DE29705642U1

DE29705642U1 - Unpressurized heat storage

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Publication number: DE29705642U1
Application number: DE29705642U
Authority: DE
Original assignee: HOECKER HANS PETER DIPL ING FH
Current assignee: Hoecker Hans-Peter Dipl-Ing(fh) De
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2007-04-04

Description

Druckloser WärmespeicherPressureless heat storage

Die Erfindung geht aus von einem drucklosen Wärmespeicher zum Befüllen mit einem flüssigen Speichermedium.The invention is based on a pressureless heat storage device for filling with a liquid storage medium.

Drucklose, rechteckige Speicher haben gegenüber runden Druckspeichern den Vorteil, daß sie bei gleichem Inhalt in wesentlich leichterer Bauweise ausgeführt werden können. Wirtschaftlich sind sehr große Speicher, die beispielsweise benötigt werden, um im Sommer Energie für den Winter zu sammein, folglich nur als druckiose Speicher auszuführen. Bei diesen großen Speichern ist es ganz besonders wichtig, daß während der Aufladeperiode eine Wärmeschichtung aufgebaut wird, die dann während der Energieentnahme auch erhalten bleibt. Würde eine Durchmischung des Speichermediums stattfinden, wäre bis zur vollständigen Aufladung des Speichers nur Energie geringer Dichte zu entnehmen.Pressureless, rectangular storage tanks have the advantage over round pressure tanks that they can be constructed in a much lighter design with the same capacity. Very large storage tanks, which are needed, for example, to save energy in the summer for the winter, are therefore only economical to construct as pressureless storage tanks. With these large storage tanks, it is particularly important that a heat layer is built up during the charging period, which is then maintained during the energy extraction. If the storage medium were to be mixed, only low-density energy could be extracted until the storage tank was fully charged.

Es war daher die Aufgabe der Erfindung einen drucklosen Wärmespeicher so auszugestalten, daß während der Aufladung eine Schichtung aufgebaut wird, die während der Entladung erhalten bleibt.It was therefore the object of the invention to design a pressureless heat storage device in such a way that a stratification is built up during charging and is maintained during discharging.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen drucklosen Wärmespeicher mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Durch den oben liegenden Zulauf des energiereichen Speichermediums, das zur Aufladung des Wärmespeichers bestimmt ist, und durch das gelochte Fallrohr wird sichergestellt, daß sofortThe task is solved by a pressureless heat storage device with the characteristic features of the main claim. The inlet of the high-energy storage medium at the top, which is intended to charge the heat storage device, and the perforated downpipe ensure that

eine Wärmeschichtung im Speicher aufgebaut wird und diese bei weiterer Aufheizung aufrechterhalten wird. Durch den oben liegenden Abzug des zum Wärmeentzug vorgesehenen Speichermediums, wiederum in Verbindung mit dem gelochten Fallrohr, wird erreicht, daß die aufgebaute Schichtung auch bei der Wärmeentnähme aufrechterhalten bleibt.a heat stratification is built up in the storage tank and this is maintained during further heating. The top-mounted extraction of the storage medium intended for heat extraction, again in conjunction with the perforated downpipe, ensures that the built-up stratification is maintained even when heat is extracted.

