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DE102018201619B4 - Heat storage device, work device, method for operating a heat storage device and method for operating a work device - Google Patents

Heat storage device, work device, method for operating a heat storage device and method for operating a work device Download PDF

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DE102018201619B4
DE102018201619B4 DE102018201619.4A DE102018201619A DE102018201619B4 DE 102018201619 B4 DE102018201619 B4 DE 102018201619B4 DE 102018201619 A DE102018201619 A DE 102018201619A DE 102018201619 B4 DE102018201619 B4 DE 102018201619B4
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Germany
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volume
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heat
working
heat storage
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Wolf-Dieter Steinmann
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Abstract

Wärmespeichervorrichtung (100), umfassend:eine Speichereinrichtung (102), welche ein Speichervolumen (104) zur Aufnahme von Speichermedium (106) zum Speichern von Wärme aufweist;eine Wärmeübertragungseinrichtung (108), mittels welcher Wärme von einem Arbeitsmedium (109) auf das Speichermedium (106) und umgekehrt übertragbar ist;wobei die Wärmeübertragungseinrichtung (108) ein Arbeitsvolumen (110) zur Aufnahme des Arbeitsmediums (109) aufweist, wobei das Arbeitsvolumen (110) zumindest abschnittsweise, insbesondere zumindest näherungsweise vollständig, innerhalb der Speichereinrichtung (102) angeordnet ist und mit dem Speichervolumen (104) in thermischem Kontakt steht;wobei die Wärmespeichervorrichtung (100) ferner eine Druckänderungseinrichtung (112) zum Ändern, insbesondere zum Erhöhen oder zum Verringern, eines Arbeitsmediumdrucks des Arbeitsmediums (109) im Arbeitsvolumen (110) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsvolumen (110) zum Erhöhen oder Verringern des Arbeitsmediumdrucks mittels der Druckänderungseinrichtung (112) verkleinerbar oder vergrößerbar ist.A heat storage device (100), comprising: a storage device (102) which has a storage volume (104) for receiving storage medium (106) for storing heat; a heat transfer device (108) by means of which heat is transferred from a working medium (109) to the storage medium (106) and vice versa; the heat transfer device (108) having a working volume (110) for receiving the working medium (109), the working volume (110) being arranged at least in sections, in particular at least approximately completely, within the storage device (102) and is in thermal contact with the storage volume (104); wherein the heat storage device (100) further comprises a pressure changing device (112) for changing, in particular for increasing or decreasing, a working medium pressure of the working medium (109) in the working volume (110), characterized that the working volume (110) to increase or decrease the working medium mdrucks can be reduced or increased by means of the pressure changing device (112).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung.The present invention relates to a heat storage device.

Wärmespeichervorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 10 2013 222 677 A1 und der US 2012/0297761 A1 bekannt.Heat storage devices are for example from the DE 10 2013 222 677 A1 and the US 2012/0297761 A1 known.

Wärmepumpen werden dazu verwendet, unter Einsatz von mechanischer und/oder elektrischer Energie die Temperatur einer Wärmemenge, welche von einem Niedertemperaturniveau bereitgestellt wird, zu erhöhen. Eine bei einer hohen Temperatur abgegebene Wärmemenge beträgt dabei insbesondere ein Mehrfaches der eingesetzten mechanischen und/oder elektrischen Energie. Wärmepumpen erfreuen sich daher einer wachsenden Beliebtheit zur Wärmebereitstellung und werden einerseits für Heizanwendungen im persönlichen Bereich und andererseits für industrielle Anwendungen eingesetzt.Heat pumps are used to use mechanical and / or electrical energy to increase the temperature of an amount of heat that is provided by a low temperature level. An amount of heat given off at a high temperature is in particular a multiple of the mechanical and / or electrical energy used. Heat pumps are therefore enjoying increasing popularity for providing heat and are used on the one hand for heating applications in the personal area and on the other hand for industrial applications.

Insbesondere in der Prozessindustrie wird oftmals sehr heißer Dampf benötigt.Very hot steam is often required, particularly in the process industry.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Wärmepumpen werden mit elektrischer Energie betrieben, welche häufig mittels intermittierend betriebener Quellen erzeugt wird, beispielsweise durch Solarkraftwerke, Wasserkraftwerke und/oder durch Windkraftwerke. Zudem unterliegt das Niedertemperaturniveau, welchem mittels der Wärmepumpen Energie entzogen wird, oftmals Fluktuationen und/oder Schwankungen.The heat pumps known from the prior art are operated with electrical energy, which is often generated by means of intermittently operated sources, for example by solar power plants, water power plants and / or by wind power plants. In addition, the low temperature level from which energy is extracted by means of the heat pumps is often subject to fluctuations and / or fluctuations.

Eine für industrielle Anwendungen, insbesondere für die Prozessindustrie, notwendige, vergleichsweise konstante Bereitstellung einer Wärmemenge, insbesondere zur Erzeugung von Dampf, ist deshalb bislang nicht möglich.A comparatively constant supply of a quantity of heat, which is necessary for industrial applications, in particular for the process industry, in particular to generate steam, has therefore not been possible so far.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeichervorrichtung bereitzustellen, mittels welcher unter Einsatz von mechanischer und/oder elektrischer Energie eine Speicherung und/oder Abgabe von Hochtemperaturwärmemengen ermöglicht wird.The present invention is therefore based on the object of providing a heat storage device by means of which, using mechanical and / or electrical energy, it is possible to store and / or release amounts of high-temperature heat.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a heat storage device with the features of claim 1.

Die Wärmespeichervorrichtung umfasst eine Speichereinrichtung, welche ein Speichervolumen zur Aufnahme von Speichermedium zum Speichern von Wärme aufweist.The heat storage device comprises a storage device which has a storage volume for receiving storage medium for storing heat.

Die Wärmespeichervorrichtung umfasst ferner eine Wärmeübertragungseinrichtung, mittels welcher Wärme von einem Arbeitsmedium auf das Speichermedium und umgekehrt übertragbar ist.The heat storage device further comprises a heat transfer device by means of which heat can be transferred from a working medium to the storage medium and vice versa.

Die Wärmeübertragungseinrichtung umfasst insbesondere ein Arbeitsvolumen zur Aufnahme des Arbeitsmediums, wobei das Arbeitsvolumen vorzugsweise zumindest abschnittsweise, insbesondere zumindest näherungsweise vollständig, innerhalb der Speichereinrichtung angeordnet ist und mit dem Speichervolumen in thermischem Kontakt steht.The heat transfer device comprises, in particular, a working volume for receiving the working medium, the working volume preferably being arranged at least in sections, in particular at least approximately completely, within the storage device and being in thermal contact with the storage volume.

Die Speichervorrichtung umfasst ferner insbesondere eine Druckänderungseinrichtung zum Ändern, insbesondere zum Erhöhen oder zum Verringern, eines Arbeitsmediumdrucks des Arbeitsmediums im Arbeitsvolumen.The storage device further comprises, in particular, a pressure changing device for changing, in particular for increasing or decreasing, a working medium pressure of the working medium in the working volume.

Vorzugsweise ist ein Speichermedium im Speichervolumen angeordnet oder anordbar, beispielsweise ein Latentwärmespeichermedium, insbesondere ein Phasenwechselmaterial.A storage medium is preferably arranged or can be arranged in the storage volume, for example a latent heat storage medium, in particular a phase change material.

Dem Arbeitsvolumen ist insbesondere ein Arbeitsmedium zuführbar. Das Arbeitsmedium ist vorzugsweise Wasser, insbesondere Sattdampf.In particular, a working medium can be fed to the working volume. The working medium is preferably water, in particular saturated steam.

Wasser wird vorzugsweise als Arbeitsmedium verwendet, da Wasser in der Regel ubiquitär verfügbar, kostengünstig und für den Menschen insbesondere nicht toxisch und daher vergleichsweise ungefährlich ist.Water is preferably used as the working medium, since water is generally ubiquitous, inexpensive and, in particular, non-toxic for humans and therefore comparatively harmless.

Die Wärmespeichervorrichtung umfasst vorzugsweise einen Arbeitsvolumenanschluss zum Zuführen des Arbeitsmediums, insbesondere zum Zuführen von Sattdampf, in das Arbeitsvolumen und/oder zum Abführen des Arbeitsmediums, insbesondere zum Abführen von Sattdampf oder von kondensiertem Wasser, aus dem Arbeitsvolumen.The heat storage device preferably comprises a working volume connection for supplying the working medium, in particular for supplying saturated steam, into the working volume and / or for removing the working medium, in particular for removing saturated steam or condensed water, from the working volume.

Mittels des Arbeitsvolumenanschlusses ist dem Arbeitsvolumen Arbeitsmedium, insbesondere Sattdampf zuführbar. Ein Arbeitsmediumdruck ist dabei mittels der Druckänderungseinrichtung änderbar, insbesondere derart erhöhbar, dass der Arbeitsmediumdruck, insbesondere ein Sattdampfdruck, einen Wert erreicht, bei welchem die Sättigungstemperatur des Arbeitsmediums, insbesondere des Sattdampfs, größer ist als eine Temperatur des im Speichervolumen angeordneten Speichermediums. Vorzugsweise kondensiert dann das Arbeitsmedium, insbesondere der Sattdampf, wobei Wärme vom Arbeitsmedium auf das Speichermedium übertragen wird.By means of the working volume connection, working medium, in particular saturated steam, can be fed to the working volume. A working medium pressure can be changed by means of the pressure changing device, in particular increased in such a way that the working medium pressure, in particular a saturated steam pressure, reaches a value at which the saturation temperature of the working medium, in particular the saturated steam, is greater than a temperature of the storage medium arranged in the storage volume. The working medium, in particular the saturated steam, then preferably condenses, with heat being transferred from the working medium to the storage medium.

Das Arbeitsvolumen wird insbesondere von einem im Speichervolumen angeordneten Rohrregister begrenzt. Vorzugsweise ist dem Rohrregister Arbeitsmedium, insbesondere Sattdampf, zuführbar.The working volume is limited in particular by a pipe register arranged in the storage volume. Working medium, in particular saturated steam, can preferably be fed to the pipe register.

Wenn die Druckänderungseinrichtung mechanisch und/oder elektrisch betreibbar ist, kann mittels der Druckänderungseinrichtung insbesondere eine Wärmepumpenfunktion bereitgestellt werden.If the pressure change device can be operated mechanically and / or electrically, a heat pump function can in particular be provided by means of the pressure change device.

Somit kann mit der Wärmespeichervorrichtung unter Einsatz von mechanischer und/oder elektrischer Energie vorzugsweise eine Speicherung von Hochtemperaturwärmemengen ermöglicht werden.Thus, with the heat storage device using mechanical and / or electrical energy, storage of high-temperature amounts of heat can preferably be made possible.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Arbeitsvolumen zum Erhöhen oder Verringern des Arbeitsmediumdrucks mittels der Druckänderungseinrichtung verkleinerbar oder vergrößerbar ist.According to the invention it is provided that the working volume for increasing or decreasing the working medium pressure can be reduced or enlarged by means of the pressure change device.

Das Arbeitsvolumen ist mittels der Druckänderungseinrichtung insbesondere auf ein minimales Arbeitsvolumen verkleinerbar oder auf ein maximales Arbeitsvolumen vergrößerbar.The working volume can be reduced in particular to a minimum working volume or increased to a maximum working volume by means of the pressure changing device.

Günstig kann es sein, wenn das Arbeitsvolumen mittels der Druckänderungseinrichtung um ein Verdrängungsvolumen auf ein Totvolumen verkleinerbar ist.It can be favorable if the working volume can be reduced by a displacement volume to a dead volume by means of the pressure change device.

Unter einem Totvolumen wird im Rahmen dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche insbesondere ein Volumen verstanden, über welches das Arbeitsvolumen nicht hinaus verkleinerbar ist.In the context of this description and the appended claims, a dead volume is understood to mean, in particular, a volume beyond which the working volume cannot be reduced.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdrängungsvolumen mittels der Druckänderungseinrichtung einstellbar ist.In one embodiment of the invention it is provided that the displacement volume can be adjusted by means of the pressure changing device.

Vorzugsweise ist das Verdrängungsvolumen mittels der Druckänderungseinrichtung vergrößerbar oder verkleinerbar.The displacement volume can preferably be increased or decreased by means of the pressure changing device.

Das Verdrängungsvolumen ist zum Verkleinern des Arbeitsvolumens auf das Totvolumen insbesondere auf ein maximales Verdrängungsvolumen vergrößerbar und/oder zum Vergrößern des Arbeitsvolumens auf das maximale Arbeitsvolumen insbesondere auf Null reduzierbar.To reduce the working volume to the dead volume, the displacement volume can be increased, in particular to a maximum displacement volume, and / or can be reduced to zero, in particular, to increase the working volume to the maximum working volume.

Eine Vergrößerung des Verdrängungsvolumens führt insbesondere zu einer Verkleinerung des Arbeitsvolumens und mithin zu einer Erhöhung des Arbeitsmediumdrucks.An increase in the displacement volume leads in particular to a reduction in the working volume and consequently to an increase in the working medium pressure.

Eine Verkleinerung des Verdrängungsvolumens führt insbesondere zu einer Vergrößerung des Arbeitsvolumens und zu einer Verringerung des Arbeitsmediumdrucks.A reduction in the displacement volume leads in particular to an increase in the working volume and to a reduction in the working medium pressure.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckänderungseinrichtung ein Verdrängungselement zum Verkleinern oder Vergrößern des Arbeitsvolumens umfasst. Vorzugsweise ist das Verdrängungsvolumen mittels des Verdrängungselements einstellbar, insbesondere vergrößerbar oder verkleinerbar.In one embodiment of the invention, it is provided that the pressure change device comprises a displacement element for reducing or increasing the working volume. The displacement volume can preferably be adjusted, in particular enlarged or reduced, by means of the displacement element.

Das Verdrängungselement ist insbesondere ein Kolben, insbesondere ein in einem Zylinder verlagerbarer Kolben.The displacement element is in particular a piston, in particular a piston that can be displaced in a cylinder.

Durch Verlagerung des Kolbens im Zylinder kann vorzugsweise das Arbeitsvolumen verkleinert oder vergrößert werden.By shifting the piston in the cylinder, the working volume can preferably be reduced or increased.

Der Kolben ist insbesondere ein Flüssigkeitskolben. Wenn der Kolben ein Flüssigkeitskolben ist, begrenzt vorzugsweise ein Meniskus des Flüssigkeitskolbens das Arbeitsvolumen.The piston is in particular a liquid piston. If the piston is a liquid piston, a meniscus of the liquid piston preferably limits the working volume.

