DE102011000655A1 - Heat transporting method, involves changing volume of chambers, so that total capacity of chambers is constant, and connecting chambers with connection pieces, such that filling and draining of chambers takes place temporarily at same time - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetransportsystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Wärmetransportsystem, welches ohne vorgegebene, installierte Transportwege, z. B. Leitungen auskommt sowie die hierfür benötigten mobilen Wärmespeicher und die Verfahren zu deren Be- und Entladung.The invention relates to a heat transport system. In particular, the invention relates to a heat transport system, which without predetermined, installed transport routes, z. B. lines and the required mobile heat storage and the process for loading and unloading.
Durch steigende Energiepreise sowie durch den durch die Verbrennung fossiler Energieträger hervorgerufenen anthropogenen Treibhauseffekt gilt es, die vorhandene Energie effizienter zu nutzen und auch bislang nicht genutzte Energiequellen zu erschließen. Mit Hilfe der hier beschriebenen mobilen Wärmespeicher ist es möglich, bislang ungenutzte Abwärme vom Entstehungsort (Wärmequelle) zu Wärmeabnehmern (Wärmesenken) zu transportieren, um sie dort zu nutzen. Dadurch können in den Wärmesenken andere Energieträger substituiert und somit die Umwelt entlastet werden.Rising energy prices as well as the anthropogenic greenhouse effect caused by the burning of fossil energy sources mean that existing energy needs to be used more efficiently and energy sources that have not yet been exploited. With the help of the mobile heat storage described here, it is possible to transport previously unused waste heat from the source (heat source) to heat consumers (heat sinks) to use them there. As a result, other energy sources can be substituted in the heat sinks and thus the environment can be relieved.
Prinzipiell besteht die Möglichkeit, diese Abwärme von der Quelle über ein leitungsgebundenes Nah- oder Fernwärmenetz zu Wärmesenken zu transportieren. Vielfach ist der Bau eines solchen leitungsgebundenen Wärmenetzes jedoch schwierig oder unwirtschaftlich. Dies ist besonders der Fall, wenn es schwierige Geländesituationen wie z. B. die Querung von Flüssen oder Bahnstrecken zu bewältigen gilt.In principle, it is possible to transport this waste heat from the source via a wired local or district heating network to heat sinks. In many cases, however, the construction of such a wired heat network is difficult or uneconomical. This is especially the case if there are difficult terrain situations such. B. the crossing of rivers or railways to overcome.
Zur Speicherung von thermischer Energie ohne Leitungsbindung stehen generell drei physikalische Prozesse zur Verfügung: die sensible, latente und thermochemische Wärmespeicherung. Erste Systeme, welche sich der Speicherung latenter Wärme bedienen, um diese ohne Leitungsbindung zu transportieren, sind bereits am Markt verfügbar. Bei diesen Latentwärmespeichern auf Natriumacetatbasis ist die auskoppelbare Temperatur verfahrensbedingt auf etwa 50°C begrenzt.There are generally three physical processes available for storing thermal energy without conduction: sensitive, latent and thermochemical heat storage. The first systems that use latent heat storage to transport them without line binding are already available on the market. In the case of these latent heat accumulators based on sodium acetate, the temperature which can be released is limited to approximately 50 ° C. due to the process.
Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Abwärmepotenziale in vereinfachter und günstiger Weise nutzbar zu machen und somit zur Ressourcenschonung und zum Klimaschutz beizutragen.The object of the invention is to make available existing waste heat potentials in a simplified and favorable manner and thus to contribute to resource conservation and climate protection.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 sowie durch die Wärmetransportsysteme gemäß den Ansprüchen 5 und 9.This object is achieved by methods according to
Die Erfindung basiert ausschließlich auf der sensiblen Wärmespeicherung. Die Temperatur der Wärmeträger (des Wärmespeichermediums) wird also verändert, um Wärmeenergie aufzunehmen oder abzugeben. Die aufgeladenen Wärmeträger werden dann vom Ort einer Wärmequelle zum einer Wärmesenke verbracht, wo die Wärme entladen wird.The invention is based exclusively on the sensitive heat storage. The temperature of the heat carrier (the heat storage medium) is thus changed to absorb or release heat energy. The charged heat carriers are then transferred from the location of a heat source to a heat sink where the heat is discharged.
Die Erfindung ist insbesondere für die mobile Nutzung von Abwärme aus industriellen, gewerblichen sowie landwirtschaftlichen Quellen bestimmt. Die Nutzung von Abwärme, wie sie in vielen Industrieprozessen, aber auch in Kraftwerken und Biogasanlagen anfällt, ist gemäß der Erfindung speicherbar und transportierbar. Diese Abwärme wird bislang nur teilweise genutzt und meist über Kühler in die Atmosphäre geleitet, da vielfach kein unmittelbarer Wärmebedarf in der notwendigen Größenordnung am Ort der Entstehung vorhanden ist.The invention is particularly intended for the mobile use of waste heat from industrial, commercial and agricultural sources. The use of waste heat, as obtained in many industrial processes, but also in power plants and biogas plants, can be stored and transported according to the invention. This waste heat is currently only partially used and usually passed through cooler into the atmosphere, as often no direct heat demand in the necessary magnitude at the place of origin is present.
