DD147405A1

DD147405A1 - phase-change material

Info

Publication number: DD147405A1
Application number: DD21670379A
Authority: DD
Inventors: Thomas Noack; Wolfgang Ahrens
Original assignee: Thomas Noack; Wolfgang Ahrens
Priority date: 1979-11-06
Filing date: 1979-11-06
Publication date: 1981-04-01

Abstract

Die erfindungsgemaesze Loesung arbeitet als Waermespeicher mit Waermeuebertrageeigenschaften auf der Basis von Latentspeichermaterialien. Die erfindungsgemaesze Anordnung ist vorgesehen fuer die Gewinnung und Nutzung der in der Umwelt vorhandenen Energie in Form von Sonnenenergie, Endwaerme bzw. Industrieabwaerme. Der Waermespeicher besteht aus zwei voneinander getrennten Druckkammern, die zum Teil mit einem fluessigen Waermetransportmedium gefuellt sind. Die Trennwand zwischen den Druckkammern, die jeweils einen Waermeuebertrager enthalten, besteht aus Lastenspeichermaterial. Hauptvorteil des Speichers ist die gleichzeitige Be- und Entladbarkeit und die Unmoeglichkeit einer unkontrollierten Entladung.The inventive solution works as a heat storage with heat transfer properties on the basis of latent storage materials. The erfindungsgemäaesze arrangement is intended for the extraction and use of existing energy in the environment in the form of solar energy, endotherm or Industrieabwaerme. The heat accumulator consists of two separate pressure chambers, some of which are filled with a liquid heat transfer medium. The partition wall between the pressure chambers, each containing a heat transfer medium, consists of load storage material. The main advantage of the memory is the simultaneous loading and unloading and the impossibility of uncontrolled discharge.

Description

La ten ty; ar me Gp ei eherLa teny; Ar me Gp ei sooner

Aην;e ndunp; sρ;ο bi e_nt αο r Έν£ iηdim.^Aην; ndunp; s ρ; ο bi e _n t αο r Έν i iηdim. ^

Die Gewinnung von Wärme aus Energiequellen, die zeitlichen Schv/ankungjen hinsichtlich ihrer Verfügbarkeit und ihres l'.era™ peraturniveaus unterliegen, erfordert den Einsatz von Speichern. Diese haben die Aufgabe, diese Schwankungen auszugleichen und die zeitliche Differenz, die zwischen Warme-.angeboü ;.mc 'Wärmebedarf besteht, zu überbrücken. So ist die Gewinnung und Nutzung der in α er Umwelt; vorhandenen Energien (bonnanenorgie , Evdsvärine, Indus tr ie abwärme) ii:i allgemeinen r iai ti Hilfe von speichern möglich.The extraction of heat from energy sources, which are subject to temporal fluctuations in terms of their availability and their temperature, requires the use of storage. These have the task of compensating for these fluctuations and of bridging the difference in time between heat and heat. So is the extraction and use of the environment in α; existing energies (bonnanenorgie, evdsvärine, industrial waste heat) ii: i general r iai ti Help from save possible.

Der erfin iungs^eniäBs Speicher ist vorzur::sv.'eise für diese Anv;enciun;-.:üial.le vorgesehen.The memory is preferably provided for this purpose.

In den ^egemvärbig bekannten technischen Lösungen für die liuozbarBJachun.^ von in der Ijji;.velt vorhandenen Energien siiid Speicher vorgegeben, dio nach den verschiedeascen Prinzipien arbeiten«In the technically known technical solutions for the Liuabbar of Yachun, of the energies available in the ijjvelt, memory is given which operates according to the various principles.

In diese;;: EusaKürenhan^ sind u·, a» Kurz.- oder Langzeitspeicher, "£^;'est-, FlÜGsig'-cei πα- oder La üent^äx-me speicher, Verd'cängungsspeicher. Vor- oder iiachvväi'uiccpeicher boiiannb*In this case we have u, a "short-term or long-term storage," £ ^; 'est, "liquid" or "storage" storage, displacement storage, before or after storage. uicc storage boiiannb *

rieben den Vorteilen, die diese ßpoieher gemeinhin aufv:eisen, besiüzen sie den N'acliLeil_ä daji sie nicli bei;a Auftreten zeitlicbor Scuw<vnkun;""O'a iacorhalb des Ojeiroerauurnivoaus derTo the advantages which these psycho-poets commonly formulate, they add to the N'acli part _a daji they noti; a Occurrence temporally Scuw <vnkun;""O'a iacorhalb the Ojeiroerauurnivoof the

- 2 - ι ι i/nj - 2 - ι i / nj

Wärmequelle unkontrolliert entladen können. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Temperatur der Energiequelle unter die jeweils vorhandene Temperatur des Speichermediums sinkt. Diese Ersche-inung läßt sich gegenwärtig nur durch den Einsatz entsprechender Regelungstechnik verhindern.Heat source can discharge uncontrollably. This is always the case when the temperature of the energy source drops below the respective existing temperature of the storage medium. At present, this phenomenon can only be prevented by the use of appropriate control technology.