Durch die Verwendung eines Flüssigkeitskolbens ist vorzugsweise ein hoher Dichtheitsgrad, das heißt eine besonders gute Abdichtung, zwischen Kolben und Zylinder, und somit ein hoher Arbeitsvolumendruck realisierbar.By using a liquid piston, a high degree of tightness, that is to say a particularly good seal, between piston and cylinder, and thus a high working volume pressure, can preferably be achieved.

Somit ist insbesondere auch eine Wärmemenge bei einer hohen Temperatur vom Arbeitsmedium auf das Speichermedium übertragbar.Thus, in particular, an amount of heat can also be transferred from the working medium to the storage medium at a high temperature.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckänderungseinrichtung ein Wandelement umfasst, welches ein Verdrängungsvolumen zur Aufnahme einer Verdrängungsflüssigkeit, insbesondere zur Aufnahme einer zumindest näherungsweise inkompressiblen Verdrängungsflüssigkeit, begrenzt.In one embodiment of the invention it is provided that the pressure change device comprises a wall element which delimits a displacement volume for receiving a displacement liquid, in particular for receiving an at least approximately incompressible displacement liquid.

Das Wandelement unterteilt das Arbeitsvolumen insbesondere in ein Totvolumen und ein insbesondere maximales Verdrängungsvolumen.The wall element divides the working volume, in particular, into a dead volume and, in particular, a maximum displacement volume.

Vorzugsweise umfasst die Wärmespeichervorrichtung einen Verdrängungsvolumenanschluss zum Zuführen von Verdrängungsflüssigkeit, insbesondere zum Zuführen von Wasser, in das Verdrängungsvolumen und/oder zum Abführen von Verdrängungsflüssigkeit, insbesondere zum Abführen von Wasser, aus dem Verdrängungsvolumen.The heat storage device preferably comprises a displacement volume connection for supplying displacement liquid, in particular for supplying water, into the displacement volume and / or for removing displacement liquid, in particular for removing water, from the displacement volume.

Vorzugsweise ist der Verdrängungsvolumenanschluss auch zum Abführen von Sattdampf aus dem Verdrängungsvolumen ausgebildet.The displacement volume connection is preferably also designed to remove saturated steam from the displacement volume.

Das Wandelement ist vorzugsweise zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildet.The wall element is preferably cylindrical, in particular circular cylindrical.

Das Wandelement erstreckt sich vorzugsweise konzentrisch zu einer Längsachse.The wall element preferably extends concentrically to a longitudinal axis.

Insbesondere weist das Wandelement einen kreisringartigen Querschnitt auf. Unter einem Querschnitt des Wandelements wird insbesondere ein senkrecht zur Längsachse des Wandelements genommener Querschnitt verstanden.In particular, the wall element has an annular cross section. A cross section of the wall element is in particular a Understood cross section taken perpendicular to the longitudinal axis of the wall element.

Vorzugsweise ist die Verdrängungsflüssigkeit Wasser.Preferably the displacement liquid is water.

Günstig kann es sein, wenn das Wandelement zumindest bereichsweise beabstandet vom Speichervolumen angeordnet ist. Das Arbeitsvolumen wird dabei insbesondere zumindest abschnittsweise oder zumindest bereichsweise vom Wandelement begrenzt.It can be favorable if the wall element is arranged at least in some areas at a distance from the storage volume. The working volume is in particular limited by the wall element at least in sections or at least in regions.

Das Wandelement weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit λ von höchstens 10 W/m.K auf.The wall element preferably has a thermal conductivity λ of at most 10 W / m.K.

Wenn das Wandelement zumindest abschnittsweise oder zumindest bereichsweise beabstandet vom Speichervolumen angeordnet ist und eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 10 W/m·K aufweist, kann vorzugsweise erreicht werden, dass die Verdrängungsflüssigkeit und das Arbeitsmedium mittels des Wandelements zumindest näherungsweise thermisch entkoppelt und/oder isoliert sind. Somit kann vorzugsweise erreicht werden, dass möglichst wenig thermische Energie auf die Verdrängungsflüssigkeit übertragen wird, vorzugsweise im Wesentlichen nur in einem Kontaktbereich der Verdrängungsflüssigkeit und des Arbeitsmediums, das heißt insbesondere in einem Kontaktbereich des Flüssigkeitskolbens, insbesondere des Flüssigkeitskolbens aus flüssigem Wasser, und Sattdampf.If the wall element is arranged at least in sections or at least in some areas at a distance from the storage volume and has a thermal conductivity of at most 10 W / m · K, it can preferably be achieved that the displacement fluid and the working medium are at least approximately thermally decoupled and / or insulated by means of the wall element. It can thus be achieved that as little thermal energy as possible is transferred to the displacement liquid, preferably essentially only in a contact area of the displacement liquid and the working medium, i.e. in particular in a contact area of the liquid piston, in particular the liquid piston made of liquid water and saturated steam.

Durch Verdampfen von Verdrängungsflüssigkeit, insbesondere durch Verdampfen von flüssigem Wasser, im Kontaktbereich der Verdrängungsflüssigkeit mit dem Arbeitsmedium, insbesondere mit Sattdampf, kann dem Arbeitsvolumen erneut Arbeitsmedium, insbesondere Sattdampf, zugeführt werden, so dass kondensiertes Arbeitsmedium ersetzbar ist.By evaporation of the displacement liquid, in particular by evaporation of liquid water, in the contact area of the displacement liquid with the working medium, in particular with saturated steam, working medium, in particular saturated steam, can be supplied again to the working volume so that condensed working medium can be replaced.

Die Verwendung eines Flüssigkeitskolbens ist vorzugsweise günstiger als die Verwendung anderer Kolbenverdichter. Zudem kann aufgrund der besseren Abdichtung eines Flüssigkeitskolbens vorzugsweise ein höherer Druck bei einem kompakten Aufbau erreicht werden. Somit sind insbesondere hohe Wirkungsgrade auch bei einer vergleichsweise geringen Gesamtleistung realisierbar.The use of a liquid piston is preferably cheaper than the use of other reciprocating compressors. In addition, due to the better sealing of a liquid piston, a higher pressure can preferably be achieved with a compact structure. In particular, high efficiencies can thus be achieved even with a comparatively low total output.

Alternativ zur Verwendung eines Wandelements ist es auch möglich, zur Änderung des Arbeitsvolumens beispielsweise einen Plungerzylinder vorzusehen, welcher in das Arbeitsvolumen einfahrbar ist.As an alternative to using a wall element, it is also possible to change the working volume, for example, to provide a plunger cylinder which can be moved into the working volume.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Druckhülle umfasst, welche das Arbeitsvolumen von dem Speichervolumen trennt. Die Druckhülle umfasst vorzugsweise eine Druckhüllenwandung, welche insbesondere druckfest ausgebildet ist. Vorzugsweise kann mittels des Wandelements ein Kontakt der dem Verdrängungsvolumen zuführbaren Verdrängungsflüssigkeit mit der Druckhülle der Wärmespeichervorrichtung, insbesondere mit der Druckhüllenwandung, vermieden werden.In one embodiment of the invention it is provided that the heat storage device comprises a pressure envelope which separates the working volume from the storage volume. The pressure envelope preferably comprises a pressure envelope wall which is designed in particular to be pressure-resistant. Preferably, by means of the wall element, contact of the displacement liquid that can be supplied to the displacement volume with the pressure envelope of the heat storage device, in particular with the pressure envelope wall, can be avoided.

Die Druckhülle ist beispielsweise als Druckkessel ausgebildet.The pressure envelope is designed, for example, as a pressure vessel.

Alternativ dazu ist es möglich, dass die Druckhülle als Rohrregister ausgebildet ist. Ein solches Rohrregister ist vorzugsweise zumindest näherungsweise vollständig im Speichervolumen angeordnet.Alternatively, it is possible that the pressure envelope is designed as a pipe register. Such a pipe register is preferably arranged at least approximately completely in the storage volume.

Die Druckhüllenwandung umfasst vorzugsweise ein Druckhüllenmaterial, welches eine Wärmeleitfähigkeit λ von insbesondere zumindest 50 W/m.K aufweist. Somit kann vorzugsweise eine besonders gute Wärmeübertragung vom Arbeitsmedium auf das Speichermedium und umgekehrt ermöglicht werden.The pressure envelope wall preferably comprises a pressure envelope material which has a thermal conductivity λ of in particular at least 50 W / m.K. This enables particularly good heat transfer from the working medium to the storage medium and vice versa.

Die Wärmeübertragungseinrichtung umfasst vorzugsweise die Druckhülle oder wird durch diese gebildet.The heat transfer device preferably comprises the pressure envelope or is formed by it.

Die Druckhüllenwandung ist insbesondere zumindest bereichsweise beabstandet zum Wandelement angeordnet.The pressure envelope wall is in particular arranged at least in regions at a distance from the wall element.

Die Druckhülle und/oder die Druckhüllenwandung erstrecken sich insbesondere konzentrisch zu einer Längsachse.The pressure envelope and / or the pressure envelope wall extend in particular concentrically to a longitudinal axis.

Das Wandelement ist vorzugsweise konzentrisch zur Druckhülle und/oder zur Druckhüllenwandung angeordnet.The wall element is preferably arranged concentrically to the pressure envelope and / or to the pressure envelope wall.

Das Wandelement ist insbesondere zumindest abschnittsweise beabstandet von der Druckhülle und/oder der Druckhüllenwandung angeordnet.The wall element is in particular arranged at least in sections at a distance from the pressure envelope and / or the pressure envelope wall.

Die Druckhülle und/oder die Druckhüllenwandung weist insbesondere einen zylindrischen, vorzugsweise einen kreiszylindrischen, Querschnitt auf. Unter einem Querschnitt der Druckhülle und/oder der Druckhüllenwandung wird insbesondere ein senkrecht zur Längsachse der Druckhülle und/oder der Druckhüllenwandung genommener Querschnitt verstanden.The pressure envelope and / or the pressure envelope wall has in particular a cylindrical, preferably a circular cylindrical, cross section. A cross section of the pressure envelope and / or the pressure envelope wall is understood to mean in particular a cross section taken perpendicular to the longitudinal axis of the pressure envelope and / or the pressure envelope wall.

Mittels eines kreiszylindrischen Querschnitts der Druckhülle und/oder der Druckhüllenwandung ist vorzugsweise eine hohe Druckfestigkeit der Druckhülle realisierbar.By means of a circular cylindrical cross section of the pressure envelope and / or the pressure envelope wall, a high pressure resistance of the pressure envelope can preferably be achieved.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wandelement in einem Anlagebereich oder in mehreren Anlagebereichen zumindest abschnittsweise flächig, insbesondere dichtend, an der Druckhülle, insbesondere an einer Druckhüllenwandung der Druckhülle, anliegt, wobei das Wandelement und/oder die Druckhülle einen oder mehrere Kanäle und/oder eine oder mehrere Nuten umfasst, in denen das Wandelement nicht flächig an der Druckhülle anliegt und welche ein Totvolumen zur Aufnahme des Arbeitsmediums begrenzen.In one embodiment of the invention it is provided that the wall element is at least in one contact area or in several contact areas in sections flat, in particular sealingly, rests on the pressure envelope, in particular on a pressure envelope wall of the pressure envelope, the wall element and / or the pressure envelope including one or more channels and / or one or more grooves in which the wall element does not lie flat against the pressure envelope and which limit a dead volume for receiving the working medium.

Vorzugsweise sind die Kanäle und/oder die Nuten nur im Wandelement oder nur in der Druckhülle angeordnet oder gebildet.The channels and / or the grooves are preferably arranged or formed only in the wall element or only in the pressure envelope.

Alternativ oder ergänzend dazu ist es denkbar, dass die Kanäle und/oder die Nuten sowohl im Wandelement als auch in der Druckhülle angeordnet oder gebildet sind und somit vom Wandelement einerseits und der Druckhülle andererseits begrenzt werden.Alternatively or in addition to this, it is conceivable that the channels and / or the grooves are arranged or formed both in the wall element and in the pressure envelope and are thus delimited by the wall element on the one hand and the pressure envelope on the other.

Die Kanäle und/oder die Nuten bilden im Wesentlichen das Totvolumen. Vorzugsweise sind die Kanäle und/oder die Nuten in einem Querschnitt derart ausgebildet, dass ein Verhältnis des Verdrängungsvolumens zum Totvolumen möglichst groß ist. Um eine möglichst große Erhöhung des Arbeitsmediumdrucks realisieren zu können, ist insbesondere ein Verhältnis des Verdrängungsvolumens zum Totvolumen von bis zu 50:1 wünschenswert.The channels and / or the grooves essentially form the dead volume. The channels and / or the grooves are preferably designed in a cross section such that a ratio of the displacement volume to the dead volume is as large as possible. In order to be able to achieve the greatest possible increase in the working medium pressure, a ratio of the displacement volume to the dead volume of up to 50: 1 is particularly desirable.

Unter einem Querschnitt der Kanäle und/oder der Nuten wird insbesondere ein senkrecht zu deren Längserstreckung genommener Querschnitt verstanden.A cross section of the channels and / or the grooves is understood to mean in particular a cross section taken perpendicular to their longitudinal extension.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Wärmeleitstruktur zur Übertragung von Wärme vom Arbeitsmedium auf das Speichermedium oder umgekehrt umfasst, welche im Speichervolumen angeordnet ist.In one embodiment of the invention it is provided that the heat storage device comprises a heat conducting structure for transferring heat from the working medium to the storage medium or vice versa, which structure is arranged in the storage volume.

Die Wärmeleitstruktur umfasst vorzugsweise Rippenelemente, welche an der Druckhülle zumindest abschnittsweise, in Längsrichtung insbesondere durchgehend, anliegen und entlang einer Längserstreckung der Kanäle und/oder der Nuten ausgebildet sind.The heat conduction structure preferably comprises rib elements which abut the pressure envelope at least in sections, in particular continuously, in the longitudinal direction and are formed along a longitudinal extent of the channels and / or the grooves.

Eine Längserstreckung ist dabei insbesondere eine Erstreckung entlang einer Längsachse der Druckhülle.A longitudinal extension is in particular an extension along a longitudinal axis of the pressure envelope.

Vorzugsweise ist mittels der Wärmeleitstruktur Wärme auf das Speichermedium übertragbar oder diesem zuführbar.Preferably, heat can be transferred to or supplied to the storage medium by means of the heat conduction structure.

Alternativ oder ergänzend hierzu ist dem Speichermedium mittels der Wärmeleitstruktur vorzugsweise Wärme entziehbar oder von diesem abführbar.As an alternative or in addition to this, heat can preferably be withdrawn from the storage medium by means of the heat-conducting structure or can be removed from it.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckänderungseinrichtung eine Pumpe zur Zuführung einer Verdrängungsflüssigkeit, insbesondere einer zumindest näherungsweise inkompressiblen Verdrängungsflüssigkeit, in das Verdrängungsvolumen umfasst.In one embodiment of the invention it is provided that the pressure change device comprises a pump for supplying a displacement liquid, in particular an at least approximately incompressible displacement liquid, into the displacement volume.

