Vorrichtung zum Speichern von Wärme Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Wärme mit einem Wärmespeicherbehälter, der Wärmespeichermedium enthält und der eine Öffnung für den Durchtritt eines fluiden Wärmeträgers von und/oder zu einem Wärmenutzer hat. Für das Speichern von Wärme sind insbesondere sogenannte Ruths- Speicher bekannt. Diese Speicher haben einen Speicherbehälter, in dem sich flüssiges Wasser befindet. Um einen Ruths-Speicher zu beladen strömt Wasserdampf in den Speicherbehälter direkt in das flüssige Wasser. Der Wasserdampf kondensiert im Wasser und das Wasser erwärmt sich dadurch und speichert die Wärmeenergie als fühlbare Wärme. Daraus folgt ein Anstieg des Dampfdrucks im Speicher. Um den Ruths-Speicher zu entladen wird Wasserdampf aus dem Speicherbehälter entnommen, wodurch der Dampfdruck im Speicher abnimmt. Ruths-Speicher finden z.B. Anwendung beim Betrieb von Dampfspeicherlokomotiven.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Speichern von Wärme bereitzustellen, die das Übertragen von Wärme aus einem Fluid, z.B. aus Dampf, insbesondere Wasserdampf, in die Vorrichtung und umgekehrt bei minimaler Änderung der Entropie ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Speichern von Wärme der eingangs genannten Art gelöst, bei der in dem Wärmespeicherbehälter wenigstens eine mit dem Wärmespeichermedium thermisch gekoppelte und mit der Öffnung für den Wärmeträger kommunizierende Wärmetauscherrohrlei- tung für das Austauschen von Wärme zwischen dem fluiden Wärmeträger und dem Wärmespeichermedium ausgebildet ist.

In der wenigstens einen Wärmetauscherrohrleitung kann ein flüssiges und/oder gasförmiges Fluid bewegt werden, um in dem Wärmespeicherbe- hälter Wärme zu speichern und/oder um dem Wärmespeicherbehälter Wärme zu entziehen.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt die wenigstens eine Wärmetauscherrohrleitung den fluiden Wärmeträger, der von dem Wärmenutzer kom- mend durch die Öffnung in den Wärmespeicherbehälter einströmt, von oben nach unten. Fluider Wärmeträger, der aus dem Wärmespeicherbehälter zu dem Wärmenutzer bewegt wird, leitet die wenigstens eine Wärmetauscherrohrleitung von unten nach oben durch das Wärmespeichermedium. Dies hat zur Folge, dass sich in dem Wärmespeichermedium des Wärmesicher- behälters eine Temperaturschichtung ausbildet. Das Einspeichern von Wärme in die Vorrichtung bewirkt, dass die Temperatur in dem Wärmespeichermedium des Wärmespeicherbehälters von unten nach oben zunimmt.

Als Wärmespeichermedium in dem Wärmespeicherbehälter eignet sich Flüssigkeit, insbesondere Flüssigkeit in Form von Wasser oder Öl. Das Wärmespeichermedium in dem Wärmespeicherbehälter speichert fühlbare Wärme.

Damit die Temperaturschichtung in dem Wärmespeichermedium nicht aus- geglichen wird, gibt es in diesem vorzugsweise eine oder mehrere Konvekti- onssperren. Mit solchen Konvektionssperren wird das Ausbilden eines durch Temperaturunterschiede von übereinanderliegenden Zonen in dem Wärmespeichermedium ausgelösten großräumigen Konvektionsstromes abschwächt bzw. unterbunden. Eine Konvektionssperre kann insbesondere als Gitter ausgebildet sein, das vorzugsweise quer zu der wenigstens einen Wärmetauscherrohrleitung angeordnet ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass fluider Wärmeträger in Form von Wasserdampf, der in den Wärmespeicherbehälter einströmt, abhängig von seiner Temperatur in einem Wärmetauscherrohr an unterschiedlichen Stellen kondensiert. Eine Idee der Erfindung ist insbesondere, dass dort, wo der Wasserdampf kondensiert, das Entstehen von Entropie beim Wärmeübergang vom kondensierendem Wasserdampf in ein Wärmespeichermedium in einem Wärmespeicherbehälter minimiert wird. Diese Kondensationswärme kann dann nämlich innerhalb des Wärmespeicherbehälters von dem Wärmespeichermedium als fühlbare Wärme gespeichert wer- den.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere, die Temperatur und den Dampfdruck des fluiden Wärmeträgers bei Beladung des Wärmespeichers herabzusetzen und die Temperatur und den Dampfdruck des fluiden Wär- meträgers beim Entladen des Wärmespeichers anzuheben. In die erfindungsgemäße Vorrichtung kann damit Wärme bei einer ersten, niedrigen Temperatur eingespeichert werden, die der Vorrichtung dann bei einer zweiten Temperatur entnommen wird, welche die erste Temperatur übersteigt. Bei einem Ruths-Speicher ist das genau umgekehrt. Hier wird die Tempera- tur und der Dampfdruck bei Beladen des Speichers erhöht und bei Entladen des Speichers erniedrigt.