Wesentlicher Aspekt der Erfindung ist es, in Abgrenzung zu bekannten Verfahren der Wärmespeicherung und des Transports gespeicherter Wärme, Verfahren und Vorrichtungen vorzuschlagen, welche besonders einfach in ihrem Aufbau und besonders Vorteilhaft in der Benutzung sind.An essential aspect of the invention is, in contrast to known methods of heat storage and the transport of stored heat, to propose methods and devices which are particularly simple in construction and particularly advantageous in use.
Generell kann Abwärme als Niedertemperaturwärme (unter 100°C, z. B. Kühlwasser von Blockheizkraftwerken von Biogasanlagen) sowie als Hochtemperaturwärme (über 100°C, z. B. Prozessdampf oder Abgas von Blockheizkraftwerken) anfallen. Daher werden zwei Konzepte vorgeschlagen, wovon eines die Speicherung von Niedertemperaturwärme erlaubt (T < 100°C) und ein anderes die Speicherung von hochtemperaturwärme erlaubt (T > 100°C).In general, waste heat can be generated as low-temperature heat (below 100 ° C, eg cooling water from cogeneration plants of biogas plants) as well as high-temperature heat (above 100 ° C, eg process steam or waste gas from combined heat and power plants). Therefore, two concepts are proposed, one of which allows the storage of low-temperature heat (T <100 ° C) and another allows the storage of high-temperature heat (T> 100 ° C).
Erfindungsgemäß wird Niedertemperaturwärme in einem Wärmespeicherfluid und Hochtemperaturwärme in einem festen Wärmespeichermedium gespeichert. Als Wärmespeicherfluid wird, aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität und einfachen Handhabung, Wasser verwendet. Gegebenenfalls können diesem Wasser noch Zusätze zur Korrosionsminderung, Frostsicherheit etc. beigemischt werden.According to the invention, low-temperature heat is stored in a heat storage fluid and high-temperature heat in a solid heat storage medium. As a heat storage fluid, water is used because of its high specific heat capacity and easy handling. Optionally, this water additives to reduce corrosion, frost resistance, etc. are added.
In beiden Fällen werden kostengünstige Speichermedien verwendet, die außerdem nahezu überall verfügbar sind.In both cases, low-cost storage media are used, which are also available almost everywhere.
Erfindungsgemäß werden Behälter mit dem Speichermedium auf den verfügbaren Transportwegen zwischen Wärmequellen und Wärmesenken transportiert. Die Konzepte sind insbesondere auf den Straßentransport ausgerichtet, aber auch andere Transportsysteme sind denkbar. Es werden Speichermedien mit einer Masse von 5 bis 50 Tonnen verwendet. Zur einfacheren Integration in bestehende Logistikkonzepte können die Speicher in containerähnlicher Bauform ausgeführt sein.According to the invention, containers with the storage medium are transported on the available transport paths between heat sources and heat sinks. The concepts are particularly geared to road transport, but other transport systems are conceivable. Storage media with a mass of 5 to 50 tons are used. For easier integration into existing logistics concepts, the storage tanks can be designed in container-like design.
Der Umschlag von Niedertemperaturwärme erfolgt erfindungsgemäß an Wärmequelle und Wärmesenke durch schnelles Umpumpen des Wärmespeicherfluids vom Mobilspeicher in den Stationärspeicher. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in demselben Behälter, welcher das geladene Speichermedium anliefert auch das entladene Speichermedium aus dem Stationärspeicher aufgenommen. Hierbei ist entscheidend, dass ein Vermischen von warmem und kaltem Wärmespeicherfluid verhindert wird. Dies wird durch mehrere Kammern im Behälter realisiert, die jeweils in ihrer Größe veränderbar sind. Das Gesamtvolumen der Kammern bleibt jedoch konstant. Eine Kammer kann also auf Kosten einer anderen Kammer vergrößert/verkleinert werden, indem die Kammertrennung verschoben wird.The transfer of low-temperature heat is carried out according to the invention to heat source and heat sink by rapid pumping of the Heat storage fluids from the mobile storage in the stationary storage. In the method according to the invention, the discharged storage medium is taken from the stationary storage in the same container, which supplies the loaded storage medium. It is crucial that a mixing of hot and cold heat storage fluid is prevented. This is realized by several chambers in the container, which are each variable in size. The total volume of the chambers, however, remains constant. A chamber can thus be increased / decreased at the expense of another chamber by the chamber separation is moved.