Die Pumpe ist insbesondere zur Zuführung der Flüssigkeit in das Verdrängungsvolumen ausgebildet.The pump is designed in particular to feed the liquid into the displacement volume.

Vorzugsweise ist eine Leitung vorgesehen, welche mit dem Verdrängungsvolumen fluidisch, insbesondere hydraulisch, verbunden oder verbindbar ist. Die Leitung mündet insbesondere in das Verdrängungsvolumen.A line is preferably provided which is fluidly, in particular hydraulically, connected or connectable to the displacement volume. The line opens in particular into the displacement volume.

Vorzugsweise mündet die Leitung in einem in Schwerkraftrichtung unteren Bereich des Wandelements in das Verdrängungsvolumen.The line preferably opens into the displacement volume in a region of the wall element which is lower in the direction of gravity.

Günstig kann es sein, wenn die Druckänderungseinrichtung ferner einen Antriebsmotor, insbesondere einen Elektromotor, zum Antreiben der Pumpe umfasst.It can be favorable if the pressure change device further comprises a drive motor, in particular an electric motor, for driving the pump.

Günstig kann es ferner sein, wenn die Wärmespeichervorrichtung eine Steuervorrichtung umfasst, mittels welcher die Druckänderungseinrichtung zur Änderung des Arbeitsmediumdrucks ansteuerbar ist.It can furthermore be favorable if the heat storage device comprises a control device by means of which the pressure changing device can be controlled to change the working medium pressure.

Die Steuervorrichtung ist insbesondere zur Ansteuerung der Pumpe der Druckänderungseinrichtung ausgebildet.The control device is designed in particular for controlling the pump of the pressure change device.

Vorzugsweise ist die Steuerung zum Ansteuern des die Pumpe antreibenden Antriebsmotors ausgebildet.The controller is preferably designed to control the drive motor that drives the pump.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Speichermedium ein Latentwärmespeichermedium und/oder ein Speichermedium zum Speichern von sensibler Wärme umfasst.In one embodiment of the invention it is provided that the storage medium comprises a latent heat storage medium and / or a storage medium for storing sensible heat.

Das Latentwärmespeichermedium umfasst beispielsweise Nitratsalze oder Paraffin.The latent heat storage medium includes, for example, nitrate salts or paraffin.

Vorzugsweise ist das Speichermedium eine Schüttung aus Latentwärmespeichermedium oder Latentwärmespeichermaterial.The storage medium is preferably a bed of latent heat storage medium or latent heat storage material.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmespeichervorrichtung ferner eine von der Druckänderungseinrichtung verschiedene Druckerhöhungseinrichtung zur Erhöhung des Arbeitsmediumdrucks umfasst. Mittels der Druckerhöhungseinrichtung kann vorzugsweise ein höherer Arbeitsmediumdruck des Arbeitsmediums, insbesondere vor dessen Erhöhung mittels der Druckänderungseinrichtung, erreicht werden.In one embodiment of the invention it is provided that the heat storage device further comprises a pressure increasing device different from the pressure changing device for increasing the working medium pressure. Using the Pressure increasing device, a higher working medium pressure of the working medium can preferably be achieved, in particular before it is increased by means of the pressure changing device.

Die Druckerhöhungseinrichtung ist vorzugsweise ein Vorverdichter und/oder ein Zusatzverdichter.The pressure increasing device is preferably a pre-compressor and / or an additional compressor.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Arbeitsvorrichtung, insbesondere eine Arbeitsvorrichtung zum Bereitstellen von mechanischer Arbeit.The present invention also relates to a working device, in particular a working device for providing mechanical work.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die weitere Aufgabe zugrunde, eine Arbeitsvorrichtung bereitzustellen, mittels welcher mechanische Arbeit abgebbar ist und welche einfach und kostengünstig herstellbar ist.The present invention is therefore based on the further object of providing a working device by means of which mechanical work can be delivered and which can be produced easily and inexpensively.

Diese Aufgabe wird durch eine Arbeitsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.This object is achieved by a working device with the features of claim 11.

Die Arbeitsvorrichtung umfasst wenigstens ein Wärmespeichervorrichtungspaar, welches zwei Wärmespeichervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.The working device comprises at least one heat storage device pair, which comprises two heat storage devices according to one of claims 1 to 10.

Die Druckänderungseinrichtungen einer jeden Wärmespeichervorrichtung umfassen vorzugsweise jeweils ein Wandelement, welches jeweils ein Verdrängungsvolumen zur Aufnahme einer Verdrängungsflüssigkeit, insbesondere zur Aufnahme einer zumindest näherungsweise inkompressiblen Verdrängungsflüssigkeit, begrenzt.The pressure change devices of each heat storage device preferably each include a wall element which each delimits a displacement volume for receiving a displacement liquid, in particular for receiving an at least approximately incompressible displacement liquid.

Die Verdrängungsvolumina der beiden Wärmespeichervorrichtungen sind vorzugsweise mittels einer Verbindungsleitung fluidisch, insbesondere hydraulisch, miteinander verbunden.The displacement volumes of the two heat storage devices are preferably connected to one another fluidically, in particular hydraulically, by means of a connecting line.

Die Arbeitsvorrichtung umfasst vorzugsweise einen Hydromotor zum Bereitstellen von mechanischer und/oder elektrischer Energie, welcher in der Verbindungsleitung angeordnet und mittels der Verdrängungsflüssigkeit durchströmbar ist.The working device preferably comprises a hydraulic motor for providing mechanical and / or electrical energy, which is arranged in the connecting line and through which the displacement fluid can flow.

Der Hydromotor ist insbesondere in zwei entgegengesetzten Durchströmungsrichtungen durchströmbar.The hydraulic motor can in particular be flowed through in two opposite flow directions.

Vorzugsweise ist eine Drehrichtung des Hydromotors derart umschaltbar, dass die Drehrichtung einer Welle des Hydromotors zum Bereitstellen von mechanischer und/oder elektrischer Energie unabhängig von der Durchströmungsrichtung identisch ist.A direction of rotation of the hydraulic motor can preferably be switched in such a way that the direction of rotation of a shaft of the hydraulic motor for providing mechanical and / or electrical energy is identical regardless of the direction of flow.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.The present invention also relates to a method for operating a heat storage device according to one of Claims 1 to 10.

Das Verfahren umfasst vorzugsweise Folgendes: einen Beladeschritt zum Zuführen von Wärme zu der Speichereinrichtung mittels der Wärmeübertragungseinrichtung, wobei der Beladeschritt umfasst: Zuführen eines dampfförmigen Arbeitsmediums, insbesondere Zuführen von Sattdampf, in das Arbeitsvolumen; Erhöhen eines Arbeitsmediumdrucks des Arbeitsmediums im Arbeitsvolumen, so dass Wärme, insbesondere Kondensationswärme, vom Arbeitsmedium auf ein im Speichervolumen angeordnetes Speichermedium übertragen wird.The method preferably comprises the following: a loading step for supplying heat to the storage device by means of the heat transfer device, the loading step comprising: supplying a vaporous working medium, in particular supplying saturated steam, into the working volume; Increasing a working medium pressure of the working medium in the working volume, so that heat, in particular condensation heat, is transferred from the working medium to a storage medium arranged in the storage volume.

Der Arbeitsmediumdruck wird insbesondere derart erhöht, dass das Arbeitsmedium zumindest teilweise kondensiert.The working medium pressure is increased in particular in such a way that the working medium at least partially condenses.

Vorzugsweise ist der Arbeitsvolumenanschluss der Wärmespeichervorrichtung beim Zuführen des Arbeitsmediums in das Arbeitsvolumen geöffnet, beim Schritt des Erhöhens des Arbeitsmediumdrucks jedoch geschlossen.The working volume connection of the heat storage device is preferably open when the working medium is fed into the working volume, but closed in the step of increasing the working medium pressure.

Wenn der Arbeitsmediumdruck, insbesondere ein Sattdampfdruck, einen Wert erreicht, bei welchem die Sättigungstemperatur des Arbeitsmediums und/oder des Sattdampfs größer ist als eine Temperatur des Speichermediums, kondensiert das Arbeitsmedium vorzugsweise. Somit kann insbesondere Wärme vom Arbeitsmedium auf das Speichermedium übertragen werden.When the working medium pressure, in particular a saturated steam pressure, reaches a value at which the saturation temperature of the working medium and / or of the saturated steam is greater than a temperature of the storage medium, the working medium preferably condenses. In particular, heat can thus be transferred from the working medium to the storage medium.

Günstig kann es sein, wenn der Beladeschritt zyklisch wiederholt wird.It can be beneficial if the loading step is repeated cyclically.

Vorzugsweise beträgt eine Zyklusdauer des Beladeschritts ungefähr 10 bis ungefähr 60 Sekunden.A cycle duration of the loading step is preferably approximately 10 to approximately 60 seconds.

Als Speichermedium wird insbesondere ein Latentwärmespeichermedium, vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial, oder ein Speichermedium für sensible Wärme verwendet. Wenn ein Speichermedium für sensible Wärme verwendet wird, ist die Wärmespeichervorrichtung insbesondere in einem Gleitdruckbetrieb betreibbar.In particular, a latent heat storage medium, preferably a phase change material, or a storage medium for sensible heat is used as the storage medium. If a storage medium is used for sensible heat, the heat storage device can be operated in particular in a sliding pressure mode.

In einem Ausgangsschritt ist das Latentwärmespeichermedium und/oder das Phasenmaterial beispielsweise noch fest und das Arbeitsmedium, insbesondere Sattdampf, noch nicht verdichtet.In an initial step, the latent heat storage medium and / or the phase material is still solid, for example, and the working medium, in particular saturated steam, is not yet compressed.

Ein Arbeitsmediumdruck wird dann vorzugsweise mittels der Druckänderungseinrichtung, beispielsweise durch Zuführen einer Verdrängungsflüssigkeit in das Verdrängungsvolumen und Vergrößern des Verdrängungsvolumens, erhöht.A working medium pressure is then preferably increased by means of the pressure changing device, for example by supplying a displacement liquid into the displacement volume and increasing the displacement volume.

Als Verdrängungsflüssigkeit wird insbesondere Wasser verwendet.In particular, water is used as the displacement liquid.

Vorzugsweise steigt der Arbeitsmediumdruck bis der Arbeitsmediumdruck, insbesondere ein Sattdampfdruck, einen Wert erreicht, bei welchem die Sättigungstemperatur des Arbeitsmediums und/oder des Sattdampfs größer ist als eine Temperatur des Speichermediums, so dass das Arbeitsmedium kondensiert und Wärme vom Arbeitsmedium auf das Speichermedium übertragen wird. Ein Latentwärmespeichermedium, insbesondere ein Phasenwechselmaterial, kann dabei beispielsweise verflüssigt werden.The working medium pressure preferably increases until the working medium pressure, in particular a saturated steam pressure, reaches a value at which the saturation temperature of the working medium and / or the saturated steam is greater than a temperature of the storage medium, so that the working medium condenses and heat is transferred from the working medium to the storage medium. A latent heat storage medium, in particular a phase change material, can be liquefied, for example.

Eine Überhitzung des Sattdampfs erfolgt bei der Erhöhung des Arbeitsmediumdrucks vorzugsweise nicht, da die Verdrängungsflüssigkeit, insbesondere flüssiges Wasser, zumindest teilweise verdampft und somit zusätzlicher Sattdampf erzeugt wird.The saturated steam is preferably not overheated when the working medium pressure is increased, since the displacement liquid, in particular liquid water, at least partially evaporates and additional saturated steam is thus generated.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren ferner einen Entladeschritt zum Abführen von Wärme von der Speichereinrichtung mittels der Wärmeübertragungseinrichtung umfasst, wobei der Entladeschritt umfasst: Zuführen eines flüssigen Arbeitsmediums, insbesondere Zuführen von Wasser, in das Arbeitsvolumen; Verdampfen des Arbeitsmediums, insbesondere Erzeugen von Sattdampf, indem Wärme von dem Speichermedium auf das Arbeitsmedium übertragen wird.In one embodiment of the method, it is provided that the method further comprises an unloading step for removing heat from the storage device by means of the heat transfer device, the unloading step comprising: feeding a liquid working medium, in particular feeding water, into the working volume; Evaporation of the working medium, in particular generating saturated steam by transferring heat from the storage medium to the working medium.

Vorzugsweise wird das flüssige Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, mittels des Arbeitsvolumenanschlusses zum Zuführen des Arbeitsmediums dem Arbeitsvolumen zugeführt.The liquid working medium, in particular water, is preferably supplied to the working volume by means of the working volume connection for supplying the working medium.

Das flüssige Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, wird dem Arbeitsvolumen vorzugsweise in einem Siedezustand zugeführt. Somit kann ein Verdampfen des Arbeitsmediums vorzugsweise erleichtert werden.The liquid working medium, in particular water, is preferably supplied to the working volume in a boiling state. Evaporation of the working medium can thus preferably be facilitated.

Der erzeugte Sattdampf kann beispielsweise zum Heizen genutzt werden.The saturated steam generated can be used for heating, for example.

Alternativ oder ergänzend dazu ist es möglich, mittels des Sattdampfs eine Dampfturbine anzutreiben, welche wiederum einen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom antreibt.As an alternative or in addition to this, it is possible to use the saturated steam to drive a steam turbine, which in turn drives a generator to generate electrical power.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 11. Das Verfahren umfasst insbesondere Folgendes: Zuführen von flüssigem Arbeitsmedium, insbesondere Zuführen von Wasser, in das Arbeitsvolumen einer ersten Wärmespeichervorrichtung des wenigstens einen Wärmespeichervorrichtungspaars, wobei Wärme von dem Speichermedium auf das flüssige Arbeitsmedium übertragen wird, so dass das Arbeitsmedium verdampft.The invention also relates to a method for operating a working device according to claim 11. The method comprises in particular the following: Supplying liquid working medium, in particular supplying water, into the working volume of a first heat storage device of the at least one heat storage device pair, with heat from the storage medium being transferred to the liquid working medium is transmitted so that the working medium evaporates.

Das Verfahren umfasst ferner insbesondere Folgendes: Verdrängen einer Verdrängungsflüssigkeit aus dem Verdrängungsvolumen der ersten Wärmespeichervorrichtung des wenigstens einen Wärmespeichervorrichtungspaars durch die Verbindungsleitung in das Verdrängungsvolumen der zweiten Wärmespeichervorrichtung des wenigstens einen Wärmespeichervorrichtungspaars, so dass der in der Verbindungsleitung angeordnete Hydromotor durchströmt wird und mechanische und/oder elektrische Energie bereitgestellt wird.The method further comprises in particular the following: Displacement of a displacement fluid from the displacement volume of the first heat storage device of the at least one heat storage device pair through the connecting line into the displacement volume of the second heat storage device of the at least one heat storage device pair, so that the hydraulic motor arranged in the connecting line is flowed through and mechanical and / or electrical Energy is provided.

