AT391870B - Latenentwaermespeicher hoher leistungsfaehigkeit - Google Patents

Description

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Die Gewinnung von Wärme aus Energiequellen, die hinsichtlich ihrer Verfügbarkeit zeitlichen Schwankungen unterliegen, setzt den Einsatz von Speichern voraus. Durch diese ist es möglich, bestehende Zeitunterschiede zwischen Wärmebedarf und Wärmeangebot zu überbrücken oder auszugliedern. Der erfindungsgemäße Hochleistungswärmespeicher ist vorzugsweise vorgesehen für Anlagen, die der Gewinnung und Nutzung von 5 Umweltenergie (Erdwärme, Sonnenenergie, Geothermalenergie u. a.) als auch Anfallenergie (Abwasser, Abluft u. a.) dienen.

Die Mehrheit praktisch realisierter Wärmespeicher arbeitet auf der Basis fühlbarer Wärme, die an Speichermaterialien wie Erdreich, Wasser, Steine, Eisenblöcke, Öl, Beton u. a. übertragen oder von diesen entnommen wird. Diese Speicheisysteme besitzen eine Reihe wesentlicher Nachteile: 10 - Das Laden oder Entladen des Speichermaterials ist mit einer Erhöhung oder Erniedrigung der

Speichertemperatur verbunden, die eine stete - in der Praxis sehr nachteilige - Verringerung der Wärmeübertragungsleistung beim Laden und Entladen nach sich ziehen. - Aufgrund der bei den Speichermaterialien allgemein vorhandenen niedrigen spezifischen Wärmekapazitäten ist das Masse/Leistungsverhältnis im Vergleich mit den nachfolgend beschriebenen Hochleistungswärmespeichem 15 sehr ungünstig. - Die Speicherung großer Wärmemengen ist an große Speichervolumina bzw. Speichermassen gebunden, die technisch häufig nur schwer realisierbar sind oder Kostenverhältnisse sehr nachteilig beeinflussen. - Zur Reduzierung der Speichervolumina bzw. Speichermassen auf technisch beherrschbare Größenordnungen müssen große Temperaturdifferenzen zwischen Lade- und Entladezustand zugelassen und die dabei eintretende 20 starke Verringerung der Lade- bzw. Entladeleistung während des Ladens bzw. Entladens in Kauf genommen werden. - Die Wärme muß stets bei einem Temperatumiveau gespeichert werden, das oberhalb der Temperatur liegt, die für einen bestimmten Wärmeprozeß (z. B. Heizen) mindestens benötigt wird. Der Speicherprozeß arbeitet dadurch mit einer unnötigen Erzeugung und Vernichtung von Energie, die z. B. in Arbeitsmaschinen viel 25 sinnvoller eingesetzt werden könnte. Möglichkeiten zur Abhilfe der genannten Mängel bieten Speicher, welche weniger auf der Basis fühlbarer Wärme, als auf der Basis latenter Wärme arbeiten. Diese sogenannten Latentwärmespeicher haben gegenüber o. g. Speichern folgende Vorteile: - Beim Laden und Entladen bleibt die Speichertemperatur während des Schmelzens oder Erstarrens des 30 Wärmespeichermediums nahezu konstant. Abweichungen treten nur dann auf, wenn nach Beendigung des

Schmelz- oder Erstarrungsprozesses durch fortgesetzte Wärmezu- bzw. Wäimeabfuhr fühlbare Wärme übertragen wird, in deren Folge die Speichertemperatur steigt oder fallt. - Die Wärmeübertragungsleistungen bleiben beim Laden und Entladen nahezu konstant - Im Vergleich mit o. g. Speichern können Latentwärmespeicher in Abhängigkeit von der gewählten 35 Speichersubstanz und der genutzten Temperaturdifferenz etwa 2-10 mal mehr Wärme pro Volumen- oder

Masseneinheit aufnehmen.

Die wesentlichen Nachteile, die Latentwärmespeicher auf weisen, sind folgende: - Geringe Wärmeübertragungsleistungen infolge der zumeist niedrigen Wärmeleitfähigkeit aller bekannten organischen und anorganischen Speichermaterialien und damit verbundene große Wärmeübertragungszeiten. 40 - Die Neigung verschiedener - insbesondere anorganischer Substanzen - während des Prozesses der Wärmeabgabe zu unterkühlen und/oder sich zu entmischen.