Erfindungsgemäß können hierzu die im Folgenden beschriebenen Isolierkolben oder Schlauchtrennungen verwendet werden. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit beim Umfüllen können leckagefreie Schnellschlussventile, wie sie z. B. für den Umschlag von Chemikalien Anwendung finden, verwendet werden. Selbst wenn die Trennung der Kupplung versehentlich während des Umfüllvorgangs unter Druck erfolgt, beträgt die Leckrate nur wenige Milliliter (Beispiel: www.waltherpraezision.de, Serie CN).According to the invention, the insulating piston or tube separations described below can be used for this purpose. To increase the reliability during refilling can leak-free quick-closing valves, as z. B. for the handling of chemicals application can be used. Even if the disconnection of the coupling occurs accidentally during the transfer process under pressure, the leak rate is only a few milliliters (example: www.waltherpraezision.de, series CN).
Der Durchmesser der Anschlussstutzen des Niedertemperaturspeichers ist aufgrund der hohen Umpumpraten des Wärmespeicherfluids ausreichend zu dimensionieren. Bei einer Umpumprate von beispielsweise 5 m3/min sollten die Anschlussstutzen in DN 150 bzw. DN 200 ausgeführt werden. Der Durchmesser der Anschlussstutzen ist in der Regel derselbe wie der der Verbindungsleitungen oder -schläuche. Bei der Wahl zu kleiner Durchmesser steigt der Druckverlust unverhältnismäßig hoch an. Die Wahl zu großer Durchmesser ist aus rein technischer Sicht unkritisch, sie führt jedoch zu hohen Kosten z. B. für die Absperrarmaturen.The diameter of the connecting piece of the low-temperature accumulator is to be dimensioned sufficiently due to the high Umpumpraten the heat storage fluid. At a pumping rate of, for example, 5 m 3 / min, the connecting pieces should be designed in
Die Menge an Niedertemperaturwärme, die mit einer LKW-Ladung transportiert werden kann, ist stark abhängig vom Temperaturniveau. Nach oben hin ist die Temperatur aus sicherheitstechnischen Gründen auf 95°C begrenzt. Damit bestimmt vor allem die für die Wärmesenke erforderliche Minimaltemperatur die Energiespeicherdichte pro LKW-Ladung. Beträgt diese, beispielsweise bei Schwimmbädern, 40°C, so kann eine Temperaturdifferenz von 55 Kelvin genutzt werden, und in einer Speichermasse von 23 Tonnen können etwa 1.500 kWh transportiert werden.The amount of low temperature heat that can be transported by a truckload is highly dependent on the temperature level. At the top, the temperature is limited to 95 ° C for safety reasons. Thus, above all, the minimum temperature required for the heat sink determines the energy storage density per truck load. If this, for example in swimming pools, is 40 ° C, a temperature difference of 55 Kelvin can be used, and in a storage mass of 23 tonnes, about 1,500 kWh can be transported.
Die erfindungsgemäße Hochtemperaturspeicherung ist vor allem zur Nutzung der Abgasabwärme von Generatoren zur Stromerzeugung oder Blockheizkraftwerken interessant. Derzeit sind in der BRD etwa 5.000 Biogasanlagen mit einer elektrischen Gesamtleistung von etwa 1,7 GW installiert, die mit einer mittleren Verfügbarkeit von 8.000 Stunden pro Jahr betrieben werden. Die von Biogasanlagen nutzbare thermische Leistung entspricht etwa ihrer elektrischen Leistungsabgabe. Der Anteil der nutzbaren Hochtemperaturwärme beträgt knapp die Hälfte der thermischen Leistung. Die überwiegende Anzahl der Biogasanlagen verfügt über keine ausreichende Wärmenutzung, was überwiegend durch die Aufstellungsorte in ländlichen Gegenden begründet ist.The high-temperature storage according to the invention is of particular interest for the utilization of the waste gas waste heat from generators for power generation or combined heat and power plants. There are currently about 5,000 biogas plants with a total electrical output of around 1.7 GW installed in the Federal Republic of Germany, which are operated with an average availability of 8,000 hours per year. The usable by biogas plants thermal power corresponds approximately to their electrical power output. The proportion of usable high-temperature heat is just under half of the thermal power. The vast majority of biogas plants do not have sufficient heat utilization, which is mainly due to the sites in rural areas.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmespeicher handelt es sich um eine Variation des Funktionsprinzips des Winderhitzers des Hochofenprozesses (sog. Cowper), bei dem schamottbasierte Steine als Wärmespeichermaterial eingesetzt werden und bei dem der Wärmeübergang ebenfalls durch direkten Gas-Feststoffkontakt ohne zusätzliche Wärmetauscher erfolgt. Für die mobile Wärmespeicherung scheidet die Verwendung von Schamottsteinen allerdings aus, da sie über eine zu geringe mechanische Festigkeit verfügen. Zusätzlich wird ihre hohe thermische Belastbarkeit bei der Speicherung von Motorenabgas nicht benötigt. Es ist erfindungsgemäß ein festes, poröses, vorzugsweise mineralisches Speichermaterial verwendbar. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt eine Kiesschüttung eine geeignete Kombination aus mechanischer und thermischer Stabilität bei gleichzeitig geringen Materialkosten dar.The high-temperature heat accumulator according to the invention is a variation of the operating principle of the kiln heater of the blast furnace process (so-called Cowper), in which fireclay-based bricks are used as heat storage material and in which the heat transfer also takes place by direct gas-solid contact without additional heat exchanger. For mobile heat storage, however, the use of fireclay bricks is eliminated because they have too low a mechanical strength. In addition, their high thermal capacity is not required in the storage of engine exhaust. It is inventively a solid, porous, preferably mineral storage material used. According to a preferred embodiment, a gravel filling represents a suitable combination of mechanical and thermal stability with simultaneously low material costs.
