DE3635047A1 - Waermespeichersystem und verfahren und vorrichtung zur energieumwandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmespeichersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Auf die Anmelderin geht ein Wärmespeichersystem gemäß Patentanmeldung P 34 45 622.1 (noch nicht vorveröffent­ licht) zurück, in welchem insbesondere feste Speicher­ masse in einem hohen vertikalen Rohr untergebracht ist, aber auch Wasser oder Wasserdampf, wobei von außen Energie, z.B. Strom, über einen Tauchsieder oder Heißdampf über Rohre, die in vertikal unterschiedlichem Niveau den Ausfluß haben, zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte Wärme­ speicher zu verbessern und mit Kraftmaschinen und Wärme­ pumpen so zu koppeln, daß die Effektivität des Speicher­ systems erhöht wird, wobei es darauf ankommt, den Wirkungsgrad für je die zugeführte als auch abgerufene Energie, also Wärmeenergie und Druckenergie, zu erhöhen und die Reibungsverluste herabzusetzen oder anders ausge­ drückt, die zugehörige Exergie vergrößert arbeitswirksam zu nutzen und/oder zu speichern.

Für das Speichersystem steht äußere Energie zur Verfügung, z.B. über Wind oder Solarzellen gewonnene Elektroenergie, oder auch durch Verbrennung gewonnene Energie, die bekannt­ lich kurzfristig und mit relativ hoher Temperatur anfallen und nur bedingt als Prozeßwärme für Versorgung von Gebäuden etc. in dem gleichen Zeitraum verwendet werden können; eine Wärmespeicherung wird erforderlich. Um aber einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es erforderlich, daß die Fähigkeit, der Energie "Exergie" Arbeit zu verrichten, zum Einspeichervorgang möglichst eingesetzt wird, zum Erhalt der Exergie beiträgt und die Fähigkeit des Wärmespeichers, Energie mit hohem Wirkungsgrad einzuspeichern und wieder abzugeben, groß ist. Es gilt die Beziehung Energie = Exer­ gie + Anergie, und diese ist konstant. Man strebt also den oberen Grenzwert für die wirkliche Nutzbarkeit der vor­ handenen Energie, also eine erhöhte Exergienutzung an, um den Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Wärmenutzung oder umwandelnde Prozesse, zu vergrößern. Mit anderen Worten, die Exergie einer Energie ist derjenige Anteil dieser Energie, der sich unbeschränkt in Arbeit umwandeln läßt, dieser Anteil soll weitgehendst genutzt und/oder gespeichert erhalten werden.

Es ist folgendes zu beachten: Wird durch Verbrennung o. dgl. Prozeßwärme erzeugt und soll z.B. Wasser als Medium aufge­ heizt werden, erfolgt ein Exergieverlust durch Temperatur­ absenkung bei der Wärmeübertragung an das Wasser im Zulauf­ kreis, die maximal mögliche Arbeit wird nicht ausgenutzt, da Wärme nicht mit dem Temperaturniveau z.B. der Flamme an das Wasser übertragen werden kann. Ein weiterer Exergie­ verlust entsteht, bei direkter Temperatursenkung bei Wärme­ übertragung so, daß diese eine für die allgemeine Heizung benötigte Temperatur abnimmt. Dies gilt ebenfalls, wenn über Elektroenergie Wärme mit hoher Temperatur erzeugt und in die Masse eines Speichers, der zuerst eine niedrige, z.B. 50°C, betragende Temperatur hat, direkt eingespeichert werden soll; hier ist mit Umwandlung in die einzuspeichernde Wärme, insbesondere am Anfang des Speichervorgangs, der Exergieverlust hoch. Ist andererseits die Speichermasse so aufgeheizt, daß Wärme hoher Temperatur abgerufen werden kann und diese Wärme, ohne Arbeit zu leisten, direkt an einen Heizungskreislauf übertragen wird, wobei die Tempe­ ratur reduziert wird, liegt ebenfalls eine niedrige Exergie bzw. ein Verlust des Wirkungsgrades vor.

Es sollen also anmeldungsgemäß auf unterschiedlichen Temperaturen liegende Wärmeinhalte mit hoher Exergie benutzt und Verluste auch durch Reibungswärme in Arbeits­ abläufen verringert werden, indem diese vorteilhaft in die jeweiligen Kreisläufe eingeführt werden. Hierbei wird auch nach einem Merkmal ausgenutzt, daß in einer Wassersäule Wasser höherer Temperatur zum Pegel ansteigt, Wasser mit niedriger Temperatur zum Boden absinkt, was einer lauf­ enden Verlagerung von Wärme gleichkommt bzw. in einem Kreislauf ein unterschiedliches Temperaturniveau, gesteuert über Wärmepumpen-Systemarbeitskreis, d.h. Verdichter- und Entspannungsabläufe, erhalten wird. Die Antriebskraft für den Wärmepumpenkreislauf wird aus dem Wasserdampf-Wasser führenden Wärmekraftarbeitskreis übernommen.