Zur Vermeidung dieser Nachteile sind verschiedene Lösungen bekannt, die zum Laden und Entladen eines Speichers ein Wärmetransportmedium benutzen. Gemäß DE-AS 2 517 080 dient als Wärmetransportmedium Natrium, welches im Wechsel von Verdampfen und Kondensieren für den Wärmetransport in den Speicher hinein 45 oder aus dem Speicher heraus sorgt und den Einsatz einer Umwälzpumpe erspart. Lösungen dieser Art haben den Nachteil, daß das Laden und das Entladen des Speichers zeitlich immer nur nacheinander erfolgen können und niemals gleichzeitig. Ursachen dafür sind die Unterschiede zwischen den Temperaturen, die beim Laden und Entladen auftreten. Das Laden eines Speichers kann stets nur beim Vorliegen einer Wärmemenge höherer Temperatur erfolgen, wobei das Entladen zu einem System niederer Temperatur 50 erfolgt. Folglich kann ein Speicher unter Verwendung eines Wärmetransportmediums nicht gleichzeitig geladen und entladen werden.

In CH-PS 601 738 ist ferner ein Latentwärmespeicher beschrieben, der einen mit Phasenwechselmaterial gefüllten Behälter und mindestens einen mit diesem Behälter über einen Wärmetauscher thermisch verbundenen, von einem gasförmigen oder flüssigen Wärmetransportmittel durchströmten Raum enthält 55 Da sich die Aufgabe der Erfindung nur auf Konstruktionsprobleme (u. a. modulare Bauweise, Füllung mit Latentspeichermaterial, Integrierbarkeit des Speichers in Wärmekreisläufe) bezieht, besitzt auch diese Lösung die generellen Nachteile des Standes der Technik.

Selbst wenn die konstruktive Lösung gemäß Fig. 1 in Ch-PS 601738 benutzt werden würde, um einen Lade-Stutzen (10) und (12)) bzw. einen Entladekreis (Stutzen (14) und (16)) gleichzeitig an den Speicher 60 anzuschließen, käme kein gleichzeitiges Laden und Entladen zustande.

Der Speicher könnte z. B. erst gar nicht geladen werden, da Lade- und Entladekreis thermisch über ihre Trennwände und über Teile des Wärmerohrs (18) kurzgeschlossen sind. -2-

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In der Mehrheit der technischen Anwendungsfalle ist aber die gleichzeitige Lade- und Entlademöglichkeit des Speichers bzw. die Verhinderung einer unkontrollierten Entladung erforderlich.

Die Lösung gemäß DD-PS 147 405 zeigt eine Möglichkeit, wie das unkontrollierte Entladen verhindert und ein gleichzeitiges Laden und Entladen des Speichers ermöglicht werden. Die letztgenannte Speicherform besitzt wie auch die vorher beschriebenen Lösungen einen generellen Nachteil, der auch in DE-OS 2 837 091 besonders hervorgehoben wird.

Wegen der nach oben begrenzten Größe der Wärmetauschoberflächen für den Wärmeübergang vom Lademedium in den Speicher bzw. vom Speicher in den Wärmeverbraucher ist für jeden Wärmeaustausch eine erhebliche Zeitspanne erforderlich.

Dies ist dadurch bedingt, daß der Wärmeübergang nur durch Wärmeleitung erfolgt

Besonders erschwert ist der Wärmeübergang vom Lademedium in das Speichermedium bei Latentwärmespeichem, wenn nach einem vorausgegangenen Entladevorgang das Phasenwechselmaterial in den festen Aggregatzustand übergegangen ist

Zur weiteren Vermeidung o. g. Nachteile sind aus der Fach- und Patentliteratur verschiedene konstruktive Lösungen bekannt. Beispielsweise werden Konstruktionen vorgeschlagen, bei welchen durch Vergrößerung der Wärmeübertragungsflächen oder Einfügen von Metallteilchen in Stützsubstanzen, die den Speicherraum füllen, die Wärmeleitung an Metallteile gebunden und die Wärmeleitung damit beschleunigt wird (DE-OS 1928 694).

Die Wärmeübertragungsleistung in die Speichersubstanz hinein oder aus dieser heraus wird damit verbessert und die Übertragungsleistungen werden erhöht; jedoch führen diese Lösungen zu einer erheblichen Verschlechterung des Masse/Leistungsverhältnisses und zu erhöhtem Materialaufwand.

Zur Vermeidung der Unterkühlung werden Impfkristalle (Keimbildner) vorgeschlagen, die neben der sterischen (geometrischen) Ähnlichkeit mit den Kristallen des Speicherstoffes einen Schmelzpunkt aufweisen, der oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Speichers liegt (DE-OS 1 928 694, DE-OS 2 648 678, DE-OS 2 938 218)

Diese Impfkristalle verbleiben damit im festen Zustand auch dann, wenn der Speicherstoff schmilzt. Da sie eine andere Dichte als der Speicherstoff haben, wandern sie aufgrund der Schwerkraft in der Schmelze entweder nach oben oder in den meisten Fällen nach unten.