Vorzugsweise wird die Verdrängungsflüssigkeit mittels des in der ersten Wärmespeichvorrichtung verdampften Arbeitsmediums aus dem Verdrängungsvolumen der ersten Wärmespeichervorrichtung verdrängt.The displacement liquid is preferably displaced from the displacement volume of the first heat storage device by means of the working medium evaporated in the first heat storage device.

Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further preferred features and / or advantages of the invention are the subject of the following description and the graphic representation of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:

  • 1 eine schematische Schnittansicht einer Wärmespeichervorrichtung mit einer separat gezeigten Pumpe einer Druckänderungseinrichtung;
  • 2 eine schematische Schnittansicht der Wärmespeichervorrichtung aus 1;
  • 3 eine schematische Schnittansicht der Wärmespeichervorrichtung aus 2 längs der Linie III-III in 2;
  • 4 eine schematische Schnittansicht der Wärmespeichervorrichtung aus 2 längs der Linie IV-IV in 2;
  • 5 eine vergrößerte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Wärmespeichervorrichtung in einem Schnitt gemäß 3;
  • 6 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs VI in 5;
  • 7 eine schematische Darstellung einer Arbeitsvorrichtung, welche ein Wärmespeichervorrichtungspaar mit zwei Wärmespeichervorrichtungen umfasst;
  • 8 eine schematische Darstellung der Wärmespeichervorrichtung aus 1 in einem Anfangszustand eines Beladezyklus;
  • 9 eine schematische Darstellung der Wärmespeichervorrichtung aus 1 beim Erhöhen eines Arbeitsmediumdrucks in einem Beladezyklus;
  • 10 eine schematische Darstellung der Wärmespeichervorrichtung aus 1 beim weiteren Verdichten eines Arbeitsmediums und Übertragen von Wärme vom Arbeitsmedium auf das Speichermedium in einem Beladezyklus;
  • 11 eine schematische Darstellung der Wärmespeichervorrichtung aus 1 mit einem vollständig mit einer Verdrängungsflüssigkeit gefüllten Verdrängungsvolumen in einem Beladezyklus;
  • 12 eine schematische Darstellung der Wärmespeichervorrichtung aus 1 beim Expandieren eines Arbeitsmediums, welches eine Verdrängungsflüssigkeit aus dem Verdrängungsvolumen verdrängt, in einem Beladezyklus;
  • 13 eine schematische Darstellung der Wärmespeichervorrichtung aus 1 beim Füllen des Arbeitsvolumens mit Arbeitsmedium, welches dabei Verdrängungsflüssigkeit aus dem Verdrängungsvolumen verdrängt, in einem Beladezyklus;
  • 14 eine schematische Darstellung der Wärmespeichervorrichtung aus 1 in einem Entladezyklus, wobei dem Arbeitsvolumen flüssiges Arbeitsmedium zugeführt wird, wobei Wärme vom Speichermedium auf das Arbeitsmedium übertragen wird und dieses verdampft wird;
  • 15 eine schematische Darstellung der Arbeitsvorrichtung aus 7 in einem Anfangszustand eines Entladezyklus;
  • 16 eine schematische Darstellung der Arbeitsvorrichtung aus 7 beim Zuführen von flüssigem Arbeitsmedium in einem Entladezyklus;
  • 17 eine schematische Darstellung der Arbeitsvorrichtung aus 7, wobei Wärme von einem Speichermedium auf das flüssige Arbeitsmedium übertragen wird und dieses verdampft und somit Verdrängungsflüssigkeit aus dem Verdrängungsvolumen in eine Verbindungsleitung verdrängt, in einem Entladezyklus;
  • 18 eine schematische Darstellung der Arbeitsvorrichtung aus 7 in einem Endzustand eines Entladezyklus;
  • 19 eine schematische Darstellung eines Diagramms, welches einen Arbeitsvolumendruck in Abhängigkeit eines Anteils zeigt, welchen ein Verdrängungsvolumen in einem Arbeitsvolumen einnimmt; und
  • 20 eine schematische Darstellung eines Diagramms, welches eine Sättigungstemperatur eines Arbeitsmediums in Abhängigkeit eines Anteils zeigt, welchen ein Verdrängungsvolumen in einem Arbeitsvolumen annimmt.
In the drawings show:
  • 1 a schematic sectional view of a heat storage device with a separately shown pump of a pressure change device;
  • 2 a schematic sectional view of the heat storage device 1 ;
  • 3 a schematic sectional view of the heat storage device 2 along the line III-III in 2 ;
  • 4th a schematic sectional view of the heat storage device 2 along the line IV-IV in 2 ;
  • 5 an enlarged illustration of a further embodiment of a heat storage device in a section according to 3 ;
  • 6th an enlarged view of the area VI in 5 ;
  • 7th a schematic representation of a working device which comprises a pair of heat storage devices with two heat storage devices;
  • 8th a schematic representation of the heat storage device 1 in an initial state of a loading cycle;
  • 9 a schematic representation of the heat storage device 1 when increasing a working medium pressure in a loading cycle;
  • 10 a schematic representation of the heat storage device 1 when further compressing a working medium and Transferring heat from the working medium to the storage medium in a loading cycle;
  • 11 a schematic representation of the heat storage device 1 with a displacement volume completely filled with a displacement liquid in one loading cycle;
  • 12th a schematic representation of the heat storage device 1 when expanding a working medium, which displaces a displacement liquid from the displacement volume, in a loading cycle;
  • 13th a schematic representation of the heat storage device 1 when filling the working volume with working medium, which in the process displaces displacement fluid from the displacement volume, in one loading cycle;
  • 14th a schematic representation of the heat storage device 1 in a discharge cycle, the working volume being supplied with liquid working medium, heat being transferred from the storage medium to the working medium and the working medium being evaporated;
  • 15th a schematic representation of the working device 7th in an initial state of a discharge cycle;
  • 16 a schematic representation of the working device 7th when supplying liquid working medium in one discharge cycle;
  • 17th a schematic representation of the working device 7th , wherein heat is transferred from a storage medium to the liquid working medium and this evaporates and thus displaces displacement liquid from the displacement volume into a connecting line, in a discharge cycle;
  • 18th a schematic representation of the working device 7th in a final state of a discharge cycle;
  • 19th a schematic representation of a diagram which shows a working volume pressure as a function of a proportion which a displacement volume occupies in a working volume; and
  • 20th a schematic representation of a diagram which shows a saturation temperature of a working medium as a function of a proportion which a displacement volume assumes in a working volume.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference symbols in all figures.

1 zeigt eine als Ganzes mit 100 bezeichnete Wärmespeichervorrichtung. 1 shows a heat storage device designated as a whole by 100.

Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst eine Speichereinrichtung 102.The heat storage device 100 comprises a storage device 102 .

Die Speichereinrichtung 102 umfasst ein Speichervolumen 104 zur Aufnahme von Speichermedium 106 zum Speichern von Wärme.The storage device 102 includes a storage volume 104 for recording from storage medium 106 to store heat.

Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst ferner eine Wärmeübertragungseinrichtung 108, mittels welcher Wärme von einem Arbeitsmedium 109 auf das Speichermedium 106 und umgekehrt übertragbar ist (vergl. 8 bis 14).The heat storage device 100 further comprises a heat transfer device 108 , by means of which heat from a working medium 109 on the storage medium 106 and vice versa is transferable (cf. 8th to 14th ).

Die Wärmeübertragungseinrichtung 108 umfasst ein Arbeitsvolumen 110 zur Aufnahme des Arbeitsmediums 109, wobei das Arbeitsvolumen 110 zumindest näherungsweise vollständig innerhalb der Speichereinrichtung 102 angeordnet ist.The heat transfer device 108 includes a volume of work 110 for taking up the working medium 109 , the volume of work 110 at least approximately completely within the storage device 102 is arranged.

Das Arbeitsvolumen 110 steht mit dem Speichervolumen 104 insbesondere in thermischem Kontakt.The volume of work 110 stands with the storage volume 104 especially in thermal contact.

Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise eine Druckänderungseinrichtung 112 zur Änderung, insbesondere zur Erhöhung oder zur Verringerung eines Arbeitsmediumdrucks des Arbeitsmediums 109 im Arbeitsvolumen 110.The heat storage device 100 preferably comprises a pressure changing device 112 to change, in particular to increase or decrease a working medium pressure of the working medium 109 in volume of work 110 .

Die Wärmespeichervorrichtung 100, insbesondere die Druckänderungseinrichtung 112, umfasst vorzugsweise ein Wandelement 114, welches ein Verdrängungsvolumen 116 zur Aufnahme einer Verdrängungsflüssigkeit 117, insbesondere zur Aufnahme einer zumindest näherungsweise inkompressiblen Verdrängungsflüssigkeit, begrenzt (vergl. 9 bis 13).The heat storage device 100 , especially the pressure change device 112 , preferably comprises a wall element 114 , which is a displacement volume 116 for taking up a displacement liquid 117 , in particular to take up an at least approximately incompressible displacement liquid, limited (cf. 9 to 13th ).

Das Wandelement 114 unterteilt das Arbeitsvolumen 110 insbesondere in ein Totvolumen 118 und in ein insbesondere maximales Verdrängungsvolumen 116.The wall element 114 divides the volume of work 110 especially in a dead volume 118 and, in particular, a maximum displacement volume 116 .

Das Wandelement 114 erstreckt sich vorzugsweise konzentrisch zu einer Längsachse 120.The wall element 114 preferably extends concentrically to a longitudinal axis 120 .

Das Wandelement 114 ist vorzugsweise zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet.The wall element 114 is preferably cylindrical, in particular circular cylindrical.

Das Wandelement 114 ist insbesondere ein Rohr 122.The wall element 114 is in particular a pipe 122 .

Das Wandelement 114 weist daher vorzugsweise einen kreisringartigen Querschnitt auf. Unter einem Querschnitt des Wandelements 114 wird ein senkrecht zur Längsachse 120 genommener Querschnitt verstanden.The wall element 114 therefore preferably has an annular cross-section. Under a cross section of the wall element 114 becomes a perpendicular to the longitudinal axis 120 Understood cross section taken.

Das Wandelement 114 weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit λ von höchstens 10 W/m.K auf.The wall element 114 preferably has a thermal conductivity λ of at most 10 W / mK.

Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst ferner insbesondere eine Druckhülle 124, welche das Arbeitsvolumen 110 vom Speichervolumen 104 trennt.The heat storage device 100 also includes, in particular, a pressure envelope 124 which is the volume of work 110 from the storage volume 104 separates.

Die Druckhülle 124 umfasst vorzugsweise eine Druckhüllenwandung 126.The pressure envelope 124 preferably comprises a pressure envelope wall 126 .

Die Druckhüllenwandung 126 ist insbesondere druckfest ausgebildet.The pressure envelope wall 126 is designed in particular pressure-resistant.

Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen der Wärmespeichervorrichtung 100 ist die Druckhülle 124 insbesondere als Druckkessel 128 ausgebildet.In the embodiments of the heat storage device shown in the figures 100 is the pressure envelope 124 especially as a pressure vessel 128 educated.

Alternativ dazu ist es denkbar, dass die Druckhülle 124 als insbesondere druckfestes Rohrregister ausgebildet ist, welches zumindest näherungsweise vollständig innerhalb des Speichervolumens 104 angeordnet ist.Alternatively, it is conceivable that the pressure envelope 124 is designed as a pressure-resistant pipe register, which is at least approximately completely within the storage volume 104 is arranged.

Die Druckhülle 124 und/oder die Druckhüllenwandung 126 erstrecken sich vorzugsweise ebenfalls konzentrisch zur Längsachse 120.The pressure envelope 124 and / or the pressure envelope wall 126 preferably also extend concentrically to the longitudinal axis 120 .

Die Druckhülle 124 und/oder die Druckhüllenwandung 126 weisen insbesondere einen zylindrischen, vorzugsweise einen kreiszylindrischen Querschnitt auf. Unter einem Querschnitt der Druckhülle 124 und/oder der Druckhüllenwandung 126 wird insbesondere ein senkrecht zur Längsachse 120 genommener Querschnitt verstanden.The pressure envelope 124 and / or the pressure envelope wall 126 in particular have a cylindrical, preferably a circular cylindrical cross section. Under a cross section of the pressure envelope 124 and / or the pressure envelope wall 126 becomes in particular one perpendicular to the longitudinal axis 120 Understood cross section taken.

Die Druckhülle 124 und/oder die Druckhüllenwandung 126 sind insbesondere zumindest bereichsweise beabstandet zum Wandelement 114 angeordnet.The pressure envelope 124 and / or the pressure envelope wall 126 are in particular at least partially spaced from the wall element 114 arranged.

Vorzugsweise umfasst die Druckhüllenwandung 126 ein Druckhüllenmaterial 130, welches insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit λ von zumindest 50 W/m.K aufweist.The pressure sleeve wall preferably comprises 126 a printing sleeve material 130 , which in particular has a thermal conductivity λ of at least 50 W / mK.

Vorzugsweise sind das Wandelement 114 und die Druckhülle 124 und/oder die Druckhüllenwandung 126 konzentrisch zueinander angeordnet.The wall element is preferably 114 and the pressure envelope 124 and / or the pressure envelope wall 126 arranged concentrically to one another.

Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst ferner insbesondere einen Arbeitsvolumenanschluss 132 zum Zuführen des Arbeitsmediums 109 in das Arbeitsvolumen 110 und/oder zum Abführen des Arbeitsmediums 109 aus dem Arbeitsvolumen 110.The heat storage device 100 also includes in particular a working volume connection 132 for supplying the working medium 109 in the volume of work 110 and / or to discharge the working medium 109 from the volume of work 110 .

Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst ferner vorzugsweise einen Verdrängungsvolumenanschluss 134 zum Zuführen von Verdrängungsflüssigkeit 117 in das Verdrängungsvolumen 116 und/oder zum Abführen von Verdrängungsflüssigkeit 117 aus dem Verdrängungsvolumen 116.The heat storage device 100 further preferably comprises a displacement volume connection 134 for supplying displacement liquid 117 into the displacement volume 116 and / or for removing displacement liquid 117 from the displacement volume 116 .

Bei dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung 100 sind das Wandelelement 114 der Druckänderungseinrichtung 112 und die Druckhülle 124 und/oder die Druckhüllenwandung 126 voneinander beabstandet.The one in the 1 to 4th Shown embodiment of the heat storage device 100 are the change element 114 the pressure change device 112 and the pressure envelope 124 and / or the pressure envelope wall 126 spaced from each other.