Mit einer Speicherdichte von etwa 100 kWh pro Tonne Speichermasse ist der wirtschaftlich bedingte Transportradius für Hochtemperaturwärme größer als der für Niedertemperaturwärme. Darüber hinaus eröffnet die Speicherung von Hochtemperaturwärme weitere Anwendungsgebiete, die sich mit der erfindungsgemäßen Speicherung von Niedertemperaturwärme oder ersten marktverfügbaren mobilen Latentwärmespeichern auf Natriumacetatbasis (vgl. www.latherm.de), bei denen die auskoppelbare Temperatur auf etwa 50°C verfahrensbedingt begrenzt ist, kaum realisieren lassen. Zu diesen weiteren Anwendungsgebieten gehören z. B. die Dampferzeugung, der Betrieb von Adsorptionskälteanlagen für Tieftemperaturanwendungen sowie die aus trinkwasserhygienischen Gründen zum Abtöten von Legionellen erforderliche Brauchwassererwärmung auf über 60°C. Auch wenn ein Teil dieses Anwendungsgebietes theoretisch durch die Verwendung anderer Latentwärmespeichermedien erschlossen werden könnte, würde dies unter Inkaufnahme höherer Kosten zur Beherrschung von Korrosionsproblemen und einer möglichen Einstufung in die Gefahrgutverordnung geschehen. Zum Verfahren der thermochemischen mobilen Wärmespeicherung, z. B. mit Zeolithen, konnten sich bis heute keine Verfahren am Markt etablieren.With a storage density of about 100 kWh per ton of storage mass, the economically induced transport radius for high-temperature heat is greater than that for low-temperature heat. In addition, the storage of high-temperature heat opens up further fields of application, which scarcely occur with the storage according to the invention of low-temperature heat or first commercially available mobile latent heat storage units based on sodium acetate (see www.latherm.de) in which the decoupled temperature is limited to about 50 ° C. let realize. These other fields of application include, for. As the steam generation, the operation of Adsorptionskälteanlagen for low temperature applications as well as for drinking water hygiene reasons required to kill legionella hot water heating to about 60 ° C. Even if a part of this field of application could theoretically be opened up by the use of other latent heat storage media, this would be done at the expense of higher costs for controlling corrosion problems and a possible classification in the dangerous goods regulation. For the method of thermochemical mobile heat storage, z. As with zeolites, were able to establish today no method on the market.
Die Be- und Entladung mit Hochtemperaturwärme erfolgt durch direkten Gas-Feststoffkontakt, da hierdurch der beste Wärmeübergang erzielt werden kann. Darüber hinaus entfallen hierbei verfahrensbedingt die Kosten für Wärmetauscher. Der Umschlag des Wärmespeichermaterials erfolgt erfindungsgemäß durch Austausch von Transporteinheiten, die beispielsweise als Container ausgeführt sein können.The loading and unloading with high-temperature heat is done by direct gas-solid contact, as this the best heat transfer can be achieved. In addition, omitted here Due to the process, the costs for heat exchangers. The envelope of the heat storage material is carried out according to the invention by exchanging transport units, which may be designed, for example, as a container.
Kurze Transport- und Umschlagzeiten sind für die Realisierung der Erfindung von besonderer ökonomischer Bedeutung. Abhängig von der verwendeten Technologie, den vereinbarten Preisen für die Abwärme und der transportierten Speichermasse liegt der Wert einer Speicherladung im Bereich von 50 bis über 100 Euro. Bei einer zukünftigen Erhöhung des zulässigen Gesamtgewichtes für LKW Transporte würde sich dieser Wert entsprechend erhöhen.Short transport and turnaround times are of particular economic importance for the realization of the invention. Depending on the technology used, the agreed prices for the waste heat and the transported storage mass, the value of a storage load ranges from 50 to over 100 euros. With a future increase of the permissible total weight for truck transports this value would increase accordingly.
