CH669206A5 - Latentwaermespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden stoffen. - Google Patents

Latentwaermespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden stoffen. Download PDF

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CH669206A5
CH669206A5 CH3175/85A CH317585A CH669206A5 CH 669206 A5 CH669206 A5 CH 669206A5 CH 3175/85 A CH3175/85 A CH 3175/85A CH 317585 A CH317585 A CH 317585A CH 669206 A5 CH669206 A5 CH 669206A5
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Thomas Noack
Ruediger Naumann
Hans-Heinz Emons
Wolfgang Voigt
Udo Seltmann
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Bauakademie Ddr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

669 206
PATENTANSPRUCH
Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen mit einer aktiven und zu vermischenden Speicherfüllung in einem Speicherbehälter, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Speicherfullung die drei Stoffsysteme I, II und III sowie gegebenenfalls IV enthält, wobei
- das Stoffsystem I aus einem oder mehreren Stoffen besteht, die aufgrund ihrer Umwandlungswärme und ihrer spezifischen Wärmekapazität wärmespeichernde Eigenschaften besitzen, beim Schmelzen keine Zersetzungserscheinungen aufweisen, mit einem Anteil von 50 bis 95 Vol-% am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung,
- das Stoffsystem II aus einer oder mehreren Komponenten enthaltenden Flüssigkeit als Wärmetransportmittel besteht, die das Stoffsystem I nicht oder nur bedingt zu lösen vermag, die Dichte des Stoffsystems II (pn) und die Dichte der schmelzflüssigen Phase des Stoffsystems I (pi) der Bedingung
Pi^Pii genügt, der Dampfdruck des Stoffsystems I (PDI) und der Dampfdruck des Stoffsystems II (Pdh) die Bedingung
Pdi«Pdii erfüllt und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 3 bis 50 Vol.-% beträgt,
- das Stoffsystem III aus einem oder mehreren oberflächenaktiven Stoffen besteht und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0,01 bis 5 Vol.-% beträgt, und
- das Stoffsystem IV aus einem oder mehreren Keimbildnern und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0 bis 20 Vol.-% beträgt.
BESCHREIBUNG
Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen stellen wirkungsvolle Systeme zur Entlastung oder Ergänzung konventioneller Energieerzeugersysteme und zum Ausgleich zeitlicher Schwankungen zwischen Energieanfall und Energiebedarf dar.
Der erfindungsgemässe Latentwärmespeicher ist deshalb vorzugsweise für die Anpassung von Wärmeverbrauchssystemen an die durch die Energiequellen diktierten Wärmenutzungsbedingungen, d.h. den zeitlichen Ausgleich zwischen Wärmeanfall und Wärmebedarf, sowie zur Akkumulation von Warme vorgesehen.
Konventionelle Wärmespeicher arbeiten vornehmlich auf der Basis fühlbarer bzw. sensibler Wärme.
Da die Wärmekapazität aller dafür verwendeten Speichermaterialien wie Wasser, Öl, Steine, Gusseisen, Magnesit, Erdreich u.a. nur gering ist, führt der Einsatz solcher Speichersysteme, insbesondere bei der Akkumulation grosser Wärmemengen, zu übergrossen Speichervolumina und zu unökonomischen Aufwandsverhältnissen. Aus praktischer Sicht besitzen die konventionellen Speichersysteme folgende wesentliche Nachteile:
- Das Laden oder Entladen des Speichers ist mit einer Erhöhung oder Erniedrigung der Speichertemperatur verbunden, die ein stetes - in der Praxis sehr nachteiliges - Gleiten der Speichertemperatur und der Wärmeübertragungsleistungen beim Laden und Entladen des Speichers und einen erhöhten Aufwand an einzusetzender Regelungstechnik nach sich zieht.
- Aufgrund der bei den Speichermaterialien allgemein vorhandenen niedrigen spezifischen Wärmekapazitäten ist das Masse/Leistungsverhältnis im Vergleich mit dem nachfolgend beschriebenen Latentwärmespeicher sehr ungünstig.
