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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung zum Speichern und Bereitstellen von Wärme.
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Wärme kann beispielsweise dadurch gespeichert und bereitgestellt werden, dass ein Wärmespeichermedium, beispielsweise ein im festen Aggregatzustand vorliegendes Wärmespeichermedium, mit einem gasförmigen Reaktionspartnermedium in Kontakt gebracht wird und das Wärmespeichermedium und das Reaktionspartnermedium hierbei exotherm miteinander reagieren. Durch das Zuführen von gasförmigem Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium kann in kurzer Zeit lediglich eine geringe Menge von Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium zugeführt werden. Die durch die Reaktion des Wärmespeichermediums mit dem Reaktionspartnermedium abgebbare Wärmeleistung ist daher relativ gering.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeichervorrichtung bereitzustellen, mittels welcher in sehr kurzer Zeit eine große Wärmemenge bereitstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmespeichervorrichtung zum Speichern und Bereitstellen von Wärme gelöst, welche Folgendes umfasst:
- – einen Speicherbehälter zur Aufnahme eines im festen Aggregatzustand vorliegenden Wärmespeichermediums;
- – eine Zuführvorrichtung zur Zuführung von flüssigem Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium;
- – eine Regeneriervorrichtung zum Entfernen von Reaktionspartnermedium von dem Wärmespeichermedium,
wobei das Wärmespeichermedium und das Reaktionspartnermedium bei der Zuführung des Reaktionspartnermediums zu dem Wärmespeichermedium exotherm miteinander reagieren.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß flüssiges Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium zugeführt wird, steht eine sehr große Menge Reaktionspartnermedium zur Reaktion mit dem Wärmespeichermedium zur Verfügung, so dass in sehr kurzer Zeit eine große Wärmemenge bereitstellbar ist.
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Insbesondere ist mittels der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung eine hohe Wärmeleistungsdichte erhältlich.
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Dadurch, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Regeneriervorrichtung zum Entfernen von Reaktionspartnermedium von dem Wärmespeichermedium umfasst, ist vorzugsweise ein reversibles System gebildet, mittels welchem das Wärmespeichermedium und/oder das Reaktionspartnermedium mehrfach zum Speichern und/oder Bereitstellen von Wärme verwendet werden können.
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Unter den Begriffen "Reaktion" und "reagieren" ist insbesondere eine physikalische und/oder chemische Wechselwirkung des Reaktionspartnermediums mit dem Wärmespeichermedium zu verstehen.
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Das Reaktionspartnermedium kann dabei mit dem Wärmespeichermedium chemisch reagieren und beispielsweise einen neuen Stoff bilden oder aber auch nur, insbesondere physikalisch, an das Wärmespeichermedium angelagert, adsorbiert, absorbiert, etc. werden.
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Unter einer exothermen Reaktion ist in dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen eine beliebige Wechselwirkung des Wärmespeichermediums mit dem Reaktionspartnermedium zu verstehen, wobei Wärme freigesetzt oder abgegeben wird.
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Vorzugsweise ist mittels der Wärmespeichervorrichtung Wärme in Form von physikalischer und/oder chemischer Energie speicherbar.
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Insbesondere kann die Wärme in Form von Bindungsenergie (Elektronenbindung, Wasserstoff-Brücken-Bindung, etc.), Einlagerungsenergie, Aufnahmeenergie, etc. gespeichert werden.
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Bei der Reaktion des Wärmespeichermediums mit dem Reaktionspartnermedium entsteht vorzugsweise mit Reaktionspartnermedium beladenes Wärmespeichermedium.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Regeneriervorrichtung eine thermische Regeneriervorrichtung ist, mittels welcher das Reaktionspartnermedium durch Erhitzen des mit Reaktionspartnermedium beladenen Wärmespeichermediums von dem Wärmespeichermedium entfernbar ist.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die Wärmespeichervorrichtung eine Kondensiervorrichtung umfasst, mittels welcher das beim Regenerieren des Wärmespeichermediums gasförmig oder dampfförmig entfernte Reaktionspartnermedium in den flüssigen Aggregatzustand überführbar ist.
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Das Reaktionspartnermedium ist dann insbesondere wiederverwendbar, beispielsweise einer Reservoirvorrichtung zuführbar.
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Günstig kann es sein, wenn die Wärmespeichervorrichtung eine Reservoirvorrichtung für das flüssige Reaktionspartnermedium umfasst, aus welcher das Reaktionspartnermedium mittels der Zuführvorrichtung dem Wärmespeichermedium zuführbar ist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Reaktionspartnermedium aus der Kondensiervorrichtung der Reservoirvorrichtung zuführbar ist.
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Die Wärmespeichervorrichtung umfasst vorzugsweise eine Spülvorrichtung, mittels welcher dem Wärmespeichermedium ein Spülmedium zuführbar ist. Vorzugsweise ist mittels der Spülvorrichtung das Spülmedium zusammen mit von dem Wärmespeichermedium entferntem gasförmigen oder dampfförmigen Reaktionspartnermedium aus dem Wärmespeichermedium abführbar und insbesondere an eine Umgebung der Wärmespeichervorrichtung abgebbar.