In dem Wärmespeicherbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist bevorzugt ein mit dem Wärmespeichermedium thermisch gekoppelter Wär- mespeicher angeordnet, der für das Speichern von Wärme als Latentwärmespeicher ein Phasenänderungsmaterial mit einer charakteristischen Phasenänderungstemperatur enthält. Insbesondere kann in dem Wärmespeicherbehälter wenigstens ein weiterer mit dem Wärmespeichermedium thermisch gekoppelter Wärmespeicher angeordnet sein, der für das Speichern von Wärme als Latentwärmespeicher ein Phasenänderungsmaterial mit einer charakteristischen Phasenänderungstemperatur aufweist. Von Vorteil ist es wenn in dem Wärmespeicherbehälter mehrere mit dem Wärmespeicher- medium thermisch gekoppelte Wärmespeicher angeordnet sind, die für das Speichern von Wärme als Latentwärmespeicher Phasenänderungsmaterial mit einer unterschiedlichen Phasenänderungstemperatur umfassen. Bevorzugt sind in dem Wärmespeicherbehälter mehrere mit dem Wärmespeichermedium thermisch gekoppelte Wärmespeicher in von der wenigstens einen Wärmetauscherrohrleitung durchsetzten Schichtzonen angeordnet. In den Schichtzonen wird Wärme von dem Wärmeträger auf die Wärmespeicher oder umgekehrt übertragen. Die Phasenänderungstemperatur von latente Wärme speicherndem Phasenänderungsmaterial in den Wärmespeichern ist dabei auf den Verlauf der wenigstens einen Wärmetauscherrohrleitung abgestimmt. Die Phasenänderungstemperatur ist so gewählt, dass sie entlang der wenigstens einen Wärmetauscherrohrleitung in der zu der Öffnung für den Durchtritt des fluiden Wärmeträgers weisenden Rich- tung von einer Schichtzone zur nächsten Schichtzone zunimmt oder wenigstens gleich ist.

Damit die wenigstens eine Wärmetauscherrohrleitung oder ihre Anbindung an den Verteilungs- bzw. Sammelraum nicht durch die beim Betrieb der Vor- richtung zum Speichern von Wärme auftretenden thermischen Spannungen beschädigt, bzw. zerstört wird, ist es von Vorteil, wenn diese Leitung wenigstens abschnittsweise gebogen, insbesondere gewendelt ist.

In einem erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälter kann sich die eine Wärmetauscherrohrleitung von einem Verteilungsraum für den fluiden Wärmeträger zu einem Sammelraum erstrecken. Für eine hohe Wärmeübertragungsrate ist es günstig, wenn der Wärmespeicherbehälter eine Vielzahl mit dem Wärmespeichermedium thermisch gekoppelte Wärmetauscherrohrleitungen enthält, die den Verteilungsraum mit dem Sammelraum verbinden.

Der Wärmeübertrag zwischen fluidem Wärmeträger und Wärmespeichermedium lässt sich optimieren, indem der fluide Wärmeträger durch einen als Diffusor wirkenden Strömungsverteiler in den Verteilungsraum geleitet wird. Dies bewirkt, dass sich der zu den Wärmetauscherrohren strömenden fluide Wärmeträger gleichmäßig auf die Wärmetauscherrohre verteilt. Eine Verteilung von dem dem Wärmespeicherbehälter zugeführten fluiden Wärmeträ- ger kann auch mit einem Prallblech erzielt werden, das in dem Verteilungsraum angeordnet ist. Für das Optimieren des Wärmeübertrags von fluidem Wärmeträger in dem Wärmebehälter auf das Wärmespeichermedium ist es insbesondere von Vorteil, wenn vor wenigstens einer der Wärmetauscherrohrleitungen eine Strömungsblende angeordnet ist, die der wenigstens ei- nen Wärmetauscherrohrleitung zugeführtem fluidem Wärmeträger in der wenigstens einen Wärmetauscherrohrleitung verwirbelt und die fluiden Wärmeträger, der die Wärmetauscherrohrleitung verlässt, zu einem Strahl zusammenführt. Als Phasenänderungsmaterial in einem Wärmespeicher eignet sich z.B. der Stoff Lacitol mit der CAS-Nummer 585-86-4, der Stoff Lactitol-Dihydrat, der die CAS-Nummer 81025-03-8 hat, der Stoff Sorbit, dessen CAS-Nummer 50- 70-4 ist, und/oder der Stoff Mannit mit der CAS-Nummer 69-65-8. Die Schmelztemperatur von Lactitol-Dihydrat ist 75 ^° C. Die Schmelztemperatur von Sorbit liegt zwischen 1 10 ^° C und 1 12 ^° C. Die Schmelztemperatur von Lactitol ist 146 ^° C. Mannit schmilzt zwischen 166 ^° C und 168 ^° C.

Der Wärmespeicherbehälter ist über eine mit der wenigstens einen Wärme- tauscherrohrleitung verbundenen Rohrleitung mit einem Kondensatbehälter verbunden. Dieser Kondensatbehälter ist unterhalb des Wärmespeicherbehälters angeordnet. Die Rohrleitung ragt zu einem Bodenabschnitt des Kondensatbehälters. An dem Bodenabschnitt des Kondensatbehälters ist eine Ablauföffnung mit Ventil für das Ablaufen von Kondensat ausgebildet. Für das Einstellen des Drucks ist in dem Kondensatbehälter ein Pressluftkompressor vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung auch für das Einstellen des Drucks in dem Kondensatbehälter eine Vakuumpumpe haben. Zwischen der Vakuumpumpe und dem Kondensatbehälter ist ein gekühltes Rippenrohr zur Abscheidung von kondensierbaren Gasen angeordnet. Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Wärmespeichervorrichtung, in der mehrere Vorrichtungen zum Speichern von Wärme zusammengeschaltet sind. Hierzu können diese Vorrichtungen mit einem Leitungssystem verbunden sein, in dem es eine Ventilanordnung gibt, die es ermöglicht, wahlweise nur eine erste Vorrichtung für das Speichern von Wärme oder nur eine zwei- te Vorrichtung für das Speichern von Wärme mit einem Wärmenutzer zu verbinden, oder die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung gemeinsam an den Wärmenutzer anzuschließen.