Beispiel: Exergie-Verlust bzw. Exergie-Nutzung

Wird in einem Heizkessel durch die Verbrennung Wasser auf­ geheizt, so wird bei der Verwendung von z.B. Heizgas ein Flammenbereich hoher Temperatur erzeugt. Beim Wärmeüber­ gang in das Arbeitsmedium eines Wärmeträgerkreises, der den Kessel durchströmt, wird Wärme übertragen. Erfolgt diese mit Temperaturniveausenkung auf z.B. 100°, d.h. wird z.B. Wasser mit dieser Temperatur über einen Vorlauf zu einer Verbraucherstelle geführt, hier Wärme entnommen und das kältere Wasser dem Kessel im Rücklauf wieder zuge­ führt, ist die Spannweite zwischen Exergie (d.h. Wärme­ temperatur-Nutzung ab Wärmeenergieerzeugungsquelle) und Anergie (d.h. Temperaturabsenkungsmöglichkeit entsprechend der Wärmeübertragungstemperatur an eine Verbraucherstelle) nur 100°C-30°C, dann ist die Möglichkeit, im Energie­ verlauf über einen Wärmekraftarbeitskreis Kraft weiterzu­ leiten, gering. Wird aber zunächst Wärme von einer Wärme­ quelle (Flammenbereich eines Kessels oder Heizspirale bei Elektroenergienutzung) in eine Speichervorrichtung über­ tragen und nimmt man z.B. die übertragene Temperatur an einen Wärmekraftarbeitskreis mit 600°C an (Medium z.B. Druckgas) als Vorlauftemperatur, und die des Rücklaufs bei Wärmeabgabe an eine Abnahmestelle (Temperaturabsenkung) mit 100°C, wird der Wirkungsgrad durch Wärmekraftnutzung angehoben. Bei Wärmeenergieerzeugung durch Verbrennungs­ vorgang ist der Wärmeentzug aus den Abgasen so zu berück­ sichtigen, daß diese mit möglichst niedriger Temperatur abgeleitet werden können. Unterschiedliche Temperatur auf­ weisende Arbeitskreisläufe können in das anmeldungsgemäße Wärmespeichersystem so übertragen werden, daß die unter­ schiedlichsten Varianten der Wärmeenergie-Quellennutzung sowie Wärmeabgabe nach Bedarf arbeitswirksam erfolgt. Eine erhöhte Arbeitsleistung wird erreicht, indem das Temperaturgefälle und von diesem abhängige Druckgefälle in einem Wärmeträgermedium als Druckkraft für einen Wärme­ pumpenkreis mit Anhebung der Ab- und Umweltwärme in der Temperatur, eingesetzt werden. Gleichzeitig kann in das an­ meldungsgemäße Wärmespeichersystem Einspeicherung von Energie erfolgen, aus dem bei erhöhtem Wärmebedarf Energie auch kurzfristig und schnell abgerufen werden kann, d.h. Energiespeicherung kann sowohl als Langzeitspeicherung, als auch als kurzfristige Entnahme programmiert werden. Hierbei soll erfindungsgemäß sowohl bei der Einspeicherung als auch bei Abruf von Wärme die Energieumwandlung stets bei einem hinsichtlich der Exergie optimal möglichen Druckgefälle genutzt werden. Im Arbeitskreis "Wassersäulenbereich" ist die Gravitation (Auftrieb und Fall) kreislauffördernd ein­ geordnet, wobei bei Temperaturanhebung von Anteilen des Wassers, dieses zum Pegelbereich ansteigt und bei Wärmeent­ zug zum Bodenbereich absinkt. In der Wasserdampfsäule ent­ steht ein Fließdruck, in dem Wärme von dieser an die Wasser­ säule im Bodenbereich des Großraumbehälters übertragen wird. Das Eigengewicht der Wasserdampfsäule ist bei hohem Druck entsprechend hoch (sg. Zustandsgröße), so daß bei einer großen Säulenhöhe die Wärmeübertragung im Bodenbereich der Wassersäule infolge des Eigengewichts eine Temperatur­ anhebung ergibt, die im wärmeübertragenden Ablauf mitwirkt. Vorteilhaft ist, daß der Wirkungsgrad von zugeführter Energie über Wärmekraftnutzung in einen Wärmespeicher und Abrufen aus einem Wärmespeicher erhöht wird. Bei Zuschal­ tung eines Wärmespeichers, z.B. einer Kesselanlage, kann diese auch dann in Betrieb gehalten werden, wenn keine direkte Abgabe an eine Endverbraucherstelle erfolgt, bei erhöhtem Energiebedarf an eine Abnahmestelle aber Energie aus dem Speicher abgerufen werden kann, und somit z.B. nur eine kleinere Kesselanlage desgleichen Brennstoff-Vorrats­ haltung erforderlich ist. Außerdem ergibt sich bei Nacht­ stromnutzung eine bessere Zwischenspeicherung, desgl. bei Elektroenergie bzw. Energieerzeugung durch Nutzung von Wind und solaren Kraftwerken, mit erforderlicher Zwischenspeicherung über Wärmespeichernutzung, die Um­ wandlungsverluste werden gesenkt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Gemäß Fig. 1 bilden mehrere ineinandergesetzte säulenartige Behälter (10, 11, 15) abgeschlossene Kammern. Die Außen­ wand des äußeren Behälters (10) besteht aus Metall oder aus wasserdichtem Beton bzw. ist zusätzlich gasdicht. Behäl­ ter (10) ist schachtartig ins Erdreich versenkt und/oder ein turmartiges auf dem Erdreich errichtetes Mauerwerk nach Art eines Silos oder Gebäudes. Es ist statisch gegen äußere Erdmassen abgesichert. Zwischen dem ersten Behälter (10) und dem nächsten, radial nach innen versetzten Be­ hälter (11) wird eine Kammer, vorzugsweise mit Luft oder CO₂ gefüllt, gebildet. Eine weitere Kammer (17) wird zwischen den Behältern (11, 15) gebildet und ist ein isolierter Raum, vorzugsweise ein Vakuumraum. Die Wandung des Behälters (11) ist luftdicht und druckfest, für eine Druckdifferenz von ca. zwei bar, vorzugsweise als stabili­ siertes Stahlblech ausgeführt, ggf. durch Anstrich oder Metallüberzug rostgeschützt. Es können Abstandselemente (13) zwischen Behälter (Mauerwerk) (10) und Behälter (11) aus Metall und im Bodenbereich ferner Stützkörper (12) vor­ handen sein, mit der Fähigkeit zu isolieren, sei es als Hohlkörper, sei es daß Stützkörper mit Isolierschichten versehen sind. Weitere Isolierstoffelemente (13 a, 13 b) dienen dem Wärmeübergang vom Behälter (11) zum Behälter (Mauerwerk) (10) wenn gewünscht, zu verändern. Zur Verstär­ kung des Behälters (11) können kreisförmige umlaufende der Höhe nach versetzte Metallreifen (14) vorgesehen sein, für seitliche Haltelemente (16) vergleichbar mit Elemen­ ten (13). Die von Behältern (11, 15) gebildete vakuumdichte Kammer (17) ist vorzugsweise zylindrisch.

Der Behälter (15) besteht vorzugsweise aus nahtlosem Stahl­ rohr mit z.B. maximalen Durchmesser 1,8 m mit Metallüberzug als Rostschutz, z.B. verzinkt oder kupferbeschichtet. In diesem Behälter (15) sind eine oder mehrere säulenartige Großkammern (22, 23) ebenfalls aus Stahlrohr, wie vorbe­ zeichnet, als hermetisch geschlossene Hochdruckbehälter ausgebildet, mit z.B. einem Durchmesser von 0,75 m und einer relativ großen Höhe von 10 m bis 100 m oder sogar mehr.

Es sind zugehörige Anschlußstutzen (18) für eine nicht dargestellte Leitung, die zu einer Saugpumpe geht und ein weiterer Anschlußstutzen (19), der an eine Gaspumpe geht. Die Leitungen der Anschlußstutzen (18, 19, 49, 40) stehen mit Steuerventilen in Verbindung, die Bauteile sind je nach Erfordernis isoliert, vorzugsweise über eine Umman­ telung, die eine isolierte bzw. vakuumisolierte Manschette o. dgl. bilden kann. In den Großkammern bildet die zugehörige Wassersäule ein Arbeitsmedium. Wie Fig. 2-4 zeigen, sind in dieser Wassersäule kraftübertragende Arbeitsvorrichtungen für dort näher bezeichnete Verdichter oder Wärmepumpen vorhanden, die miteinander Arbeitskreise bilden mit zuge­ hörigen Aggregaten. In dem innersten Behälter (15) befindet sich eine Wasserdampfsäule. Im oberen Bereich weisen die Großkammern (22, 23) eine hermetisch geschlossene Umman­ telung, bestehend aus Außenwand (32), Innenwand (33) und einer zwischen ihnen eingeschlossenen Vakuumkammer (37), auf, die streng wärmeisolierend wirkt. Wenn Wärme von außen, z.B. in Form des elektrischen Stroms, dem in den Großkammern befindlichen Wasser zugeführt wird, sind Heizstäbe und Heizspiralen (35), vorzugsweise in Schamotte­ masse (35 a) eingebettet, in dem Vakuumraum (37) vorhanden. Die Schamottmasse (35 a) in Form eines Mantels überträgt Wärme zur Innenwand (33) der Großkammer (22 bzw. 23), heizt also die Wassersäule, aber nur im Pegelbereich auf, um hier Wärme hoher Temperatur der Wassersäule zuzuführen. Gleichzeitig wird bewirkt, daß zur Dampfsäule im Behälter (15) durch Vakuumkammer (37) keine Wärme übertragen wird. Wird Energie nicht als elektrischer Strom sondern durch ein Trägermedium eines Wärmeträgerkreislaufes zugeführt, z.B. Heißwasser, ist die Spirale (35) nicht als Heiz­ spirale sondern als hohle Rohrspirale ausgebildet.