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Als Spülmedium kann beispielsweise Luft oder ein Abgas einer Verbrennungsvorrichtung vorgesehen sein.
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Zum Entfernen von Reaktionspartnermedium von dem Wärmespeichermedium kann das mit Reaktionsspeichermedium beladene Wärmespeichermedium vorzugsweise direkt und/oder indirekt erhitzt werden.
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Günstig kann es sein, wenn die Wärmespeichervorrichtung einen Heizbereich umfasst, in welchem dem Wärmespeichermedium zum Erzeugen und Bereitstellen von Wärme das flüssige Reaktionspartnermedium zuführbar ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Wärmespeichervorrichtung einen Regenerationsbereich umfasst, in welchem das mit Reaktionspartnermedium beladene Wärmespeichermedium mittels einer separaten Wärmequelle erhitzbar ist, um das Reaktionspartnermedium von dem Wärmespeichermedium zu entfernen und das Wärmespeichermedium somit zu regenerieren.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die Wärmespeichervorrichtung einen Heizbereich und einen von dem Heizbereich räumlich getrennten Regenerationsbereich umfasst. In dem Heizbereich wird vorzugsweise das flüssige Reaktionspartnermedium dem Wärmespeichermedium zugeführt, so dass Wärme abgegeben wird. In dem Regenerationsbereich wird vorzugsweise das mit Reaktionspartnermedium beladene Wärmespeichermedium durch Wärmezufuhr erhitzt, so dass das Reaktionspartnermedium von dem Wärmespeichermedium entfernt wird.
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Die Wärmespeichervorrichtung umfasst vorzugsweise eine Fördervorrichtung, mittels welcher das Wärmespeichermedium von dem Heizbereich zu dem Regenerationsbereich und/oder von dem Regenerationsbereich zu dem Heizbereich förderbar ist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermedium hierbei und/oder dadurch umgewälzt und/oder in einem Kreislauf geführt wird.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Wärmespeichersystem zwei Wärmespeichervorrichtungen umfasst, welchen vorzugsweise alternierend Wärme zugeführt und entnommen wird.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass einer ersten Wärmespeichervorrichtung zunächst Wärme zugeführt wird, während mittels einer zweiten Wärmespeichervorrichtung Wärme bereitgestellt wird. Das Wärmespeichermedium der ersten Wärmespeichervorrichtung wird dabei regeneriert, während das Wärmespeichermedium der zweiten Wärmespeichervorrichtung mit Reaktionspartnermedium beladen wird.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn nach erfolgter Regeneration des Wärmespeichermediums der ersten Wärmespeichervorrichtung diese erste Wärmespeichervorrichtung zur Bereitstellung von Wärme durch Zuführen von Reaktionspartnermedium verwendet wird. Vorzugsweise zeitgleich wird die Entnahme von Wärme aus der zweiten Wärmespeichervorrichtung gestoppt und nunmehr der zweiten Wärmespeichervorrichtung Wärme zugeführt, um das Wärmespeichermedium der zweiten Wärmespeichervorrichtung zu regenieren.
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Bei einem solchen Wärmespeichersystem ist insbesondere ein quasikontinuierlicher Betrieb möglich. Ein solcher Betrieb kann insbesondere bei nicht förderbaren oder förderfähigen Wärmespeichermaterialien vorteilhaft sein.
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Günstig kann es sein, wenn das Reaktionspartnermedium Wasser ist.
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Das Wärmespeichermedium umfasst vorzugsweise ein Material, welches mit Wasser exotherm reagiert, insbesondere ein Material, welches Wasser aufnehmen und/oder einlagern kann.
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Die Reaktion des Wärmespeichermediums mit Wasser kann beispielsweise eine Hydratationsreaktion, eine Hydrierungsreaktion und/oder eine Hydratisierungsreaktion sein.
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Das Wärmespeichermedium liegt vorzugsweise im beladenen und/oder im entladenen Zustand, im festen Aggregatzustand, insbesondere als Pulver, Schüttgut und/oder poröses Material, vor.
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Als Wärmespeichermedium können insbesondere Zeolith, ein Hydratbildner, Silicagel und/oder ein Salz sowie eine Mischung von zwei oder mehr der genannten Materialien vorgesehen sein.
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Das Wärmespeichermedium wird vorzugsweise so gewählt, dass es eine niedrige Regenerationstemperatur aufweist, d.h., dass bereits bei geringer Wärmezufuhr zu dem mit Reaktionspartnermedium beladenen Wärmespeichermedium das Reaktionspartnermedium von dem Wärmespeichermedium entfernt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in mobilen oder stationären Systemen.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung in einem Fahrzeug verwendet wird. Insbesondere kann mittels der Wärmespeichervorrichtung ein Motor, insbesondere ein Betriebsfluid des Motors, in kurzer Zeit auf eine gewünschte Temperatur aufgeheizt werden.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass mittels der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung eine schnelle Vorheizung einer Hochtemperaturbrennstoffzellenvorrichtung (Feststoffoxidbrennstoffzellenvorrichtung SOFC) möglich ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, welches mindestens eine erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung umfasst. Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist dabei vorzugsweise einzelne oder mehrere der in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
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Günstig kann es sein, wenn das Wärmespeichermedium mit mindestens einem Betriebsfluidbehälter eines Motors, insbesondere Verbrennungsmotors, des Kraftfahrzeugs und/oder mit einer Abgasführung des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist. Vorzugsweise ist Wärme von der Wärmespeichervorrichtung, insbesondere von dem Wärmespeichermedium, auf das Betriebsfluid übertragbar, um dieses in kurzer Zeit auf eine gewünschte Temperatur zu bringen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Wärme des Abgases in der Abgasführung des Kraftfahrzeugs der Wärmespeichervorrichtung, insbesondere dem mit Reaktionspartnermedium beladenen Wärmespeichermedium, zuführbar ist, um dasselbe zu regenerieren.