Bei dem in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung 100 liegt das Wandelement 114 jedoch in mehreren Anlagebereichen 136 zumindest abschnittsweise flächig an der Druckhülle 124, insbesondere an der Druckhüllenwandung 126, an.The one in the 5 and 6th Shown embodiment of the heat storage device 100 is the wall element 114 but in several investment areas 136 at least in sections flat on the pressure envelope 124 , especially on the pressure envelope wall 126 , at.

Das Wandelement 114 umfasst vorzugsweise mehrere Kanäle 138 und/oder Nuten 140, in denen das Wandelement 114 nicht flächig an der Druckhülle 124 und/oder an der Druckhüllenwandung 126 anliegt.The wall element 114 preferably comprises several channels 138 and / or grooves 140 in which the wall element 114 not flat on the pressure envelope 124 and / or on the pressure envelope wall 126 is applied.

Die Kanäle 138 und/oder die Nuten 140 bilden bei dem in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung 100 vorzugsweise im Wesentlichen das Totvolumen 118.The channels 138 and / or the grooves 140 form in the 5 and 6th Shown embodiment of the heat storage device 100 preferably essentially the dead volume 118 .

Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsspielen der Wärmespeichervorrichtung 100 ist im Speichervolumen 104 als Speichermedium 106 vorzugsweise ein Latentwärmespeichermedium 142, insbesondere ein Phasenwechselmaterial 144 vorgesehen.In the embodiments of the heat storage device shown in the figures 100 is in the storage volume 104 as a storage medium 106 preferably a latent heat storage medium 142 , especially a phase change material 144 intended.

Vorzugsweise umfasst das Latentwärmespeichermedium 142 Nitratsalze und/oder Paraffin.The latent heat storage medium preferably comprises 142 Nitrate salts and / or paraffin.

Das in den 5 und 6 gezeigte Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise eine Wärmeleitstruktur 145 zur Übertragung von Wärme vom Arbeitsmedium auf das Speichermedium oder umgekehrt.That in the 5 and 6th Shown embodiment of the heat storage device 100 preferably comprises a heat conduction structure 145 for the transfer of heat from the working medium to the storage medium or vice versa.

Die Wärmeleitstruktur 145 ist zumindest näherungsweise vollständig im Speichervolumen 104 angeordnet.The thermal conduction structure 145 is at least approximately completely in the storage volume 104 arranged.

Die Wärmeleitstruktur 145 umfasst insbesondere Rippenelemente 146.The thermal conduction structure 145 in particular includes rib elements 146 .

Die Rippenelemente 146 liegen vorzugsweise zumindest abschnittsweise an der Druckhülle 124 und/oder an der Druckhüllenwandung 126 an und sind vorzugsweise entlang einer Längserstreckung der Kanäle 138 und/oder der Nuten 140 ausgerichtet.The rib elements 146 are preferably at least partially on the pressure envelope 124 and / or on the pressure envelope wall 126 and are preferably along a longitudinal extension of the channels 138 and / or the grooves 140 aligned.

Unter einer Längserstreckung der Kanäle 138 und/oder der Nuten 140 wird insbesondere eine Erstreckung entlang der Längsachse 120 der Druckhülle 124 verstanden.Under a longitudinal extension of the channels 138 and / or the grooves 140 becomes in particular an extension along the longitudinal axis 120 the pressure envelope 124 Understood.

Die Rippenelemente 146 liegen in Längserstreckung insbesondere durchgehend an der Druckhülle 124 und/oder an der Druckhüllenwandung 126 an.The rib elements 146 lie in the longitudinal direction in particular continuously on the pressure envelope 124 and / or on the pressure envelope wall 126 at.

Bei dem in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung 100 werden die Kanäle 138 und/oder die Nuten 140 insbesondere nur mittelbar von dem Wandelement 114 begrenzt.The one in the 5 and 6th Shown embodiment of the heat storage device 100 become the channels 138 and / or the grooves 140 in particular only indirectly from the wall element 114 limited.

Bei dem in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung 100 sind in das Wandelement 114 insbesondere Wärmeleiteinsätze 148 der Wärmeleitstruktur 145 eingesetzt.The one in the 5 and 6th Shown embodiment of the heat storage device 100 are in the wall element 114 especially heat conduction inserts 148 the heat conduction structure 145 used.

Zur Verbesserung der Zuführung von Wärme vom Arbeitsmedium 109 auf das Speichermedium 106, insbesondere zum Zuführen von Wärme auf ein Latentwärmespeichermedium 142 und/oder auf ein Phasenwechselmaterial 144, sind die Wärmeleiteinsätze 148 der Wärmeleitstruktur 145 mit den Rippenelementen 146 insbesondere thermisch gekoppelt.To improve the supply of heat from the working medium 109 on the storage medium 106 , in particular for supplying heat to a latent heat storage medium 142 and / or a phase change material 144 , are the thermal inserts 148 the heat conduction structure 145 with the rib elements 146 especially thermally coupled.

Die Druckänderungseinrichtung 112 der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele der Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise eine Pumpe 150 zur Zuführung einer Verdrängungsflüssigkeit 117, insbesondere einer zumindest näherungsweise inkompressiblen Verdrängungsflüssigkeit 117, in das Verdrängungsvolumen 116.The pressure changing device 112 of the embodiments of the heat storage device shown in the figures 100 preferably comprises a pump 150 for supplying a displacement liquid 117 , in particular an at least approximately incompressible displacement liquid 117 , into the displacement volume 116 .

Die Pumpe 150 ist vorzugsweise zur Zuführung der Verdrängungsflüssigkeit 117 in das Verdrängungsvolumen 116 ausgebildet.The pump 150 is preferably for supplying the displacement liquid 117 into the displacement volume 116 educated.

Hierzu ist insbesondere eine Leitung 152 vorgesehen, welche mit dem Verdrängungsvolumen 116 fluidisch, insbesondere hydraulisch, verbunden oder verbindbar ist.A line in particular is required for this 152 provided, which with the displacement volume 116 is fluidically, in particular hydraulically, connected or connectable.

Die Leitung 152 ist vorzugsweise mittels des Verdrängungsvolumenanschlusses 134 mit dem Verdrängungsvolumen 116 verbindbar.The administration 152 is preferably by means of the displacement volume connection 134 with the displacement volume 116 connectable.

Die Leitung 152 mündet insbesondere in einen in Schwerkraftrichtung 153 unteren Bereich des Wandelements 114 am Verdrängungsvolumenanschluss 134.The administration 152 opens in particular into one in the direction of gravity 153 lower area of the wall element 114 at the displacement connection 134 .

Die Druckänderungseinrichtung 112 der Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise einen Antriebsmotor 154, insbesondere einen Elektromotor 156, welcher mittels einer Welle 158 mit der Pumpe 150 verbunden oder verbindbar ist.The pressure changing device 112 the heat storage device 100 preferably comprises a drive motor 154 , especially an electric motor 156 , which by means of a shaft 158 with the pump 150 connected or connectable.

Der Antriebsmotor 154 und/oder der Elektromotor 156 ist insbesondere zum Antreiben der Pumpe 150 ausgebildet, so dass die Pumpe 150 insbesondere eine Verdrängungsflüssigkeit 117 mittels einer Leitung 160 aus einem Reservoir 162 in die Leitung 152 fördern kann.The drive motor 154 and / or the electric motor 156 is especially for driving the pump 150 trained so that the pump 150 in particular a displacement liquid 117 by means of a line 160 from a reservoir 162 into the line 152 can promote.

Die Leitung 152 ist wahlweise insbesondere auch mit dem Arbeitsvolumenanschluss 132 verbindbar, beispielsweise mittels eines in den Figuren nicht gezeigten Wegeventils.The administration 152 is optionally also available with the working volume connection 132 connectable, for example by means of a directional control valve not shown in the figures.

Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise eine Steuervorrichtung 164, mittels welcher die Druckänderungseinrichtung 112, insbesondere zur Änderung eines Arbeitsmediumdrucks, ansteuerbar ist.The heat storage device 100 preferably comprises a control device 164 , by means of which the pressure change device 112 , in particular to change a working medium pressure, can be controlled.

Die Steuervorrichtung 164 ist insbesondere zur Ansteuerung der Pumpe 152 der Druckänderungseinrichtung 112, vorzugsweise durch Ansteuern des die Pumpe 152 antreibenden Antriebsmotors 154, ausgebildet.The control device 164 is especially used to control the pump 152 the pressure change device 112 , preferably by controlling the pump 152 driving drive motor 154 , educated.

Mittels des Arbeitsvolumenanschlusses 132 ist dem Arbeitsvolumen 110 Arbeitsmedium 109, insbesondere dampfförmiges Arbeitsmedium 109 von einer Dampfquelle 166 zuführbar.By means of the working volume connection 132 is the volume of work 110 Working medium 109 , especially vaporous working medium 109 from a steam source 166 feedable.

Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise eine von der Druckänderungseinrichtung 112 verschiedene Druckerhöhungseinrichtung 168.The heat storage device 100 preferably comprises one of the pressure changing means 112 various pressure boosting devices 168 .

Die Druckerhöhungseinrichtung 168 ist insbesondere zur Erhöhung eines Arbeitsmediumdrucks ausgebildet, bevor das Arbeitsmedium 109 durch den Arbeitsvolumenanschluss 132 dem Arbeitsvolumen 110 zugeführt wird.The pressure booster 168 is designed in particular to increase a working medium pressure before the working medium 109 through the working volume connection 132 the volume of work 110 is fed.

Die Druckerhöhungseinrichtung 168 ist insbesondere ein Zusatzverdichter 170.The pressure booster 168 is in particular an additional compressor 170 .

Als Arbeitsmedium 109 ist dem Arbeitsvolumen 110 der Wärmespeichervorrichtung 100 vorzugsweise Wasser, insbesondere Sattdampf zuführbar. Wasser ist in der Regel ubiquitär verfügbar, kostengünstig und für den Menschen insbesondere nicht toxisch und daher vergleichsweise ungefährlich. As a working medium 109 is the volume of work 110 the heat storage device 100 preferably water, in particular saturated steam, can be supplied. As a rule, water is ubiquitous, inexpensive and, in particular, non-toxic to humans and therefore comparatively harmless.

Der Verdrängungsvolumenanschluss 134 ist vorzugsweise auch zum Abführen von Arbeitsmedium 109, vorzugsweise von Dampf, insbesondere von Sattdampf, aus dem Verdrängungsvolumen 116 ausgebildet.The displacement connection 134 is also preferably used to discharge the working medium 109 , preferably of steam, in particular of saturated steam, from the displacement volume 116 educated.

Als Verdrängungsflüssigkeit 117 ist dem Verdrängungsvolumen 116 insbesondere Wasser zuführbar.As a displacement fluid 117 is the displacement volume 116 in particular water can be supplied.

7 zeigt eine Arbeitsvorrichtung 200, insbesondere eine Arbeitsvorrichtung 200 zum Bereitstellen von mechanischer und/oder elektrischer Energie. 7th shows a working device 200 , in particular a working device 200 for providing mechanical and / or electrical energy.

Die Arbeitsvorrichtung 200 umfasst ein Wärmespeichervorrichtungspaar 202.The working device 200 includes a pair of thermal storage devices 202 .

Das Wärmespeichervorrichtungspaar 202 umfasst zwei Wärmespeichervorrichtungen 100 gemäß eines der in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiele. Das Wärmespeichervorrichtungspaar 202 umfasst insbesondere eine linke Wärmespeichervorrichtung 1001 und eine rechte Wärmespeichervorrichtung 100r.The pair of thermal storage devices 202 includes two heat storage devices 100 according to one of the 1 to 6th shown embodiments. The pair of thermal storage devices 202 comprises in particular a left heat storage device 1001 and a right heat storage device 100r.

Bei der in 7 gezeigten Arbeitsvorrichtung 200 sind die Verdrängungsvolumina 116 der beiden Wärmespeichervorrichtungen 100 insbesondere mittels einer Verbindungsleitung 204 fluidisch, insbesondere hydraulisch, miteinander verbunden.At the in 7th shown working device 200 are the displacement volumes 116 of the two heat storage devices 100 in particular by means of a connecting line 204 fluidically, in particular hydraulically, connected to one another.

Die Arbeitsvorrichtung 200 umfasst vorzugsweise einen Hydromotor 206 zum Bereitstellen von mechanischer und/oder elektrischer Energie.The working device 200 preferably comprises a hydraulic motor 206 for providing mechanical and / or electrical energy.

Der Hydromotor 206 ist in der Verbindungsleitung 204 angeordnet und mittels der Verdrängungsflüssigkeit 117 durchströmbar.The hydraulic motor 206 is in the connection line 204 arranged and by means of the displacement liquid 117 permeable.

Mechanische Arbeit ist durch den Hydromotor 206 insbesondere mittels einer Welle 208 abgebbar.Mechanical work is done by the hydraulic motor 206 in particular by means of a shaft 208 deliverable.

Die Arbeitsvorrichtung 200 umfasst ferner insbesondere einen ersten Wärmeübertrager 210, welcher ebenfalls in der Verbindungsleitung 204, insbesondere zwischen der in 7 links gezeigten Wärmespeichervorrichtung 1001 und dem Hydromotor 206, angeordnet ist.The working device 200 furthermore particularly comprises a first heat exchanger 210 , which is also in the connection line 204 , especially between the in 7th heat storage device 1001 shown on the left and the hydraulic motor 206 , is arranged.

Die Arbeitsvorrichtung 200 umfasst ferner insbesondere einen zweiten Wärmeübertrager 212, welcher insbesondere mit dem Arbeitsvolumenanschluss 132 der in 7 rechten Wärmespeichervorrichtung 100r verbunden ist.The working device 200 furthermore particularly comprises a second heat exchanger 212 , which in particular with the working volume connection 132 the in 7th right heat storage device 100r is connected.

Der Hydromotor 206 ist vorzugsweise in zwei entgegengesetzte Richtungen mittels der Verdrängungsflüssigkeit 117 durchströmbar.The hydraulic motor 206 is preferably in two opposite directions by means of the displacement liquid 117 permeable.

Zurückkommend auf die in den 1 bis 6 gezeigte Wärmespeichervorrichtung 100 sei erwähnt, dass das Arbeitsvolumen 110 insbesondere zum Erhöhen oder Verringern des Arbeitsmediumdrucks mittels der Druckänderungseinrichtung 112 verkleinerbar oder vergrößerbar ist.Coming back to those in the 1 to 6th shown heat storage device 100 it should be noted that the volume of work 110 in particular to increase or decrease the working medium pressure by means of the pressure change device 112 can be reduced or enlarged.