Es können Lamellenkörper (28) als gewähltes Blech, mit Vorsprüngen (29) zwischen Behälter (15) und Außenwand der Großkammern (22, 23) für vorbestimmte wärmeleitende Übertragung vorgesehen sein. Die Behälterwände (32, 33) sitzen etwa im obersten Viertel bis 3/4 der Großkammer (22, 23), haben vorzugsweise abgerundete Form und die hohlmantel­ förmige Kammer (37) (ausgepumpt), bildet eine flache Isolationskammer. Ferner sind die Steckanschlüsse (36) für den Kraftstrom der Heizspirale (35) dargestellt. Steuer- und Schaltventile (39) dienen zur Zu- und Ableitung des Dampf-Wassergemisches am oberen vertikalen Ende in der Großkammer (22, 23), d.h. im Bereich direkt unterhalb der Wand (33). Andererseits sammelt sich am Boden des Behäl­ ters (15) Kondenswasser an, vertikal darüber befindet sich der heiße H₂O-Dampf. Eine Pumpe saugt Wasser am Boden auf und pumpt es über eine Leitung (44) in einen Behälter (nicht dargestellt) für den eine Wasserzugabe erforderlich ist; dies gilt auch für die Großkammern (22, 23), denen Wasser über die Pumpe (43) eingespritzt etc. werden kann. Über Leitung Fig. 1 (38, 39) oder Fig. 4 (49, 140) wird Dampf zu einer Dampfmaschine, einem sonstigen Wärmespeicher, Wärmeträger o. dgl. zu- bzw. von diesem abgeführt. Ein Ausgleichsventil (41) ist zwischen den kopfseitigen Bereichen der Großkammern (22, 23) vorgesehen.

Eine vorteilhafte Arbeitsweise der Vorrichtung ergibt sich aus Fig. 2: Im Kopfteil (27) der Großkammer (22 bzw. 23) also über dem Pegel der zugehörigen Wassersäule wird Dampfdruck erzeugt, in dem Wärmeenergie über Wärmetauscher zugeführt wird. Wasserdampf und Wasser im Pegelbereich erhalten eine hohe Temperatur, z.B. von 260°C. Auf dem freien Pegel (27) der Wassersäule in der Großkammer (23) lastet hiermit ein hoher Druck, z.B. 50 bar, der sich gleichmäßig im Wasser fortpflanzt und auch auf der Wandung des CO₂ odgl. führenden Arbeitskreis (64, 65, 66, 67) lastet. In den Kolbenzylinderaggregaten (64) werden die zuge­ hörigen Kolben (65, 65 a) in vorbestimmter Weise bei be­ stimmten Wasserdruck freigegeben und verschoben. Im CO₂-Arbeitskreis (67, 66, 66 a) (Kompressionsraum) steigt die Temperatur des CO₂ an, so daß ein relativ starkes Wärmegefälle von dem CO₂-Kreis zu dem umgebenden Wasser in der Großkammer (23) gegeben ist und in das Wasser über­ tragen wird. Ein Programm legt die Steuerung der Zylinder­ kolbenaggregate in vorbestimmter Reihenfolge fest, so daß der Kolben (65 a) des Aggregates (64) hoch schnellt und CO₂ im Pufferraum (66 a) stark verdichtet wird, die Wandung sich erwärmt, ein steiler Wärmegradient zu dem umgebenden Wasser gebildet und eine Wärmemenge abgegeben wird. Der Wärmeaustausch erfolgt auch an der Leitung (66) ggfs. über zusätzliche Lamellen. Das andere Zylinder­ kolbenaggregat (65) mit Doppelkolben (65 b) dient als Verdichter und arbeitet in zeitlich nachfolgendem Arbeits­ schritt. Die zugehörige Zeitspanne ist erforderlich, um Wärme aus dem Zylinderkolbenaggregat (64) abzuleiten, was beispielsweise in dreißig Sekunden erfolgt; danach wird der Doppelkolben (65 b) freigegeben, aufwärts verschoben, in dem Aggregat (65) selbst ein entsprechender Hohlraum gebildet, in den Wasser nachströmt und die Wassersäule im Bereich des Pegels (bei 27) um einen vorbestimmten Weg abgesenkt. Der in diesem Kopfbereich vorhandene Wasserdampf expandiert in den nun entstandenen größeren Raum, sein Druck sinkt, wenn auch ein weiterer in der Wassersäule eingespeicherter Dampf nachströmt und der Dampfdruck hier sich z. T. wieder aufbaut, d.h. erhöht.

Beim CO₂-Arbeitskreis (67, 66 a, 66 b) wird Wärme, in vertikaler Richtung gesehen, auf jeweils unterschiedlichem Niveau der Wassersäule in der Großkammer (23) zugeführt. Während dieser Arbeitsvorgänge gelangt unter Druck stehender Wasserdampf über zugehörige Leitungen zu einem Hilfsbehälter (90).