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Ein Betriebsfluid ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere ein Motoröl oder eine Kühlerflüssigkeit (Kühlwasser).
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Günstig kann es sein, wenn mittels der Wärmespeichervorrichtung ein Innenraum des Fahrzeugs aufheizbar ist. Insbesondere kann hierfür vorgesehen sein, dass die Wärmespeichervorrichtung, insbesondere das Wärmespeichermedium, mit einer Lüftungsvorrichtung, Heizungsvorrichtung und/oder Klimatisierungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt oder koppelbar ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Heizbereich der Wärmespeichervorrichtung an dem mindestens einen Betriebsfluidbehälter angeordnet und/oder thermisch mit demselben gekoppelt ist.
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Ein Regenerationsbereich ist vorzugsweise an der Abgasführung angeordnet und/oder thermisch mit derselben gekoppelt.
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Das flüssige Reaktionspartnermedium wird vorzugsweise im Heizbereich dem Wärmespeichermedium zugeführt, um das in dem Betriebsfluidbehälter aufgenommene Betriebsfluid zu erwärmen/erhitzen.
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In dem Regenerationsbereich wird das mit Reaktionspartnermedium beladene Wärmespeichermedium vorzugsweise direkt oder indirekt mittels des Abgases erhitzt, so dass sich das Reaktionspartnermedium von dem Wärmespeichermedium löst.
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Günstig kann es sein, wenn die Wärmespeichervorrichtung und/oder das Kraftfahrzeug eine Steuervorrichtung umfasst, mittels welcher die Wärmespeichervorrichtung, insbesondere die Regeneriervorrichtung, die Zuführvorrichtung, die Kondensiervorrichtung, die Spülvorrichtung und/oder die Fördervorrichtung, steuerbar und/oder regelbar ist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Wärmespeichervorrichtung und/oder das Kraftfahrzeug mittels der Steuervorrichtung so steuerbar und/oder regelbar ist, dass in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs erzeugte Wärme mittels der Wärmespeichervorrichtung zur Regeneration des Wärmespeichermediums nutzbar ist und/oder dass bei einem Betriebsstart des Kraftfahrzeugs, bei welchem mindestens ein Betriebsfluid eine unter einem vorgegebenen Grenzwert liegende Temperatur aufweist, Wärme durch Zuführung von flüssigem Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium bereitstellbar und auf das mindestens eine Betriebsfluid übertragbar ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Wärmepuffervorrichtung bildet, mittels welcher in einem Überlastbetrieb des Kraftfahrzeugs, in welchem ein Betriebsfluid des Kraftfahrzeugs eine über einem vorgegebenen Grenzwert liegende Temperatur aufweist, Wärme durch Nutzung derselben zur Regeneration des Wärmespeichermediums aufnehmbar ist und/oder mittels welcher in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs, in welchem das Betriebsfluid eine unter dem vorgegebenen Grenzwert liegende Temperatur aufweist, Wärme durch Zuführung von flüssigem Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium bereitstellbar und auf das Betriebsfluid übertragbar ist.
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Diese Wärme kann dann entweder zur Gewährleistung einer gewünschten Temperatur des Betriebsfluids verwendet oder aber mittels einer Kühlungsvorrichtung zur Kühlung des Betriebsfluids abgeführt werden, insbesondere an die Umgebung abgegeben werden.
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Mittels der Wärmespeichervorrichtung und/oder mittels des Kraftfahrzeugs ist insbesondere ein Verfahren zum Speichern und Bereitstellen von Wärme durchführbar.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Speichern und Bereitstellen von Wärme.
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Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Speichern und Bereitstellen von Wärme bereitzustellen, mittels welchem in sehr kurzer Zeit eine große Wärmemenge bereitstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Speichern und Bereitstellen von Wärme gelöst, welches Folgendes umfasst:
- – Zuführen von flüssigem Reaktionspartnermedium zu einem im festen Aggregatzustand vorliegenden Wärmespeichermedium, wobei das Reaktionspartnermedium und das Wärmespeichermedium exotherm miteinander reagieren;
- – Regenerieren des Wärmespeichermediums durch Entfernen von Reaktionspartnermedium von dem Wärmespeichermedium.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung und/oder dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
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Günstig kann es sein, wenn das Reaktionspartnermedium zur Bereitstellung von Wärme in flüssiger Form zu dem Wärmespeichermedium zugeführt wird. Das Reaktionspartnermedium wird hingegen vorzugsweise gasförmig oder dampfförmig von dem Wärmespeichermedium abgeführt, insbesondere bei der Regenerierung des Wärmespeichermediums gasförmig oder dampfförmig an eine Umgebung abgegeben.