- Die Speicherung grosser Wärmemengen ist an grosse Speichervolumina gebunden, die technisch häufig nicht oder nur aufwendig realisierbar sind (Bau von zusätzlichen Umhausungen) oder die Kostenverhältnisse sehr nachteilig beeinflussen.
- Zur Reduzierung der Speichervolumina auf technisch beherrschbare Grössenordnungen müssen grosse Temperaturdifferenzen zwischen Lade- und Entladezustand zugelassen und die dabei notwendige Erhöhung der Ladetemperatur über die erforderliche Vorlauftemperatur des Wärmeverbrauchssystems sowie die Vernichtung der energetischen Qualität der Wärmequelle (Exergiegehalt) in Kauf genommen werden.
- Bei der Verwendung von Wasser, als dem am häufigsten genutzten Speichermaterial, wird die Speicherung grosser Energiemengen besonders dann problematisch, wenn die für die technische Nutzung erforderliche Speichertemperatur an der oberen Temperaturgrenze des Wassers (drucklos bei ca. 90 °C), wie z.B. für Heizungsanlagen 90/70 °C, liegt. Eine Erhöhung der Speicherfähigkeit durch Erhöhung der Wassertemperatur ist drucklos nicht möglich und führt zu einem erheblichen technischen und apparativen Mehraufwand, der die ohnehin nachteiligen Kostenverhältnisse noch zusätzlich verschlechtert.
Eine Möglichkeit zur Überwindung dieser Nachteile bieten Speicher, die weniger auf der Basis fühlbarer Wärmen, sondern mehr auf der Basis latenter Wärmen, wie Schmelz- und Erstarrungswärmen, Verdampfungs- und Kondensationswärmen, Reaktionswärmen, Hydratisationswärmen, Lösungswärmen, Kristallisationswärmen u.ä. arbeiten.
Speicher dieser Art werden in der Literatur als «Latentwärmespeicher» bezeichnet
Diese Speicher haben gegenüber konventionellen Speichern folgende Vorteile:
- Beim Laden und Entladen bleibt die Speichertemperatur während der Wärmeaufnahme oder Wärmeabgabe in einem engen Bereich konstant.
- Die Wärmeübertragungsleistungen bleiben - in Abhängigkeit von der jeweiligen technischen Lösung - ebenfalls in einem engen Bereich konstant.
- Im Vergleich mit konventionellen Speichern ist das Wärmeaufnahmevermögen je nach verwendetem Speichermaterial und je nach der Breite des Gesamttemperaturbereiches, innerhalb welchem sich die Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe vollzieht, zwischen 2 und 40mal grösser.
Die augenscheinlichsten Verbesserungen stellen insbesondere solche Latentwärmespeicher dar, die auf der Grundlage von Schmelz- und Erstarrungswärmen arbeiten.
Für solche Speicher gibt es eine Reihe von Lösungen, welche im wesentlichen die mit schmelzbaren Materialien einhergehenden und bekannten wärmephysikalischen und physikalisch-chemischen Probleme beseitigen.
Hierzu gehören die Publikationen DE 26 48 678, DD 154 125, DE-OS 1928 694, DE-OS 25 23 234, DE-OS 25 17 920 und DE-OS 25 17 921 sowie WP C 09 K/24 36 19, die Verbesserungen hinsichtlich der stofflichen Aufbereitung der Speichermaterialien, der Unterbindung von Unterkühlungen, Stratifikationen u.ä. offenbaren.
Noch nicht gelöst ist folgendes Problem: Die Neigung verschiedener nicht zersetzend schmelzender, z.B. kongruent und eutektisch schmelzender Materialien, zu Verwachsungen der bei -der Erstarrung entstehenden Kristalle zu grossvolumigen Agglomeraten, welche sowohl beim Wärmeein- als auch beim Wärme-austrag zu stark verringerten Wärmeübertragungsleistungen sowie zur Verkrustung, Undurchlässigkeit für die Schmelze, zu thermischen Spannungen und überhöhten Drücken im Speicherinneren führen.