Bei den derzeitigen Betriebskosten für LKW oder größere Traktoren von etwa 60 bis 80 Euro pro Stunde (inklusive Fahrer) liegt der wirtschaftlich vertretbare Transportradius im Bereich zwischen 5 und 15 Kilometern und ist damit deutlich größer als der Versorgungsradius der meisten Nahwärmenetze.At the current operating costs for trucks or larger tractors of about 60 to 80 euros per hour (including drivers) is the economically acceptable transport radius in the range between 5 and 15 kilometers and is thus significantly larger than the supply radius of most local heating networks.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen mobilen Hochtemperaturwärmespeicherung besteht in dem extrem einfachen und robusten Aufbau. Der Wärmespeicher kann, sofern er mit den Abgasen von Verbrennungsmotoren, deren Temperatur in aller Regel 400–500°C beträgt, beladen wird, weder überhitzen noch kann er überladen werden. In diesem Temperaturbereich kann z. B. Kies als Wärmespeichermaterial verwendet werden, da eine thermische Umwandlung des Materials, der sogenannte Quarzsprung, erst bei 573°C stattfinden würde und so sicher ausgeschlossen werden kann. Mit dem Bezugspreis von Kies, der in Kieswerken in der Größenordnung von mehreren Tausend Tonnen pro Tag umgesetzt wird und im Bereich von etwa 10 Euro pro Tonne liegt, kann kein anderes bekanntes Wärmespeichermaterial konkurrieren. Darüber hinaus ist Kies handelsüblich bereits in vielen Korngrößenverteilungen verfügbar, kann einfach nachgesiebt werden und besitzt verglichen mit vielen anderen Gesteinen eine vergleichsweise runde Struktur, die sich positiv auf die Durchströmung mit Gas und auf eine verfahrensnotwendige Auflockerung der Kiesschüttung auswirkt.The advantage of the mobile high-temperature heat storage according to the invention consists in the extremely simple and robust construction. The heat accumulator can, if it is loaded with the exhaust gases of internal combustion engines whose temperature is usually 400-500 ° C, charged, neither overheat nor can it be overloaded. In this temperature range z. B. gravel can be used as a heat storage material, since a thermal transformation of the material, the so-called quartz crack, would take place only at 573 ° C and can be safely excluded. With the reference price of gravel, which is implemented in gravel factories on the order of several thousand tons per day and is in the range of about 10 euros per tonne, no other known heat storage material can compete. In addition, gravel is commercially available in many particle size distributions, can be easily res screened and has compared to many other rocks a relatively round structure, which has a positive effect on the flow of gas and a loosening process necessary gravel bedding.
Zur Erhöhung des Wärmeüberganges vom heißen Abgas auf den kälteren Kies ist eine möglichst hohe Turbulenz der Gasströmung erforderlich, die zu einem erhöhten gasseitigen Differenzdruck oder Druckverlust über die Kiesschüttung führt. Dieser Druckverlust ist motorenseitig nach oben hin durch die ansteigenden Abgastemperaturen begrenzt. Verschiedene Motorentypen erlauben unterschiedliche maximale Abgasgegendrücke. Als allgemeingültige Obergrenze kann jedoch 10 mbar maximaler Abgasgegendruck angesehen werden. Damit ist der Hochtemperaturspeicher so zu dimensionieren, dass ein maximaler Gegendruck von etwa 7 mbar nicht überschritten werden kann.To increase the heat transfer from the hot exhaust gas to the colder gravel, the highest possible turbulence of the gas flow is required, which leads to an increased gas-side differential pressure or pressure loss over the gravel bed. This pressure loss is limited on the engine side upwards by the rising exhaust gas temperatures. Different engine types allow different maximum exhaust back pressures. As a general upper limit, however, 10 mbar maximum exhaust gas back pressure can be considered. Thus, the high-temperature accumulator is to be dimensioned so that a maximum back pressure of about 7 mbar can not be exceeded.
Die Berechnung des Druckverlustes bei der Durchströmung von Schüttungen kann nach der Gleichung von Ergun berechnet werden, in die die Leerrohrströmungsgeschwindigkeit des Gases, dessen Temperatur, Dichte und Viskosität sowie der Kugeldurchmesser der Schüttung und dessen Lückengrad eingehen.The calculation of the pressure drop in the flow of bedding can be calculated according to Ergun's equation, which includes the empty tube flow velocity of the gas, its temperature, density and viscosity, and the ball diameter of the bed and its void ratio.
