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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Latentwärmespeicher mit
einem Behälter zur Aufnahme eines Speichermediums und eines
Wärmetransportmediums, das in einem Umwälzkreislauf
geführt ist, der eine Pumpe und eine im Bereich des Speichermediums
angeordnete Rohrleitung mit einem Vorlauf und einem Rücklauf
zur Durchströmung mit dem Wärmetransportmedium
umfasst.
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Ein
Latentwärmespeicher funktioniert durch die Ausnutzung der
Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen
des Speichermediums, wie z. B. des Phasenübergangs festflüssig (Schmelzen-Erstarren),
oder reversibler chemischer Reaktionen, wie z. B. von auf Chemisorption
beruhender Absorptions- und Desorptionsprozessen. Die Ausnutzung
des Phasenübergangs fest-flüssig ist dabei das
am häufigsten genutzte Prinzip. Beim Aufladen eines Latentwärmespeichers
werden meist Salze oder Paraffine als Speichermedium aufgeschmolzen,
die dabei relativ viel Wärmeenergie, nämlich Schmelzwärme,
aufnehmen. Da der Vorgang des Schmelzens reversibel ist, gibt das
Speichermedium die aufgenommene Wärmeenergie beim Erstarren
wieder ab. Derartige Latentwärmespeicher sind beispielsweise
geeignet, wechselhaft bzw. nicht dauernd anfallende Wärmeenergie über einen
längeren Zeitraum zu speichern und sind beispielsweise
in der
DE 30 07 275
A1 beschrieben. Die
EP 1 598 406 A1 offenbart Latentwärmespeichermaterialien.
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Beim
Betrieb eines Latentwärmespeichers ergibt sich das Problem,
dass sich die Salze oder das Paraffin bei der Abgabe der gespeicherten
Wärmeenergie verfestigen und ab einer bestimmten Temperatur
als Feststoff vorliegen, so dass ein zum Be- und Entladen des Speichermediums
mit Wärmeenergie dienendes Wärmetransportmedium
in Form einer Flüssigkeit das Speichermedium nicht mehr
durchströmen kann. Um bei einem verfestigten Speichermedium
die Aufnahme von Wärmeenergie innerhalb eines verhältnismäßig
kurzen Zeitraums zu ermöglichen, ist es bekannt, eine Zusatzheizung
vorzusehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Latentwärmespeicher
der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei einem einfachen
Aufbau ein relativ schnelles Schmelzen eines verfestigten Speichermediums
sicherstellt.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest ein im Bereich
eines Bodens des Behälters angeordneter Rohrleitungsabschnitt, der
den Vorlauf mit dem Rücklauf verbindet, als doppelwandiges
Koaxialrohr ausgeführt ist.
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Aufgrund
dieser Maßnahmen wird das Wärmetransportmedium
durch den von dem Speichermedium umgebenen Rohrleitungsabschnitt
gepumpt, wodurch auch ein erstarrtes Speichermedium relativ schnell
erwärmt und damit verflüssigt wird. Der Wärmeaustauschkreislauf
kann nach dem Erstarren des Speichermediums demnach mit hoher Effizienz
in Betrieb genommen werden und es wird gegenüber einer
Zusatzheizung ein hohes Maß an Energie eingespart, da gegenüber
der Heizleistung lediglich eine ver hältnismäßig
geringe Pumpleistung aufgewendet werden muss. Das Koaxialrohr gewährleistet
in jedem Fall, also auch bei einem erstarrten Speichermedium, einen
Durchfluss des Wärmetransportmediums, das das an das Innenrohr
angrenzende Speichermedium erwärmt. Durch die Anordnung
des Koaxialrohr in Bodennähe des Behälters ist
ein Totvolumen im Behälter mit unaufgeschmolzenem Speichermedium
verhindert und der gesamte Behälter mit dem Speichermedium
wird mit dem Wärmetransportmedium, beginnend am Boden des
Behälters, durchströmt.
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In
Ausgestaltung ist der Vorlauf zumindest im Bereich des Speichermediums
als doppelwandiges Koaxialrohr ausgebildet. Somit ist auch durch
das Innenrohr des Koaxialrohrs des Vorlaufs der Durchfluss des Wärmetransportmediums
zur Erwärmung des an das Innenrohr angrenzenden Speichermediums
ermöglicht.