Das Arbeitsvolumen 110 der Wärmespeichervorrichtung 100 ist dabei mittels der Druckänderungseinrichtung 112 vorzugsweise um ein insbesondere maximales Verdrängungsvolumen 116 auf das Totvolumen 118 verkleinerbar.The volume of work 110 the heat storage device 100 is by means of the pressure change device 112 preferably by a particularly maximum displacement volume 116 on the dead volume 118 shrinkable.

Das Totvolumen 118 ist dabei insbesondere ein Volumen, über welches das Arbeitsvolumen 110 nicht hinaus verkleinerbar ist.The dead volume 118 is in particular a volume over which the working volume 110 cannot be reduced in size.

Das Verdrängungsvolumen 116 ist mittels der Druckänderungseinrichtung 112 insbesondere einstellbar.The displacement volume 116 is by means of the pressure changing device 112 especially adjustable.

Vorzugsweise ist das Verdrängungsvolumen 116 mittels der Druckänderungseinrichtung 112 vergrößerbar oder verkleinerbar.Preferably the displacement is 116 by means of the pressure changing device 112 can be enlarged or reduced.

Dem Verdrängungsvolumen 116 mittels des Verdrängungsvolumenanschlusses 134 von der Pumpe 150 zugeführte Verdrängungsflüssigkeit 117, insbesondere zugeführtes flüssiges Wasser, bildet im Wandelement 114 einen Flüssigkeitskolben 172 (vergl. 9).The displacement volume 116 by means of the displacement volume connection 134 from the pump 150 supplied displacement liquid 117 , in particular supplied liquid water, forms in the wall element 114 a liquid piston 172 (cf. 9 ).

Der Flüssigkeitskolben 172 bildet insbesondere ein Verdrängungselement 174 zum Verkleinern oder Vergrößern des Arbeitsvolumens 110.The liquid piston 172 in particular forms a displacement element 174 to reduce or enlarge the work volume 110 .

Das Verdrängungsvolumen 116 ist insbesondere mittels des Verdrängungselements 174 und/oder des Flüssigkeitskolbens 172 einstellbar, insbesondere vergrößerbar oder verkleinerbar.The displacement volume 116 is in particular by means of the displacement element 174 and / or the liquid piston 172 adjustable, in particular can be enlarged or reduced.

Das Verdrängungsvolumen 116 ist insbesondere auf ein maximales Verdrängungsvolumen 116 vergrößerbar, wenn ein Meniskus des Flüssigkeitskolbens 172 eine Oberkante 176 des als Rohr 122 ausgebildeten Wandelements 114 erreicht (vergl. 11).The displacement volume 116 is in particular to a maximum displacement volume 116 enlargeable if a meniscus of the liquid piston 172 an upper edge 176 des as a pipe 122 trained wall element 114 achieved (cf. 11 ).

Grundsätzlich ist es denkbar, alternativ zu einem Flüssigkeitskolben 172 im Wandelement 114 und/oder im Rohr 122 einen mechanischen Kolben zu verfahren. Durch Verwendung eines Flüssigkeitskolbens 172 kann vorzugsweise ein hoher Dichtheitsgrad zwischen Flüssigkeitskolben 172 und Wandelement 114 und/oder Rohr 122 realisiert werden.In principle, it is conceivable as an alternative to a liquid piston 172 in the wall element 114 and / or in the pipe 122 to move a mechanical piston. By using a liquid piston 172 can preferably have a high degree of tightness between liquid pistons 172 and wall element 114 and / or pipe 122 will be realized.

Folglich kann durch Verwendung eines Flüssigkeitskolbens 172 insbesondere ein hoher Druck auf das Arbeitsvolumen 110 ausgeübt werden, so dass insgesamt ein hoher Arbeitsvolumendruck realisierbar ist.Consequently, by using a liquid piston 172 especially high pressure on the work volume 110 are exercised, so that overall a high working volume pressure can be achieved.

Dadurch, dass ein zusätzliches Wandelement 114 innerhalb der Druckhülle 124 und/oder der Druckhüllenwandung 126 vorgesehen ist, kann vermieden werden, dass die Verdrängungsflüssigkeit 117 direkt mit der Druckhülle 124 und/oder der Druckhüllenwandung 126 in Kontakt kommt.By having an additional wall element 114 inside the pressure envelope 124 and / or the Pressure envelope wall 126 is provided, it can be avoided that the displacement liquid 117 directly with the pressure envelope 124 and / or the pressure envelope wall 126 comes into contact.

Da das Wandelement 114 vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit λ von höchstens 10 W/m·K aufweist, kann insbesondere eine thermische Isolation der Verdrängungsflüssigkeit 117 im Verdrängungsvolumen 116 von einem Arbeitsmedium 109 erreicht werden, das heißt eine Wärmeübertragung vom Arbeitsmedium 109 auf die Verdrängungsflüssigkeit 117 wird vorzugsweise minimiert.As the wall element 114 preferably has a thermal conductivity λ of at most 10 W / m · K, thermal insulation of the displacement liquid can in particular 117 in displacement volume 116 of a working medium 109 can be achieved, that is, a heat transfer from the working medium 109 on the displacement liquid 117 is preferably minimized.

Zudem kann dadurch, dass die Druckhülle 124 und/oder die Druckhüllenwandung 126 ein Druckhüllenmaterial 130 umfasst, welches eine Wärmeleitfähigkeit λ von zumindest 50 W/m.K aufweist, eine effiziente Wärmeübertragung von einem Arbeitsmedium 109, insbesondere von Sattdampf, auf das Speichermedium 106, insbesondere auf ein Latentwärmespeichermedium 142, erreicht werden.In addition, the fact that the pressure envelope 124 and / or the pressure envelope wall 126 a printing sleeve material 130 comprises, which has a thermal conductivity λ of at least 50 W / mK, an efficient heat transfer from a working medium 109 , especially from saturated steam, to the storage medium 106 , in particular a latent heat storage medium 142 can be achieved.

Ein Verfahren zum Betreiben der in den 1 bis 6 gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100 wird im Folgenden beschrieben. Die 8 bis 13 zeigen insbesondere Teilschritte eines Beladezyklus, in welchem Wärme vom Arbeitsmedium 109 auf das Speichermedium 106 übertragen wird.A method of operating the in the 1 to 6th shown heat storage device 100 is described below. The 8th to 13th show in particular partial steps of a loading cycle in which heat from the working medium 109 on the storage medium 106 is transmitted.

14 zeigt einen Teilschritt eines Entladezyklus der Wärmespeichervorrichtung 100, in welchem Wärme vom Speichermedium 106 auf das Arbeitsmedium 109 übertragen wird. 14th shows a partial step of a discharge cycle of the heat storage device 100 in what heat from the storage medium 106 on the working medium 109 is transmitted.

Bei dem in 8 gezeigten Teilschritt ist dem gesamten Arbeitsvolumen 110, das heißt dem Totvolumen 118 und dem Verdrängungsvolumen 134, Arbeitsmedium 109, insbesondere Sattdampf, über den Arbeitsvolumenanschluss 132 von der Dampfquelle 166 zugeführt. Wenn das Arbeitsvolumen 110 mittels der Dampfquelle 166 und der Druckerhöhungseinrichtung 168 mit Arbeitsmedium 109 befüllt ist, wird der Arbeitsvolumenanschluss 132 verschlossen.The in 8th The partial step shown is the total work volume 110 , that is, the dead volume 118 and the displacement volume 134 , Working medium 109 , especially saturated steam, via the working volume connection 132 from the steam source 166 fed. When the volume of work 110 by means of the steam source 166 and the pressure booster 168 with working medium 109 is filled, the working volume connection 132 locked.

Im nächsten, in 9 gezeigten, Schritt wird nunmehr Verdrängungsflüssigkeit 117, insbesondere flüssiges Wasser, dem Verdrängungsvolumen 116 über den Verdrängungsvolumenanschluss 134 zugeführt und bildet dort einen Flüssigkeitskolben 172, welcher in Richtung eines Pfeils 178 entgegen der Schwerkraftrichtung 153 nach oben steigt.In the next, in 9 The step shown now becomes the displacement fluid 117 , especially liquid water, the displacement volume 116 via the displacement connection 134 supplied and forms a liquid piston there 172 which is in the direction of an arrow 178 against the direction of gravity 153 rises to the top.

Das Verdrängungsvolumen 116 wird dabei insbesondere vergrößert, so dass das Arbeitsvolumen 110 verkleinert wird und das im Arbeitsvolumen 110 vorhandene Arbeitsmedium 109 verdichtet wird.The displacement volume 116 is increased in particular, so that the work volume 110 is reduced and that in the volume of work 110 existing working medium 109 is compressed.

Somit steigt der Arbeitsmediumdruck des Arbeitsmediums 109 im Arbeitsvolumen 110.The working medium pressure of the working medium thus increases 109 in volume of work 110 .

Wenn dem Verdrängungsvolumen 116 mehr Verdrängungsflüssigkeit 117 zugeführt wird, steigt der Flüssigkeitskolben 172, wie in 10 gezeigt, in Richtung des Pfeils 178 nach oben.When the displacement 116 more displacement fluid 117 is supplied, the liquid piston rises 172 , as in 10 shown in the direction of the arrow 178 up.

Das Arbeitsvolumen 110 wird dabei weiter verkleinert und das im Arbeitsvolumen 110 vorhandene Arbeitsmedium 109 weiter komprimiert.The volume of work 110 is further reduced and that in the work volume 110 existing working medium 109 further compressed.

Wenn der Arbeitsmediumdruck, insbesondere der Sattdampfdruck, im Arbeitsvolumen 110 einen Wert erreicht, bei welchem eine Sättigungstemperatur des Arbeitsmediums 109, insbesondere des Sattdampfs, größer ist als eine Temperatur des Speichermediums 106, kondensiert das Arbeitsmedium 109, insbesondere der Sattdampf, vorzugsweise an der Druckhülle 124 und/oder an der Druckhüllenwandung 126, wobei Wärme vom Arbeitsmedium 109 auf das Speichermedium 106 übertragen wird. Teilweise kondensiertes Arbeitsmedium 109 wird in Richtung des Pfeils 179 über den Arbeitsvolumenanschluss 132 aus dem Arbeitsvolumen 110 abgeführt (vergl. 10).If the working medium pressure, especially the saturated steam pressure, is in the working volume 110 reaches a value at which a saturation temperature of the working medium 109 , in particular the saturated steam, is greater than a temperature of the storage medium 106 , the working medium condenses 109 , especially the saturated steam, preferably on the pressure envelope 124 and / or on the pressure envelope wall 126 , with heat from the working medium 109 on the storage medium 106 is transmitted. Partly condensed working medium 109 is in the direction of the arrow 179 via the working volume connection 132 from the volume of work 110 discharged (cf. 10 ).

Kondensiertes Arbeitsmedium 109, insbesondere kondensierter Sattdampf, wird durch verdampfte Verdrängungsflüssigkeit 117, insbesondere durch verdampftes Wasser ersetzt, welches im Kontaktbereich des Flüssigkeitskolbens 172 mit dem Arbeitsmedium 109 verdampft.Condensed working medium 109 , especially condensed saturated steam, is displaced by evaporated liquid 117 , in particular replaced by evaporated water, which in the contact area of the liquid piston 172 with the working medium 109 evaporates.

Wenn dem Verdrängungsvolumen 116 über den Verdrängungsvolumenanschluss 134 mittels der Pumpe 150 Verdrängungsflüssigkeit 117, insbesondere flüssiges Wasser, zugeführt worden ist, bis der Flüssigkeitskolben 172 die Oberkante 176 des Wandelements 114 erreicht, ist das Arbeitsvolumen 110 auf das Totvolumen 118 verringert, wohingegen das Verdrängungsvolumen 116 maximal ist (vergl. 11).When the displacement 116 via the displacement connection 134 by means of the pump 150 Displacement fluid 117 , particularly liquid water, has been supplied until the liquid piston 172 the top edge 176 of the wall element 114 reached is the volume of work 110 on the dead volume 118 decreased, whereas the displacement volume 116 is maximum (cf. 11 ).

Das Arbeitsmedium 109 ist nunmehr auf einen maximalen Arbeitsmediumdruck komprimiert.The working medium 109 is now compressed to a maximum working medium pressure.

Dem Verdrängungsvolumen 116 wird dann mittels der Pumpe 150 vorzugsweise keine Verdrängungsflüssigkeit 117 mehr zugeführt.The displacement volume 116 is then by means of the pump 150 preferably no displacement liquid 117 more fed.

Vielmehr wird, wie in 12 gezeigt, der Verdrängungsvolumenanschluss 134 geöffnet, so dass Verdrängungsflüssigkeit 117 in Richtung des Pfeils 180 aus dem Verdrängungsvolumen 116 strömen kann.Rather, as in 12th shown, the displacement connection 134 opened so that displacement fluid 117 in the direction of the arrow 180 from the displacement volume 116 can flow.

Das im Arbeitsvolumen 110 vorhandene und komprimierte Arbeitsmedium 109, insbesondere der komprimierte Sattdampf, kann sich dabei ausdehnen und die Verdrängungsflüssigkeit 117, insbesondere flüssiges Wasser, aus dem Verdrängungsvolumen 116 in Richtung des Pfeils 180 durch den Verdrängungsvolumenanschluss 134 verdrängen.That in the volume of work 110 existing and compressed working medium 109 , in particular the compressed saturated steam, can expand and the displacement liquid 117 , especially liquid water, from the displacement volume 116 in the direction of the arrow 180 through the displacement volume connection 134 displace.

Um die Verdrängungsflüssigkeit 117 vollständig aus dem Verdrängungsvolumen 116 zu verdrängen, kann dem Arbeitsvolumen 110 mittels des Arbeitsvolumenanschlusses 132 Arbeitsmedium 109, insbesondere Sattdampf, von der Dampfquelle 166 und/oder von der Druckerhöhungseinrichtung 168 in Richtung des Pfeils 182 zugeführt werden (vergl. 13).About the displacement fluid 117 completely from the displacement volume 116 to displace the volume of work 110 by means of the working volume connection 132 Working medium 109 , especially saturated steam, from the steam source 166 and / or from the pressure booster 168 in the direction of the arrow 182 are supplied (cf. 13th ).

Wenn die Verdrängungsflüssigkeit 117 vollständig aus dem Verdrängungsvolumen 116 verdrängt ist, ist der in 8 gezeigte Ausgangszustand eines Beladezyklus zum Zuführen von Wärme vom Arbeitsmedium 109 auf das Speichermedium 106 wieder erreicht.When the displacement liquid 117 completely from the displacement volume 116 is displaced, the in 8th Shown initial state of a loading cycle for supplying heat from the working medium 109 on the storage medium 106 reached again.

Um dem Speichermedium 106 weiter Wärme zuzuführen, kann der Beladeschritt insbesondere zyklisch wiederholt werden, vorzugsweise mit einer Zyklusdauer von ungefähr 10 bis ungefähr 60 Sekunden.To the storage medium 106 To continue supplying heat, the loading step can in particular be repeated cyclically, preferably with a cycle duration of approximately 10 to approximately 60 seconds.