Strömt auch CO₂ bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 nach entsprechendem Öffnen und Schließen der Ventile zu dem CO₂-Behälter (67), und es wird auf unterschiedlichen Ebe­ nen bezogen auf die vertikale Höhe der Großkammer (22 bzw. 23) Wärme an die Wassersäule übertragen. In der Zwischen­ zeit war aus dem Druckraum (27) dem Hilfsbehälter (90) Wasserdampf zugeführt. Im nachfolgenden Arbeitschritt strömt wiederum CO₂ aus dem Vorratsbehälter (67) zu dem Doppelkolbenaggregat (65) zurück und drängt den Kolben (65 b) zur Wasserseite zurück. Unter Aufnahme von Wärme strömt CO₂ aus dem CO₂-Vorratsbehälter (67) in die Kolbenaggregate zurück; über die Wandung der Wärmetauscher, der Lamellen und der Leitungen wird Wärme ausgetauscht. CO₂ entspannt sich, seine Temperatur wird abgesenkt, Wärme aus der Wasser­ säule dem CO₂ zugeführt, somit Wärmeenergie übertragen, der zugehörige Druck gesteigert. Gleichzeitig wird der Dampf­ druck durch Ableitung des Dampfes über dem Wassersäulen­ pegel (27) zu einem weiteren Arbeitseinsatz abgesenkt, damit der CO₂-Druck größer auf die Kolben in den Aggrega­ ten (66 a), verglichen mit dem Wasserdruck der Wassersäule, mit der Folge ist, daß die Kolben das Wasser herausdrängen, der Wasserpegel in der Wassersäule ansteigt und der Wasser­ dampf in dem Druckraum (27) verdichtet wird. Die zugehörige Erhöhung des Wasserdampfdruckes wird im Arbeitrhythmus auf den Hilfsbehälter (90) übertragen, wirkt auf die Wasser­ füllung dieses Behälters ein und wird über die zugehörige Leitung dem Doppelkolbenaggregat (65, 65 b) zugeführt, wie­ der das Wasser hier herausgedrängt, der zugehörige Dampf­ druck im Rhythmus wechselnd auf den Hilfsbehälter (90) über­ tragen. Wasserdampf nachfolgend jeweils vom Hilfsbehälter (90) über Leitungen und Steuerventile zu einer in der Fig. 2 nicht dargestellten Wärmekraftmaschine geleitet, leistet hier Arbeit; teilweise wird Wärme an einen anderen Arbeits­ kreis, z.B. zur Warmwasserversorgung, abgeführt; teilweise wird Wärme durch Rückführung von Wasserdampf mit niedrigem Druckniveau an die Dampfsäule, d.h. in die diese um­ schließenden Behälter (15) geleitet wird. Aus der Dampf­ säule wird gleichzeitig laufend Wärme von dieser Kammer über die Behälterwandung der Großkammer (23, 22) an die Wassersäule rückübertragen. Hierbei wird laufend ein Teil des Wasserdampfes kondensiert, sammelt sich am Behälter­ boden an, Fig. 1, wird über Ansaugstutzen von einer Pumpe (43) abgezogen und der Wassersäule in der Großkammer (23) zugeführt. Jede Pegelabsenkung und Anhebung im Rhythmus des Wasserverlaufes hat zur Folge, daß der Schwimmer (51) hebt und senkt und über zugehörige Bauteile Arbeit ver­ richtet. Hierfür ist zunächst am Schwimmer (51) eine Führungsstange (52) an einer Seite angelenkt, die in seitlichen Führungselementen (53) geführt sowie einen oberen Anschlagkörper hat und über Reibrad o. dgl. im Zylinderkopf (50) die Kraft überträgt, indem über eine Stange die Drehbewegung zur hydraulischen Pumpe o. dgl. (56) umgelenkt wird und in der Pumpe ein geeignetes Kolbenaggregat verstellt wird. Hierbei regeln hydrau­ lische Zu- und Abflußleitungen (57, 58) die Arbeitsüber­ tragung, die vorteilhaft zur Pumpe (43) erfolgen kann, so daß im Rhythmus der Bewegung des Schwimmers (51) auch die Pumpe (43) betätigt wird. Ein oder mehrere Stell­ arme (60) können vertikal am Schwimmer vorhanden sein und mit einem zweiten Reibrad (54) zusammenwirken, wodurch eine zweite, vorzugsweise ebenfalls hydraulische Pumpe (56), betätigt wird; diese hat Zu- und Ableitungen um nach außen Arbeit zu leisten oder eine Steuerkraft abzugeben. Die Wärmetauscher (35, 61, 93) dienen zur Energiezufuhr von außen und Steuerung der Innentemperatur der Großkammer (22) und können an geeigneten Stellen, der vertikalen Höhe nach, angeordnet sein, so daß in dieser Höhe eine unterschiedliche Beheizung der Wasserschichten und Schaffung einer zugehörigen unterschiedlichen Tempera­ tur erreicht wird. Es können Stützelemente (48) zwischen den Wänden (32, 33) der Vakuumkammer (37) verwendet werden, weil an der haubenartigen Wand (32) eine relativ schwere Apparatur aufgebaut wird und von der aus Stahl bestehen­ den Großkammer abzustützen ist. Hierbei bilden Bauteile (39, 40, 41) ein Mehrwegeventil, während ein Anschluß­ stutzen (49) für den Wasserdampfanschluß vorhanden ist, um den Dampf wieder hereinzuführen oder für einen Arbeits­ einsatz aus dem Behälter abzuziehen. In der Großkammer (23) sind Temperatur-, Hochdruck- und Vakuumdruckfühler (70, 71), für eine zentrale Steuerung einer Kraftmaschine mit Dampf­ kessel oder Verdichter, vorgesehen. Eine Vakuumpumpe (102), vgl. Fig. 5, kann im Gebäude (104) und hat ferner eine Gruppe von Wärmespeichern (92 a, 92 b, 92), vorhanden sein (vgl. Fig. 6).

Wenn im Betrieb eine Ableitung von Wärme für Heizungs­ zwecke o.dgl. nicht benötigt, jedoch weitere Wärme der Anlage zugeführt wird, steigt die Temperatur und der Dampfdruck in der Wassersäule bzw. über ihm in der Großkammer (23) an. Wird die höchstzulässige zugeführte Wärmemenge erreicht und eingespeichert, wird die äußere Wärmezufuhr unterbrochen, oder, vgl. Fig. 4, an die Umwelt abgegeben bzw. ausgetauscht. Andererseits, durch Übertragung von Energie an eine Kraftmaschine (100), vgl. Fig. 5, wird Wärme in Elektroenergie umgeformt und von dieser Maschine oder über zugehörige Wärme solche mit hoher Temperatur zurückgeführt und der Heizspirale (35), Fig. 1, weiter­ gegeben. Fakultativ kann die überschüssige Energie den Wärmespeichern (92, 92 a, 92 b) eingespeichert werden. An diesen wird ja Wärme nach Bedarf auf eine der zugehörigen Kreisläufe übertragen und der Wassersäule in der Groß­ kammer (22, 23) entsprechend zugeführt. Ferner kann Fig. 2 entnommen werden, daß z.B. über den Wärmetauscher (93) Wärme nach Arbeitseinsatz aus dem Dampf des Hilfs­ behälters (90) direkt wieder an die Wassersäule der Großkammer übertragen werden kann, d.h. ohne daß der Dampf erst im weiteren Arbeit leistend über eine Kraft­ maschine, Fig. 5, der Dampfsäule (bei 27) zugeführt und erst von hier der Wassersäule übertragen zu werden braucht. Aus Fig. 2 und aus Fig. 4 ist anschaulich zu entnehmen, daß in verschiedenen vertikal der Höhe nach versetzten Ebenen in der Wassersäule als Wärmetauscher dienende Rohre (94, 93) die Anschlußstutzen aufweisen, vorhanden sind und mit zugehörigen Wärmeträger-Kreisen (nicht im Detail dargestellt) Verbindung haben; also kann Wärme mit unterschiedlichem Temperaturniveau übertragen werden, wie weiter anhand der Fig. 4, 6 angegeben, oder auch, unter Abgabeleistung von Wärme, wirksam entzogen werden. Über einen Außenanschluß wird, je nach Bedarf, CO₂ im Behälter (67) nachgefüllt bzw. geregelt werden. Über die Nachregelung wird die zugehörige Druckänderung im Kreis­ lauf der Kolbenaggregate bzw. der Verdichter berücksich­ tigt.