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Um
ein Durchströmen des Speichermediums mit dem Wärmeträgermedium
sicherzustellen, umfasst das Koaxialrohr im Bereich des Bodens ein
Innenrohr und ein mit radialen Öffnungen versehenes Außenrohr.
Zweckmäßigerweise sind die Öffnungen des
Außenrohrs als Bohrungen ausgebildet und damit kostengünstig
herstellbar sowie in ihrer Anzahl und Ausrichtung für einen
optimalen Austritt des Wärmetauschermediums angeordnet.
Bevorzugt sind die Öffnungen im Außenrohr dem
Boden des Behälters gegenüberliegend angeordnet.
In die nach unten zum Boden ausgerichteten Öffnungen tritt
verhältnismäßig wenig Speichermedium
ein, da hier der Druck geringer als an der nach oben gerichteten
Seite des Außenrohrs ist.
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Vorzugsweise
ist, abhängig vom Aggregatzustand des umgebenden Speichermediums,
im Wesentlichen das Innenrohr oder das Au ßenrohr des Koaxialrohrs
mit dem Wärmetransportmedium durchströmt, wobei
bei Durchströmung des Außenrohrs das Wärmetransportmedium
durch die Öffnungen des Außenrohrs in das umgebende
Speichermedium austritt. Liegt das Speichermedium in teilaufgeschmolzenem
oder flüssigem Zustand vor, steht das Wärmetransportmedium
in Kontakt mit dem Speichermedium, das unmittelbar Wärmeenergie
aufnimmt bzw. an das Wärmetransportmedium abgibt. Befindet
sich das Speichermedium in festem Zustand, wird zwar eine direkte
Durchströmung des Speichermediums mit dem Wärmetransportmedium auch
aufgrund einer Verstopfung der Öffnungen im Außenrohr
bzw. des Ringspaltes zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr
verhindert, da aber ein Durchströmen des Innenrohrs nicht
davon behindert wird, kann jedoch trotzdem noch ein gewisser Wärmeaustausch
erzielt werden, so dass infolge Wärmeleitung zum Außenrohr
ein Aufschmelzen des Speichermediums zunächst im Ringspalt
und anschließend in unmittelbarer Nähe des Koaxialrohrs
ermöglicht wird, wodurch der Wärmeaustauschkreislauf
beginnend im Bereich des Vorlaufs zügig in Gang kommt.
Da das Aufschmelzen des Speichermediums in größerem
Maße im Bereich des Vorlaufs und des Rücklaufs
in der Kotaktzone des Wärmeträgermediums und des
Speichermediums erfolgt, kann hier an der Außenseite des
Koaxialrohrs des Vorlaufs bzw. des Rücklaufs, kurz nach
dem Beginn des Aufschmelzvorgangs das Wärmeträgermedium
in das Speichermedium eindringen, um das Aufschmelzen bzw. durchsetzen
des Speichermediums mit dem Wärmeträgermedium
zu beschleunigen.
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Zweckmäßigerweise
ist die Durchströmung des Innenrohrs oder des Außenrohrs
mittels eines in den Umwälzkreislauf eingesetzten Reglers,
insbesondere Druckreglers, steuerbar. Steigt beispielsweise der
Druck im Außenrohr an, da durch die Erstarrung des Speichermediums
der Ringspalt zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr
bzw. die Öffnungen im Außenrohr verstopft ist, öffnet
sich der Druckregler zumindest teilweise, wodurch ein Kreislauf durch
das Innenrohr freigegeben wird. Sinkt der Druck im Außenrohr
wieder, da zumindest ein Teil des Wärmetransportmediums
wieder durch den Ringspalt und die Öffnungen in das teilaufgeschmolzene
Speichermedium strömt, wird der Kreislauf aufgrund des
schließenden Druckreglers durch das Innenrohr wieder unterbrochen
und die komplette Strömung erfolgt durch den Ringspalt.