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Insbesondere dann, wenn das Reaktionspartnermedium in flüssiger Form zu dem Wärmespeichermedium zugeführt, jedoch gasförmig oder dampfförmig von dem Wärmespeichermedium abgeführt und an die Umgebung abgegeben wird, kann die Wärmespeichervorrichtung und/oder das Kraftfahrzeug einfach aufgebaut und/oder das Verfahren mit geringem technischen Aufwand realisiert werden.
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Die Energieeffizienz des Verfahrens ist dabei vorzugsweise zweitrangig, da zur Regeneration des Wärmespeichermediums beispielsweise im Betrieb des Kraftfahrzeugs ohnehin anfallende Wärme genutzt wird. Die Regeneration kann dabei insbesondere über einen langen Zeitraum erfolgen.
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Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die mittels der Wärmespeichervorrichtung gespeicherte Wärme in sehr kurzer Zeit, nämlich durch das Zuführen von flüssigem Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium, bereitstellbar ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Reaktionspartnermedium zur Bereitstellung von Wärme aus einer Reservoirvorrichtung zu dem Wärmespeichermedium zugeführt wird und dass das Reaktionspartnermedium bei der Regenerierung des Wärmespeichermediums gasförmig oder dampfförmig aus dem Wärmespeichermedium entfernt, kondensiert und erneut der Reservoirvorrichtung zugeführt wird.
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Das Reaktionspartnermedium ist dann vorzugsweise in einem Kreislauf geführt und insbesondere mehrfach wiederverwendbar.
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Günstig kann es sein, wenn das Verfahren der Speicherung und der Bereitstellung von Wärme im Betrieb eines Kraftfahrzeugs dient, wobei in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs erzeugte Wärme mittels der Wärmespeichervorrichtung zur Regeneration des Wärmespeichermediums genutzt wird und/oder wobei bei einem Betriebsstart des Kraftfahrzeugs, bei welchem mindestens ein Betriebsfluid eine unter einem vorgegebenen Grenzwert liegende Temperatur aufweist, Wärme durch Zuführung von flüssigem Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium bereitgestellt und auf das mindestens eine Betriebsfluid übertragen wird.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verfahren der Speicherung und der Bereitstellung von Wärme im Betrieb eines Kraftfahrzeugs dient, wobei in einem Überlastbetrieb des Kraftfahrzeugs, in welchem ein Betriebsfluid des Kraftfahrzeugs eine über einem vorgegebenen Grenzwert liegende Temperatur aufweist, Wärme durch Nutzung derselben zur Regeneration des Wärmespeichermediums aufgenommen wird und/oder wobei in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs, in welchem das Betriebsfluid eine unter dem vorgegebenen Grenzwert liegende Temperatur aufweist, Wärme durch Zuführung von flüssigem Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium bereitgestellt und auf das Betriebsfluid übertragen wird.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn mittels der Wärmespeichervorrichtung über einen langen Zeitraum hinweg Wärme aufnehmbar ist, insbesondere zur Kühlung einer Wärmequelle, beispielsweise eines Betriebsfluids und/oder eines Motors eines Kraftfahrzeugs. Die Wärmespeichervorrichtung kann hierbei als Kühlvorrichtung dienen. Durch die Aufnahme der Wärme wird das Reaktionspartnermedium vorzugsweise von dem Wärmespeichermedium entfernt.
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Günstig kann es sein, wenn bei der als Kühlvorrichtung dienenden Wärmespeichervorrichtung die aufgenommene Wärme in kurzer Zeit abgebbar ist, insbesondere durch Zuführen von flüssigem Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium. Das Wärmespeichermedium wird dabei in den mit Reaktionspartnermedium beladenen Zustand und somit in kurzer Zeit in einen Zustand versetzt, in welchem erneut Wärme zur Kühlung einer Wärmequelle mittels des Wärmespeichermediums aufnehmbar ist.
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Ferner können die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung, das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und/oder das erfindungsgemäße Verfahren einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen.
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Vorzugsweise ist eine Flüssigkeit-Feststoff-Reaktion durchführbar, um eine große Wärmemenge in kurzer Zeit abgeben zu können.
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Die Wärmespeichervorrichtung ist insbesondere eine thermochemische Energiespeichervorrichtung.
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Das Reaktionspartnermedium, welches auch als Adsorptiv bezeichnet werden kann, wird vorzugsweise in einem geschlossenen System, insbesondere in einem Kreislauf geführt.
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Insbesondere dann, wenn das Reaktionspartnermedium gasförmig oder dampfförmig von dem Wärmespeichermedium entfernt und an die Umgebung abgegeben wird, kann die Verdampfungsenthalpie des Reaktionspartnermediums ungenutzt bleiben. Hierdurch können sich Einbußen in der Energiedichte ergeben, welche jedoch akzeptabel sein können, wenn zur Regeneration des Wärmespeichermediums beispielsweise ohnehin anfallende Abwärme verwendet wird.