Im Arbeitskreis, gemäß Fig. 3, sind gleiche Bauteile wie in Fig. 2 vorhanden, wenn nicht nachfolgend anders an­ gegeben. Hier wird allerdings die Kraft des Dampfdruckes direkt auf eine Kolbenfläche (64-64 a) im Verdichter­ aggregat (65 a) übertragen, d.h. aus dem Dampf führenden Teil der Wassersäule der Großkammer (22, 23). Das Kolben­ aggregat (66) erhält Arbeitsdruck von der Wassersäule, während im CO₂-Kreis zusätzlich ein Zwischenbehälter (67 a) als Vorratsbehälter mit Lamellen (91), eingeordnet ist. Es ist ein zusätzliches Pumpenkolbenaggregat (97), deren Kolbenflächen (95, 95 a) unterschiedlich sind, zwecks Druckübersetzung vorhanden. Dieses Aggregat ist über Leitungen (96) mit einem Zwischenbehälter (90) verbunden, in dem ein als Schwimmer ausgebildetes Ventil (98) einge­ ordnet ist. Mit diesem als Schwimmer dienende Behälter ist wiederum eine Kraft übertragende Vorrichtung wie Pumpe (56) verbunden, die im umgekehrten Sinne wie eine Umwälzpumpe funktioniert (ansich bekannt). Der Pumpenkreislauf (95, 98) arbeitet derart, daß im Wechsel der CO₂-Verdichtung, Aggregat (65 a) nach Kolbenverstellung (64, 64 a) der Dampf­ druck abgesenkt, in dem der Dampf in den Hilfsbehälter (90) strömt, das schwimmende Ventil (98) verschiebt und auf die unter dem schwimmenden Ventil vorhandene Wasserfüllung einwirkt und diese eine Kraft auf das Kolbenpumpen­ aggregat (95, 97) überträgt, von diesem im Wechsel über Leitung (96) an die Vorrichtung (56) hydraulische Kraft weiterleitet. Über Vorrichtung (56) fließt das Arbeits­ medium Wasser zurück in Behälter (90), indem der Dampf­ druck in diesem herabgesetzt wird durch Weiterleitung über die Kraftmaschine (100), Fig. 5. Nach Wärmeabgabe z.B. an einen Heizungskreislauf (99) erfolgt Rückführung des Arbeitsmediums Wasser/Wasserdampf in die Kammer-Be­ hälter (15). Die im Wasserdampf verbliebene Wärme wird, wie anhand der Fig. 2 bereits angegeben, durch Konden­ sation über Boden- und Aussenwand wieder an die Wassersäule der Großkammer übertragen. Bei dieser Ausführungsform, Fig. 3, ist in der Großkammer kein Schwimmer zur Kraft­ übertragung vorhanden, es wird vorteilhaft ein Schwimmer lediglich als Ventil (98 a) eingesetzt. Die CO₂-Kammer (67 a) arbeitet hier zunächst ähnlich, indem Wärme dem Boden­ bereich der Wassersäule entzogen wird, und durch die Verdichtung in Kolbenaggregaten auf hohem Wert liegende Temperatur in zugehörigen Etagen der Wassersäule der Großkammer wieder zugeführt wird. In den Kolbenpumpen­ aggregaten (66) erfolgt entsprechende Wasserverdrängung. Der Wasserpegel wird auf- und abgebaut, der Dampfdruck im Kopfraum (27) der Großkammer (23) wird erhöht bzw. wechsel­ weise verringert, der Wasserdampf über dem Pegel verdichtet, z.T. in Rohrleitungen geschickt und nach Schließen des schwimmenden Ventils (98 a) soweit verdichtet, daß er wieder zu Wasser kondensiert. Hierdurch wird die Temperatur der obersten Wasserschicht in der Großkammer (23) angehoben. Bei der vorhergehenden Verdampfung wurde Wärme der Wasser­ säule entzogen, aber über die Schwerkraft bzw. zugehörigen hydraulischen Druck in der Wassersäule in Verbindung mit den Kolbenaggregaten (66, 97) eine Wasserverlagerung erzeugt. Ist die Wassersäule wieder angehoben und das Dampfpolster im wesentlichen abgebaut, wirkt das Kolben­ aggregat (95, 97) im Sinne eines Verdichters auf die Wassersäule zusätzlich ein, indem aus diesem der Wasser­ säule mit hohem Druck, z.B. 50 bis 100 bar, Wasser zuge­ führt wird.

