mit vorgenannten Ausbildungen des Verfahrens und der Einrichtung bei hoher Speicherfähigkeit von Gas und Flüssigkeit eine hohe Wärmetauschleistung und hohe Druckbelastung auch mit weiter Speicherwärmetauscher in der beschriebenen Art sind auch als reine Ergänzung in anderen Speichereinrichtungen sinnvoll, beispielsweise für unter Druck stehendes Brauchwasser oder unter Druck gesetztes Wärmespeichermedium.
Das Erfindungsbeanspruchte Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, wie Wärmepumpen, Kühlsysteme, Differenzdruckantrieben, dass die oder der Aggregatzustandswechsel in einer speichernden Einrichtung (1, 2) in oder an Wärmeträgermedien (17, 24) erfolgen und Aggregatzustandswechsel entsprechend der Temperatur jeweils in einer kälteren und in einer wärmeren Zone durchgeführt werden, wobei die Zonen ladbar und entladbar (5, 29, 9, 7, 20, 21, 22, 23) sind, kann für Wärmepen, Kühlsysteme, oder Differenzdruck betriebene strömungsmechanische Antriebe verwendet werden. Dazu ist auch die Kombination solcher Systeme an einer Wärmespeichernden Einrichtung sinnvoll, besonders wenn diese in Zonen unterteilt sind und dadurch unterschiedliche Temperaturniveaus nutzbar herstellbar und umsetzbar sind. Dazu ist die vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass Aggregatzustandswechsel in einer von Wärmespeichermedien (17, 24) angrenzenden Wärme tauschenden Einheit (7, 9), wie Speicherwärmetauscher, Mediensammelbehälter erfolgt, ebenfalls nützlich. Da dann das Vorbeifuhren von Medien mit Wärmeenergie, wie es beim Stand der Technik der Fall ist auch für beide Seiten vermieden wird und dadurch bestehende Wärmetauschsysteme mit solarer Technik oder Abwärme Wärme und Kälte zuführen können und die Umsetzung der Energie zeitunabhängig erfolgen kann. Auch durch die Speicherung der Aggregatzustandswechselnden Medien in den
Wärmetauschenden Einheiten ergeben sich neue Betriebsverfahren, beispielsweise ein Bereichs toleranteres Steuern der Energieumsetzung durch den Auf- und Abbau von Gasdrücken. Hierzu sind allerdings auch Einrichtungen nach den Ansprüchen 25 bis 31 erforderlich. Nützlich ist auch das Verfahren, dass die Aggregatzustands wechselnden Einheiten (7, 9) und/oder Verbindungen (11, 12, 13) dazwischen Flüssigkeits- und Gassammelnd geformt und angeordnet sind, so dass ein natürlicher Austausch erfolgen kann. Dadurch wird der Wirkungsgrad verbessert, wozu allerdings die speichernden Zonen ebenfalls mit Höhenunterschied angeordnet sind. Weiterbildend ist das Verfahren, dass Aggregatzustandswechselnde Einheiten (7, 9) und die angrenzenden Wärmespeichermedien (17, 24) in einem Isolierraum (1, 2) oder Speicheraum integriert sind. Hierdurch können die Zonen angrenzend aufgebaut werden und auf ihrer Temperatur gehalten werden, was bei einer reinen Schichtung nicht über längere Zeit ohne Zuführung von Temperaturniveau erfolgen kann. Auch die Nutzung von Speicherkapazitäten, beispielsweise in Erdbereichen, wird durch die Integration der Einheiten in Speicherräume erleichtert und wirtschaftlicher. Dadurch dass, dass sich die Aggregatzustand wechselnden Einheiten(7, 9) in unterschiedlichen
Isolierräumen (1, 2) befinden, können hohe Temperaturdifferenzen zur Speicherung realisiert werden. Das Verfahren, dass frostgefährdete oder kochgefahrdete Zonen (1, 2) oder angeschlossene Austauschsysteme als Wärmespeichermedium oder Wärmeträgermedium Öl oder eine Wasserglykol- Mischung oder Gas enthalten, erlaubt den Betrieb und den Austausch besonders für die Nutzung von Gefriertemperaturen oder Hochtemperaturen. Aber auch eine tolerante Wärmepumpenfunktion hinsichtlich Temperaturniveaus und Drucknϊveaus ohne Frostgefahr bei weiterer