Ein weiterer Vorteil des oben liegenden Abzugs ist, daß selbst bei nicht voll aufgeladenem Speicher die oberste und damit heißeste Schicht abgezogen wird. Bei der Aufladung des Speichers wird das energetisch angereicherte Speichermedium im oberen Bereich des Wärmespeichers eingeleitet, während gleichzeitig im unteren Bereich kühleres Speichermedium entzogen wird. Dadurch wird gewissermaßen auf die wärmste, oberste Schicht im Speicher eine noch wärmere Schicht aufgesetzt, während gleichzeitig die unterste, kälteste Schicht entzogen wird. Ist das zulaufende, angereicherte Speichermedium kühler als die oberste, heißeste Schicht, so sinkt es in dem Fallrohr so weit ab, bis es die Schicht mit gleicher Temperatur erreicht hat. Hier tritt das Speichermedium durch die Öffnungen des Fallrohres aus und verdrängt wiederum die unterste, kälteste Schicht.Another advantage of the top-mounted outlet is that even if the storage tank is not fully charged, the top and therefore hottest layer is removed. When the storage tank is charged, the energetically enriched storage medium is introduced into the upper area of the heat storage tank, while at the same time cooler storage medium is removed from the lower area. In this way, an even warmer layer is placed on top of the warmest, top layer in the storage tank, while at the same time the lowest, coldest layer is removed. If the incoming, enriched storage medium is cooler than the top, hottest layer, it sinks down the downpipe until it reaches the layer with the same temperature. Here the storage medium exits through the openings in the downpipe and in turn displaces the lowest, coldest layer.

Bei der Entnahme von Wärme aus dem Speicher spielen sich die beschriebenen Vorgänge genau umgekehrt ab, wenn mit dem unten liegenden Zulauf ebenfalls ein diagonal verlaufendes Rohr verbunden ist. Wenn an der Unterseite Speichermedium zugeführt wird, dessen Temperatur höher als die Temperatur der untersten, kältesten Schicht ist, steigt dieses Speichermedium in dem gelochten Rohr so weit nach oben, bis es eine Schicht gleicher Temperatur erreicht hat. Erst hier tritt das Speichermedium aus und verdrängt in diesem Falle die oberste, heißeste Schicht.When heat is extracted from the storage tank, the processes described are reversed if a diagonal pipe is also connected to the inlet at the bottom. If a storage medium is fed in at the bottom whose temperature is higher than the temperature of the lowest, coldest layer, this storage medium rises up the perforated pipe until it reaches a layer of the same temperature. Only here does the storage medium emerge and in this case displace the top, hottest layer.

Durch die Verbindung des oben liegenden Zulaufs mit dem oben liegenden Abzug und des unten liegenden Zulaufs mit dem unten liegenden Abzug ist eine Wärmesteuerung möglich, die einen Wärmeverbrauch auch während der Aufladungsphase ermöglicht. Die diagonale Führung des Fallrohrs ermöglicht einen lan-By connecting the upper inlet with the upper outlet and the lower inlet with the lower outlet, heat control is possible, which also enables heat consumption during the charging phase. The diagonal routing of the downpipe enables a long-

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gen Weg des Speichermedims in dem Rohr und eine sehr differenzierte Schichtung des Mediums im Wärmetauscher.path of the storage medium in the pipe and a very differentiated stratification of the medium in the heat exchanger.

Durch das im unteren Bereich des Wärmetauschers waagrecht angeordnete, gelochte Rohr wird immer die unterste, kälteste Schicht abgezogen.The lowest, coldest layer is always removed through the perforated pipe arranged horizontally in the lower part of the heat exchanger.

Der Durchmesser des Fallrohres ist gegenüber dem oben liegenden Zulauf und Abzug relativ groß. Der Durchfluß des Speichermediums ist daher in dem Fallrohr - unabhängig von der Fließrichtung - sehr langsam. Auch diese Maßnahme verhindert Turbulenzen und gewährleistet die Aufrechterhaltung der Schichtung. Entsprechend verhält es sich mit dem unteren waagrechten Rohr.The diameter of the downpipe is relatively large compared to the inlet and outlet at the top. The flow of the storage medium is therefore very slow in the downpipe - regardless of the flow direction. This measure also prevents turbulence and ensures that the stratification is maintained. The same applies to the lower horizontal pipe.

Alle notwendigen Wärmetauscher befinden sich außerhalb des Wärmespeichers und sind daher für Wartungsarbeiten leicht zugänglich. Der Wärmespeicher muß bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten nicht entleert werden, was bei den großen Füllmengen sehr aufwendig und kostspielig wäre.All necessary heat exchangers are located outside the heat storage tank and are therefore easily accessible for maintenance work. The heat storage tank does not have to be emptied during maintenance or repair work, which would be very time-consuming and expensive given the large filling quantities.