Die Ausübung des Verdichtungsdruckes auf das Wasser ist, daß zusätzlich bei Hochdruck die Temperatur im Wasser angehoben werden kann, ein geringes Wärmegefälle zu den Behälterwandungen (22, 64, 67) entsteht, Wärme aus der Wassersäule übertragen, das abkühlende Wasser zum Behälter­ boden absinkt, nach der Druckentspannung im Wasser mindestens teilweise Wärme zurückströmt, also folglich im Wasser ein Anteil der Wärme aus den Behälterwänden zurückgegeben wird und zum Säulenpegel ansteigt, so daß die Wärmepumpenwirkung des CO₂-Kreises für Erhalt des Temperaturgefälles in der Wassersäule unterstützt wird. Wieder arbeitet die Vorrich­ tung im gleichen Rhythmus: Nach jeder Verdichtung wird, durch die neue Dampfbildung über dem Wasserpegel die laufende Wärmezuführung über den zusätzlichen auf dem Pegel der Wassersäule lastenden Druck der zusätzliche hydrau­ lische Druck der Wassersäule auf die Kolbenaggregate (64, 95) übertragen; das Wasser dient hier als arbeitendes Mittel des Kreislaufes, Verstellen die Kolben, Kraft wird über die Pumpe o.dgl. (56) entnommen und zweckmäßig weiter­ geleitet bzw. verteilt, Wasserdampf in die Wasserdampf­ kammer des Hilfsbehälters (90), entspannt und teilweise wieder komprimiert aus diesem in vorbestimmter Weise verdrängt und arbeitswirksam verteilt, indem der Dampf einer Kraftmaschine (100) o.dgl., Fig. 5, Fig. 6 zugeführt wird. Im Arbeitskreislauf wird Dampf der Wassersäule der jeweiligen Großkammer (22, 23) entnommen. Nach Arbeits­ einsatz wird Wasserdampf mit entsprechender Drucksenkung in die Dampfsäule "Behälter 15" übertragen, d.h. Wärme mindestens teilweise im Kreislauf zurückgeführt. Eine Abwandlung der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. In die Wassersäule der Großkammern (22, 23) ist ein Rohr (110) eingeordnet, das zum Wasserpegel hin offen ist, Öffnung (111), zum Boden der Wassersäule hin aber kleineren Durchmesser hat und einen seitlichen Abstand zur Behälter­ wand (33) aufweist, in welchem das Rohr eingeordnet ist. Kolbenzylinderaggregate (65 a) gehören zum CO₂ - bzw. Wärmepumpenarbeitskreis, vorhanden sind Wärmetauscher (61, 93, 94). Das Rohr (110) dient für die Rücklaufführung des nach Wärmenutzung zum Bodenbereich absinkenden Wassers. Der äußere Bereich (112) der Wassersäule, also der Wasser­ anteil zwischen Rohr (110) und der Aussenwand der Groß­ kammer (23) bildet den Vorlauf, indem das erwärmte Wasser nach oben zum Pegel hin ansteigt. Ein Lamellen aufweisender Behälter (113) ist am Boden der Großkammer, zur Wasser­ säule hin, geschlossen, aber von unten geöffnet, vgl. Pfeil, so daß heißer Wasserdampf aus der Dampfsäule der jeweils vertikal unterschiedlichen Ebenen übertragbar sind. Ferner ist ein Mantel (32, 33) der Vakuumkammer (37) am Kopf der Großkammer (22) fast bis nach Bodennähe heruntergezogen. Die Großkammer (23) ist ferner mit Durchführungen, die eine Ventilklappe aufweisen (115), versehen, die in eine Kammer münden, wo ein Schaufelrad o.dgl. (116), welches kraft­ schlüssig mit einer kraftübertragenden Vorrichtung Pumpe o.dgl. (132) in Verbindung steht, installiert. Es ist ein zusätzlicher CO₂-Arbeitskreis (117-119), abweichend zu Fig. 2, 3, vorhanden, der teilweise hydraulisch über Kraftmaschine und Pumpenvorrichtung (110-118-56/116-56, 117-56), d.h. Kraft für die CO₂-Verdichtung überträgt. Der Arbeitskreis (117) hat einen Ansaugstutzen (117 a) in der äusseren Behälterkammer, ein Pumpenaggregat (118) mit einem Vorratsbehälter (119) und einen CO₂-Ausströmstutzen (117 b), der als Rückführung zur äusseren Behälterkammer dient. Eben in der äusseren Behälterkammer liegt eine kraftübertragende Vorrichtung verbunden mit einer Um­ wälzpumpe (120) für einen Wärmeträgerkreislauf (130, 133, 93 a). Der CO₂-führende Kreislauf (117) arbeitet derart, daß auf Überdruck über dem Wasserpegel stehende Dampf in eine Kraftmaschine (100 a) gleitet, Kraftübertragung über eine Pumpe (118) CO₂ von (ein) (117 a) angesaugt, ver­ dichtet über die Wärmekraftmaschine (100), direkt in die Dampfsäule des Behälters (15) ausströmt. Man kann hier einen relativ hohen Druck aufrechterhalten. Die Säule ist eine Dampf-Wassersäule und hat infolge des Eigengewichts einen höheren Druck im Bodenbereich, mit relativ höherer Temperatur hier. Durch den auch in Fig. 2, 3 bezeichneten CO₂-Arbeitskreis wird Wärme zwar teilweise der Dampfsäule in Behälter (15), im wesentlichen aber in die Wassersäule abgegeben, nämlich Wärme, die z.T. aus der Umwelt oder aus dem Umgebungsbereich des Aussenbehälters entzogen wird. Der CO₂-Arbeitskreis verdichtet in mehreren Ver­ dichtungsstufen, wobei zunächst Kraft über wechselnde Druckänderung in einem der Dampfdruckräume (27) der Groß­ behälter (22, 23) den Wasserpegel in einem Behälter anhebt, gleichzeitig im anderen Behälter wegen Dampfentzug absenkt. Die Wasserbewegung im Wasserkreis wird über das Schaufel­ rad (116) als Kraft weitergeleitet. Das Schaufelrad (116) ist im Vor- als auch im Rücklauf im Bodenbereich der Wassersäule der Großbehälter (22, 23) eingeordnet. Die Kreislaufbewegung in diesem Bereich wird auch über die Kondenswasserpumpe (132) sowie über das Aggregat (64) bzw. Ein- und Ausströmöffnungen übertragen. Kreislauffördernd wirkt auch die von der Temperaturdifferenz abhängige Zu­ standsgröße des Wassers, und zwar zwischen Vor- und Rück­ lauf (112, 110) sowie kraftübertragend auf das Schaufelrad o.dgl. Eine Übertragung der Kraft von diesem erfolgt über Pumpe (56) o.dgl. an den CO₂-Verdichterkreis. Eine weitere Kraftzuführung zum CO₂-Verdichterkreis erfolgt aus dem Dampfarbeitskreis, vgl. Kopfbereich (27) des Großbehälters (22-23) und der Kraftmaschine (100 a) mit Ausströmöffnung zum Dampfsäulenbereich (15) Fig. 6. Von der Kraftmaschine (100 a) erfolgt eine Übertragung der Kraft an Verdichter (118); eine weitere an den CO₂-Kreislauf (117 a/117 b) erfolgt nach Einsatz des hochverdichteten CO₂ in diesem, im Ablauf der Entspannung über die Vorrichtung (117) mit Kraftrückübertragung an Pumpe 56 o.dgl. Eine weitere Kraftübertragung von der Vorrichtung (117) erfolgt an eine dem Wärmeträgerkreislauf (93) zugeordneten Umwälzpumpe. Eine Kolbenpumpe (127 bzw. 125) ist im Deckenbereich der Dampfsäule (bei 15) angeordnet. Pumpen dienen zur Hoch­ förderung und Rückführung des Kondenswassers. Durch dieses Pumpenaggregat wird der Wasserdampf in die Dampfaufnahme­ kammer geleitet, durch den Dampfdruck werden die Kolben vor sich hergestoßen, so daß Wasser an der Kolbenseite (132) herausgedrückt und in die Wassersäule gepreßt wird, vgl. Behälterbereich (128). Im Wechsel wird der Wasserdampf vom Aggregat (127) über einen Wärmetauscher (130) und einem anderen Wärmetauscher (93) geleitet, ihm Wärme entzogen und der Wasserdampf entspannt, so daß der Druck auf dem Wasserpegel des Kondenswassers im Bodenbereich des Behälters (15) erhöht ist, verglichen mit dem Wasserdruck im Stutzen (43), der auf das Kondensbodenwasser drückt und dieses in die Kolbenkammer (32) anhebt und einpreßt. Im wechselnden Arbeitsverlauf wird durch die gesteuerte Dampfzuführung von hier das Wasser in den Wassersäulen­ bereich (128) gepreßt.

Die Wärme aus dem durch Pumpen geförderten Wasserdampf- Entspannungsvorgang kann auch über Wärmetauscher (133) an den CO₂-Arbeitskreis (117) abgegeben werden. Eine Wärmeübertragung aus dem Rücklauf (110), Fig. 6 der Wassersäule nach außen erfolgt über Wärmetauscher in ihr. Ein Wärmekraft-Arbeitskreis (140) hat eine Verbindung mit einem als Wärmetauscher dienenden Behälter (141), dieser ist im CO₂ aufnehmenden Bereich zwischen den Behältern (10, 11) angeordnet. Im Behälter (141) ist ein Stutzen (142) für das Ansaugen des Kondenswassers. Der Stutzen (nicht gezeichnet) hat eine Verbindungsleitung mit einem Pumpenaggregat (132), um das Kondenswasser abzupumpen und in die Behälter (21, 22) einzuspeisen, desgleichen eine Kreislaufführung vom Behälter (15) der Dampfsäule über den Anschluß (140) und die Kraftmaschine (100). Über diesen Wasserdampf führenden Arbeitskreis (140, 141) wird Dampf aus der Dampfsäule (15) dann abgeleitet, wenn schnell und kurzfristig ein größerer Energiebedarf an einer Abnahme­ stelle vorhanden ist, als über den Arbeitskreis (27, 38) Fig. 6, abgeleitet werden kann. Eine Wärmeabgabe an die Umwelt kann über CO₂-Füllung o.dgl. sowie die Wandung des Behälters (10) einbezogen werden, desgleichen eine Umwelt­ wärmeaufnahme in den Arbeitsbereich über die CO₂-Verdich­ tung, vgl. Arbeitskreis (117).