Austauschmöglichkeit des Speicherwärmeträgers wird ermöglicht. Ansonsten können auch zusätzliche oder andere Wärmeträger- oder Wärmespeichermedien oder Schutzmedien enthalten sein, wie Wasser, Latenzspeichermedien, Feststoffspeicher, um beispielsweise hohe Speicherfähigkeit bei geringen Temperaturen zu erhalten. Mit dem Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass Wärmespeichermedien zwischen Zonen (1, 2) und/oder Wärmeaustauschsysteme austauschbar sind, können die Lagen der Temperaturzonen verändert werden. Hierdurch ist der natürliche Austausch von Aggregatzustands wechselnden Medien bei Mehrfachbetriebsfunktionen ermöglicht. Vorteilhaft ist auch das Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass Aggregatzustandswechselnde Einheiten (7, 8) und/oder die speichernden Einrichtungen (1,2) kaskadiert werden. Hierdurch können vor allem für den Wärmepumpenbetrieb unterschiedliche Temperaturgruppen gehalten werden und das Pumpen in Stufen erfolgen, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird. Mittels des Verfahren, dass die Kaskadierung von Aggregatzustands wechselnden Einheiten Flüssigkeitsrückhaltend (30) erfolgt, kann die Wärmetauschleistung der Kaskadierung unabhängig vom Pegelstand der Flüssigkeit gehalten werden.
Mit dem Verfahren, dass die Kaskadierung durch mindestens eine Reihenschaltung von kälterer Zone und wärmerer Zone erfolgt, kann beispielsweise der natürliche Austausch der Aggregatzustands wechselnden oder speichernden Medien auch bei der Kaskadierung beibehalten werden. Betriebsnutzen bringt auch das Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass Wärme aus und in einen Aggregatzustands wechselnde Einheiten (7, 9) und/oder speichernden Einrichtungen (l,2)Temperaturwahlfrei entnehmbar und ladbar ist (3, 18, 19, 25). Hierdurch ist beispielsweise die Speichertemperatur an die jeweiligen Nutzungs- und Wärmeangebotsphasen anpassbar, wodurch ebenfalls der Wirkungsgrad gesteigert wird. Nützlich für das wirtschaftliche Betreiben ist auch das Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass die Entspannung und/oder Verdichtung der Aggregatzustands wechselnden Einheiten (7, 9) Temperaturbedarfsabhängig erfolgt. Anwendungsgewinn bringt das Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass aus einem Aggregatzustand wechselnde Einrichtung Wärme und Kälte oder elektrische (8) oder mechanische Energie (8) abgegeben wird. Hierdurch können beispielsweise größere Kühlräume angelegt werden, wodurch beispielsweise auch moderne Keller für
Tjebensmitteiiapenine ffenutzt werden Irönnfiti Anr.h f<intznmσ \mn Irnctenaiinctin cr%a.;rΛ,a*un~a~ Wäπnenergie zur Erzeugung von elektrischer Energie unterstützt die regenerative Gewinnung dieser Energieform und hilft diese ebenfalls zur Anwendung zu bringen.
Besonders das Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass das Laden und/oder Entladen (5, 29, 9, 20, 21, 22, 23, 7) der Zonen (1,2) regenerativ erfolgt, wie mit Solarkollektoren, Erdwärme, Erdkälte, Luft (37, 38), erlaubt die Erweiterung des
Anwendungsnutzens oder eine Kostenreduzierung von Energie hinsichtlich Umwelt und Gesundheit, sowie der Finanzen. Aber auch Abwärme kann dadurch besser genutzt werden. Selbst Phasen mit geringem Energieangebot können durch Einspeisung mit konventionellen Stand-By-Wärmesystemen kostengünstig und mit hohem Komfort überbrückt werden und erlauben damit Versorgungssichere Systeme.