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Vorzugsweise weist die Wärmespeichervorrichtung keine bewegten Teile oder lediglich eine geringe Anzahl von bewegten Teilen auf. Hierdurch kann eine geringe Störanfälligkeit gewährleistet werden.
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Das flüssige Reaktionspartnermedium wird vorzugsweise zur Leistungssteigerung bei der thermischen Entladung des Wärmespeichermediums verwendet.
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Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung, das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und/oder das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich vorzugsweise zum kontinuierlichen Einsatz.
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Grundsätzlich ist die Wärmespeichervorrichtung und das Verfahren für sämtliche Anwendungen anwendbar, die einen kurzzeitigen, aber sehr hohen Wärmeleistungsbedarf aufweisen, wobei vorzugsweise im gleichen Prozess oder einem parallel ablaufenden Prozess die zur Regeneration benötigte Abwärme anfällt und zur Regeneration des Wärmespeichermediums bereitgestellt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung ist insbesondere eine zusätzliche Wärmequelle, beispielsweise beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Hierdurch können vorzugsweise Emissionen und/oder ein Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden, was insbesondere durch verschärfte Abgasnormen relevant sein kann.
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Insbesondere Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor als Hauptantrieb, beispielsweise konventionelle Antriebe, Antriebe mit Start-Stopp-Funktion oder Antriebe, bei welchen der Verbrennungsmotor als Range-Extender vorgesehen ist, haben sowohl einen Bedarf an kurzfristig hoher Wärmeleistung, insbesondere vor und während der Kaltstartphase, sowie Bedarf an einer Abwärmequelle, insbesondere zur Regeneration des Wärmespeichermediums über einen langen Zeitraum hinweg.
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In der Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors werden beispielsweise ungefähr 90 % der Emissionen verursacht. Dies liegt insbesondere an der unvollständigen Verbrennung des Brennstoffs bei niedrigen Zylinderwandtemperaturen und bei der im kalten Zustand noch hohen Viskosität des Motoröls. Durch eine Vorwärmung des Motoröls, beispielsweise auf ungefähr 50 °C bis ungefähr 60 °C, kann die Viskosität reduziert werden und der Motorblock des Fahrzeugs schneller erwärmt werden. Hierdurch kann die Kaltstartphase deutlich verkürzt werden. Insbesondere dann, wenn der Motor eine Betriebstemperatur von beispielsweise ungefähr 120 °C erreicht hat, kann vorgesehen sein, dass das Motoröl aktiv gekühlt wird. Diese oftmals ungenutzte Abwärme kann beispielsweise zur Regeneration des mit Reaktionspartnermedium beladenen Wärmespeichermediums genutzt werden.
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Neben der Verringerung der Emissionen durch das Vorheizen des Motoröls und/oder des Motorblocks wird vorzugsweise eine mechanische Belastung des Motors und des Motoröls verringert, was zu einer Verlängerung der möglichen Nutzungsdauer des Motoröls und zu einer längeren Lebensdauer des Motors führen kann.
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Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung, bei welcher ein flüssiges Reaktionspartnermedium in einem Kreislauf geführt wird und eine Wärmequelle sowie eine von der Wärmequelle verschiedene Wärmesenke vorgesehen sind;
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2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung, bei welcher das Reaktionspartnermedium mittels einer Spülvorrichtung von einem Wärmespeichermedium entfernbar und an eine Umgebung abgebbar ist;
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3 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung, bei welcher ein sowohl die Wärmequelle als auch die Wärmesenke bildendes Element vorgesehen ist;
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4 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung, bei welcher eine Fördervorrichtung zur Förderung von Wärmespeichermedium vorgesehen ist;
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5 eine erste Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs, welches eine Wärmespeichervorrichtung gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform umfasst; und
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6 eine der 5 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Wärmespeichervorrichtung gemäß der in 3 dargestellten dritten Ausführungsform vorgesehen ist.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeigen versehen.
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Eine in 1 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Wärmespeichervorrichtung umfasst einen Speicherbehälter 102, welcher mit einem Wärmespeichermedium gefüllt ist.
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Das Wärmespeichermedium ist beispielsweise Zeolith.
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Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst ferner eine Reservoirvorrichtung 104 zur Aufnahme von Reaktionspartnermedium, insbesondere Wasser.
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Ferner umfasst die Wärmespeichervorrichtung 100 eine Zuführvorrichtung 106 zum Zuführen des Reaktionspartnermediums in flüssiger Form zu dem Wärmespeichermedium in dem Speicherbehälter 102.
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Wenn das Reaktionspartnermedium mit dem Wärmespeichermedium in Kontakt kommt, reagieren die Medien exotherm miteinander, so dass Wärme abgegeben werden kann.
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Mittels der Wärmespeichervorrichtung 100 kann somit Wärme bereitgestellt werden und insbesondere einer Wärmesenke 108 zugeführt werden.
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Zum Speichern von Wärme mittels der Wärmespeichervorrichtung 100 kann das Wärmespeichermedium regeneriert werden.
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Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst hierzu eine Regeneriervorrichtung 110.