Mit zunehmender Temperatur steigt bei konstanter Gasströmung, bedingt durch die Erhöhung der Viskosität des Gases, der Druckverlust über die Schüttung. Daher sind die Hochtemperaturspeicher so auszulegen, dass der Druckverlust bei vollständig aufgeheiztem Speicher und einem gegebenen Abgasvolumenstrom sicher unterhalb von beispielsweise 7 mbar bleibt.With increasing temperature, with constant gas flow, due to the increase in the viscosity of the gas, the pressure drop across the bed increases. Therefore, the high-temperature accumulators are designed so that the pressure loss remains at a fully heated storage and a given exhaust gas flow safely below, for example, 7 mbar.
Die Beherrschung von verstärkten Randströmungen, die beim Durchströmen von in festen Geometrien befindlichen Schüttgütern auftreten, ist vergleichsweise einfach durch das Anbringen einer temperaturbeständigen weichen Schicht, wie z. B. Glaswolle, an den Behälterwänden zu erreichen. Glaswolle bietet darüber hinaus den Vorteil, dass sie bei einer verfahrensbedingten Unterschreitung des Wasser- und Säuretaupunktes (z. B. bei Biogasanlagen aus der Verbrennung von Schwefelwasserstoff) chemisch beständig ist. Die gasberührten Teile des Hochtemperaturwärmespeichers sollten aus diesem Grund aus höherwertigen Edelstählen, wie z. B. 1.4571, gefertigt sein. Für die ebenfalls mechanisch hoch beanspruchten Teile, wie den unteren Auflagerost und evtl. auch das gasdurchlässige Tragesystem unterhalb des Auflagerostes kann auch auf besonders gegen Schwefelsäure resistente Stähle wie 1.4539 zurückgegriffen werden.The control of reinforced edge flows that occur when flowing through solids in solid geometries, is comparatively easy by attaching a temperature-resistant soft layer, such. B. glass wool, to reach the container walls. Glass wool also has the advantage that it is chemically resistant to a process-related below the water and acid dew point (eg in biogas plants from the combustion of hydrogen sulfide). The gas-contacting parts of the high-temperature heat storage should therefore be made of higher quality stainless steels such. B. 1.4571, be made. For parts which are also subject to high mechanical stress, such as the lower support bar and possibly also the gas-permeable carrying system below the support bar, it is also possible to resort to steels which are particularly resistant to sulfuric acid, such as 1.4539.
Die wesentliche Herausforderung besteht in der Beherrschung der Wärmespannungen, die beim Aufheizen und Abkühlen der Schüttung entstehen. Die lineare Ausdehnung einzelner Kiesel liegt bei einer Temperaturänderung von 400 Kelvin etwa im Bereich von einem Prozent. Beim Abkühlen der Schüttung zieht sich diese zusammen, und es besteht die Gefahr, dass einzelne Steine in eine tiefere Ebene rutschen, so dass die Schüttung zusammensackt und sich im unteren Teil verdichtet. Bei erneuter Erwärmung treten dadurch im unteren Teil immer stärkere Kräfte durch die Wärmeausdehnung des Speichermaterials auf. Nach einer größeren Anzahl von Wechselzyklen kann es bei stationären Wärmespeichern hierdurch zu einer mechanischen Zerstörung der die Speichermasse umgebenden Behälter kommen.The main challenge is to control the thermal stresses that arise during heating and cooling of the bed. The linear expansion of individual pebbles is approximately in the range of one percent with a temperature change of 400 Kelvin. As the bed cools, it contracts and there is a risk of individual stones sliding into a deeper level, causing the bed to collapse and compact in the lower part. Upon renewed heating thereby occur in the lower part ever stronger forces due to the thermal expansion of the storage material. After a larger number of alternating cycles, this can lead to a mechanical destruction of the container surrounding the storage mass in stationary heat accumulators.
Bei mobilen Wärmespeichern, die beispielsweise mit eher rundem Kies gefüllt sind, kommt es allein durch transportbedingte Erschütterungen zu einer fortwährenden Auflockerung des Speichermaterials. Durch die optional sich nach oben erweiternden konischen Behälterwände kann eine Ableitung der Wärmespannungen beim Aufheizvorgang nach oben erfolgen, die Auflockerung durch Transporterschütterungen wird begünstigt.In mobile heat storage, which are filled, for example, with rather round gravel, it is due solely by transport-related vibrations a continuous loosening of the storage material. Due to the optional conical container walls that expand upwards, the thermal stresses can be dissipated during the heating process upwards, and the loosening caused by transport shocks is favored.