Kosten reduzierend ist das Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass das Laden und/oder Entladen der Zonen (1, 2) mit Gas, wie Luft, Abgas erfolgt und die Wärme oder Kälte durch Vorbeileiten (37, 38) direkt auf oder von einer Wärmespeicherflüssϊgkeit übertragen wird. Hierdurch können Wärmetauscher eingespart werden. Allerdings müssen die Druckverhältnisse berücksichtigt werden, so dass die Durchleitung nur bei ähnlichen Drücken lohnend ist. Eine Schutzflüssigkeit (39) schützt die Wärmespeicherflüssigkeit und die speichernde Einrichtung vor Sauerstoffeintrag und damit vor Korrosion.
Dienlich zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien ist das Verfahren, dass bei Frostgefahr eines regenerativen Erzeugers durch Wäπneentnahme auf einen anderen Erzeuger umgeschaltet wird und/oder bei Wärmeüberschuss Temperaturniveau in einem gefährdeten Erzeuger zugeführt wird. Hierdurch wird beispielsweise der Anlagenwirkungsgrad verbessert. Dadurch, dass mit dem Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien die Aggregatzustands wechselnden Medien zur Verdichtungsunterstützung in Wärme ausgedehnt werden, kann die Arbeitszahl von Wärmepumpen verbessert werden. Dies ist kann beispielsweise durch Anbringung beschriebenen Wärmetauschenden Einheiten in einem entsprechenden Temperaturbereich eines Speichers oder der speichernden Einrichtung (1,2) und Durchleitung des Aggregatzustands wechselnden Mediums erreicht werden. Auch hierbei kann die Speicherung dieser Medien zum Wärmetausch genutzt werden, wodurch Kosten für den Wärmetausch eingespart werden. Dies ist vor allem durch das Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien ermöglicht, dass die Aggregatzustand wechselnden Medien gespeichert gehalten werden. Weiterhin erlaubt dies einen toleranten Betrieb hinsichtlich Druck und Temperatur, und damit auch eine optimale Anpassung an den Wärmebedarf hinsichtlich Temperatuπύveau oder Wärmevolumen oder den Bedarf der anderen Energieformen. Besonders das Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass die Aggregatzustand wechselnden Medien zur Druckanhebung genutzt werden, erlaubt den Wirkungsgrad der Energieumwandlungen zu verbessern, da die Druckanhfihiinσ mit »n»nβrn*;.™ Wärme erfolgen kann. Dies wird durch entsprechend variabel gesteuerte Ventile erreicht, welche unterschiedliche Druckdifferenzen zwischen Wärmetauschenden Einheiten halten können, oder durch zusätzliche Behälter welche Aggregatzustands wechselnde Medien aus dem Kreislauf herausnehmen oder hinzugeben. Besonders günstig für wirtschaftliche Nutzung ist das Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass mindestens 2 der nachfolgenden Betriebsarten in einem Aggregatzustand wechselnden System betreibbar sind: Wärmepumpenbetrieb, Kälteerzeugungsbetrieb, Differenzdruckantriebsbetrieb. Dies ermöglicht die Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärme unter Nutzung von Aggregaten für die Betriebsarten. Vorteilhaft ist auch das Verfahren, dass Aggregate oder Speicher aus einem Kältesystem oder
Wärmepumpensystem für einen Differenzdruckbetrieb oder umgekehrt genutzt werden. Dadurch ist der Differenzdruckbetrieb wirtschaftlicher realisierbar und Wärmepumpenbetrieb und Kühlbetrieb können funktionell davon profitieren. Mittels des Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass elektrische Energie aus einer der Betriebsarten gespeichert wird, kann elektrische Energie innerhalb der Systeme gewonnen und verwertet werden und beispielsweise für Hilfsenergie genutzt werden und elektrische Energie nach außen unabhängiger von der Umwandlungsgeschwindigkeit