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Die Regeneriervorrichtung 110 umfasst vorzugsweise eine Wärmequelle 112, welche mit dem Wärmespeichermedium in dem Speicherbehälter 102 thermisch gekoppelt ist, so dass dem mit Reaktionspartnermedium beladenen Wärmespeichermedium in dem Speicherbehälter 102 Wärme zuführbar ist.
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Durch diese Zuführung von Wärme zu dem mit Reaktionspartnermedium beladenen Wärmespeichermedium kann das Reaktionspartnermedium von dem Wärmespeichermedium gelöst und entfernt werden.
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Hierbei wird die zugeführte Wärme gespeichert.
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Das von dem Wärmespeichermedium entfernte Reaktionspartnermedium liegt zunächst im gasförmigen oder dampfförmigen Zustand vor.
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Um das Reaktionspartnermedium erneut verwenden zu können, wird dieses vorzugsweise einer Kondensiervorrichtung 114 der Wärmespeichervorrichtung 100 zugeführt und mittels derselben in den flüssigen Zustand überführt.
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Das flüssige Reaktionspartnermedium kann dann von der Kondensiervorrichtung 114 der Reservoirvorrichtung 104 zugeführt werden und steht somit zur erneuten Verwendung zur Bereitstellung von Wärme durch Reaktion mit dem Wärmespeichermedium bereit.
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Die vorstehend beschriebene Wärmespeichervorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Das in dem Speicherbehälter 102 angeordnete Wärmespeichermedium der Wärmespeichervorrichtung 100 liegt vorzugsweise in einem unbeladenen, d.h. nicht mit Reaktionspartnermedium beladenen, Zustand vor.
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Wenn nun der Wärmesenke 108 Wärme zugeführt werden soll, so kann das Reaktionspartnermedium mittels der Zuführvorrichtung 106 dem Speicherbehälter 102 und somit dem darin angeordneten Wärmespeichermedium zugeführt werden.
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Das Reaktionspartnermedium und das Wärmespeichermedium reagieren dann miteinander und setzen dabei Wärme frei, welche der Wärmesenke 108 zugeführt werden kann.
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Dadurch, dass das Reaktionspartnermedium in flüssiger Form dem Speicherbehälter 102 und somit dem Wärmespeichermedium zugeführt wird, kann eine große Menge von Reaktionspartnermedium mit dem in dem Speicherbehälter 102 angeordneten Wärmespeichermedium reagieren und somit in kurzer Zeit eine große Wärmemenge bereitgestellt werden.
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Nach der Zuführung des Reaktionspartnermediums zu dem Wärmespeichermedium liegt dieses in einem beladenen Zustand vor, in welchem keine oder nur noch eine geringe Wärmemenge durch weitere Reaktion mit dem Reaktionspartnermedium bereitstellbar ist.
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Zur erneuten Bereitstellung einer großen Wärmemenge muss das Wärmespeichermedium regeneriert werden.
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Hierzu wird mittels der Wärmequelle 112 Wärme zu dem mit Reaktionspartnermedium beladenen Wärmespeichermedium zugeführt und dieses hierdurch erhitzt.
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Das Reaktionspartnermedium entweicht dabei gasförmig oder dampfförmig aus dem Wärmespeichermedium, insbesondere aus dem Speicherbehälter 102, so dass das Wärmespeichermedium in den unbeladenen Zustand übergeht und zur erneuten exothermen Reaktion mit, insbesondere flüssigem, Reaktionspartnermedium bereitsteht.
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Das aus dem Speicherbehälter 102 abgeführte gasförmige oder dampfförmige Reaktionspartnermedium wird mittels der Kondensiervorrichtung 114 in den flüssigen Zustand überführt und erneut der Reservoirvorrichtung 104 zugeführt.
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Die Wärmespeichervorrichtung 100 liegt dann erneut in dem Ausgangszustand vor, so dass erneut bei Bedarf Wärme bereitstellbar und der Wärmesenke 108 zuführbar ist.
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Eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Wärmespeichervorrichtung 100 eine Spülvorrichtung 116 umfasst, mittels welcher dem Speicherbehälter 102 und somit dem Wärmespeichermedium ein Spülmedium, insbesondere Luft, zuführbar ist.
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Das mittels der Spülvorrichtung 116 zuführbare Spülmedium kann dabei insbesondere durch den Speicherbehälter 102 hindurchgeführt und an eine Umgebung 118 der Wärmespeichervorrichtung 100 abgegeben werden.
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Insbesondere kann mittels der Spülvorrichtung 116 bei der Regenerierung des Wärmespeichermediums erzeugtes gasförmiges oder dampfförmiges Reaktionspartnermedium aus dem Speicherbehälter 102 abgeführt und an die Umgebung 118 abgegeben werden.
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Bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 ist somit das Reaktionspartnermedium nicht in einem Kreislauf geführt.
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Diese Ausführungsform kann den Vorteil eines einfacheren Aufbaus der Wärmespeichervorrichtung 100 bieten. Allerdings kann hierbei nachteilig sein, dass sich die Reservoirvorrichtung 104 regelmäßig leert und somit regelmäßig Reaktionspartnermedium nachgefüllt werden muss.
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Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 3 dargestellte dritte Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Wärmesenke 108 und die Wärmequelle 112 durch ein und dasselbe Element 120 gebildet sind.