Damit stellt sich, je nach dem Aggregatzustand des Speichermediums, ein
für den Wärmeaustausch optimaler Umwälzkreislauf
ein. Alternativ zu einer druckabhängigen Regelung ist selbstverständlich
auch beispielsweise eine temperaturgesteuerte Regelung für
den Fachmann ausführbar.
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Um
ein Verflüssigen des nach einer Wärmeentladung
erstarrten Speichermediums zu beschleunigen, bestehen das Innenrohr
und das Außenrohr des Koaxialrohrs aus einem gut wärmeleitfähigem Material,
insbesondere Kupfer.
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Um
die Wärmeleitung zwischen Innen- und Außenrohr
zu verbessern, weist das Koaxialrohr zwischen Innenrohr und Außenrohr
wärmeleitfähige Elemente auf. Dies kann beispielsweise
durch Stege aus Kupfer oder eine Füllung aus Kupferwolle
verwirklicht werden.
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Nach
einer Weiterbildung ist das Koaxialrohr mäander- oder spiralförmig über
dem Boden des Behälters geführt. In alternativer
oder zusätzlicher Ausgestaltung sind mehrere Koaxial rohre
innerhalb des Speichermediums parallel geschaltet angeordnet. Bei
größeren Latentwärmespeichern kann damit
eine homogene Be- bzw. Entladung mit Wärmeenergie erzielt
werden.
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In
weiterer Ausgestaltung weist der Umwälzkreislauf im Vorlauf
einen endseitig in das Wärmetransportmedium ragenden Ansaugstutzen
aufweist, der mit der Pumpe verbunden ist, an die ein mit dem Außenrohr
des bodenseitigen Koaxialrohrs verbundenes Fallrohr angeschlossen
ist, wobei das Fallrohr mit dem Regler gekoppelt ist, von dem eine
mit dem Innenrohr des Koaxialrohrs gekoppelte Kurzschlussleitung
abgeht, und das Innenrohr mit einem zu dem Wärmetransportmedium
führenden Rücklauf verbunden ist. Zweckmäßigerweise
ist das Außenrohr des Koaxialrohrs im Vorlauf als unmittelbar
mit der Pumpe verbundenes Fallrohr und das Innenrohr als dem Regler
nachgeschaltete Kurzschlussleitung ausgebildet.
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Als
besonders geeignetes Speichermedium hat sich Salz, z. B. Natriumacetat-Trihydrat,
oder ein wachsähnliches Material, z. B. Paraffin, erwiesen. Diese
Materialien sind ungefährlich und können ohne Probleme
gehandhabt werden.
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Bei
Verwendung eines Salzes als Speichermedium hat sich im Hinblick
auf die sehr geringe Löslichkeit von geschmolzenem Salz Öl
als ideales Wärmetransportmedium erwiesen. Das Öl
kann daher direkt in Kontakt mit dem aufgeschmolzenen Speichermedium
treten. Zudem bietet Öl den Vorteil, dass dieses nur einen
sehr geringen Dampfdruck bei Erwärmung aufbaut und auch
bei höheren Temperaturen (z. B. über 100°C)
ohne besondere sicherheitstechnische Maßnahmen, wie beispielsweise
spezielle Druckbehälter mit Sicherheitsventilen, genutzt
werden.
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Nach
einer Weiterbildung ist in das Speichermedium ein mit einem Wärmetauscherkreislauf
gekoppelter Wärmetauscher eingesetzt. Der Wärmetauscherkreislauf
kann beispielsweise mit Wasser betrieben werden, während
als Wärmeträgermedium in dem Behälter Öl
verwendet wird. Beim Entladen des Latentwärmespeichers
wird kaltes Wasser durch den Wärmetauscher gepumpt, das
die gespeicherte latente Wärme des Speichermediums aufnimmt,
was dazu führt, dass in der Kontaktzone des Speichermediums
mit dem Wärmetauscher das Speichermedium zu einer isolierenden
Schicht erstarrt. Dem Entstehen der isolierenden Schicht wirkt jedoch
die Durchströmung des Speichermediums mit dem Wärmeträgermedium
entgegen.