Die Vorrichtungen zum Speichern von Wärme können auch zu einer Wär- mespeichervorrichtung kombiniert werden, in der es ein Leitungssystem mit einer Ventilanordnung für das Koppeln der Kondensatbehälter gibt, die ein wahlweise gemeinsames oder voneinander getrenntes Einstellen des Drucks in den Kondensatbehältern ermöglicht. In einer solchen Wärmespeichervorrichtung können die Vorrichtungen zum Speichern von Wärme bevorzugt wahlweise zueinander synchron oder voneinander unabhängig betrieben werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht insbesondere das Einstellen der Temperatur in einem wenigstens teilweise mit Wasser und/oder Dampf befüllten Behälter. Mit der Erfindung kann z.B. Wasser bzw. Reaktionsmasse in geschlossenen Behältern durch Dampfentnahme bzw. Dampfzufuhr abgekühlt und wieder aufgeheizt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einer Anlage mit wenigstens ei- nem Wärmenutzer betreiben werden, der für das Übertragen von Wärme mit einer dampfförmigen Wärmeträger führenden Leitung verbunden ist. Um etwa die Temperatur in einem wenigstens teilweise mit Wasser und/oder Dampf befüllten Behälter einzustellen, kann in der Vorrichtung Wärmeträger in Form von Wasserdampf eingesetzt werden.

Indem in der wenigstens einen mit dem Wärmespeichermedium thermisch gekoppelten Wärmetauscherrohrleitung ein Wärmeträger-Kondensatpegel eingestellt wird, um damit die Temperatur für das Kondensieren von dampfförmigem Wärmeträger und oder für das Verdampfen von Wärmeträger- Kondensat in der wenigstens einen Wärmetauscherrohrleitung zu variieren, ist es nicht nur möglich, den für das Einspeichern von mit dem Wärmeträger zugeführter Wärme günstigen Temperaturbereich einzustellen, sondern auch die Temperatur bei der Abgabe von Wärme zu steuern.

Wenn der Wärmeträger-Kondensatpegel für das Einspeisen von Wärme in die Vorrichtung abgesenkt wird, kann in der Vorrichtung die Wärme eines Wärmenutzers gespeichert werden, dessen Temperatur bei der Abgabe von Wärme an die Vorrichtung absinkt. Durch Anheben des Kondensatpegels in der Vorrichtung bei Entnehmen von Wärme aus der Vorrichtung kann diese Wärme zu einem Wärmenutzer übertragen werden, dessen Temperatur bei der Zufuhr von Wärme zunimmt.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Anlage mit einer ersten Vorrichtung für das Speichern von

Wärme;

Fig. 2 die Anlage bei Zufuhr von Wärme in die Vorrichtung;

Fig. 3 die Anlage bei Abfuhr von Wärme aus der Vorrichtung; Fig. 4 zweite Vorrichtung für das Speichern von Wärme; einen Abschnitt einer dritten Vorrichtung für das Speichern von Wärme mit einem Prallblech; einen Abschnitt einer vierten Vorrichtung für das Speichern von Wärme mit Strömungsblenden; die Strömungsblende der vierten Vorrichtung in einer vergrößerten Ansicht; einen Abschnitt einer fünften Vorrichtung mit hydrodynamischen Ventilen; ein hydrodynamisches Ventil bei Wärmezufuhr in die fünfte Vorrichtung; ein hydrodynamisches Ventil bei Wärmeabfuhr aus der fünften Vorrichtung; eine sechste Vorrichtung für das Speichern von Wärme mit einem Schichtlade-Dampfspeicher, der gewendelte Rohre für den Wärmeaustausch hat; eine siebte Vorrichtung für das Speichern von Wärme mit mehreren Wärmespeicherbehältern; einen modifizierten Leitungsabschnitt in der siebten Vorrichtung; Fig. 14 und Fig. 15 weitere Vorrichtungen für das Speichern von Wärme, die jeweils mehrere Wärmespeicherbehälter aufweisen. Die Fig. 1 zeigt eine Anlage 100 mit einer Vorrichtung 10 für das Speichern von Wärme. In der Vorrichtung 10 für das Speichern von Wärme gibt es einen Schichtlade-Dampfspeicher 1 1 . Der Schichtlade-Dampfspeicher 1 1 hat einen Wärmespeicherbehälter 12. Der Wärmespeicherbehälter 12 beinhaltet ein Speichermedium 14, welches die Kondensationswärme als fühlbare Wärme speichert. Innerhalb des Wärmespeichermediums befinden sich Wärmespeicher 22, 24, 26 28 mit sogenannten PCMs (Phase Change Materials, d.h. Phasenänderungsmaterial), die eine unterschiedliche Phasenänderungstemperatur haben. Der Wärmespeicher 22 enthält Phasenände- rungsmaterial in Form von Zuckeralkohol-Lactitol-Dihydrat. In dem Wärmespeicher 24 gibt es das Phasenänderungsmaterial Sorbit. In dem Wärmespeicher 26 befindet sich das Phasenänderungsmaterial Lactitol 26. In dem Wärmespeicher 28 ist das Phasenänderungsmaterial in Form von Mannit angeordnet. Die PCMs der Wärmespeicher 22, 24, 26, 28 stehen in thermi- sehen Kontakt mit dem Wärmespeichermedium. Sie erhöhen die Wärmekapazität des Schichtlade-Dampfspeichers 1 1 . Die Wärmespeicher 22, 24, 26, 28 sind in übereinander liegenden Ebenen 30, 32, 34, 36 angeordnet. Sie befinden sich in unterschiedlichen Schichtzonen 31 , 33 in dem Wärmespeicherbehälter 12, so dass die Phasenänderungstemperatur der PCMs in den Wärmespeichern 22, 24, 26, 28 des Wärmebehälters 12 von unten nach oben in der Richtung des Pfeils 38 zunimmt.