der Energie zur Verfügung gestellt werden. Nutzbringend ist das Verfahren, dass bei Wärmepumpenbetrieb oder Kälteerzeugungsbetrieb die Entspannungsenergie in mechanische Energie umgesetzt wird und diese Energie wieder verwendet wird, wie durch mechanischen Antrieb eines Generators, welcher den Verdichtungsantrieb mit Energie versorgt oder eine Vorverdichtung antreibt. Hierdurch wird der Wirkungsgrad oder die Arbeitszahl verbessert und die Abgabe von elektrischer Energie mit diesen Aggregaten unterstützt werden. Mit dem Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, dass die produzierte Wärme des Verdichters verwertet wird, wie durch Einspeisung in eine speichernde Einrichtung (1,2) oder zur Abgabe an eine angeschlossene Austauscheinrichtung, wird die Energie optimal verwertet und der Wirkungsgrad der Anlage wird verbessert. Die Einspeisung kann durch ein vom Speicherwärmeträgermedium oder einem Wärmeträgermedium umspülten Gehäuse mittels natürlicher Konvektion oder mittels Durchleitung in die speichernde Einrichtung (1,2) oder in einen Austauschumlauf erfolgen.
Gewinnbringend ist auch besonders die Einrichtung, dass die Wärmetauschenden Einheiten (7, 9) mittels zweier aufeinander angebrachten Schalen (33) erfolgt Dadurch können die Wärmetauschenden Einheiten einerseits mit Druckstabilität und Speicherfähigkeit ausgestattet werden und auch an die Formung von Wärmezonen oder Kältezonen angepasst werden, wobei auch eine Schichtung innerhalb der Zonen bei kompakten Abmessungen ermöglicht wird. Bei Flüssigkeitspegel enthaltenden oder ändernden Wärmemedien kann mit dieser Formung eine Einbaulage oder Aufstellungslage tolerant gehalten werden, da durch Lageänderungen nur gerinεe WärmetaiisRWfiiehinooanHeni««-." «~+~*~i — Weiterhin können solche Einheiten großflächig ausgeführt werden, wodurch beispielsweise auch die Anwendung in Wärmeaustauschenden Austauscheinrichtungen eines Heizungssystems gegeben ist. Bei solchen Anwendungen ist auch die Aufstellungslage unabhängig und Gaseinschlüsse können vermieden werden, wodurch die Wärmetauschleistung, konstant gehalten werden kann. Auch andere Lagen als in den Figuren sind bei anderer Anbringung der Ein und Auslässe realisierbar und je nach Anwendung durchführbar und mit Vorteilen hinsichtlich der Wärmeleitung auf kurzen Wegen und mit speichernder Aufnahme und Abgabe von Wärme vorsehbar ist. Beispielsweise kann Erdwärme durch wenig Erdbewegung mit solchen Wärmetauschenden Einheiten gewonnen werden. Für den optimalen Einsatz von Materialien ist die Einrichtung günstig, dass die Medien aufnehmenden Einheiten Oberflächen vergrößert und Druck stabilisierend sind. Dadurch erfolgt der Wärmetausch über eine größere Fläche und durch eine entsprechende Ausführung der Flächenvergrößerung wird zusätzlich die Druckstabüität erhöht, wodurch dünne Wände realisiert werden können und dadurch die Wärmetauschleistung ebenfalls verbessert ist. Dies bringt besonders die Einrichtung, dass die Druckhaltung und/oder Oberflächenvergrößerung mittels zur Oberfläche parallel angebrachter Flächen (35) oder Körper (36) erfolgt, welche Flüssigkeits- und Dampfdurchlässig sind. Dadurch wird hohe Stabilität bei gleichzeitig hoher Wärmetauschleistung sowie hohe Wärmeleitung in das Innere der Medien aufnehmenden Einheit erreicht. Dadurch, dass die Oberflächenvergrößerung und Druckstabilisierung mittels eingepresster Kanten in die Wand erfolgt, wird die Stabilität bei dünnen Wänden erhöht
Die Einrichtung, dass die Einpresskanten halbwabenförmig strukturiert sind, ermöglicht zusätzliche Stabilität und Oberflächenvergrößerung durch die Struktur.