Der Speicherstoff mit Impfkristallen entmischt sich also mehr und mehr, so daß die für eine gleichmäßige Erstarrung notwendige statistische Verteilung der Impfkristalle im Speicherstoff verloren geht Zur Verhinderung dieses Prozesses werden Gerüste zur Aufnahme und Verteilung der Impfkristalle vorgeschlagen, die gleichzeitig zur Aufnahme der für die Verbesserung der Wärmeleitung ersetzbaren Metallteilchen verwendet werden können (DE-OS 1 928 694).

Allerdings führt auch diese Lösung zu einem ungünstigen Masse/Leistungsverhältnis. Zudem ist bekannt, daß die als Gerüst verwendeten Materialien wie Holz oder Zellulose nach kurzer Zeit durch Fäulnis zerstört werden. Darüber hinaus lösen diese Vorschläge nicht das Problem der Entmischung.

Zur Vermeidung der mit der Entmischung einhergehenden und mitunter irreversiblen Prozesse, wie allmähliches Absinken der Wärmekapazität oder Wärmestau im Speicher, wird die mechanische Umwälzung des Speichermaterials in allen möglichen Formen, wie Rühren, Schütteln, Umwälzen, Pumpen, Versprühen usw. (DE-OS 2 543 686) als Lösung angesehen.

Nachteilig ist dabei, daß hierfür neben dem Speicher Antriebssysteme als auch Antriebsenergie benötigt werden, die die Kosten für die Herstellung, Betrieb und Wartung des Speichers beträchtlich erhöhen.

Die Ausschließung dieser Nachteile und eine wesentliche Verbesserung der Speichertechnik ergibt sich, wenn zum Laden und Entladen des Latentwärmespeichers ein zusätzliches Wärmetransportmedium eingesetzt wird. Möglichkeiten der technischen Lösung dieses Problems sind in DE-AS 2 517 080 oder Ch-PS 601 738 beschrieben. Den gesamten Vorteilen steht hier der Nachteil des erhöhten Materialeinsatzes gegenüber. Darüber hinaus lassen diese Lösungen kein gleichzeitiges Laden und Entladen zu oder aber ein unkontrolliertes Entladen des Speichers.

Um den letztgenannten Mängeln des Standes der Technik abzuhelfen, ist ein Latentspeichersystem gemäß DD-PS 147 405 vorgeschlagen worden. Allerdings haftet dieser Lösung der Nachteil an, daß der Speicher problemlos nur mit Speicherstoffen, die keine Entmischung und Unterkühlung aufweisen, betrieben werden kann und z. B. nur mit organischen Stoffen die benötigen wärmetechnischen Parameter liefert. Zu den erfolgreich eingesetzten organischen Materialien gehört z. B. Paraffin in Verbindung mit Äthanol Wärmetransportmedium. Diese Stoffe sind jedoch grundsätzlich in bezug auf andere bekannte Latentspeichermaterialien und Wärmetransportmedien sehr teuer und verursachen hohe Anlagenkosten. Darüber hinaus sind z. B. Paraffine - als Erdölprodukte - in großen Mengen teilweise nicht verfügbar.

Aus dem bekannten Stand der Technik ergibt sich als Ziel der Erfindung, einen Latentwärmespeicher zu entwickeln, der geringe Lade- und Entladezeiten aufweist, gleichzeitig be- und entladbar ist, nicht unkontrolliert entladen werden kann und eine hohe Wärmekapazität besitzt, wobei die Herstellungs- und Betriebskosten gegenüber bekannten Speichersystemen wesentlich verringert werden sollen.

Aus dem Ziel der Erfindung leitet sich die Aufgabe ab, bereits bekannte Wärmespeicher, z. B. den Speicher gemäß DD-PS 147 405, durch konstruktive Maßnahmen so zu verändern, daß neben gleichzeitiger Lad- und Entladbarkeit sowie der Unmöglichkeit der unkontrollierten Entladung ein höherer Wirkungsgrad des Speichers, insbesondere durch schnelleren Wärmetransport im Speicher, erzielt wird. Gleichzeitig ergibt sich die Aufgabe, -3-

Nr. 391 870 ein aktives Speichermedium zu entwickeln, durch das an sich bekannte, jedoch inkongruent schmelzende und zur Entmischung neigende Latentspeichermaterialien vorteilhafteinsetzbar sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Speicherraum des thermischen Speichers ein Gemisch von vier Stoffsystemen eingefüllt ist.