Das folgende Beispiel veranschaulicht eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmespeichers: Drei konische Behälter aus Edelstahl (z. B. 1.4571) mit einer Höhe von 2.300 mm, einem oberen Durchmesser von 2.000 mm und einem unteren Durchmesser von 1.500 mm sind in einem innenseitig wärmegedämmten Container installiert und mit insgesamt 23 Tonnen Kies gefüllt. Bei einer Beladung bis zu einer mittleren Temperatur von 450°C und einer Entladung bis auf 50°C können etwa 2.300 kWh an Wärme gespeichert werden. Für den Fall, dass zukünftig LKW-Transporte bis 60 Tonnen (sogenannte Gigaliner) zugelassen werden, erhöht sich der Anwendungsbereich aller Verfahren der mobilen Wärmespeicherung erheblich.The following example illustrates a variant embodiment of the high-temperature heat accumulator according to the invention: Three conical containers made of stainless steel (eg 1.4571) with a height of 2,300 mm, an upper diameter of 2,000 mm and a lower diameter of 1,500 mm are installed in a thermally insulated container on the inside and filled with a total of 23 tons of gravel. With a load up to an average temperature of 450 ° C and a discharge up to 50 ° C, about 2,300 kWh of heat can be stored. In the event that truck transports of up to 60 tonnes (so-called gigaliners) are approved in the future, the scope of application of all mobile heat storage methods will increase considerably.
Die Metallkonstruktion der mobilen Hochtemperaturwärmespeicher nach dem o. g. Beispiel ist für alle Größen von Biogasanlagen und verwendeten Motorentypen gleich. Abhängig vom jeweiligen Abgasvolumenstrom und dem maximal zulässigen Abgasgegendruck werden unterschiedliche Kiesschüttungen verwendet.The metal construction of mobile high-temperature heat storage after o. G. Example is the same for all sizes of biogas plants and engine types used. Depending on the respective exhaust gas volume flow and the maximum permissible exhaust backpressure different gravel packings are used.
Die Speicherdichte der erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmespeicherung pro Containerladung liegt mit etwa 100 kWh pro Tonne Speichermasse, unabhängig von der gesetzlich zulässigen Begrenzung der Transporttonnage, etwa 50 Prozent höher als die der erfindungsgemäßen Niedertemperaturwärmespeicherung, und damit im Bereich von marktverfügbaren Latentwärmespeichern auf Natriumacetatbasis.The storage density of the high-temperature heat storage per container charge according to the invention is about 100 kWh per ton of storage mass, regardless of the legally permissible limit of transport tonnage, about 50 percent higher than the low-temperature heat storage according to the invention, and thus in the range of market-available latent heat storage on sodium acetate basis.
Anhand der Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Prinzip der mobilen sensiblen Wärmespeicherung näher erläutert:The principle of mobile sensitive heat storage according to the invention will be explained in more detail with reference to the drawings.
In
An der Wärmequelle (
Ein Speicher (
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Der Schlauch hat denselben Durchmesser wie der zylindrische Innenbehälter (
Insbesondere bei allen im Folgenden dargestellten Varianten des Mobilspeichers mit Schlauchtrennung ist die Belieferung großer Abnehmer mit jeweils vollständiger Entladung an der Wärmesenke anzustreben. Eine nur teilweise Entleerung, wie sie z. B. bei der Belieferung mehrerer kleiner Wärmeabnehmer, wie z. B. Wohnhäusern, stattfinden würde, hätte durch die längere Aufenthaltszeit von warmem und kaltem Wärmeträgerfluid im Mobilspeicher einen größeren Wärmeübergang über das Schlauchmaterial zur Folge. Durch kurze Zeiten und vollständige Umfüllung kann der Verlust an transportierbarer Wärme durch Temperaturausgleich über das Schlauchmaterial unter fünf Prozent gehalten werden.In particular, in all variants of the mobile storage with hose separation shown below, the delivery of large customers with each complete discharge at the heat sink is desirable. A partial emptying, as z. B. in the supply of several small heat consumers, such. B. homes, would take place, would result from the longer residence time of hot and cold heat transfer fluid in the mobile storage greater heat transfer through the tubing result. Through short times and complete transfer, the loss of transportable heat through temperature compensation via the tubing can be kept below five percent.
In
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Drei konische gasdichte Behälter (
In
Beispielhaft kann für einen Stromerzeuger mit einer elektrischen Leistung von 500 kW, bei dem der Druckverlust über das Speichermaterial etwa 7 mbar betragen soll, bei Reihenschaltung der drei Behälter eine Kiesschüttung mit Kornduchmessern von 32 bis 38 mm und bei Parallelschaltung eine Kiesschüttung mit einem Korndurchmesser von 3 bis 7 mm verwendet werden.By way of example, for a power generator with an electrical power of 500 kW, in which the pressure loss over the storage material should be about 7 mbar, in series connection of the three containers a gravel with Kornduchmessern from 32 to 38 mm and parallel connection a gravel with a grain diameter of 3 up to 7 mm can be used.