Darüber hinaus ist aus der Literatur bekannt, dass durch Zugabe von Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Stoffen die Grösse der bei der Erstarrung von inkongruent schmelzendem Glaubersalz (Na2S04-10 H20) entstehenden Kristalle vermindert werden kann. Ein entsprechendes Patent liegt mit US 4267 879
2
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Konkrete Lösungen für die Verringerung der Kristallgrösse von nicht zersetzend (z.B. kongruent) schmelzenden Latentspeichermaterialien sind dagegen nicht bekannt. Die Übertragung auf kongruent schmelzende Materialien, wie z.B. Na2S • 5 H20 haben zu keinem Erfolg geführt.
Es ist das Ziel der Erfindung, einen Latenwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen zu entwickeln, bei welchem ohne Anwendung mechanischer Mittel die Entstehung grossvolumiger Agglomerate, Verkrustungen und Undurchlässig-keiten verhindert und gleichzeitig grosse Wärmeein- und Warme-austragsleistungen ermöglicht werden.
Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen, wie z.B. kongruent und eutektisch schmelzenden Stoffen, neigen dazu, bei der Erstarrung Kristalle zu bilden, die sich zu grossvolumigen Agglomeraten zusammenschliessen. Diese bilden die Ursache für geringe Wärmeein- und -austragsleistungen sowie thermische Spannungen im Speicherinneren. Die Unterbindung dieser Nachteile erfolgt erfindungsgemäss durch eine aktive Speicherfüllung, welche aus 4 Stoffsystemen besteht, nämlich:
Stoffsystem I
Bestehend aus einem oder mehreren Stoffen, die aufgrund ihrer Umwandlungswärme und ihrer spezifischen Wärmekapazität Wärmespeichereigenschaften aufweisen, nicht zersetzend schmelzen und als Wärmespeichermaterial einsetzbar sind.
Der Anteil des Stoffsystems I am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfullung beträgt erfindungsgemäss 50 bis 95 Vol.-%.
Stoffsystem II
Bestehend aus einem oder aus mehreren Komponenten zusammengesetzten flüssigen Wärmetransportmedium, in dem das Stoffsystem I nicht oder nur bedingt lösbar ist. Dabei erfüllen die Dichte des Stoffsystems II (pn) und die Dichte der schmelzflüssigen Phase des Stoffsystems I (pj) erfindungsgemäss die Bedingung
Pi—Pii, z.B. 0,8 pj,
wobei der Dampfdruck des Stoffsystems I (Pdi) und der Dampfdruck des Stoffsystems II (Pdii) erfindungsgemäss der Bedingung
Pdi«Pdii genügen. Der Anteil des Stoffsystems II beträgt am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfullung des Speichers 3 bis 50 Vol.-%.
Stoffsystem III
Bestehend aus einem oder mehreren oberflächenaktiven Stoffen. Der Anteil des Stoffsystems III am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfullung des Latentwärmespeichers beträgt 0,01 bis 5 Vol.-%. Das Stoffsystem III hat die Aufgabe, beim Erstarren des Stoffsystems I kleine Kristalle zu bilden und Verwachsungen und/ oder Verkrustungen zu verhindern.
Stoffsystem IV
Bestehend aus einem oder mehreren Keimbildern, die aufgrund ihrer Gitterstruktur den Keimbildungsvorgang bewirken oder heterogene Keimbildung auslösen.
Erfindungsgemäss beträgt der Anteil des Stoffsystems IV am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfullung des Latentwärmespeichers 0 bis 20 Vol.-%.
Falls das Stoffsystem I nicht oder nur geringfügig unterkühlt, entfällt der Anteil des Stoffsystems IV an der aktiven Speicherfüllung.