Innerhalb des Wärmespeicherbehälters gibt es Wärmetauscherrohre 16, 18, 20, die innerhalb des Wärmespeicherbehälters 12 ein stetiges Gefälle auf- weisen. Die Wärmetauscherrohre 16, 18, 20 erstrecken sich in dem Wärmespeicherbehälter 12 von einem Verteilungsraum 44 in einen Sammelraum 46. Sie treten am unteren Ende des Wärmespeicherbehälters 12 aus und münden in einen Kondensatspeicherbehälter 50. Der Kondensatspeicherbehälter 50 befindet sich unterhalb des Wärmespeicherbehälters 12. Das in den Wärmetauscherrohren 16, 18, 20 entstehende Wärmeträger-Kondensat 55 fließt über ein Kondensatablaufrohr 48 in den Kondensatspeicherbehälter 50 ab. Das Kondensatablaufrohr 48 ragt in den Kondensatspeicherbehälter 50. Es reicht dort bis knapp über dem Boden 51 des Kondensatspeicherbehälters 50 unterhalb der Oberfläche 53 von Kondensat 55.

An der Oberseite des Kondensatspeicherbehälters 50, oberhalb der Kon- densatoberfläche 53 sind zur Einstellung des Drucks ein Kompressor 58 zur Förderung von Pressluft und eine Vakuumpumpe 60 angeschlossen. Das Verbindungsrohr zwischen Vakuumpumpe 60 und dem Kondensatspeicherbehälter 50 ist als gekühltes Rippenrohr 62 ausgeführt. An der Unterseite des Kondensat-Speicherbehälters 50 befindet sich ein Kondensat- Ablassventil 56, um überschüssiges Kondensat aus dem Kondensatspeicherbehälter 50 abzulassen.

Bei höheren Speichertemperaturen führt die Verwendung von Wasser als Wärmespeichermedium 14 zu hohen Dampfdrücken, was wiederum zu einer schweren Bauweise des Speicherbehälters führt. In diesem Fall kann z. B. Thermoöl als Wärmespeichermedium 14 verwendet werden.

Die Vorrichtung 10 ist über ein Leitungssystem 61 mit einem Wärmenutzer verbunden. Der Wärmenutzer ist vorliegend ein mit Wasser 71 befüllter Wasserbehälter 64. Dieser kann in unterschiedlichen Betriebszuständen Wärme aufnehmen oder Wärme abgeben. Das Wasser des Wasserbehälters 64 kann z.B. für das Pasteurisieren und Garen in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Ebenso kann es sich bei dem Wasserbehälter 64 um ein Reaktionsgefäss zur Umsetzung hydrothermaler Verfahren und Re- aktionsprozess wie beispielsweise der hydrothermalen Carbonisierung handeln. Das Leitungssystem hat Dampfleitungen 63, 65. In den Dampfleitungen 63, 65 gibt es Rückschlagventile 68, 69. Über das Leitungssystem 61 kann dem Wärmespeicherbehälter 12 fluider Wärmeträger in Form von Wasserdampf 70 durch eine Öffnung 72 über eine Leitung 74 zugeführt werden.

Das Einspeichern von Wärme in die Vorrichtung 10, d.h. das Beladen der Vorrichtung mit Wärme wird anhand der Fig. 2 erläutert. Um in dem Schicht- lade-Dampfspeicher 1 1 Wärme zu speichern, wird zunächst mit der Vakuumpumpe 60 Luft aus dem Kondensatspeicherbehälter 50 abgesaugt. Dadurch fällt der Druck des nicht kondensierbaren Gases 67 im Kondensatspeicherbehälter 50 sowie der Druck des Gases im Wasserbehälter 64. Fällt der Druck im Wasserbehälter 64 unterhalb des Dampfdrucks des Wassers 71 im Wasserbehälter 64, so beginnt das Wasser im Wasserbehälter 64 zu sieden. Durch das Sieden des Wassers geht Verdampfungswärme auf Wasserdampf 70 über. Der Wasserdampf 70 strömt durch das Rückschlagventil 69 und über die Dampfleitung 65 in der Richtung der Pfeile 76 in den Vertei- lungsraum 44 des Schichtlade-Dampfspeichers. Der Wasserdampf 70 strömt in die Wärmetauscherrohre 16, 18, 20. Er kondensiert in einem Kondensationsabschnitt 73 in den Wärmetauscherrohren 16, 18, 20 genau dort, wo die Temperatur der Wärmetauscherrohre 16, 18, 20 niedriger ist als die Kondensationstemperatur des Wasserdampfes. Die freiwerdende Kondensati- onswärme erwärmt die Wärmetauscherrohre 16, 18, 20 im Kondensationsabschnitt 73. Die Kondensationswärme geht, bedingt durch die steigende Temperatur des Wärmetauscherrohrs 16, 18, 20 im Kondensationsabschnitt 73, auf das Wärmespeichermedium 14 über, solange die Temperatur des Wärmespeichermediums 14 niedriger ist als die Kondensationstemperatur des Wasserdampfes. Das Wärmespeichermedium 14 überträgt durch Kon- vektion einen Teil seiner Wärme auf die Wärmespeicher 24. Das Phasenänderungsmaterial in dem Wärmespeicher 24 nimmt die übertragene Wärme in Form von Phasenänderungsenthalpie auf, sobald es eine Phasenänderungstemperatur überschreitet. Es entsteht auf diese Weise eine Tempera- turschichtung des Wärmespeichermediums 14 in dem Wärmespeicherbehälter 12. Das Wärmespeichermedium mit der höchsten Temperatur sammelt sich dabei an dem oberen Ende des Schichtlade-Dampfspeichers 1 1 .