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Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Element 120 regelmäßig Wärme erzeugt und/oder abgibt und auch regelmäßig selbst eine Wärmezufuhr benötigt.
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Mittels der Wärmespeichervorrichtung 100 kann somit die von dem Element 120 abgegebene Wärme gespeichert und bei Bedarf erneut an das Element 120 abgegeben werden.
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Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 4 dargestellte vierte Ausführungsform einer Wärmespeichervorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass das Wärmespeichermedium nicht stationär in einem Speicherbehälter 102 angeordnet ist, sondern mittels einer Fördervorrichtung 122 förderbar ist.
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Insbesondere ist das Wärmespeichermedium mittels der Fördervorrichtung 122 von einem Heizbereich 124 zu einem Regenerationsbereich 126 der Wärmespeichervorrichtung 100 sowie von dem Regenerationsbereich 126 zu dem Heizbereich 124 förderbar.
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In dem Heizbereich 124 kann dem Wärmespeichermedium flüssiges Reaktionspartnermedium aus der Reservoirvorrichtung 104 zugeführt werden, so dass Wärme bereitgestellt und auf die Wärmesenke 108 übertragen werden kann.
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In dem Regenerationsbereich 126 kann das mit Reaktionspartnermedium beladene Wärmespeichermedium durch Erhitzen mittels einer Wärmequelle 112 regeneriert werden.
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Der Heizbereich 124 und der Regenerationsbereich 126 sind bei der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 räumlich beabstandet voneinander angeordnet.
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Insbesondere dann, wenn das Wärmespeichermedium mittels der Fördervorrichtung 122 in einem Kreislauf geführt wird, kann bei der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 ein kontinuierlicher Betrieb der Wärmespeichervorrichtung 100 vorgesehen sein, in welchem das Wärmespeichermedium in dem Heizbereich 124 kontinuierlich mit Reaktionspartnermedium in Kontakt gebracht wird, um Wärme bereitzustellen und der Wärmesenke 108 zuzuführen.
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Mittels der Fördervorrichtung 122 wird das mit Reaktionspartnermedium beladene Wärmespeichermedium vorzugsweise kontinuierlich dem Regenerationsbereich 126 zugeführt und dort durch Entfernen des Reaktionspartnermediums von dem Wärmespeichermedium regeneriert.
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Anschließend wird das regenerierte Wärmespeichermedium mittels der Fördervorrichtung 122 erneut dem Heizbereich 124 zugeführt und dort zum Bereitstellen von Wärme erneut mit dem Reaktionspartnermedium in Kontakt gebracht.
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Auch das Reaktionspartnermedium wird vorzugsweise in einem Kreislauf geführt, nämlich ausgehend von der Reservoirvorrichtung 104 dem Heizbereich 124 zugeführt, mittels der Fördervorrichtung 122 zusammen mit dem Wärmespeichermedium dem Regenerationsbereich 126 zugeführt, dort von dem Wärmespeichermedium entfernt, mittels der Kondensiervorrichtung 114 in die flüssige Form überführt und erneut der Reservoirvorrichtung 104 zugeführt.
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Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte vierte Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Die beschriebenen Wärmespeichervorrichtungen 100 eignen sich insbesondere zur Verwendung in einem als Ganzes mit 128 bezeichneten Kraftfahrzeug, beispielsweise einem Personenkraftwagen.
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Bei einer in 5 dargestellten ersten Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 128 ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug 128 einen Motor 130 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 128, beispielsweise einen Verbrennungsmotor, umfasst.
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Von dem Motor 130 erzeugte Abgase werden mittels einer Abgasführung 132 des Kraftfahrzeugs 128 abgeführt.
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Zum Betrieb des Motors 130 werden Betriebsfluide benötigt, insbesondere Motoröl und/oder Kühlerflüssigkeit.
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Zur Aufnahme der Betriebsfluide sind ein oder mehrere Betriebsfluidbehälter 134 des Kraftfahrzeugs 128 vorgesehen.
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Ein Innenraum 136 des Kraftfahrzeugs 128 dient der Aufnahme von Personen zur Beförderung derselben mittels des Kraftfahrzeugs 128.
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Die in 5 dargestellte erste Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 128 umfasst beispielsweise die in 1 dargestellte erste Ausführungsform der Wärmespeichervorrichtung 100, insbesondere einen Speicherbehälter 102, welcher mit Wärmespeichermedium gefüllt ist, eine Reservoirvorrichtung 104, welche mit Reaktionspartnermedium gefüllt ist, und eine Zuführvorrichtung 106 zur Zuführung von flüssigem Reaktionspartnermedium zu dem Speicherbehälter 102.
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Der Speicherbehälter 102, insbesondere das Wärmespeichermedium, ist bei der in 5 dargestellten ersten Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 128 mit dem Motor 130 und/oder einem Betriebsfluidbehälter 134 sowie mit der Abgasführung 132 thermisch gekoppelt.
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Der Motor 130 und/oder der Betriebsfluidbehälter 134 bilden dabei eine Wärmesenke 108, welcher Wärme aus der Wärmespeichervorrichtung 100 zuführbar ist.