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Der
Latentwärmespeicher dient insbesondere zur Speicherung
von Wärmeenergie aus einer gekühlten Solarenergieanlage
zur Erzeugung von elektrischer Spannung. Damit kann sehr effektiv
Wärmeenergie ohne Verzögerung aus Sonnenkollektoren gespeichert
und an Brauchwasseranlagen bzw. Heizkörper zur Raumheizung
abgegeben werden. Selbstverständlich ist der Einsatz des
Latentwärmespeichers nicht auf Photovoltaikanlagen beschränkt.
Vielmehr kann ein Einsatz auch im Zusammenhang mit thermischen Solaranlagen
oder anderen Einrichtungen, z. B. zu kühlende Industrieanlagen,
erfolgen, denen zu speichernde Wärme entzogen werden soll.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Latentwärmespeichers mit einem flüssigen Speichermedium,
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2 den
Latentwärmespeicher nach 1 mit dem
erstarrtem Speichermedium,
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3 den
Latentwärmespeicher nach 1 in erster
alternativer Ausgestaltung und
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4 den
Latentwärmespeicher nach 1 in weiterer
alternativer Ausgestaltung.
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Der
Latentwärmespeicher 1 umfasst einen Behälter 10 mit
einem Speichermedium 20 in Form eines Salzes, nämlich
Natriumacetat-Trihydrat, das durch Wärmezufuhr bzw. Wärmeabfuhr
seinen Aggregatzustand von fest nach flüssig bzw. von flüssig nach
fest reversibel ändert und aufgrund dieser Änderung
seines Aggregatzustandes Wärmeenergie speichert bzw. abgibt.
Das Speichermedium 20 ist in dem Behälter 10 mit
einem Wärmetransportmedium 30 in Form eines Öls
derart überdeckt, dass der Füllstand 31 des
Wärmetransportmediums 30 deutlich über
dem Füllstand 21 des Speichermediums 20 liegt.
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Nicht
dargestellt sind Wärmetauscherkreisläufe, d. h.
Zu- und Abläufe für das Wärmetransportmedium 30,
die zur Energiezufuhr aus einer Beheizungsanlage, z. B. einen Heizkessel
und/ oder einer Solarkollektoranlage, oder zur Wärmeentnahme,
z. B. zum Beladen eines Brauchwasserspeichers, dienen.
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Der
Latentwärmespeicher 1 ist mit einem Umwälzkreislauf
für das Wärmetransportmedium 30 versehen,
der in einem Vorlauf 52 eine Pumpe 42 und gemäß den 1 bis 3 einen
als Koaxialrohr 45 ausgeführten Rohrleitungsabschnitt
umfasst, der sich entlang einer Seitenwand 12 sowie über
einen Boden 11 des Behälters 10 erstreckt.
Das Koaxialrohr 45 weist ein Innenrohr 48 sowie
ein Außenrohr 46 auf, das im Bereich des Bodens 11 mit Öffnungen 47 versehen
ist. Ein oberes Ende des Koaxialrohrs 45 des Vorlaufs 52 befindet
sich oberhalb des Speichermediums 20. Das Wärmetransportmedium 30 wird
durch einen in das Wärmetransportmedium 30 hineinragenden
Ansaugstutzens 41, dessen freies Ende sich oberhalb des
Füllstands 21 des Speichermediums 20 befindet,
durch die Pumpe 42 angesaugt und durch ein Fallrohr 40 geleitet,
das in das vom Speichermedium 20 umgebene Außenrohr 46 mündet.
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In
dem Betriebsmodus gemäß 1 ist das Speichermedium 20 zumindest
teilweise mit Wärmeenergie aufgeladen und daher verflüssigt
bzw. nicht fest. Das Wärmetransportmedium 30 durchströmt das
Fallrohr 40 sowie das Außenrohr 46 und
tritt durch die in Richtung des Bodens 11 des Behälters 10 weisenden Öffnungen 47 in
dem unmittelbar benachbart zum Boden 11 angeordneten Außenrohr 46 in
das Speichermedium 20 ein, in dem es sich verteilt und
Wärme abgebend nach oben steigt, um sich über dem
Speichermedium 20 zu sammeln.