Der oben liegende Zulauf und der oben liegende Abzug sind über ein großes Kreuzstück mit dem Fallrohr verbunden. Auf diese Weise ist eine genaue Steuerung zwischen der Aufladung des Speichers einerseits und der Wärmeentnahme andererseits möglich. Hierzu ist weiterhin eine Steuerung vorgesehen, die den Durchfluß des Wärmemediums durch die außenliegenden Wärmetauscher entsprechend regelt. Als Regelgrößen dienen die Temperatur am unteren Auslauf des Wärmetauschers und die Temperatur am oberen Auslauf des Wärmespeichers. Durch die Steuerung wird eine Pumpe am Einlauf des Wärmetauschers so angesteuert, daß immer eine gewisse Energiemenge aus dem Pufferspeicher entnommen werden kann.The inlet and outlet at the top are connected to the downpipe via a large crosspiece. This enables precise control between the charging of the storage tank on the one hand and the heat extraction on the other. A control system is also provided for this purpose, which regulates the flow of the heat medium through the external heat exchangers accordingly. The temperature at the lower outlet of the heat exchanger and the temperature at the upper outlet of the heat storage tank serve as control variables. The control system controls a pump at the inlet of the heat exchanger so that a certain amount of energy can always be extracted from the buffer tank.

Um die Kapazität des Wärmespeichers zu erhöhen, können zusätzlich Latentspeicher-Einsätze in das Speichermedium hinein gehängt werden. Diese Einsätze sind von der Oberseite des Speichers von außen her zugänglich, so die Latenteinsätze gewartet oder gewechselt werden können, ohne das eigentliche Speichermedium ablassen zu müssen.In order to increase the capacity of the heat storage tank, additional latent storage inserts can be hung into the storage medium. These inserts are accessible from the outside of the top of the storage tank, so that the latent inserts can be serviced or replaced without having to drain the actual storage medium.

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Der Wärmespeicher kann in Leichtbauweise aus Falzblechen aufgebaut werden. Die jeweils gegenüberliegenden Begrenzungswände das Speichers sind dann in bestimmten Abständen - abhängig von Art und Materialstärke der Falzbleche - mit Zugankern zu verbinden, damit der Speicher durch den hydrostatischen Druck des Speichermediums nicht ausbeult.The heat storage tank can be constructed using a lightweight construction made of folded sheets. The opposing boundary walls of the storage tank must then be connected at certain intervals - depending on the type and material thickness of the folded sheets - with tie rods so that the storage tank does not bulge due to the hydrostatic pressure of the storage medium.

Das notwendige, drucklose Ausdehnungsgefäß ist idealerweise turmartig auf den Wärmespeicher aufgesetzt und direkt mit ihm verbunden. Das Ausdehnungsgefäß kann so unter die isolationsschicht des Wärmespeichers integriert werden. Es treten dadurch weniger Wärmeverluste auf, die bei herkömmlichen Wärmespeieher durch das Fließen des Speichermediums zwischen dem Wärmespeicher und einem separaten Ausdehnungsgefäß hervorgerufen werden.The necessary, pressureless expansion vessel is ideally placed on top of the heat storage tank in a tower-like manner and connected directly to it. The expansion vessel can thus be integrated under the insulation layer of the heat storage tank. This means that there is less heat loss, which is caused in conventional heat storage tanks by the flow of the storage medium between the heat storage tank and a separate expansion vessel.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden durch die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehend erläutert. Es zeigt:Further details and advantages of the invention emerge from the subclaims and are explained in detail in the drawing using an exemplary embodiment. It shows:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen WärmespeiFig. 1 shows a section through a heat storage device according to the invention

cher entlang der Linie A-A in Fig. 2,cher along the line A-A in Fig. 2,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Wärmespeichers nach Fig. 1 undFig. 2 is a front view of the heat accumulator according to Fig. 1 and

Fig. 3 eine Draufsicht des Wärmespeichers mit halb aufgebrocheFig. 3 a top view of the heat storage with half broken

nem Deckel.a lid.