Diese nachstehend beschriebenen vier Stoffsysteme werden erfindungsgemäß vermischt und bilden die aktive Speicherfüllung des Hochleistungswärmespeichers.

Stoffsvstem I bestehend aus einem oder mehreren Stoffen, die aufgrund ihrer Schmelzwärme (oder Umwandlungswärme) und ihrer spezifischen Wärmekapazität Wärmespeicherverhalten aufweisen und die Stoffe beim Schmelzen oder Erstarren Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung und Dichte bilden, wodurch sich Schichtungen (Entmischung) aufbauen und sich das Stoffsystem nicht mehr im Phasengleichgewicht befindet. Der Anteil des Stoffsystems I am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Hochleistungswärmespeichers beträgt erfindungsgemäß 50 - 95 Volumenprozent. Als Stoff sind z. B. Glaubersalz (Na2SO4.lO.H2O) oder Fixiersalz (Na2S20ß.5H20) einsetzbar.

Stoffsvstem Π bestehend aus einem aus einer oder mehreren Komponenten zusammengesetzten flüssigen Wärmetransportmedium, in dem das Stoffsystem I nicht oder nur geringfügig lösbar ist. Dabei erfüllen die Dichte des Stoffsystems Π (pjj) und die Dichte der schmelzflüssigen Phase des Stoffsystems I (pj) erfindungsgemäß folgende Bedingung P^Pn Z. B. pj = 0,8 . pjj, wobei der Dampdruck des Stoffsystems I (P^j) und der Dampfdruck des Stoffsystems II (Pjjjj) erfindungsgemäß der Bedingung PDI<<PDn genügen.

Der Anteil des Stoffsystems II am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Hochleistungswärmespeichers beträgt erfindungsgemäß 0,5 - 50 Volumprozent.

Als Wärmetransportmedium ist z. B. Äthylbromid, Dibrommethan oder ähnliches verwendbar.

Stoffsvstem III bestehend aus einem oder mehreren flüssigen oder festen grenzflächenaktiven Stoffen (Tenside).

Der Anteil des Stoffsystems III am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Hochleistungswärmespeichers beträgt erfindungsgemäß 0,01 - 5 Volumenprozent

Das Stoffsystem ΠΙ hat die Aufgabe, die durch Phasentrennung des Stoffsystems I entstandenen Phasen zusammenzuführen und die Grenzflächenspannungen zwischen den Stoffsystemen I und Π zu reduzieren.

Erfindungsgemäß ist als Stoffsystem ΠΙ Alkylsulfat (Pilantin V) eingesetzt worden.

Stoffsvstem IV bestehend aus einem oder mehreren Keimbildnem, die aufgrund ihrer Gitterstruktur den Keimbildungsvorgang bei der Kristallisation des Stoffsystems I einleiten.

Erfindungsgemäß beträgt der Anteil des Stoffsystems IV am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Hochleistungswärmespeichers 0-20 Volumenprozent

Falls das Stoffsystem I beim Erstarren nicht unterkühlt, entfällt der Anteil des Stoffsystems IV an der aktiven Speicherfüllung des Hochleistungswärmespeichers. Als Keimbildner ist z. B. Borax geeignet

Erfindungsgemäß befindet sich gegenüber der Lösung gemäß DD-PS 147 405 das Speichermedium (Gemisch der vier Stoffsysteme) nicht eingekapselt in einer Trennwand. Eine Scheidewand (7) teilt den erfindungsgemäßen Speicher in zwei Abschnitte (Ladekammer (4) und Speicherraum (1)). Oberhalb der Scheidewand (7) befindet sich das oben beschriebene Stoffgemisch; in einem verbleibenden Freiraum (2) ist ein Wärmeübertrager (3) (Wärmeverbraucher-System) angeordnet

Befindet sich der Speicher im geladenen Zustand, so ist der Freiraum (2) völlig mit Dampf des flüssigen Wärmetransportmediums ausgefüllt

Wird über den Wärmeübertrager (3) dem Speicher Wärme entzogen, kondensiert an der äußeren Oberfläche des Wärmeübertragers (3) das dampfförmige Wärmetransportmedium. Durch den sich dadurch ergebenden Abfall des Dampfdruckes im Speicherraum beginnt das flüssige Wärmetransportmedium zu verdampfen. Die für die -4-

Claims (1)