Es sei bemerkt, dass die erfindungsgemäße Temperaturschichtung des Wärmespeichermediums 14 in dem Wärmespeicherbehälter 12 nicht zwingend das Anordnen der vorstehend beschriebenen Wärmespeicher 22, 24, 26, 28 mit Phasenänderungsmaterial in dem Wärmespeicherbehälter 12 vo- raussetzt. Eine entsprechende Temperaturschichtung lässt sich auch ohne solche Wärmespeicher erreichen. Allerdings erhöhen solche Wärmespeicher die Wärmekapazität der Anordnung. Sie können eine besonders ausgeprägte Temperaturschichtung in einem entsprechenden Wärmespeicher- behälter bewirken, d.h. der Temperaturgradient der Schichtung wird bei gleicher Beladung des Speichers steiler.

Ist die Temperatur des Wärmespeichermediums 14 um den Kondensationsabschnitt gleich der Kondensationstemperatur des Wasserdampfes 70 im Kondensationsabschnitt 73, so kann der Wasserdampf 70 dort nicht mehr kondensieren. Die Temperatur des Wassers 71 im Wasserbehälter 64 sinkt dann aufgrund der Wärmeabfuhr über den Wasserdampf 70. Die Folge ist, dass in dem Wasserbehälter 64 auch der Dampfdruck abnimmt und damit auch der Druck der Anlage 100.

Durch den sinkenden Druck dehnt sich dann das nicht kondensierbare Gas 67 in dem Kondensatspeicherbehälter 50 entsprechend dem allgemeinen Gasgesetz aus. Dabei verdrängt es den Wasserdampf 70 aus dem Kondensationsabschnitt 73. Das sich ausdehnende Gas 67 verhindert, dass sich der Kondensationsabschnitt 73 zu schnell nach unten in den kalten Teil des Wärmespeicherbehälters 12 verschiebt, bevor in dem oberen Teil des Wärmespeicherbehälters 12 die maximale Temperatur erreicht wird. Die Ausdehnung des Gases wirkt damit selbststabilisierend auf den Prozess des Einspeicherns von Wärme in den Schichtlade-Dampfspeicher 1 1 . Dieser Umstand vereinfacht eine Steuerung bzw. Regelung der Anlage 100.

Um die Abkühlung des Wasserbehälters 64 dann fortsetzen zu können, muss über die Vakuumpumpe 60 das Gas abgesaugt werden, damit das Gas in den Wärmetauscherrohren 16, 18, 20 einen weiteren Abschnitt der Wär- metauscherrohre 16, 18, 20 für den Wasserdampf 70 freigibt. Wie die Fig. 3 zeigt, wird der Kondensationsabschnitt 75 dann in einen kälteren Abschnitt des Schichtlade-Dampfspeichers 1 1 verschoben. Das gekühlte Rippenrohr 62 begrenzt dabei den Wasserdampfgehalt des in der Richtung der Pfeils 83 abgesaugten Gases aus dem Kondensatspeicherbehälter 50.

Das Entladen des Schichtlade-Dampfspeichers 1 1 , d.h. das Abführen von Wärme aus diesem, wird nachfolgend anhand der Fig. 3 erläutert. Um den Schichtlade-Dampfspeicher 1 1 zu entladen, wird mit Hilfe des Kompressors 58 dem Kondensatspeicherbehälter 50 entsprechend dem Pfeil 51 Luft zugeführt. Die Folge ist, dass der Druck des Gases im Kondensatspeicherbehälter 50 dann steigt.

Das Ende 49 des Kondensatablaufrohrs 48 befindet sich auch hier unterhalb der Oberfläche des Kondensates 55. Liegt der Gasdruck im Kondensatspeicherbehälter 50 über dem Dampfdruck im Wasserbehälter 64, so steigt das Kondensat 55 über das Kondensatablaufrohr 48 in die Wärmetauscherohre 16, 18, 20. Wenn dabei die Temperatur des Wärmetauscherrohrabschnitts, das vom flüssigen Kondensat benetzt wird, über der Temperatur des Wassers 71 im Wasserbehälter 64 ansteigt, so beginnt Wasser in den Wärmetauscherrohren 16, 18, 20 in dem Siedeabschnitt 73 zu sieden. Durch das Sieden des Kondensats 55 in den Wärmetauscherrohren 16, 18, 20 werden die Wärmetauscherrohre 16, 18, 20 unter die Temperatur des Wärmespeichermediums 14 abgekühlt. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Wärmespeichermedium 14 und Wärmetauscherrohren 16, 18, 20 wird dann Wärme aus dem Wärmespeichermedium 14 auf die Wärmetauscherrohre 16, 18, 20 übertragen. Die übertragene Wärme verdampft dort Kondensat. Sinkt die Temperatur des Wärmespeichermediums 14 unter die Phasenänderungstemperatur eines PCMs, 22, 24, 26, 28 in einem Wärmespeicher, so ändert das PCM dort seine Phase. Dabei gibt es die Phasenänderungsenthalpie an das Wärmespeichermedium 14 ab. Der in den Wärmetauscherrohren 16, 18, 20 entstehende Wasserdampf 70 strömt dann über die Wärmetauscherrohre 16, 18, 20 in der Richtung der Pfeile 85, 87 durch die Dampfleitung 63 und das Rückschlagventil 68 zurück in den Wasserbehälter 64. Dort kondensiert der Wasserdampf 70. Aufgrund der bei der Kondensation freigesetzten Kondensationswärme steigt dabei die Temperatur des Wassers 71 in dem Wasserbehälter 64. Wegen der steigenden Temperatur des Wassers 71 im Wasserbehälter 64 wird dabei der Dampfdruck des Wassers 71 und in Folge dessen auch der Gesamtdruck in der Anlage 100 erhöht. Das Gas 67 in dem Kondensatspeicherbehälter 50 wird dann komprimiert und die Kondensatsäule aus dem Siedeabschnitt 73 zurückgedrängt. In dem Wärmespeicherbehälter 12 entsteht in diesem Fall weniger Wasserdampf, so dass sich der Druckanstieg in der An- läge 100 verlangsamt. Dies stabilisiert den Druck in der Anlage 100 bei Freisetzen von Wärme aus dem Schichtlade-Dampfspeicher 1 1 . Das vereinfacht das Steuern bzw. Regeln des Entladevorgangs des Schichtlade- Dampfspeichers 1 1 . Durch Einstellen des Kondensatpegels 15 in den mit dem Wärmespeichermedium 14 thermisch gekoppelten Wärmetauscherrohrleitungen 16, 18, 20 kann in dem Schichtlade-Dampfspeicher 1 1 insbesondere die Temperatur für das Kondensieren von dampfförmigem Wärmeträger 70 bzw. für das Verdampfen von Wärmeträger-Kondensat 55 gesteuert werden. Indem z.B. der Wärmeträger-Kondensatpegel 15 bei Einspeisen von Wärme in die Vorrichtung 10 abgesenkt wird, kann in der Vorrichtung 10 die Wärme eines Wärmenutzers gespeichert werden, dessen Temperatur bei der Übertragung von Wärme absinkt. Wenn der Kondensatpegel 15 in der Vorrichtung 10 bei Entnehmen von Wärme aus der Vorrichtung 10 angehoben wird, kann diese Wärme zu einem Wärmenutzer übertragen werden, dessen Temperatur dabei ansteigt.