Der Wärmetauscher ist kubisch aufgebaut, wobei die Dimensionen so gewählt werden können, daß er ein Volumen von über 100 m³ beinhalten kann. Die Wände bestehen aus senkrecht stehenden Falzblechen 1; jeweils gegenüberliegende Wände sind über Zuganker 2 miteinander verbunden. Die Zuganker können auf unterschiedlichen Höhenniveaus angebracht sein.The heat exchanger has a cubic structure, and the dimensions can be selected so that it can contain a volume of more than 100 m ³ . The walls consist of vertically positioned folded sheets 1; opposite walls are connected to one another via tie rods 2. The tie rods can be installed at different heights.

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Die Biechwände sind mit Isoliermaterial 3 ummantelt. Da dieses Isoliermaterial auch den Deckel 4 und das Ausdehnungsgefäß 5 integral einhüllt ist eine äußerst effiziente Wärmedämmung gegeben.The sheet walls are covered with insulating material 3. Since this insulating material also completely covers the cover 4 and the expansion vessel 5, extremely efficient thermal insulation is provided.

An der Vorderseite des Wärmespeichers ist sowohl im oberen als auch im unteren Bereich ein Kreuzstück 6 bzw. 7 angebracht, das jeweils mit dem Innenraum des Wärmespeichers kommuniziert. Das obere Kreuzstück 6 und das untere Kreuzstück 7 weisen jeweils einen wesentlich größeren Durchmesser als die zu- und abführenden Rohrleitungen 8 und 9 auf.A crosspiece 6 or 7 is attached to the front of the heat storage unit in both the upper and lower areas, each of which communicates with the interior of the heat storage unit. The upper crosspiece 6 and the lower crosspiece 7 each have a significantly larger diameter than the supply and discharge pipes 8 and 9.

Ebenfalls an der Vorderseite sind zwei Wärmetauscher 10 und 11 angebracht. Der Sekundärkreislauf des Wärmetauschers 10 ist mit einem nicht näher dargestellten Heizsystem verbunden, während der Sekundärkreislauf des Wärmetauschers 11 an ein Brauchwassersystem angeschlossen ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird alles weitere nur an dem rechten Wärmetauscher 10 erläutert. Oberhalb des Wärmetauschers 10 ist in der Leitung 12, die den Wärmetauscher 10 mit dem Kreuzstück 6 verbindet, eine Pumpe 13 vorgesehen, die das Speichermedium durch den Wärmetauscher drückt. Unterhalb des Wärmetauschers wird das Speichermedium über die Leitung 14 dem unteren Kreuzstück 7 zugeführt.Two heat exchangers 10 and 11 are also attached to the front. The secondary circuit of the heat exchanger 10 is connected to a heating system (not shown in detail), while the secondary circuit of the heat exchanger 11 is connected to a domestic water system. For the sake of clarity, everything else is only explained for the right-hand heat exchanger 10. Above the heat exchanger 10, in the line 12 that connects the heat exchanger 10 to the crosspiece 6, a pump 13 is provided that pushes the storage medium through the heat exchanger. Below the heat exchanger, the storage medium is fed to the lower crosspiece 7 via the line 14.

Das Ausdehnungsgefäße ist an seinem Deckel mit einem Überlauf 15 versehen, der an der Außenseite des Wärmespeichers abwärts führt. Der Überlauf 15 ist mit einem Entlüftungsrohr 16 verbunden, über das der Druckausgleich zur Umgebung erfolgt.The expansion vessel is provided with an overflow 15 on its cover, which leads downwards on the outside of the heat storage tank. The overflow 15 is connected to a vent pipe 16, via which the pressure equalization with the environment takes place.