1. Nr. 391 870 Verdampfung notwendige Wärmeenergie wird dem Speichermedium (Stoffsystem I) entzogen. Das Speichermedium (Stoffsystem I) gibt seine latente Wärme an das siedende Transportmedium ab und erstarrt. Durch den direkten Kontakt zwischen Speicherstoff und Transportmedium sowie durch die Rührwirkung der aufsteigenden Dampfblasen liegen die Wärmeübergangskoeffizienten besonders hoch. Der bei der Erstarrung der Latentspeichermasse entstehende poröse Körper bietet sowohl bei Laden als auch beim Entladen eine große Wärmeübergangsfläche, die ebenfalls zur Erhöhung des an der Grenzfläche zwischen Speicherstoff und Wärmetransportmedium übertragenen Wärmestromes beiträgt. Die Einrichtung zum Laden des Speichers entspricht der aus DD-PS 147 405 bekannten Lösung. In einer getrennten Ladekammer (4) befindet sich Naßdampf eines weiteren Wärmetransportmediums (6). In der flüssigen Phase dieses Mediums ist ein Wärmeübertrager (5) (Wärmespendersystem) angeordnet. Der darüber befindliche Dampf steht in direktem Kontakt mit einer vorzugsweise durch oberflächenvergrößemde Maßnahme gekennzeichneten Scheidewand (7). Das Einspeichem erfolgt in der Ladekammer (4) auf bekanntem Wege nach dem Prinzip des Wärmerohres. Auf der dem Speicher zugewandten Seite der Scheidewand (7) erfolgt der Transport der Wärme zum Speichermedium wieder mittels Verdampfungs- und Kondensationsprozessen des Wärmetransportmediums mit den oben genannten Vorteilen. Ausführungsbeispiel: Der erfindungsgemäße Hochleistungswärmespeicher soll in seinem Leistungsvermögen an nachstehendem Beispiel vorgestellt werden: Die Speicherfüllung besteht aus: Stoffsystem I Glaubersalz 63 Vol % (Na2SO4.10H2O) Stoffsystem H Äthylbromid 35 Vol % (0>Η2Βγ) Stoffsystem ΠΙ Pilantin V 1 Vol % Stoffsystem IV Borax 1 Vol % Vom Stoffsystem I wurden 50 kg Glaubersalz zum Einsatz gebracht. Der Hochleistungswärmespeicher mit der vorgenannten erfindungsgemäßen aktiven Speicherfüllung besitzt eine Wärmekapazität von 0-3,5 kWh, wobei zwischen Auf- und Entladen eine Temperaturdifferenz von At = 10 °C auftritL Diese Wärmekapazität ist fünfmal so groß wie die Wärmekapazität eines Wasserspeichers gleichen Volumens. PATENTANSPRUCH Latentwärmespeicher hoher Leistungsfähigkeit, bestehend aus einer Ladekammer und einem Speicherraum, die durch eine oberflächenvergrößemde Scheidewand getrennt sind, wobei in der Ladekammer ein vollständig von einem flüssigen Wärmetransportmedium bedeckter Wärmeübertrager angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß die im Speicherraum (1) zugewandte Seite der Scheidewand (7) vollständig von einem Gemenge, das die Stoffsysteme I, II, ΠΙ und IV enthält, bedeckt ist, wobei - das Stoffsystem I aus einem oder mehreren Stoffen besteht, die aufgrund ihrer Umwandlungswärme und spezifischen Wärmekapazität wärmespeichemde Eigenschaften besitzen, beim Schmelzen und Erstarren Phasen unterschiedlicher Dichte und Zusammensetzung bilden, wodurch Entmischung auftritt, z. B. Glaubersalz und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 50 bis 95 Volumenprozent beträgt, - das Stoffsystem Π aus einer Flüssigkeit besteht, die eine oder mehrere Komponenten enthält, die das Stoffsystem I nicht oder nur geringfügig zu lösen vermag, die Dichte des Stoffsystems Π (pjj) und die Dichte der schmelzflüssigen Phase des Stoffsystems I (pj) der Bedingung -5- Nr. 391 870 Ρΐ-Ρπ genügen, der Dampfdruck des Stoffsystems I (Pqj) und Dampfdruck des Stoffsystems II (Pqjj) die Bedingung 5 PDI<<PDII erfüllen, z. B. Äthylbromid und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0,5 bis 50 Volumenprozent beträgt, 10 - das Stoffsystem ΙΠ aus einem oder mehreren flüssigen oder festen grenzflächenaktiven Stoffen (Tenside), z. B. -i Alkylsulfat besteht und sein Anteil am Gesamvolumen der aktiven Speicherfüllung 0,01 bis 5 Volumenprozent beträgt und - das Stoffsystem IV aus einem oder mehreren Keimbildnem, z. B. Borax besteht und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0 bis 20 Volumenprozent beträgt. 15 20 Hiezu 1 Blatt Zeichnung -6-