Der Fig. 5, linke Seite, entnehmen wir die über- und/oder nebeneinander angeordneten Festkörper als Masse enthalten­ den Speicher (92, 92 a, 92 b) in den Behältern (10, 11) und, schematisch, die Großkammern (22, 23) nach Fig. 1-4, die zugehörigen schematisierten Leitungsanschlüsse zu einem Steuer- und Schaltpult für die Wärmekreise (101) der zugehörigen Vakuumpumpe (102); die Vorrichtung gemäß Fig. 1- Fig. 4 ist im Erdreich (103) versenkt gezeichnet, eine Variante; die Vorrichtung kann aber auch als ein Hochbau errichtetsein, nicht dargestellt, und rechts ist ein Gebäude (104) als Gesamtheit der Verbraucher an Warm­ und Heisswasser schematisch, mit den Blöcken Wärmetauscher (105), Warmwasserabgabe (106) und Heizung (107, 99) sowie solare Energiequelle (150 a) dargestellt.

Fig. 6 zeigt, daß zwischen einem Heizkessel (150) und einem Wärmespeicher (92) mit Festmasse als Speichermedium (92 b) ein aus mehreren ineinandergesetzte Großraumbehälter bestehende Speichervorrichtung (11, 15, 22) dazwischen­ geschaltet ist. Diese Speichervorrichtung hat im Groß­ raumbehälter (22) eine Wassersäule, in der ein Wärme­ pumpen-Arbeitskreis (64, 66, 67) mit vorzugsweise CO₂ als Arbeitsmedium eingeordnet ist.

Die Funktion ist, daß über einen Elektroheizstab (35) o.dgl. Wärmeenergie mit hoher Temperatur zum Kopfbereich der Großkammer (22) übertragen wird, vgl. Fig. 6, 1, teilweise in Schamottstein eingespeichert und weiter an den Innen­ bereich der Großkammer, d.h. an die Wassersäule und den Dampf im Pegelbereich weitergeleitet wird; über dem Pegel­ bereich wird Wasserdampf mit hohem Druck erzeugt.

Die Wärmezuführung bei Zuordnung eines Heizkessels in die Wassersäule erfolgt über einen zugeordneten Kreislauf (61, 61 c). Der Kreislauf ist ein Wärmeträger- und Wärmekraft­ arbeitskreis, dem vorzugsweise ein verdichtetes Gas z.B. CO₂, als Arbeitsmittel eingegeben ist. Arbeitsweise des Kreislaufs ist, daß im Kessel (Flammenbereich), Wärme von hoher Temperatur übertragen wird und das Arbeitsmedium über eine Kraftmaschine (100 b) arbeitswirksam geleitet wird (im Sinne eines Heißluftmaschinen-Kreisprozesses, d.h. ohne Konden-sation des Arbeitsmediums (Joule- oder Brayton- Pro­ zeß).

Die Wärmeabgabe dieses Kreises erfolgt in der Wassersäule (in 22) mit Temperaturabsenkung, wobei diese gemäß Anforderung gesteuert erfolgt, und zwar so, daß die Rück­ führung des Arbeitsmittels in den Heizkessel mit einem solchem Temperaturniveau erfolgt, die aus den Abgasen im Heizkessel (150) einen Wärmeentzug so ermöglichen, daß die Abgastemperatur - zum programmiert vorgesehenen Niveau abgesenkt-, bei Abgas-Ausströmung gegeben ist. Wird die Temperatur der Wassersäule im oberen Bereich, d.h. Pegel­ bereich (27) so angehoben, daß Vorstehendes nicht gewähr­ leistet ist, wird der Teilbereich (61 b) des Kreislaufs zugeschaltet und nach weiteren Bedarf auch der Teil (61 c). Die Temperaturdifferenz in der Wassersäule zwischen Pegel­ bereich und Bodenbereich der Wassersäule wird durch den Wärmepumpenkreis erzeugt bzw. erhalten. Über diesen wird Wärme durch CO₂-Verdichtung in Aggregat (64) zum Pegel­ bereich hin abgegeben und Wärme durch Entzug über CO₂ - Expansion in den Behältern (67, 67 a). Die Kraft für die Verdichtung wird hydraulisch über die Wassersäule durch den auf diese drückenden kompromierten Dampf aus dem Pegelbereich (27) an das Aggregat (64) übertragen. Eine Kolbenrück­ verschiebung in das Aggregat (64) erfolgt, indem über ein Aggregat (56) o.dgl. im Wechsel des Arbeitsablaufs kolben­ verschiebende Kraft übertragen wird, so daß CO₂ aus dem Behälter (67, 67 a) in das Aggregat (64) zurückströmt. Das Aggregat (56) hat eine Seilzugvorrichtung bekannter Art, so daß über diese das Seil (152) zwischen Aggregat (56) und dem Kolben (64, 66) wasserrückverdrängend im Wechsel des Arbeitsablaufs gezogen wird. Die Energie zum Antrieb erhält das Aggregat (56) vorzugsweise aus dem Wasserdampf führen­ den Arbeitskreis, der zwischen Pegelbereich (27) und Dampf­ säule im Behälter (15) durch kreisführende Leitungen zugeordnet ist. Kreisführende Leitung (38-38 c) weist auf eine Wärmekraftmaschine (100 a). Der Verlauf des Kreises ist, daß Dampf mit höherem Druck vom Wasserpegelbereich (27) über die Kraftmaschine geführt, Arbeit leistet und über den Teilkreislauf (38, 38 c) in die Dampfsäule zurückgeführt wird.

Ein weiterer zu steuernder Teil-Kreis dieses Arbeitskreises (38) ist, daß Wärme über diesen bei Durchströmung des Wärmespeichers (92) an die Festmasse in diesem bei Bedarf übertragen wird. Die Übertragung erfolgt durch Umleitung des Kreislaufs über einen Kreislaufteil (38 b) (vgl. Pfeil­ richtung). Eine Variante der Wärmekraftnutzung ist, daß im Wechsel Wasserdampf aus der Dampfsäule über den Kreis (140) im Kreislauf eingesetzt und durch Umschaltsteuerung durch die Kraftmaschine (100 a) in die Dampfsäule, nach Durch­ strömung des Kreislaufteils (38 c), zurückgepreßt wird. Die Ausführung der Kraftmaschine ist z.B. vorzugsweise wie in der Anmeldung DE-PS 34 34 924 A1. Eine Wärmeabgabe bei Bedarf erfolgt über Wärmetauscher (99), der der Kraft­ maschine zugeordnet ist. Weiter ist der Kraftmaschine (100 a) zugeordnet ein geschlossener Wärmekraftarbeitskreis (94). Dieser hat vorzugsweise Arbeitsmittel, die beim Arbeits­ kreis (61) genannt sind, d.h. verdichtetes Gas (CO₂). Über diesen Arbeitskreis wird, bei Bedarf Wärme aus der Festmasse des Wärmespeichers (92, 92 a, 92 b) abgerufen, arbeitsleistend über die Kraftmaschine (100 a) geleitet, und an den Arbeitskreis (99), d.h. Wärmeabgabestelle, abgegeben, soweit hier ein Bedarf vorhanden ist, oder an die Wassersäule in der Großkammer (22) übertragen.