Um die Speicherkapazität weiter zu erhöhen, sind in den WärmespeicherTo further increase the storage capacity, the heat storage

Latentspeichereinsätze 17 eingehängt. Diese Einsätze bestehen aus unten geschiossenen Rohren, die mit speziellen Salzen oder Salzlösungen gefüllt sind. Die Einsätze werden in Löcher des Deckels eingehängt und sind an ihrer Oberseite mit isolierten Schraubdeckeln oder Kappen 18 verschlossen.Latent storage inserts 17 are hung. These inserts consist of tubes closed at the bottom that are filled with special salts or salt solutions. The inserts are hung in holes in the lid and are closed at the top with insulated screw lids or caps 18.

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Im inneren des Wärmespeichers ist mit dem Kreuzstück 6 ein diagonal von oben nach unten verlaufendes Rohr 19 verbunden, welches eine Vielzahl von Öffnungen 20 aufweist. Mit dem unteren Kreuzstück 7 ist ein waagrechtes, ansonsten gleich aufgebautes Rohr 21 verbunden.Inside the heat storage unit, a pipe 19 running diagonally from top to bottom, which has a large number of openings 20, is connected to the cross piece 6. A horizontal pipe 21, otherwise of the same construction, is connected to the lower cross piece 7.

Beim Aufladen des Wärmespeichers läuft erwärmtes Speichermedium beispielsweise von einer Solaranlage oder einem Blockheizkraftwerk durch das Rohr8 in das Kreuzstücke. Durch den größeren Durchmesser wird die Strömungsgeschwindigkeit hier stark verlangsamt. Aufgrund der Abhängigkeit zwischen Temperatur und spezifischem Gewicht strömt das Speichermedium in dem Rohr 19 so weit abwärts bis es auf der Höhe einer Schicht gleicher Temperatur angekommen ist. Erst hier verläßt es das Rohr durch die Öffnungen 20 und verteilt sich auf diesem Niveau, ohne dabei Turbulenzen zu erzeugen. Gleichzeitig wird durch das Rohr 21 die unterste und somit kälteste Schicht entzogen und über das Kreuzstück? und das Rohr9 der Wärmequelle zugeführt. Hat das durch das Rohr 8 zugeführte Speichermedium eine Temperatur, die höher ist als die heißeste obere Schichtung, so tritt das Speichermedium bereits ganz oben aus dem Rohr 19 aus, wodurch eine neue, noch heißere Schicht erzeugt wird.When charging the heat storage tank, heated storage medium, for example from a solar system or a combined heat and power plant, flows through pipe 8 into the crosspiece. The larger diameter significantly slows down the flow rate here. Due to the relationship between temperature and specific gravity, the storage medium flows down pipe 19 until it reaches the level of a layer of the same temperature. Only then does it leave the pipe through openings 20 and spreads out at this level without causing turbulence. At the same time, the lowest and therefore coldest layer is removed through pipe 21 and fed to the heat source via the crosspiece and pipe 9. If the storage medium fed through pipe 8 has a temperature that is higher than the hottest upper layer, the storage medium exits the very top of pipe 19, creating a new, even hotter layer.

Soll dem Wärmespeicher Wärmeenergie entzogen werden, so geschieht dies ebenfalls über das obere Kreuzstück 6. Die Pumpe 13 fördert das heiße Medium über die Rohrleitung 12 in den Wärmetauscher 10, wo ihm Wärme entzogen wird und von dort über die Leitung 14 in das untere Kreuzstück?. Das bedeutet, daß dem Speicher immer die oberste und heißeste Schicht entnommen wird, ohne daß dabei eine Vermischung stattfindet. Es liefert folglich auch ein nur wenig aufgeladener Wärmespeicher bereits hohe Temperaturen aus dem obersten Bereich.If heat energy is to be extracted from the heat storage tank, this also takes place via the upper crosspiece 6. The pump 13 conveys the hot medium via the pipe 12 into the heat exchanger 10, where heat is extracted from it, and from there via the pipe 14 into the lower crosspiece. This means that the top and hottest layer is always removed from the storage tank without any mixing taking place. Consequently, even a heat storage tank that is only slightly charged already delivers high temperatures from the top area.