Sollte es aus genehmigungsrechtlicher Sicht erforderlich sein, eine vorgeschriebene Abgasmindesttemperatur im Kamin, von beispielsweise 60 K oberhalb des Wassertaupunktes, einzuhalten, so kann dies eine Wiederaufheizung des aus dem Speicher austretenden kalten Abgases erforderlich machen. Die Austrittstemperaturen des Abgases (z. B.
Die Wiederaufheizung kann prinzipiell auf verschiedene Arten erfolgen:
- a) Mit Abwärme des Verbrennungsmotors
- – Einstufig über Erwärmung des Abgases über einen Ölkühler (Abgas-Motoröl-Wärmetauscher) mit Motoröltemperaturen deutlich über 150°C
- – Zweistufig: Vorwärmung des Abgases mit Kühlwasser auf etwa 80°C. Zur weiteren Aufheizung kann ein Teilvolumenstrom des heißen Abgases gemäß b) erfolgen
- b) Durch Beimischung eines Teilvolumenstroms des heißen Abgases vom Stutzen A, der im Bypass um den Wärmespeicher herumgeführt wird und dem kalten Abgas vor dem Eintritt in den Kamin (
223 ) beigemischt wird.
- a) With waste heat of the internal combustion engine
- - One-stage heating of the exhaust gas via an oil cooler (exhaust gas engine oil heat exchanger) with engine oil temperatures well above 150 ° C
- - Two-stage: Preheating the exhaust gas with cooling water to about 80 ° C. For further heating, a partial volume flow of the hot exhaust gas according to b) can take place
- b) By admixing a partial volume flow of the hot exhaust gas from the port A, which is bypassed around the heat storage in the bypass and the cold exhaust gas before entering the chimney (
223 ) is added.
Generell erhöht eine Wiederaufheizung der Abgase vor dem Eintritt in den Kamin den betriebsnotwendigen apparativen Aufwand erheblich. Insbesondere eine Wiederaufheizung der kalten Abgases mit einem Teilvolumenstrom des heißem Abgas wirkt dem erfindungsgemäßen Gedanken entgegen, da der Ladevorgang des Speichers länger dauert und daher insgesamt weniger der Abgasabwärme für die Abgabe an den Wärmekunden genutzt werden kann. Auch aus Sicht des Emissions- und Immissionsschutz wird hierdurch keine Minderung von erzielt, da durch die Wiederaufheizung die Kondensation vom Kamin räumlich in die Atmosphäre verlagert wird, wo sie bei Abkühlung der Abgase erneut stattfindet.In general, a reheating of the exhaust gases before entering the chimney significantly increases the operational expenditure on equipment. In particular, a reheating of the cold exhaust gas with a partial volume flow of the hot exhaust gas counteracts the idea according to the invention, since the charging of the memory takes longer and therefore a total of less of the exhaust heat can be used for the delivery to the heat customer. From the point of view of emission and immission protection, no reduction of this is achieved, since the reheating the condensation from the fireplace is spatially relocated to the atmosphere, where it takes place again when cooling the exhaust gases.
Sofern eine Wiederaufheizung der Abgase nicht zwingend durch eine Genehmigungsbehörde vorgeschrieben wird, sollte in jedem Fall aus ökologischer und ökonomischer Sicht hierauf verzichtet werdenIf a reheating of the exhaust gases is not necessarily prescribed by an approval authority, it should in any case be waived from an ecological and economic point of view
Generell sollte zu Entladung des Mobilspeichers, unabhängig davon, ob die Behälter parallel oder in Reihe geschaltet sind, die kühlere Luft über den Stutzen B (Gasaustrittstutzen während der Aufladung) in den Speicher eingebracht werden. Hierdurch trifft die Luft zuerst auf den kühleren Teil des Speichermaterials und kann sich im Laufe der Durchströmung weiter aufheizen. Die Austrittstemperatur der heißen Luft wird so maximiert und der Wärmeübergang im Wärmetauscher (
In
Die Umkehrung der Strömungsrichtung des Gases von Stutzen B zu Stutzen A ist auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung.The inversion of the flow direction of the gas from port B to port A is also without explicit graphical representation part of the invention.
Die Größenverhältnisse der Steine sind so zu wählen, dass das feinkörnige Speichermaterial nicht durch die Porenräume der großen Steine rieseln kann. Bei besonders feinkörnigem Speichermaterial kann auch eine zweite Schicht mit Steinen einer mittleren Korngröße (hier nicht dargestellt) hinzugefügt werden.The size ratios of the stones are to be chosen so that the fine-grained storage material can not trickle through the pores of the large stones. In the case of particularly fine-grained storage material, it is also possible to add a second layer with stones of medium grain size (not shown here).
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Eine Umkehr der Strömungsrichtung (zwischen den Ein- und Auslassstutzen A und B) ist bei allen dargestellten Zeichnungen auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung.A reversal of the flow direction (between the inlet and outlet ports A and B) is in all the drawings shown without explicit graphical representation part of the invention.
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