Eine nicht näher dargestellte Kopplung über Umschaltvor­ richtungen (61, 94) zwischen dem ein Druckgas als Arbeits­ mittel führenden Arbeitskreis (61, 61 b) und dem ebenfalls das gleiche Arbeitsmittel führenden Arbeitskreis (94) kann zugeordnet werden, so daß Wärme mit hoher Temperatur zuerst bei Bedarf in den eine Festmasse aufweisenden Wärmespeicher (92) eingespeichert werden kann, im nachfolgenden vom Arbeitskreis (61) Wärme an den, die Wassersäule aufweisen­ den Speicher (22) abgegeben wird, so daß immer die Wärme mit der höchsten Temperatur an der Stelle übertragen wird, wo die Wärme mit der hohen Temperatur benötigt wird bzw. mit höchstem Niveau die Exergie erhaltend eingespeichert werden kann.

Claims (11)

1. Wärmespeichersystem, bei dem ein Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser und/oder Wasserdampf, in einem oder mehreren Arbeitskreisen durch den Wärmespeicher geführt ist, sein Aggregatzustand von Flüssigkeit in Dampf, und umgekehrt, verändert wird und zugehörige Druckdifferenzen zum Antrieb mindestens einer Kraftmaschine ausgenutzt werden, wobei das System einen oder mehrere, vertikal sich erstreckende, druckfeste, einander umfassende Behälter aufweist, deren einen Wärmeträger aufweisendem Innenraum von außen über mindestens eine Rohrleitung Dampf, elektrischer Strom o.dgl. von relativ erhöhter Temperatur zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Kopfteil (27) der Großkammern (22, 23) eines Innenbehälters über dem Wasserpegel (27) seiner zugehörigen Wassersäule hochheißer Wasserdampf mit Überdruck ausgebildet ist, seiner Verdichter­ (64, 64 a, 65) und Entspannungsaggregate (67, 66, 66 a, 66 b) in der Wassersäule der Großkammern (22, 23) selbst eingebettet sind, wobei durch das letztere Aggregat im Wechsel und in vertikal unterschiedlichen Stellen die Wassersäule und/oder die Dampfsäule (in 15) örtlich erwärmt und abgekühlt wird, und ferner ebenfalls die Schwimmaggregate (51, 98) und/oder die Arbeitsmaschinen, insbesondere Pumpen (56, 118, 117, 120, 116, 115) in der Wasser- (22, 23) oder Dampf­ säule (in 15) eingebettet sind als auch an die Arbeits­ kreise des jeweiligen Wärmeträgermediums arbeitswirksam angekoppelt sind und der die Dampfsäule einschließende Be­ hälter (15) die Kroßkammern (22, 23) umfaßt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich (27) einer Großkammer (22, 23) durch eine flächige Vakuumkammer (33, 32, 37) abisoliert ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsaggregate (67, 66, 66 a, 66 b) insbesondere Kohlendioxid CO₂ als Wärmeträgermedium, vorzugsweise in einem geschlossenen Behältersystem, aufweisen.

4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer seiner Verdichtungs­ aggregate als Doppelkolben (65, 65 b) oder mit unter­ schiedlichen Kolbenflächen zwecks Aufnahme eines Differenzdruckes aus der Wassersäule der Großkammer (22, 23) versehen ist.

5. System nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die eine vertikale Verstellbewegung des Schwimmers (51) übertragenden mechanischen Bauteile (60, 52, 54) durch die Vakuumkammer (32) an eine im benach­ barten äußeren Behälter (15) angeordnete Arbeitsmaschine (56) angekoppelt sind, welcher Behälter (15) vorzugsweise mit heißem Dampf gefüllt ist bzw. eine Dampfsäule aufweist als auch vorzugsweise eine Saugpumpe (43, 132) zum Abzug des Kondenswassers am Boden einer der Behälter aufweist.

6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer als ein Schwimmer­ ventil (98) ausgebildet ist, durch den bei vorbestimmtem Druck der Durchgang durch einen Hilfsbehälter (90) gesperrt oder freigegeben wird.

7. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Wassersäule (in 22, 23) oder in der Dampfsäule (in 15) eingebetteten arbeitenden oder wärmetauschenden Aggregate an ihren Außenwänden mit nach außen gerichteten flächigen Wärmelamellen versehen sind.

8. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zusätzlicher Hilfskolben (95) und sein Zylinderaggregat (90, 97, 98) in der Wassersäule der Großkammer (22, 23) angeordnet und mit der Wasserseite einer der Verdichteraggregate (64) in Verbindung steht und/oder mindestens eine Arbeitsmaschine (56, Fig. 3) in diese Wassersäule eingebettet und mit einer Seite des Hilfskolbens (95, 65 b) in Verbindung steht.

9. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungskreislauf eine Mehr­ zahl von etwa am Boden der Großkammern (22, 23) eingebet­ teten, insbesondere CO₂ enthaltenden, Behältern (67 a, 91) aufweist.

10. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassersäule der Großkammer (22, 23) in einen Vorlaufkreis (112) und einen Rücklaufkreis (110) bzw. zugehörige Rohre aufgeteilt ist, die obere Öffnung (111) des Rücklaufs (110) und des Vorlaufs (112) unmittel­ bar in den Kopfbereich (27) mündet und zum Kopfbereich hin der Vorlauf (112) druckabhängige, in eine Richtung öffnende Ventilklappe (111 a) o. dgl. aufweist, während der die Ent­ spannungs- und Verdichteraggregate (64, 67) aufweisende Rücklauf zum Kopfbereich (27) offen und zum Bodenbereich der Großkammer einen Stutzen mit Ventilklappe (115) auf­ weist, und vorzugsweise in eine Nebenkammer (128) herausge­ führt ist, durch die die Auslaufströmung ein Flügelrad o. dgl. (116) in Rotation versetzt und die zugehörige Arbeit an eine Arbeitsmaschine (56 b) übertragen wird und der Auslauf der Nebenkammer (128) einem Einlauf höhenversetzt (bei 115) des Zulaufrohres (112) angekoppelt ist.

11. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Wassersäule (in 22, 23) und den Behältern (10, 11, 15) eingebettete Arbeitsmittel führende Leitungen, über die durch die Wandung der einander umfassenden Behälter geführte Anschlußstutzen (18, 19, 36, 39, 40, 140) eine Wärmeträger- bzw. Wärmekraft-Kreislauf­ führung (61, 61 a, 61 b, 61 c; 94, 38, 38 a, 38 b, 38 c) mit Koppelung über einer Kraftmaschine und Verdichtervorrich­ tung (100, 100 b) aufweist, derart, daß ein Temperaturge­ fälle zwischen einer Wärmeträgerspeisequelle (150, 150 a; 92) und der Dampf- bzw. Wassersäule (in 15, 22) arbeits­ leistend zu leiten, gegeben ist.