Die Steuerung der Entladevorgänge erfolgt über die nur schematisch angedeutete Temperatursteuerung 22. Diese Steuerung ist mit den Temperaturfühlern 23 und 25 und mit der Pumpe 13 verbunden. Während die Fühler 24 die Temperatur verschiedener Schichten und damit den Ladezustand des Speichers erfassen, mißt der Fühler 23 die Temperatur des von der Wärmequelle zufließendenThe discharge processes are controlled by the temperature control 22, which is only shown schematically. This control is connected to the temperature sensors 23 and 25 and to the pump 13. While the sensors 24 record the temperature of the various layers and thus the charge level of the storage tank, the sensor 23 measures the temperature of the water flowing in from the heat source.

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Speichermediums und der Fühler 25 die Temperatur des hinter dem Wärmetauscher 10 stehenden oder fließenden Speichermediums. Die Steuerung des Aufladevorgangs erfolgt in an sich bekannter Weise über die gleiche Temperatursteuerung mit mehreren Temperaturfühlern 24 und braucht daher nicht näher erläutert werden.storage medium and the sensor 25 the temperature of the storage medium standing or flowing behind the heat exchanger 10. The control of the charging process takes place in a known manner via the same temperature control with several temperature sensors 24 and therefore does not need to be explained in more detail.

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Claims

Expectations

1. Pressureless heat storage device for filling with a liquid storage medium, characterized by the combination of the following features:

• top inlet of the storage medium enriched with thermal energy

• top-mounted extraction of the storage medium intended for heat extraction

• below: Hegender inflow of the storage medium depleted of thermal energy

• bottom outlet of the storage medium intended for enrichment with thermal energy,

· Downpipe connected to the upper inlet within the heat storage tank with a large number of openings distributed over the length of the downpipe.

2. Heat storage device according to claim 1, characterized in that the upper inlet and outlet and the lower inlet and outlet are each connected to one another.

3. Heat storage device according to claim 1, characterized in that the downpipe runs diagonally through the heat storage device from top to bottom.

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4. Heat accumulator according to claim 1, characterized in that a horizontal tube is provided in the lower part of the heat accumulator, which has a plurality of openings distributed over the length of the tube.

5. Heat storage device according to claim 1, characterized in that the downpipe has a larger diameter than the upper inlet and the upper outlet.

6. Heat storage device according to claim 4, characterized in that the horizontal pipe in the lower part of the heat storage device has a larger diameter than the inlet and the outlet located at the bottom.

7. Heat storage device according to claim 2, characterized in that the upper outlet and the lower inlet are connected to one another via a heat exchanger located outside the heat storage device.

8. Heat storage device according to claim 7, characterized in that the connection between the upper inlet and outlet is designed as a crosspiece.

9. Heat storage device according to claim 8, characterized in that a pump at the inlet of the heat exchanger, a temperature sensor at the outlet of the heat exchanger, another temperature sensor at the upper inlet of the heat storage device and a control for the pump are present.

10. Heat storage device according to claim 1, characterized in that additional latent heat storage inserts are provided in the heat storage device.

11. Heat accumulator according to claim 1, characterized in that the boundary walls of the heat accumulator are constructed from folded sheets.

12. Heat storage device according to claim 11, characterized in that opposite boundary walls are connected via tie rods.

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- f°- f°

i.

13. Heat accumulator according to claim 1, characterized in that an expansion vessel is placed on the heat accumulator, the interior of which is connected to the interior of the heat accumulator.

14. Heat accumulator according to claim 13, characterized in that the expansion vessel is integrated under an insulation layer of the heat accumulator.

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