Der erfindungsgemässe Latentwärmespeicher soll in seiner aktiven Speicherfüllung mit Bezug auf die Zeichnung näher vorgestellt werden:
Stoffsystem I: Mg(N03)2 • 6 H20 und MgCl2 • 6 H20 als eutektisches Gemisch mit 70 Vol.-%
Stoffsystem II: Chlorbrommethan CH2ClBr mit 28 Vol.-% Stoffsystem III: Cordesin W, eine Eiweiss-Sulfonsäure-Kom-plexverbindung mit guten Dispergier-, Emul-gier- und Egalisierwirkungen, hergestellt vom VEB Berlin-Chemie, zu beziehen über Chemie-Export-Import, volkseigener Aussenhan-delsbetrieb der DDR, mit 1 Vol.-%
Stoffsystem IV: Aktivkohle mit 1 Vol.-%
Die 4 Stoffsysteme sind eingefüllt in einen dichten und wärmeisolierten Behälter 1, in Form einer Mischung als aktive Speicherfüllung 2.
Innerhalb des Behälters 1 ist ein Wärmeübertrager 3 so angeordnet, dass er von der Speicherfullung 2 vollkommen bedeckt ist Ein weiterer Wärmeübertrager 4 ist so angeordnet, dass er nur vom Dampf des Stoffsystems II in einem Hohlraum 5 umgeben ist.
Die Wärmezufuhr erfolgt über den von der Speicherfullung 2 umschlossenen 'Wärmeübertrager 3, der Wärmeentzug über den vom Wärmetransportmitteldampf umgebenen Wärmeübertrager 4. Wärmezufuhr und Wärmeentzug laufen unter dreifachem Phasenwechsel ab.
Bei einer Wärmezufuhr oberhalb der Schmelztemperatur wird das Stoffsystem II verdampft. Beim Zusammentreffen mit noch nicht geschmolzenem Material des Stoffsystems I wird dieses kondensiert und das Stoffsystem I geschmolzen. Die vom Stoffsystem II abgegebene Kondensationswärme wird vom Stoffsystem I als Schmelzwärme aufgenommen.
Beim Wärmeentzug unterhalb der Schmelztemperatur wird wiederum Material des Stoffsystems II verdampft, in diesem Falle bei einem niedrigeren Druck als bei der Wärmezufuhr. Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird dem Speichermaterial (Stoffsystem I) entzogen, welches dabei erstarrt.
Der Dampf des Stoffsystems II wird am Wärmeübertrager 4 kondensiert und die frei werdende Kondensationswärme vom Wärmeübertrager 4 aufgenommen.
Die Wärmeübertragung läuft in beiden Fällen unter intensiver Blasenbildung mit starker Durchmischung der Speicherfüllung ab, wodurch sich eine über das geseamte Speichermaterial gleich-mässig verteilte Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe ausbildet. Dieser an sich bekannte Prozess läuft bei nicht zersetzend schmelzenden Stoffen bei Abwesenheit des Stoffsystems III unter Bildung grossvolumiger Agglomerate, Verwachsungen und Verkrustungen ab.
Durch Zugabe des Stoffsystems III werden diese vermieden. Es entstehen je nach Intensität der Blasenbildung und Menge des Stoffsystems III kleinvolumige Kristalle, die eine lockere und durchlässige Schüttung im Speicherinneren bilden.
Das Stoffsystem IV ist erforderlich, um beim Wärmeaustrag die Kristallbildung auszulösen und Unterkühlungen zu vermeiden.