Die in der Fig. 4 gezeigte Vorrichtung 210 zum Speichern von Wärme enthält einen Schichtlade-Dampfspeicher 21 1 . Der Aufbau der Vorrichtung 210 entspricht dem anhand der Fig. 1 bis Fig. 3 beschriebenen Aufbau der Vorrichtung 10. Funktional gleichwirkende Baugruppen sind deshalb in Fig. 4 in Bezug auf Fig. 1 mit um die Zahl 200 erhöhten Bezugszahlen kenntlich ge- macht. Der Wärmespeicherbehälter 212 enthält einen Strömungsverteiler 288. Der Strömungsverteiler 288 hat fächerförmig angeordnete koaxiale Kegel bzw. Trichter, durch die der fluide Wärmeträger in Form von Wasserdampf in den Wärmespeicherbehälter 212 gelangt. Der Strömungsverteiler 288 verteilt den Wasserdampf 270 aus dem Leitungssystem 261 gleichmäßig auf die Wärmetauscherrohre 216, 218, 220. Dies wird erreicht, indem der Strömungsverteiler 288 die in dem Leitungssystem 261 vor diesem anstehende Strömung verlangsamt und somit ihr dynamischer Druck reduziert wird. Wenn dieser dynamische Druck kleiner ist als der Druckabfall über die Rohre, dann ist die Strömung gezwungen, sich auf alle Rohre zu verteilen.

Der Wärmespeicherbehälter 212 ist mit einem Ausgleichsbehälter 290 für das Wärmespeichermedium 214 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 290 ermöglicht das Ausweichen von Wärmespeichermedium 214 aus dem Wär- mespeicherbehälter 212 in den Ausgleichsbehälter 290, wenn sich das Wärmespeichermedium 214 aufgrund einer Zufuhr von Wärme in den Wärmespeicherbehälter 212 ausdehnt. Dieser Ausgleichsbehälter 290 gewährleistet, dass das Wärmespeichermedium 214 über einen großen Temperaturbereich betrieben werden kann.

Zwischen den Schichtzonen 231 , 233, 235, 237 sind Wärmespeicherbehälter 212 Konvektionssperren in Form von feinmaschigen Gittern 292 angeordnet. Mit den Konvektionssperren werden in dem Wärmespeicherbehälter 212 Konvektionsströme zwischen den Schichtzonen 231 , 233, 235, 237 mi- nimiert. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass der Schichtlade- Dampfspeicher 21 1 in dem Wärmespeicherbehälter 212 einen Temperaturgradient beibehält, der von dem Bodenabschnitt 246 zu den Deckenabschnitt 244 weist. Die Fig. 5 zeigt einen Abschnitt eines Schichtlade-Dampfspeichers 31 1 in einer Vorrichtung zum Speichern von Wärme, der einen Wärmespeicherbehälter 312 hat, in dessen Verteilungsraum 344 ein Prallblech 302 angeord- net ist. Das Prallblech 302 bewirkt, dass der über die Öffnung 372 in den Wärmespeicherbehälter 312 einströmende Wasserdampf 370 verwirbelt und hierdurch gleichmäßig auf die Wärmetauscherrohre 316, 318, 320 verteilt wird.

Die Fig. 6 zeigt einen Abschnitt eines Schichtlade-Dampfspeichers 41 1 in einer Vorrichtung zum Speichern von Wärme, bei dem die Wärmetauscherrohre 416, 418, 420 in dem Wärmespeicherbehälter 412 mit Strömungsblenden 404 versehen sind. Wie die Fig. 7 verdeutlicht, bewirken die Strö- mungsblenden 404 eine Verwirbelung des mit der Strömungsrichtung 406 in den Verteilungsraum 444 einströmenden Wasserdampfs 470 in den Wärmetauscherrohren 416, 418, 420. Damit lässt sich ebenfalls ein guter Wärmeübertrag von fluidem Wärmeträger in Form von Wasserdampf in das in dem Wärmespeicherbehälter 412 angeordnete Wärmespeichermedium 414 er- zielen. Auch hier trägt die mittels der Blenden 404 hervorgerufene Verwirbelung zur Verlangsamung der Strömung und damit zu einer für den Wärmeübertrag in den Wärmetauscherrohren 416, 418, 420 wünschenswerten Strömungsverteilung zusätzlich bei. Die Fig. 8 zeigt einen Abschnitt eines Schichtlade-Dampfspeichers 51 1 in einer Vorrichtung zum Speichern von Wärme, bei dem die Wärmetauscherrohre 516, 518, 520 in dem zu der Öffnung 572 weisenden Abschnitt eine Düse 574 haben, die sich zu der Öffnung 572 hin verjüngt. Wie die Fig. 9 und Fig. 10 zeigen, wirkt die Düse 574 an den Wärmetauscherrohren 516, 518, 520 als hydrodynamisches Ventil bzw. hydrodynamische Drossel. Bei Einströmen von Wasserdampf in die Wärmetauscherrohre 516, 518, 520 gibt es einen Druckabfall über die Düse 574. Der Wasserdampf wird dann verwirbelt und in den Wärmerohren 516, 518, 520 verteilt, was einem schnellen Wärmeübertrag von fluidem Wärmeträger in Form von Wasser- dampf in das Wärmespeichermedium 514 förderlich ist. Das Rückströmen von Wasserdampf aus den Wärmetauscherrohren 516, 518, 520 erfolgt dagegen ohne Verwirbelungen, so dass der Wasserdampf 570 den Wärme- speicherbehälter 512 aufgrund der vorstehend beschriebenen Strömungsverteilung dann ohne nennenswerte Strömungsverluste verlassen kann.