Mittels der Einrichtung, dass die Halbwabenformen wechselnd von der Einpressrichtung sind, wird durch eine entsprechende Versetzung annäherungsweise eine Vollwabenstabilität erreicht, mit dem Vorteil, dass solche Strukturen pressbar sind.
Weitere vorteilhafte Fortbildungen werden durch die Einrichtung bewirkt, dass eine Druckstabilisierung (28) und/oder Oberflächenvergrößerung der Medien aufnehmenden Einheiten mittels Wärmespeichermedien erfolgt, wie durch Integration in Fluiddruckspeicher. Hierbei übernimmt der Fluiddruck einen Teil der Druckstabilisierung für die Sicherheit und das Fluid die Wärmeleitung. Auch durch die Lagerung in Feststoffspeichermedien oder der teilweisen Lagerung oder durch Befestigungs- und Wärmeleiteinrϊchtungen beispielsweise Verschraubungen, Klammerungen auch durch Hülsen wird die Druckstabilität erhöht und durch eine Ausführung, dass diese Mittel Wärme leitend und Konstruktiv so angeordnet sind, dass zusätzlich eins signifikante Wärmeleitleistung oder Konvektionserleichterung ermöglicht wird. Beispielsweise werden Hülsen als Führung für eine Verschraubung ausgeführt und zusätzlich die Hülse so groß ausgeführt, dass eine Konvektion durch die Hülse erfolgen kann, wodurch großflächige Wärmetauschende Einheiten quasi unterbrochen sind und die Konvektion abgekürzte Wege nehmen kann und dadurch eine besserer natürlicher Austausch von Medien erfolgt.
Für die Anwendung nutzbringend ist, dass Einrichtungen und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 29 zur Wärmetauschenden Versorgung von Kältebereichen und/oder Wärmebereichen oder für Wärmetauschende Energieaufnahme und -Abgabe verwendet werden.
Hierbei können unterschiedliche Grade der Kälte und Wärme in unterschiedlichen Bereichen wie Fächer, Schränke und Räume genutzt werden. Beispielsweise Gefrieren, Kühlen, Klimatisieren, Heizen, Erwärmen, Erhitzen. Von der speichernden Einrichtung entfernte Bereiche können mit Fluidaustauscheinrichtungen und Wärmetauschenden Einheiten der erfindungsgemäßen Art versorgt werden.