Ausführungsbeispiele
Der erfindungsgemässe Latentwärmespeicher soll anhand der nachstehenden 13 Varianten zu 3 verschiedenen aktiven Speicherfüllungen vorgestellt werden:
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
669 206
4
1. Speicherfullung Mischungsverhältnis (Vol.-%)
Stoffsystem I
-Mg (N03)2 • 6H20 und MgCl2 • 6H20
95
50
50
49,9
70
(elektisches Gemisch)
Stoffsystem II
CH2ClBr (Chlorbrommethan)
3
49
25
50
28
Stoffsystem III
Cordesin W
1
0,1
5
0,05
1
Stoffsystem IV
Aktivkohle
1
0,9
20
0,05
1
2. Speicherfüllung Mischungsverhältnis (Vol.-%)
Stoffsystem I
CH3CONH2 (Acetamid)
95 50
95
49,99
Stoffsystem II
CC14 (Tetrachlormethan)
4,99 45
3
50
Stoffsystem III
Cordesin W
0,01 5
2
0,01
Stoffsystem IV
-
0 0
0
0
3. Speicherfüllung
Mischungsverhältnis (Vol.-0/
Stoffsystem I
Mg(N03)2-6H20
95
50 75
50
Stoffsystem II
CH2Br2 (Dibrommethan)
4
49,99 24
45
Stoffsystem III
FT 248 (Fhiortensid)
1
0,01 1
5
Stoffsystem IV
-
0
0 0
0
Das 'Wirken dieser Stoffsysteme soll anhand eines Latentwärmespeichers mit einem prinzipiellen Aufbau gemäss Abb. 1 erläutert werden.
Die 4 Stoffsysteme sind eingefüllt in einen druckdichten und wärmeisolierten Behälter 1, in Form einer Mischung als aktive Speicherfullung, ein weiterer Wärmeübertrager 4 in einen nur vom Dampf des Stoffsystems II umgebenen Hohlraum 5. Die Wärmezufuhr erfolgt über den von der Speicherfüllung umschlossenen Wärmeübertrager 3, der Wärmeentzug über den vom Wärmetransportmitteldampf umgebenen Wärmeübertrager 4.
Wärmezufuhr und Wärmeentzug laufen unter dreifachem Phasenwechsel ab.
Bei einer Wärmezufuhr oberhalb der Schmelztemperatur wird das Stoffsystem II verdampft. Beim Zusammentreffen mit noch nicht geschmolzenem Material des Stoffsystems I wird dieses kondensiert und das Stoffsystem I geschmolzen. Die vom Stoffsystem II abgegebene Kondensationswärme wird vom Stoffsystem I als Schmelzwärme aufgenommen.
Beim Wärmeentzug unterhalb der Schmelztemperatur wird wiederum Material des Stoffsystems II verdampft, in diesem Falle bei einem niedrigeren Druck als bei der Wärmezufuhr.
Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird dem Speichermaterial (Stoffsystem I) entzogen, welches dabei erstarrt. Der 30 Dampf des Stoffsystems II wird am Wärmeübertrager 4 kondensiert und die frei werdende Kondensationswärme vom Wärmeübertrager aufgenommen.
Die Wärmeübertragung läuft in beiden Fällen unter intensiver Blasenbildung mit starker Durchmischung der Speicherfüllung 35 ab, wodurch sich eine über das gesamte Speichermaterial gleich-mässig verteilte Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe ausbildet. Dieser an sich bekannte Prozess läuft bei nicht zersetzend schmelzenden Stoffen bei Abwesenheit des Stoffsystems III unter Bildung grossvolumiger Agglomerate, Verwachsungen und Verkru-40 stungen ab. Durch Zugabe des Stoffsystems II werden diese vermieden. Es entstehen je nach Intensität der Blasenbildung und Menge des Stoffsystems III kleinvolumige Kristalle, die eine lok-kere und durchlässige Schüttung im Speicherinnern bilden.
Das Stoffsystem IV ist erforderlich, um beim Wärmeaustrag 45 die Kristallbildung auszulösen und Unterkühlungen zu vermeiden.
1 Blatt Zeichnungen
CH3175/85A 1984-08-09 1985-07-22 Latentwaermespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden stoffen. CH669206A5 (de)

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