Die in Fig. 1 1 gezeigte Vorrichtung 610 für das Speichern von Wärme ent- hält einen Schichtlade-Dampfspeicher 61 1 . Der Aufbau der Vorrichtung 610 entspricht dem Aufbau der anhand der Fig. 4 beschriebenen Vorrichtung 210. Funktional gleichwirkende Baugruppen sind in Fig. 1 1 in Bezug auf Fig. 4 mit um die Zahl 400 erhöhten Bezugszahlen kenntlich gemacht. Der Schichtlade-Dampfspeicher 61 1 hat einen Wärmespeicherbehälter 612, in dem die Wärmetauscherrohre 616, 618, 620 von dem Bodenabschnitt 646 zu dem Deckenabschnitt 644 des Behälters 612 helixförmig gewendelt sind. Der Wärmespeicherbehälter 612 ist mit Wärmespeichermedium 614 in Form von Wasser oder Thermoöl befüllt. Für den Ausgleich der Volumenänderung des Wärmespeichermediums 614 beim Einspeichern von Wärme hat die Vorrichtung 610 einen Ausgleichsbehälter 690.

Die Wärmespeicher 622, 624, 628 sind in übereinanderliegenden Schichtzonen 631 , 633, 635 angeordnet. Sie befinden sich auf einem Gitter 692, das als Konvektionssperre wirkt. Die Phasenänderungstemperatur der Wär- mespeicher 622, 624, 626 nimmt dabei von unten nach oben in der Richtung des Pfeils 638 zu. Die gewendelte, gebogene Form der Wärmetauscherrohre 616, 618, 620 bewirkt, dass sich diese in dem Wärmespeicherbehälter 612 bei Beaufschlagen mit heißem Wärmeträger in Form von Dampf ausdehnen können, ohne dabei mechanisch Schaden zu nehmen.

Die Fig. 12 zeigt eine Wärmespeichervorrichtung 710 mit zwei Vorrichtungen 710a, 710b für das Speichern von Wärme. Jede der Vorrichtungen 710a, 710b enthält einen Schichtlade-Dampfspeicher 71 1 a, 71 1 b. Die Schichtlade-Dampfspeicher 71 1 a, 71 1 b umfassen einen Wärmespeicherbe- hälter 712a, 712b, dessen Aufbau dem Wärmespeicherbehälter 12 in der anhand der Fig. 1 bis Fig. 3 beschriebenen Vorrichtung 10 entspricht. In der Vorrichtung 710 sind daher Baugruppen, die Baugruppen in der Vorrichtung 10 funktional entsprechen, mit um die Zahl 700 erhöhten Bezugszahlen kenntlich gemacht. Die Schichtlade-Dampfspeicher 71 1 a, 71 1 b in der Vorrichtung 710 sind parallel geschaltet. Die Schichtlade-Dampfspeicher 71 1 a, 71 1 b sind zueinander identisch. Sie haben ein Kondensat-Ablaufrohr 748a, 748b, durch das einem Kondensatspeicherbehälter 750a, 750b aus dem Wärmespeicherbehälter 712a, 712b Kondensat zugeführt werden kann. Die Öffnungen 772a, 772b der Schichtlade-Dampfspeicher 71 1 a, 71 1 b sind über eine Leitung 702 verbunden und an ein gemeinsames Leitungssystem 761 angeschlossen. Die Vorrichtung 710 enthält Leitungen 704, 706, die einen Druckausgleich zwischen den Kondensatspeicherbehältern 750a, 750b bewirken.

Die Fig. 13 zeigt eine Vorrichtung 810 für das Speichern von Wärme, die einen Schichtlade-Dampfspeicher 81 1 a und einen Schichtlade-Dampfspeicher 81 1 b enthält. Auch die Schichtlade-Dampfspeicher 81 1 a, 81 1 b umfassen einen Wärmespeicherbehälter 812a, 812b, dessen Aufbau dem Wärmespeicherbehälter 12 in der anhand der Fig. 1 bis Fig. 3 beschriebenen Vorrichtung 10 entspricht. In der Vorrichtung 810 sind daher Baugruppen, die Baugruppen in der Vorrichtung 10 funktional entsprechen, mit um die Zahl 800 erhöhten Bezugszahlen kenntlich gemacht. Die Schichtlade-Dampfspeicher 81 1 a, 81 1 b und die Kondensatspeicherbehälter 850a, 850b in der Vorrichtung 810 können mittels steuerbarer Ventile 801 a, 801 b, 801 c, 803a, 803b in den Leitungen 802, 804, 806, 804a, 804b. 806a, 806b, 861 c wahlweise miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden. Die Ventile 801 d, 801 e ermöglichen die Abtrennung der Wärmenutzer WN1 , WN2 von den Schichtladespeichern SLS1 , SLS2.