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Die Abgasführung 132 bildet eine Wärmequelle 112, mittels welcher der Wärmespeichervorrichtung 100 die zum Regenerieren des Wärmespeichermediums benötigte Wärme zuführbar ist.
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Die in 5 dargestellte erste Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 128 funktioniert wie folgt:
Wenn das Kraftfahrzeug 128 nicht in Betrieb ist, nehmen der Motor 130 und die Betriebsfluide die Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs 128 an und weisen somit eine deutlich geringere Temperatur auf, als zum schonenden und umweltfreundlichen Betrieb des Kraftfahrzeugs 128 notwendig ist.
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Wenn nun das Kraftfahrzeug 128, insbesondere der Motor 130, gestartet wird, kann mittels der Wärmespeichervorrichtung 100 durch Zuführung von flüssigem Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium in kurzer Zeit eine große Wärmemenge bereitgestellt und zum Erwärmen des Motors 130, insbesondere der Betriebsfluide, genutzt werden.
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Die der Langlebigkeit des Kraftfahrzeugs 128, insbesondere des Motors 130, sowie der Umweltfreundlichkeit des Kraftfahrzeugs 128 abträgliche Kaltstartphase kann hierdurch verkürzt werden, so dass zügiger ein Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs 128 möglich ist.
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In dem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs 128 wird mittels des Motors 130 eine große Wärmemenge erzeugt, welche insbesondere über die Abgasführung 132 größtenteils ungenutzt an eine Umgebung 118 des Kraftfahrzeugs 128 abgegeben wird.
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Mittels der Wärmespeichervorrichtung 100 kann diese Wärmemenge genutzt werden, nämlich um das mit Reaktionspartnermedium beladene Wärmespeichermedium zu regenerieren und die Wärmespeichervorrichtung 100 in einen Ausgangszustand zurückzuversetzen.
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Die Wärmespeichervorrichtung 100 kann dann nach einem Abstellen und Auskühlen des Kraftfahrzeugs 128 erneut zur Verkürzung der Kaltstartphase des Kraftfahrzeugs 128 verwendet werden.
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Eine in 6 dargestellte zweite Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 128 unterscheidet sich von der in 5 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der Motor 130 und/oder der Betriebsfluidbehälter 134 sowohl eine Wärmesenke 108 als auch eine Wärmequelle 112 der Wärmespeichervorrichtung 100 bilden.
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Auch bei der in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 128 kann somit durch Reaktion des Reaktionspartnermediums mit dem Wärmespeichermedium Wärme bereitgestellt und dem Motor 130 und/oder dem Betriebsfluid oder den Betriebsfluiden zugeführt werden.
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Die Regeneration des mit Reaktionspartnermedium beladenen Wärmespeichermediums erfolgt bei der in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform des Kraftfahrzeugs 128 durch Nutzung der Wärme des Motors 130 und/oder der Wärme des Betriebsfluids oder der Betriebsfluide.
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Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass mittels der Wärmespeichervorrichtung 100, beispielsweise bei einem Überlastbetrieb des Kraftfahrzeugs 128, in welchem ein Betriebsfluid oder mehrere Betriebsfluide eine unerwünscht hohe Temperatur erreichen, überschüssige Wärme mittels der Wärmespeichervorrichtung aufgenommen wird. Wenn das Betriebsfluid oder die Betriebsfluide dann in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs 128 wieder eine Temperatur in einem gewünschten Temperaturbereich aufweisen, kann die mittels der Wärmespeichervorrichtung 100 gespeicherte Wärme durch Zuführen von Reaktionspartnermedium zu dem Wärmespeichermedium erneut bereitgestellt und an das Betriebsfluid oder die Betriebsfluide abgegeben werden.
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Mittels der Wärmespeichervorrichtung 100 kann somit insbesondere ein Wärmepuffer bereitgestellt werden.
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Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Kraftfahrzeug 128 beispielsweise kurzzeitig in einem Überlastbetrieb genutzt wird und eine Kühlvorrichtung 138 zur herkömmlichen Kühlung des Betriebsfluids und/oder der Betriebsfluide des Kraftfahrzeugs 128 die Einhaltung einer vorgegebenen Temperaturobergrenze nicht gewährleisten kann.
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Dadurch, dass bei den beschriebenen Wärmespeichervorrichtungen 100 und den beschriebenen Kraftfahrzeugen 128, welche eine Wärmespeichervorrichtung 100 umfassen, flüssiges Reaktionspartnermedium dem Wärmespeichermedium zuführbar ist, kann in sehr kurzer Zeit eine große Wärmemenge bereitgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Wärmespeichervorrichtung
- 102
- Speicherbehälter
- 104
- Reservoirvorrichtung
- 106
- Zuführvorrichtung
- 108
- Wärmesenke
- 110
- Regeneriervorrichtung
- 112
- Wärmequelle
- 114
- Kondensiervorrichtung
- 116
- Spülvorrichtung
- 118
- Umgebung
- 120
- Element
- 122
- Fördervorrichtung
- 124
- Heizbereich
- 126
- Regenerationsbereich
- 128
- Kraftfahrzeug
- 130
- Motor
- 132
- Abgasführung
- 134
- Betriebsfluidbehälter
- 136
- Innenraum
- 138
- Kühlvorrichtung