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Hat
das als Speichermedium 20 dienende Salz soviel Wärmeenergie
abgegeben, dass es erstarrt ist, kann das Wärmetransport medium 30 weder durch
den Ringspalt 51 zwischen dem Außenrohr 48 und
dem Innenrohr 48 des Koaxialrohrs 45 noch durch
die Öffnungen 47 des Außenrohrs 46 austreten,
wodurch der Druck im Fallrohr 40 ansteigt und aufgrund
des abnehmenden Eintrags von Wärme in das Speichermedium 20 dasselbe
weiter verfestigt.
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Um
das feste Speichermedium 20 wieder in den flüssigen
Zustand zu überführen, in dem es Wärme
speichern kann, geht gemäß 2 von dem
Fallrohr 40 eine T-Verzweigung 43 ab, in die ein
als Druckregler 44 ausgebildeter Regler eingesetzt ist, der
sich ab einem bestimmten Druck im Fallrohr 40 öffnet,
wonach das Wärmetransportmedium 30 durch eine
Kurzschlussleitung 50 in das Innenrohr 48 des Koaxialrohrs 45 gelangt.
Das Innenrohr 48 ist an einen Rücklauf 49 angeschlossen,
um das Wärmetransportmedium 30 über dem
Füllstand 21 des Speichermediums 20 in
den Behälter zu leiten.
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Aufgrund
dieser Ausgestaltung durchströmt das Wärmetransportmedium 30 zunächst
das Innenrohr 48 des Koaxialrohrs 45, so dass
durch Wärmeleitung das Speichermedium 20 in der
nächsten Umgebung, d. h. in dem Ringspalt 51 des
Koaxialrohrs 45 aufgeschmolzen wird. Anschließend
wird das Speichermedium 20 unmittelbar um das Außenrohr 46 verflüssigt
und gleichzeitig gelangt das Wärmetransportmedium 30 sowohl
von oben entlang des Vorlaufs 52 und des Rücklaufs 49 als
auch durch die Öffnungen 47 in der Nähe
des Bodens 11 in das Speichermedium 20. Um einen
schnellen Übergang von dem festen in den flüssigen
Aggregatzustand zu bewerkstelligen, sind das Innenrohr 48 und
das Außenrohr 46 aus einem gut wärmeleitenden
Material gefertigt. Besonders geeignet sind Metallrohre, beispielsweise Kupferrohre,
die miteinander verbunden sind. Mit der Verflüssigung des
Speichermediums 20 geht ein Druckabfall in dem Außenrohr 46 und
ein damit verbundenes Schließen des Durchgangs durch den
Druckregler 42 einher. Anschließend strömt
das Wärmetransportmedium 30 wieder überwiegend durch
das Außenrohr 46 und dessen radiale Öffnungen 47,
wodurch die Beladung des Speichermediums 20 mit Wärmeenergie
mit einer hohen Effizienz ermöglicht ist.
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Nach 3 ist
in das Speichermedium 20 ein mit einem Wärmetauscherkreislauf 60 gekoppelter
Wärmetauscher 61 eingesetzt. Der Wärmetauscherkreislauf 60 kann
mit Wasser betrieben werden, um beispielsweise eine Brauchwassererwärmung durchzuführen.
Das durch das Speichermedium 20 strömende Wärmetransportmedium 30 wirkt
der Bildung einer isolierenden Schicht durch erstarrendes Speichermedium 20 an
der Oberfläche des Wärmetauschers 61 bei
einem Entzug latenter Wärme entgegen.
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Gemäß 4 Ist
die Kurzschlussleitung 50 parallel zu dem Fallrohr 40 ausgerichtet
bis zu dem in der Nähe des Bodens 11 angeordneten
Koaxialrohr 45 geführt. Um bei einem verfestigten
Speichermedium 20 ein schnelles Aufschmelzen sicherzustellen, steht
die Kurzschlussleitung 50 mit dem Fallrohr 40 in thermischem
Kontakt. Die thermische Verbindung kann durch leitfähige
Verbindungen oder eine unmittelbar benachbarte Anordnung realisiert
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3007275
A1 [0002]
- - EP 1598406 A1 [0002]