Die Verwendung der Wärmetauschenden Einrichtungen und Verfahren ist für jede Wärmeenergieaufhahme oder -Abgabe auch für Druckbehälter aus den beschriebenen Gründen erfinderisch vorteilhaft, da die konstruktive Ausführung die geforderten Eigenschaften verbessert und dies Material sparend und Betriebskosten günstig. Bezugszeichenliste:
1 Speichernde Einrichtung
2 Speichernde Einrichtung
3 Lade- und Beretstellungseinrichtung
4 Isolierung 5 Fluidzu/ableitung
6 Entspannungsventil/ Dichtventil
7 Aggregatzustand wechselnde Einheit
8 Verdichter/Druckdifferenzantrieb
9 Gasumsetzer 10 Turbine
11 Leitung für Aggregatzustandwechselndes Medium
12 Leitung für Aggregatzustandwechselndes Medium
13 Leitung für Aggregatzustandwechselndes Medium
14 Dichtventil/Entspannungsventil 15 Schaltglied
16 Isolierung
17 Wärmespeichermedium
18 Lade- und Beretstellungseinrichtung
19 Lade- und Beretstellungseinrichtung 20 Fluidzu/ableitung
21 Fluidzu/ableitung
22 Fluidzu/ableitung 23 Fluidzu/ableitung
24 Wäπnespeichermedium
25 Lade- und Beretstellungseinrichtung
26 Druckmessung 27 Druckmessung
28 Druckstabilisierung
29 Fluidzu/ableitung
30 Leitungsanschluss fürKaskadierung
31 Niveaurückhaltung 32 Leitungsanschluss
33 Schalen
34 Leitungsanschluss
35 Flächenstabilisierung
36 Körperstabilisierung 37 Fluidzu/ableitung
38 Fluidzu/ableitung
39 Schutzflüssigkeit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, wie Wärmepumpen, Kühlsysteme, Differenzdruckantrieben, dadurch gekennzeichnet, dass die oder der Aggregatzustandswechsel in einer speichernden Einrichtung (1, 2) in oder an Wärmeträgermedien (17, 24) erfolgen und Aggregatzustandswechsel entsprechend der Temperatur jeweils in einer kälteren und in einer wärmeren Zone durchgeführt werden, wobei die Zonen ladbar und entladbar (5, 29, 9, 7, 20, 21, 22, 23) sind.
2. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach Anspruch l dadurch gekennzeichnet, dass Aggregatzustandswechsel in oder an Wärmespeichermedien (17, 24) angrenzenden Wärme tauschenden Einheit (7, 9), wie Speicherwärmetauscher, Mediensammelbehälter erfolgt.
3. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach den Ansprüchen 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Aggregatzustands wechselnden Einheiten (7, 9) und/oder Verbindungen (11, 12, 13) dazwischen Flüssigkeits- und Gassammelnd geformt und angeordnet sind, so dass ein natürlicher Austausch erfolgen kann.
4. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass Aggregatzustandswechselnde Einheiten (7, 9) und die angrenzenden Wärmespeichermedien (17, 24) in einem Isolierraum (1, 2) oder Speicherraum integriert sind. 5. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aggregatzustand wechselnden Einheiten(7, 9) in unterschiedlichen Isolierräumen (1, 2) befinden.
6. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass frostgefährdete oder kochgefahrdete Zonen (1, 2) oder angeschlossene Austauschsysteme als Wärmespeichermedium oder Wärmeträgermedium Öl oder eine Wasserglykol-Mischung oder Gas enthalten.
7. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis β dadurch gekennzeichnet, dass Wärmespeichermedien zwischen Zonen (1, 2) und/oder Wärmeaustauschsysteme austauschbar sind. 8. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass Aggregatzustandswechselnde Einheiten (7, 8) und/oder die speichernden Einrichtungen (1,2) kaskadiert werden. 9. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis δ dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskadierung von Aggregatzustands wechselnden Einheiten Flüssigkeitsrückhaltend (30) erfolgt. 10. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskadierung durch mindestens eine Reihenschaltung von kälterer Zone und wärmerer Zone erfolgt.
11. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass Wärme aus und in einen Aggregatzustands wechselnde Einheiten (7, 9) oder speichernden Einrichtung (1,2) Temperaturwahlfrei entnehmbar und ladbar ist (3, 18, 19, 25).
12. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis ll dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung und/oder Verdichtung der Aggregatzustands wechselnden Einheiten (J, 9) Temperaturbedarfsabhängig erfolgt.
13. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Aggregatzustand wechselnde Einrichtung Wärme und Kälte oder elektrische (8) oder mechanische Energie (8) abgegeben wird.
14. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Laden und/oder Entladen (5, 29, 9, 20, 21, 22, 23, 7) der Zonen (1,2) regenerativ erfolgt, wie mit Solarkollektoren, Erdwärme, Erdkälte, Luft (37, 38). 15. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass das Laden und/oder Entladen der Zonen (1, 2) mit Gas, wie Luft, Abgas erfolgt und die Wärme oder Kälte durch Vorbeileiten (37, 38) direkt auf oder von einer Wärmespeicherflüssigkeit übertragen wird.
16. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis l5 dadurch gekennzeichnet, dass bei Frostgefahr eines regenerativen Erzeugers durch Wärmeentnahme auf einen anderen Erzeuger umgeschaltet wird und/oder bei Wärmeüberschuss Temperaturniveau in einem gefährdeten Erzeuger zugeführt wird.
17. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Aggregatzustands wechselnden Medien zur Verdichtungsunterstützung in Wärme ausgedehnt werden.
18. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Aggregatzustand wechselnden Medien gespeichert gehalten werden.
19. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Aggregatzustand wechselnden Medien zur Druckanhebung genutzt werden. 20. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis l9 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2 der nachfolgenden Betriebsarten in einem Aggregatzustand wechselnden System betreibbar sind: Wärmepumpenbetrieb, Kälteerzeugungsbetrieb, Differenzdruckantriebsbetrieb. 2 L Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass Aggregate oder Speicher aus einem Kältesystem oder Wärmepumpensystem für einen Dififerenzdruckbetrieb oder umgekehrt genutzt werden.
22. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass elektrische
Energie aus mindestens einer der Betriebsarten gespeichert wird.
23. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass bei Wärmepumpenbetrieb oder Kälteerzeugungsbetrieb die Entspannungsenergie in mechanische Energie umgesetzt wird und diese Energie wieder verwendet wird, wie durch mechanischen Antrieb eines
Generators, welcher den Verdichtungsantrieb mit Energie versorgt oder eine Vorverdichtung antreibt oder die Energie für den Verbrauch gespeichert wird.
24. Verfahren zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23 dadurch gekennzeichnet, dass die produzierte Wärme des Verdichters verwertet wird, wie durch Einspeisung in eine speichernde Einrichtung (1,2) oder zur Abgabe an eine angeschlossene Austauscheinrichtung.
25. Einrichtung vorwiegend zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, besonders für Vorrichtungen nach dem Verfahren nach Anspruch l dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauschenden Einheiten (7, 9) aus zwei aufeinander angebrachten Schalen (33) bestehen, welche einen Innenraum bilden.
26. Einrichtung vorwiegend zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach Anspruch 25 dadurch gekennzeichnet, dass die Medien aufnehmenden Einheiten Oberflächen vergrößert und Druck haltend sind.
27. Einrichtung vorwiegend zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckhaltung und/oder
Oberflächenvergrößerung mittels zur Oberfläche parallel angebrachter Flächen, Körper erfolgt, welche Flüssigkeits- und Dampfdurchlässig sind.
28. Einrichtung vorwiegend zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenvergrößerung und Druckhaltung mittels eingepresster Kanten in die Wand erfolgt. 29. Einrichtung, vorwiegend zum Befreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien, nach Anspruch 28 dadurch gekennzeichnet, dass die Einpresskanten halbwabenförmig strukturiert sind.
30. Einrichtung vorwiegend zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach Anspruch 29 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwabenformen wechselnd von der Einpressrichtung sind.
3 L Einrichtung vorwiegend zum Betreiben von Systemen mit Aggregatzustand wechselnden Medien nach Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckhaltung (28) und/oder Oberflächenvergrößerung der Medien aufnehmenden Einheiten mittels Wärmespeichermedien erfolgt, wie durch Integration in Fluiddruckspeicher oder durch Lagerung in Feststoffspeicheπnedien auch der teilweisen Lagerung oder durch Befestigungs- und Wärmeleiteinrichtungen beispielsweise Verschraubungen, Klammerungen auch durch Hülsen.
32. Einrichtungen und Verfahren nach den Ansprüchen I bis 31 dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Wärmetauschenden Versorgung von Kältebereϊchen und/oder Wärmebereichen oder für Wärmetauschende Energieaufnahme und -Abgabe, sowie für Druckbehälter verwendet werden.
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