Die 19 und 20 zeigen jeweils eine Abhängigkeit eines Volumenanteils des Verdrängungsvolumens 116, welches der Flüssigkeitskolben 172 verdrängt, am maximal möglichen Arbeitsvolumen 110. Dieser Anteil ist insbesondere auf der Abszisse 184 aufgetragen.The 19th and 20th each show a dependence of a volume fraction of the displacement volume 116 which is the liquid piston 172 displaced, at the maximum possible work volume 110 . This proportion is particularly on the abscissa 184 applied.

19 zeigt auf der Ordinate 186 einen Arbeitsmediumdruck in Abhängigkeit des Volumenanteils sowie eines Anfangsdrucks, welcher von der Dampfquelle 166 und/oder der Druckerhöhungseinrichtung 168 bereitgestellt wird. 19th points on the ordinate 186 a working medium pressure as a function of the volume fraction as well as an initial pressure which comes from the steam source 166 and / or the pressure booster 168 provided.

19 zeigt auf der Ordinate 186 eine Abhängigkeit der Sättigungstemperatur des Arbeitsmediums 109 abhängig von einer Anfangstemperatur des Arbeitsmediums 109. 19th points on the ordinate 186 a dependency of the saturation temperature of the working medium 109 depending on an initial temperature of the working medium 109 .

Aus den 19 und 20 geht deutlich hervor, dass ein möglichst hohes Verhältnis des maximalen Verdrängungsvolumens 116 zum Totvolumen 118 wünschenswert ist.From the 19th and 20th it is clear that the highest possible ratio of the maximum displacement volume 116 to dead volume 118 is desirable.

Daher ist bei dem in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung 100 das Totvolumen 118 dadurch minimiert, dass das Wandelement 114 in den Anlagebereichen 136 insbesondere dichtend an der Druckhülle 124 und/oder der Druckhüllenwandung 126 anliegt und somit das Totvolumen 118 im Wesentlichen nur von den Kanälen 138 und/oder von den Nuten 140 gebildet wird.Therefore, the one in the 5 and 6th Shown embodiment of the heat storage device 100 the dead volume 118 thereby minimized that the wall element 114 in the investment areas 136 in particular sealing on the pressure envelope 124 and / or the pressure envelope wall 126 and thus the dead volume 118 essentially just from the channels 138 and / or from the grooves 140 is formed.

Mit dem in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung 100 sind somit vorzugsweise höhere Sättigungsdampfdrücke und/oder höhere Sättigungstemperaturen erreichbar als mit dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung 100.With the in the 5 and 6th Shown embodiment of the heat storage device 100 higher saturation vapor pressures and / or higher saturation temperatures are thus preferably achievable than with the 1 to 4th Shown embodiment of the heat storage device 100 .

Zum Entladen der Wärmespeichervorrichtung 100 kann, wie in 14 gezeigt, dem Arbeitsvolumen 110 über den Arbeitsvolumenanschluss 132 Arbeitsmedium 109, insbesondere flüssiges Wasser in Richtung des Pfeils 182 zugeführt werden.For discharging the heat storage device 100 can, as in 14th shown the volume of work 110 via the working volume connection 132 Working medium 109 , especially liquid water in the direction of the arrow 182 are fed.

Ein Zuführen von Wasser ist dabei beispielsweise mittels der Pumpe 150 aus dem Reservoir 162 denkbar.A supply of water is for example by means of the pump 150 from the reservoir 162 conceivable.

Wenn das flüssige Arbeitsmedium 109, insbesondere flüssiges Wasser, im Siedezustand dem Arbeitsvolumen 110 zugeführt wird, verdampft das Arbeitsmedium 109 durch thermischen Kontakt mit dem im Speichervolumen 104 angeordneten Speichermedium 106 und wird am Verdrängungsvolumenanschluss 134 in Richtung des Pfeils 180 abgeführt. Das dampfförmige Arbeitsmedium 109, insbesondere erzeugter Sattdampf, kann nun beispielsweise zum Heizen und/oder zum Antreiben einer Dampfturbine, beispielsweise zur Stromerzeugung, genutzt werden.When the liquid working medium 109 , especially liquid water, in the boiling state the working volume 110 is supplied, the working medium evaporates 109 through thermal contact with that in the storage volume 104 arranged storage medium 106 and is at the displacement connection 134 in the direction of the arrow 180 discharged. The vaporous working medium 109 , in particular generated saturated steam, can now be used, for example, for heating and / or for driving a steam turbine, for example for generating electricity.

In den 15 bis 18 ist ein alternativer Entladezyklus einer Wärmespeichervorrichtung 100 am Beispiel der in 7 gezeigten Arbeitsvorrichtung 200 gezeigt.In the 15th to 18th is an alternate discharge cycle of a thermal storage device 100 using the example of in 7th shown working device 200 shown.

15 zeigt einen ersten Schritt eines Entladezyklus mit Bereitstellung von mechanischer und/oder elektrischer Energie am Hydromotor 206. 15th shows a first step of a discharge cycle with the provision of mechanical and / or electrical energy at the hydraulic motor 206 .

Das Verdrängungsvolumen 116 der in 15 linken Wärmespeichervorrichtung 1001 der Arbeitsvorrichtung 200 ist vollständig mit Verdrängungsflüssigkeit 117, insbesondere mit Wasser 214, bis zur Oberkante 176 des Wandelements 114 gefüllt und bildet dort einen Flüssigkeitskolben 172. Das übrige Totvolumen 118 des Arbeitsvolumens 110 ist mit dampfförmigem Arbeitsmedium 109, insbesondere mit Sattdampf, gefüllt, beispielsweise mit Sattdampf aus der Dampfquelle 166.The displacement volume 116 the in 15th left heat storage device 1001 of the working device 200 is complete with displacement fluid 117 , especially with water 214 , up to the top 176 of the wall element 114 filled and there forms a liquid piston 172 . The rest of the dead volume 118 the volume of work 110 is with vaporous working medium 109 , in particular with saturated steam, filled, for example with saturated steam from the steam source 166 .

Das gesamte Arbeitsvolumen 110, das heißt Totvolumen 118 und Verdrängungsvolumen 116, der in 15 rechts gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100r sind ebenfalls mit Arbeitsmedium 109, insbesondere mit Sattdampf, gefüllt.The entire volume of work 110 , that is, dead volume 118 and displacement volume 116 who is in 15th The heat storage device 100r shown on the right are also with working medium 109 , especially with saturated steam.

Die die beiden Verdrängungsvolumenanschlüsse 134 verbindende Verbindungsleitung 204 ist ebenfalls mit Verdrängungsflüssigkeit 117, insbesondere mit Wasser 214, gefüllt.The two displacement connections 134 connecting connecting line 204 is also with displacement fluid 117 , especially with water 214 , filled.

In einem in 16 gezeigten Schritt wird flüssiges Arbeitsmedium 109, insbesondere Wasser 214, beispielsweise mit der in 1 gezeigten Pumpe 150 insbesondere aus dem Reservoir 162 durch den Arbeitsvolumenanschluss 132 dem Totvolumen 118 der in 16 linken Wärmespeichervorrichtung 1001 in Richtung des Pfeils 216 zugeführt. Insbesondere wird so viel Wasser 214 dem Totvolumen 118 der in 16 linken Wärmespeichervorrichtung 1001 zugeführt, bis dieses nahezu die Oberkante 176 des Wandelements 114 erreicht.In an in 16 The step shown is liquid working medium 109 , especially water 214 , for example with the in 1 shown pump 150 especially from the reservoir 162 through the working volume connection 132 the dead volume 118 the in 16 left heat storage device 1001 in the direction of the arrow 216 fed. In particular, it gets so much water 214 the dead volume 118 the in 16 left heat storage device 1001 supplied until this almost the upper edge 176 of the wall element 114 reached.

Das flüssige Arbeitsmedium 109, insbesondere flüssiges Wasser 214, wird insbesondere im Siedezustand der in 16 links gezeigten Wärmespeichervorrichtung 1001 zugeführt.The liquid working medium 109 , especially liquid water 214 , is especially in the boiling state of in 16 Heat storage device 1001 shown on the left supplied.

Im Arbeitsvolumen 110 der in 16 links gezeigten Wärmespeichervorrichtung 1001 wird das dampfförmige Arbeitsmedium 109, insbesondere der Sattdampf, komprimiert.In the volume of work 110 the in 16 The heat storage device 1001 shown on the left is the vaporous working medium 109 , especially the saturated steam, compressed.

Das dem Totvolumen 118 der in 16 links gezeigten Wärmespeichervorrichtung 1001 zugeführte flüssige Arbeitsmedium 109, insbesondere das flüssige Wasser 214, kommt in thermischen Kontakt mit dem Speichermedium 106, so dass Wärme vom Speichermedium 106 auf das flüssige Arbeitsmedium 109 übertragen wird und dieses verdampft (vergl. 17) und ein Flüssigkeitsspiegel 218 des Wassers 214 im Totvolumen 118 sinkt.The dead volume 118 the in 16 left shown heat storage device 1001 supplied liquid working medium 109 , especially the liquid water 214 , comes into thermal contact with the storage medium 106 so that heat from the storage medium 106 on the liquid working medium 109 is transferred and this evaporates (cf. 17th ) and a liquid level 218 of the water 214 in dead volume 118 sinks.

Aufgrund des sich im Arbeitsvolumen 110 ausdehnenden Dampfs wird der Flüssigkeitskolben 172 in der in 17 links gezeigten Wärmespeichervorrichtung 1001 in Richtung des Pfeils 220 nach unten verdrängt.Because of the volume of work 110 expanding vapor becomes the piston of liquid 172 in the in 17th Heat storage device 1001 shown on the left in the direction of the arrow 220 displaced downwards.

Die Verdrängungsflüssigkeit 117 wird dabei aus dem Verdrängungsvolumenanschluss 134 der in 17 links gezeigten Wärmespeichervorrichtung 1001 durch die Verbindungsleitung 204 und den Verdrängungsvolumenanschluss 134 der in 17 rechts gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100r in das Verdrängungsvolumen 116 derselben verdrängt, so dass dort ein Flüssigkeitskolben 172 in Richtung des Pfeils 222 nach oben steigt.The displacement fluid 117 becomes from the displacement volume connection 134 the in 17th heat storage device 1001 shown on the left through the connecting line 204 and the displacement connection 134 the in 17th heat storage device 100r shown on the right into the displacement volume 116 the same displaced, so that there is a liquid piston 172 in the direction of the arrow 222 rises to the top.

Beim Durchströmen des in der Verbindungsleitung 204 angeordneten Hydromotors ist mittels der Welle 208 mechanische Energie 224 und/oder elektrische Energie 226 abgebbar.When flowing through the in the connection line 204 arranged hydraulic motor is by means of the shaft 208 mechanical energy 224 and / or electrical energy 226 deliverable.

Ein Druck der Verdrängungsflüssigkeit 117 in der Verbindungsleitung 204 wird beim Durchströmen des Hydromotors 206 insbesondere reduziert.A pressure of the displacement fluid 117 in the connection line 204 is when flowing through the hydraulic motor 206 especially reduced.

Vorzugsweise wird im zweiten Wärmeübertrager 212 am Verdrängungsvolumenanschluss 134 der in 17 rechts gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100r ausströmender Sattdampf kondensiert und dabei Wärme 228 abgegeben.Preferably in the second heat exchanger 212 at the displacement connection 134 the in 17th Heat storage device 100r shown on the right condenses out flowing saturated steam and thereby heat 228 submitted.

Der im zweiten Wärmeübertrager 212 kondensierte Sattdampf strömt vorzugsweise in das Arbeitsvolumen 110 der in 17 rechts gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100r.The one in the second heat exchanger 212 condensed saturated steam preferably flows into the working volume 110 the in 17th Heat storage device 100r shown on the right.

Im ersten Wärmeübertrager 210 wird vorzugsweise Sattdampf kondensiert, wobei mittels des ersten Wärmeübertragers 210 Wärme 230 abführbar ist (vergl. 18).In the first heat exchanger 210 saturated steam is preferably condensed, using the first heat exchanger 210 warmth 230 is deductible (cf. 18th ).

Zum Ende des Zyklus haben die Wärmespeichervorrichtungen 100 vorzugsweise ihre Position getauscht, das heißt ein Zustand der in 18 rechts gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100r entspricht insbesondere zumindest näherungsweise einem Zustand der in 15 links gezeigten Wärmespeichervorrichtung 1001, wohingegen ein Zustand der in 18 links gezeigten Wärmespeichervorrichtung 1001 zumindest näherungsweise einem Zustand der in 15 rechts gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100r entspricht.At the end of the cycle the heat storage devices have 100 preferably swapped their position, i.e. a state of the in 18th The heat storage device 100r shown on the right corresponds in particular at least approximately to a state of that in FIG 15th heat storage device 1001 shown on the left, whereas a state of the in 18th The heat storage device 1001 shown on the left at least approximately corresponds to a state of the in 15th corresponds to the heat storage device 100r shown on the right.

Vorzugsweise ist daher vorgesehen, dass die Wärmeübertrager 210, 212 entsprechend mit den beiden Wärmespeichervorrichtungen 100 verschaltet werden, wobei auch die Durchflussrichtung des Hydromotors 206 änderbar ist.It is therefore preferably provided that the heat exchanger 210 , 212 accordingly with the two heat storage devices 100 are interconnected, with the flow direction of the hydraulic motor 206 is changeable.

Zur weiteren Bereitstellung mechanischer und/oder elektrischer Energie 224, 226 mittels des Hydromotors 206 ist nunmehr dem Arbeitsvolumenanschluss 132 der in 18 rechts gezeigten Wärmespeichervorrichtung 100r flüssiges Arbeitsmedium 109, insbesondere Wasser 214, im Siedezustand zuführbar und der Entladezyklus beginnt von neuem.For further provision of mechanical and / or electrical energy 224 , 226 by means of the hydraulic motor 206 is now the working volume connection 132 the in 18th Heat storage device 100r shown on the right, liquid working medium 109 , especially water 214 , can be added in the boiling state and the discharge cycle starts again.