Die Vorrichtung 810 ermöglicht damit, Wärmenutzer WN1 , WN2, WN3, die an die Leitungssysteme 861 a, 861 b, 861 c angeschlossen sind, wahlweise mit den Schichtlade-Dampfspeichern 81 1 a, 81 1 b gemeinsam zu verbinden oder die Schichtlade-Dampfspeicher 81 1 a, 81 1 b zu trennen und dann mit verschiedenen Wärmenutzern WN1 , WN2, WN3 zu koppeln.

Die Fig. 14 zeigt eine zu der Ventilanordnung in dem Leitungsabschnitt 894 in der Vorrichtung 810 alternative Ventilanordnung 896 mit Ventilen 896a, 896b, 896c und 896d, die es ermöglichen, die Schichtlade-Dampfspeichern 81 1 a, 81 1 b gemeinsam zu verbinden oder die Schichtlade-Dampfspeicher 81 1 a, 81 1 b zu trennen und mit verschiedenen Wärmenutzern WN1 , WN2, WN3 zu koppeln. In der Fig. 15 ist eine Vorrichtung 910 für das Speichern von Wärme gezeigt, die einen Schichtlade-Dampfspeicher 91 1 a und einen Schichtlade- Dampfspeicher 91 1 b enthält. Auch die Schichtlade-Dampfspeicher 91 1 a, 91 1 b umfassen einen Wärmespeicherbehälter 912a, 912b, dessen Aufbau dem Wärmespeicherbehälter 12 in der anhand der Fig. 1 bis Fig. 3 be- schriebenen Vorrichtung 10 entspricht. In der Vorrichtung 910 sind daher Baugruppen, die zu Baugruppen in der Vorrichtung 10 funktional gleichwirkend sind, mit um die Zahl 900 erhöhten Bezugszahlen kenntlich gemacht. Die Schichtlade-Dampfspeicher 91 1 a, 91 1 b und die Kondensatspeicherbehälter 950a, 950b in der Vorrichtung 910 können mittels der druckgesteuer- ten Ventile 901 a, 901 b in der Leitung 902 wahlweise miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden.

Die Schichtlade-Dampfspeicher 91 1 a, 91 1 b sind bevorzugt für einen Betrieb in unterschiedlichen Temperaturbereichen usgelegt, z.B. der Schichtlade- Dampfspeicher 91 1 a für den Betrieb in einem Temperaturbereich zwischen 170 °C und 230 °C und der Schichtlade-Dampfspeicher 91 1 b für einen Betrieb im Temperaturbereich zwischen 100 °C und 180 °C.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Wärmespeicherung in der Lebensmittelindustrie, die hier z. B. beim Erhitzen und Abkühlen von Lebensmittelkonserven von Interesse ist. Lebensmittelkonserven werden bei ihrer Herstellung im kalten Zustand befüllt und Verschlossen. Das Garen und Pasteurisieren erfolgt durch Erhitzen der verschlossenen Konserve auf ca. 90 °C und durch anschießendes Abkühlen. Hier können die vorstehend beschriebenen Anlagen und Vorrichtungen zum Speichern von Wärme mit einem Schichtlade-Dampfspeicher zum Einsatz kommen, um die Wärme, die zum Pasteurisieren nötig ist, wieder zu verwenden. Ebenso kann die Erfindung zur Speicherung von Wärme von hydrothermaler Verfahren wie z.B. der Reaktionswärme aus der hydrothermalen Carbonisierung eingesetzt werden. Die hydrothermale Carbonisierung ist ein nass-chemisches Verfahren, in dessen Verlauf Biomasse (organ. Abfälle, Pflanzenreste, Fäkalien, Klärschlamm u.a.) in einer Vorrichtung mit einem Reaktionsbehälter, wie sie z.B. in der WO 2010/133696 A2 beschrieben ist, auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird und deren Offenbarung in die Beschreibung dieser Erfindung mit einbezogen wird, einfach und hocheffizient zu verschiedene Arten von Kohle unter Freisetzung von Energie umgewandelt werden kann.

Die Erfindung kann insbesondere verwendet werden, um die Wärmeenergie einer chemischen Reaktion, etwa der hydrothermalen Carbonisierung, die im Batchbetrieb freigesetzt wird, zwischenzuspeichern und als Startenergie und Aufrechterhaltung des Prozesses für andere Batchreaktoren bereitzustellen. Vorteilhaft ist die hierbei mögliche Einspeisung von Wärmeenergie in den Reaktionsbehälter von niedrigen zu hohen Temperaturen hin aus Schichten des Wärmespeichers gleicher Temperatur sowie deren Rückspeisung von hohen zu niedrigen Temperaturen hin zurück in die Schichten gleicher Tem- peratur in dem Wärmespeicher, so dass nur geringe Entropieentwicklung aufgrund von Wärmeleitung zu erwarten ist.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 10 zum Speichern von Wärme. Die Vorrichtung hat einen Wär- mespeicherbehälter 12, der Wärmespeichermedium 14 enthält. In dem Wärmespeicherbehälter 12 gibt es eine Öffnung 72 für den Durchtritt eines fluiden Wärmeträgers 70 von und/oder zu einem Wärmenutzer 64. In dem Wärmespeicherbehälter 12 ist wenigstens eine mit dem Wärmespeichermedium 14 und mit der Öffnung 72 für den Wärmeträger 70 kommunizierende Wärmetauscherrohrleitung 16, 18, 20 ausgebildet, um dem Wärmeträger 70 Wärme zu entziehen und/oder um dort Wärme an den Wärmespeicherbehäl- ter 12 abzugeben.