Insgesamt kann eine Wärmespeichervorrichtung 100 bereitgestellt werden, mittels welcher unter Einsatz von mechanischer und/oder elektrischer Energie eine Speicherung und/oder Abgabe von Hochtemperaturwärmemengen ermöglicht wird.Overall, a heat storage device 100 are provided, by means of which, using mechanical and / or electrical energy, storage and / or release of high-temperature heat quantities is made possible.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
WärmespeichervorrichtungHeat storage device
102102
SpeichereinrichtungStorage facility
104104
SpeichervolumenStorage volume
106106
SpeichermediumStorage medium
108108
WärmeübertragungseinrichtungHeat transfer device
109109
ArbeitsmediumWorking medium
110110
ArbeitsvolumenVolume of work
112112
DruckänderungseinrichtungPressure change device
114114
WandelementWall element
116116
VerdrängungsvolumenDisplacement volume
117117
VerdrängungsflüssigkeitDisplacement fluid
118118
TotvolumenDead volume
120120
LängsachseLongitudinal axis
122122
Rohrpipe
124124
DruckhüllePressure envelope
126126
DruckhüllenwandungPressure envelope wall
128128
DruckkesselPressure vessel
130130
DruckhüllenmaterialPrinting sleeve material
132132
ArbeitsvolumenanschlussWorking volume connection
134134
VerdrängungsvolumenanschlussDisplacement connection
136136
AnlagebereichInvestment area
138138
Kanalchannel
140140
NutGroove
142142
LatentwärmespeichermediumLatent heat storage medium
144144
PhasenwechselmaterialPhase change material
145145
WärmeleitstrukturThermal structure
146146
RippenelementRib element
148148
WärmeleiteinsatzThermal insert
150150
Pumpepump
152152
Leitungmanagement
153153
SchwerkraftrichtungDirection of gravity
154154
AntriebsmotorDrive motor
156156
ElektromotorElectric motor
158158
Wellewave
160160
Leitungmanagement
162162
Reservoirreservoir
164164
SteuervorrichtungControl device
166166
DampfquelleSteam source
168168
DruckerhöhungseinrichtungPressure booster
170170
ZusatzverdichterAdditional compressor
172172
FlüssigkeitskolbenLiquid piston
174174
VerdrängungselementDisplacement element
176176
OberkanteTop edge
178178
Pfeilarrow
179179
Pfeilarrow
180180
Pfeilarrow
182182
Pfeilarrow
184184
Abszisseabscissa
186186
Ordinateordinate
200200
ArbeitsvorrichtungWorking device
202202
WärmespeichervorrichtungspaarPair of thermal storage devices
204204
VerbindungsleitungConnecting line
206206
HydromotorHydraulic motor
208208
Wellewave
210210
erster Wärmeübertragerfirst heat exchanger
212212
zweiter Wärmeübertragersecond heat exchanger
214214
Wasserwater
216216
Pfeilarrow
218218
FlüssigkeitspegelLiquid level
220220
Pfeilarrow
222222
Pfeilarrow
224224
mechanische Energiemechanical energy
226226
elektrische Energieelectrical power
228228
Wärmewarmth
230230
Wärmewarmth

Claims (14)

Wärmespeichervorrichtung (100), umfassend: eine Speichereinrichtung (102), welche ein Speichervolumen (104) zur Aufnahme von Speichermedium (106) zum Speichern von Wärme aufweist; eine Wärmeübertragungseinrichtung (108), mittels welcher Wärme von einem Arbeitsmedium (109) auf das Speichermedium (106) und umgekehrt übertragbar ist; wobei die Wärmeübertragungseinrichtung (108) ein Arbeitsvolumen (110) zur Aufnahme des Arbeitsmediums (109) aufweist, wobei das Arbeitsvolumen (110) zumindest abschnittsweise, insbesondere zumindest näherungsweise vollständig, innerhalb der Speichereinrichtung (102) angeordnet ist und mit dem Speichervolumen (104) in thermischem Kontakt steht; wobei die Wärmespeichervorrichtung (100) ferner eine Druckänderungseinrichtung (112) zum Ändern, insbesondere zum Erhöhen oder zum Verringern, eines Arbeitsmediumdrucks des Arbeitsmediums (109) im Arbeitsvolumen (110) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsvolumen (110) zum Erhöhen oder Verringern des Arbeitsmediumdrucks mittels der Druckänderungseinrichtung (112) verkleinerbar oder vergrößerbar ist.A heat storage device (100), comprising: a storage device (102) which has a storage volume (104) for receiving storage medium (106) for storing heat; a heat transfer device (108) by means of which heat can be transferred from a working medium (109) to the storage medium (106) and vice versa; wherein the heat transfer device (108) has a working volume (110) for receiving the working medium (109), the working volume (110) being arranged at least in sections, in particular at least approximately completely, within the storage device (102) and with the storage volume (104) in is in thermal contact; wherein the heat storage device (100) further comprises a pressure changing device (112) for changing, in particular for increasing or decreasing, a working medium pressure of the working medium (109) in the working volume (110), characterized in that the working volume (110) for increasing or decreasing the Working medium pressure can be reduced or increased by means of the pressure change device (112). Wärmespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsvolumen (110) mittels der Druckänderungseinrichtung (112) um ein Verdrängungsvolumen (116) auf ein Totvolumen (118) verkleinerbar ist, wobei das Verdrängungsvolumen vorzugsweise (116) mittels der Druckänderungseinrichtung (112) einstellbar ist.Heat storage device (100) according to Claim 1 , characterized in that the working volume (110) can be reduced by a displacement volume (116) to a dead volume (118) by means of the pressure change device (112), the displacement volume preferably being adjustable (116) by means of the pressure change device (112). Wärmespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckänderungseinrichtung (112) ein Verdrängungselement (174) zum Verkleinern oder Vergrößern des Arbeitsvolumens (110) umfasst.Heat storage device (100) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the Pressure changing device (112) comprises a displacement element (174) for reducing or increasing the working volume (110). Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckänderungseinrichtung (112) ein Wandelement (114) umfasst, welches ein Verdrängungsvolumen (116) zur Aufnahme einer Verdrängungsflüssigkeit (117), insbesondere zur Aufnahme einer zumindest näherungsweise inkompressiblen Verdrängungsflüssigkeit (117), begrenzt.Heat storage device (100) according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the pressure change device (112) comprises a wall element (114) which delimits a displacement volume (116) for receiving a displacement liquid (117), in particular for receiving an at least approximately incompressible displacement liquid (117). Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (100) eine Druckhülle (124) umfasst, welche das Arbeitsvolumen (110) von dem Speichervolumen (104) trennt.Heat storage device (100) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the heat storage device (100) comprises a pressure envelope (124) which separates the working volume (110) from the storage volume (104). Wärmespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (114) in einem Anlagebereich (136) oder in mehreren Anlagebereichen (136) zumindest abschnittsweise flächig an der Druckhülle (124), insbesondere an einer Druckhüllenwandung (126) der Druckhülle (124), anliegt, wobei das Wandelement (114) und/oder die Druckhülle (124) einen oder mehrere Kanäle (138) und/oder eine oder mehrere Nuten (140) umfasst, in denen das Wandelement (114) nicht flächig an der Druckhülle (124) anliegt und welche ein Totvolumen (118) zur Aufnahme des Arbeitsmediums (109) begrenzen.Heat storage device (100) according to Claim 4 and 5 , characterized in that the wall element (114) in a contact area (136) or in several contact areas (136) at least partially rests flat on the pressure envelope (124), in particular on a pressure envelope wall (126) of the pressure envelope (124), the Wall element (114) and / or the pressure envelope (124) comprises one or more channels (138) and / or one or more grooves (140) in which the wall element (114) does not lie flat against the pressure envelope (124) and which have a Limit dead volume (118) for receiving the working medium (109). Wärmespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (100) eine Wärmeleitstruktur (145) zur Übertragung von Wärme (238, 240) vom Arbeitsmedium (109) auf das Speichermedium (106) oder umgekehrt umfasst, wobei die Wärmeleitstruktur (145) im Speichervolumen (104) angeordnet ist und Rippenelemente (146) umfasst, welche an der Druckhülle (124) zumindest abschnittsweise anliegen und entlang einer Längserstreckung der Kanäle (138) und/oder Nuten (140) ausgerichtet sind.Heat storage device (100) according to Claim 6 , characterized in that the heat storage device (100) comprises a heat conduction structure (145) for transferring heat (238, 240) from the working medium (109) to the storage medium (106) or vice versa, the heat conduction structure (145) in the storage volume (104) is arranged and comprises rib elements (146) which bear against the pressure sleeve (124) at least in sections and are aligned along a longitudinal extension of the channels (138) and / or grooves (140). Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckänderungseinrichtung (112) eine Pumpe (150) zur Zuführung einer Verdrängungsflüssigkeit (117), insbesondere einer zumindest näherungsweise inkompressiblen Verdrängungsflüssigkeit (117), in das Verdrängungsvolumen (116) umfasst.Heat storage device (100) according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the pressure change device (112) comprises a pump (150) for supplying a displacement liquid (117), in particular an at least approximately incompressible displacement liquid (117), into the displacement volume (116). Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (106) ein Latentwärmespeichermedium (142) und/oder ein Speichermedium (106) zum Speichern von sensibler Wärme umfasst.Heat storage device (100) according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the storage medium (106) comprises a latent heat storage medium (142) and / or a storage medium (106) for storing sensible heat. Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (100) ferner eine von der Druckänderungseinrichtung (112) verschiedene Druckerhöhungseinrichtung (168) zur Erhöhung des Arbeitsmediumdrucks umfasst.Heat storage device (100) according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the heat storage device (100) further comprises a pressure-increasing device (168) different from the pressure-changing device (112) for increasing the working medium pressure. Arbeitsvorrichtung (200), insbesondere zum Bereitstellen von mechanischer Arbeit, umfassend wenigstens ein Wärmespeichervorrichtungspaar (202), welches zwei Wärmespeichervorrichtungen (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckänderungseinrichtung (112) einer jeden Wärmespeichervorrichtung (100) jeweils ein Wandelement (114) umfasst, welches jeweils ein Verdrängungsvolumen (116) zur Aufnahme einer Verdrängungsflüssigkeit (117), insbesondere zur Aufnahme einer zumindest näherungsweise inkompressiblen Verdrängungsflüssigkeit (117), begrenzt, wobei die Verdrängungsvolumina (116) der beiden Wärmespeichervorrichtungen (100) mittels einer Verbindungsleitung (204) fluidisch, insbesondere hydraulisch, miteinander verbunden sind, wobei die Arbeitsvorrichtung (200) einen Hydromotor (206) zum Bereitstellen von mechanischer (224) und/oder elektrischer (226) Energie umfasst, welcher in der Verbindungsleitung (204) angeordnet und mittels der Verdrängungsflüssigkeit (117) durchströmbar ist.Working device (200), in particular for providing mechanical work, comprising at least one heat storage device pair (202), which has two heat storage devices (100) according to one of the Claims 1 to 10 comprises, characterized in that the pressure changing device (112) of each heat storage device (100) each comprises a wall element (114), each of which has a displacement volume (116) for receiving a displacement liquid (117), in particular for receiving an at least approximately incompressible displacement liquid (117 ), the displacement volumes (116) of the two heat storage devices (100) being fluidically, in particular hydraulically, connected to one another by means of a connecting line (204), the working device (200) having a hydraulic motor (206) for providing mechanical (224) and / or electrical (226) energy, which is arranged in the connecting line (204) and through which the displacement liquid (117) can flow. Verfahren zum Betreiben einer Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: einen Beladeschritt zum Zuführen von Wärme zu der Speichereinrichtung (102) mittels der Wärmeübertragungseinrichtung (108), wobei der Beladeschritt umfasst: - Zuführen eines dampfförmigen Arbeitsmediums (109), insbesondere Zuführen von Sattdampf, in das Arbeitsvolumen (110); - Erhöhen eines Arbeitsmediumdrucks des Arbeitsmediums (109) im Arbeitsvolumen (110), so dass Wärme, insbesondere Kondensationswärme vom Arbeitsmedium (109) auf ein im Speichervolumen (104) angeordnetes Speichermedium (106) übertragen wird.Method for operating a heat storage device (100) according to one of the Claims 1 to 10 , wherein the method comprises: a loading step for supplying heat to the storage device (102) by means of the heat transfer device (108), the loading step comprising: supplying a vaporous working medium (109), in particular supplying saturated steam, into the working volume (110 ); - Increasing a working medium pressure of the working medium (109) in the working volume (110), so that heat, in particular condensation heat, is transferred from the working medium (109) to a storage medium (106) arranged in the storage volume (104). Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner einen Entladeschritt zum Abführen von Wärme von der Speichereinrichtung (102) mittels der Wärmeübertragungseinrichtung (108) umfasst, wobei der Entladeschritt umfasst: - Zuführen eines flüssigen Arbeitsmediums (109), insbesondere Zuführen von Wasser (214), in das Arbeitsvolumen (110); - Verdampfen des Arbeitsmediums (109), insbesondere Erzeugen von Sattdampf, indem Wärme von dem Speichermedium (106) auf das Arbeitsmedium (109) übertragen wird.Procedure according to Claim 12 , characterized in that the method further comprises an unloading step for removing heat from the storage device (102) by means of the heat transfer device (108), the unloading step comprising: - supplying a liquid working medium (109), in particular supplying water (214), into the working volume (110); - Evaporation of the working medium (109), in particular generation of saturated steam, in that heat is transferred from the storage medium (106) to the working medium (109). Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsvorrichtung (200) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Folgendes umfasst: - Zuführen von flüssigem Arbeitsmedium (109), insbesondere Zuführen von Wasser (214), in das Arbeitsvolumen (110) einer ersten Wärmespeichervorrichtung (100) des wenigstens einen Wärmespeichervorrichtungspaars (202), wobei Wärme von dem Speichermedium (106) auf das flüssige Arbeitsmedium (109) übertragen wird, so dass das Arbeitsmedium (109) verdampft; - Verdrängen einer Verdrängungsflüssigkeit (117) aus dem Verdrängungsvolumen (116) der ersten Wärmespeichervorrichtung (100) des wenigstens einen Wärmespeichervorrichtungspaars (202) durch die Verbindungsleitung (204) in das Verdrängungsvolumen (116) der zweiten Wärmespeichervorrichtung (100) des wenigstens einen Wärmespeichervorrichtungspaars (202), so dass der in der Verbindungsleitung (204) angeordnete Hydromotor (206) durchströmt wird und mechanische (224) und/oder elektrische (226) Energie bereitgestellt wird.Method for operating a work device (200) according to Claim 11 , characterized in that the method comprises: - Supplying liquid working medium (109), in particular supplying water (214), into the working volume (110) of a first heat storage device (100) of the at least one heat storage device pair (202), with heat from the storage medium (106) is transferred to the liquid working medium (109) so that the working medium (109) evaporates; - Displacement of a displacement liquid (117) from the displacement volume (116) of the first heat storage device (100) of the at least one heat storage device pair (202) through the connecting line (204) into the displacement volume (116) of the second heat storage device (100) of the at least one heat storage device pair (202) ), so that the hydraulic motor (206) arranged in the connecting line (204) is flowed through and mechanical (224) and / or electrical (226) energy is provided.
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