Des weiteren sind verschiedene Lösungen "bekannt, die zum Laden und Entladen eines Speichers ein Wärmetransportmedium benutzen.Furthermore, various solutions are known which use a heat transport medium for loading and unloading a storage.

Gemäß DE-AS 2.517*080 dient als Wärmetransportmedium Natrium, welches im Wechsel von Verdampfen und Kondensieren für den Wärmetransport in den Speicher hinein oder aus dem Speicher heraus sorgt und den Einsatz einer Umwälzpumpe erspare. Lösungen dieser Art haben den Kachteil, daß das Laden und das Entladen des Speichers zeitlich immer nur nacheinander erfolgen kann 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 erfolgt. Folglich kann ein Speicher unter Verwendung eines Wärmetransportmediums nicht gleichzeitig geladen und entladen werden.According to DE-AS 2,517 * 080 serves as a heat transport medium sodium, which provides in the change of evaporation and condensation for the heat transport into the memory or out of the memory out and the use of a circulating pump. Solutions of this type have the disadvantage that the loading and unloading of the memory can only ever take place consecutively and never simultaneously. The reasons for this are the differences between the temperatures that occur during charging and discharging. The loading of a memory can always be carried out only in the presence of a heat amount of higher temperature, the discharge takes place to a system of low temperature. Consequently, a memory using a heat transport medium can not be simultaneously charged and discharged.

In CH-PS 601.738 ist ferner ein Latentwärmespeicher beschrieben, der einen mit Phasenwechselmaterial gefüllter Behälter- und mindestens einen mit diesem Behälter über einen wärmetauscher thermisch verbundenen, von einem gasförmigen oder flüssigen Yfärmetransportwittel durchströmten Raun enthält.In CH-PS 601.738 a latent heat storage is also described, which contains a container filled with phase change material container and at least one thermally connected to this container via a heat exchanger, by a gaseous or liquid Yfärmetransportwittel perfused Raun.

Da sich die Aufgabe der Erfindung nur auf Konstruktionsprobleme (u. a. modulare Bauweise, Fällung mit Latentspeichermaterial, Integrierbarkeit des Speichers in War inekreislaufe) bezieht, besitzt auch diese Lösung die generellen Nachteile des Standes der Technik.Since the object of the invention relates only to design problems (inter alia, modular design, precipitation with latent storage material, integrability of the memory in War inekreislaufe), this solution has the general disadvantages of the prior art.

Selbst vierm die konstruktive Lösung gemäß Fig. 1 in CH-P3 601,73S benutzt werden würde, um einen Lade-(Stutzen 10 und 12) bzw. einen Sntladekreis (Stutzen 14 und. 16) gleichzeitig an. den Speicher anzuschließen, käme kein gleichzeitiges Laden und Entladen zustande.Even fourm the constructive solution according to Fig. 1 would be used in CH-P3 601,73S to a charging (nozzle 10 and 12) and a Sntladekreis (sockets 14 and 16) at the same time. to connect the memory, there would be no simultaneous charging and discharging.

Der Speicher könnte z. B. erst garnicht geladen werden, da Lade- und Entladekreis thermisch über ihre Trennwände und über Teile des Wärmerohrs 18 kurzgeschlossen sind.The memory could z. B. are not charged at all, since charge and discharge circuit are thermally shorted over their partitions and parts of the heat pipe 18.

In der Mehrheit der 'technischen Anwendungsfälle ist aber die gleichzeitige Lade- und Entlademö.glichkeif des Speichers bzw. die Verhinderung einer unkontrollierten Entladung erforderlich*In the majority of 'technical applications, however, the simultaneous charging and discharging of the memory or the prevention of an uncontrolled discharge is required *

Zieljier ErfindungAiming at the target

Das Ziel der Erfindung besteht deshalb darin, den Mangeln des Standes der Technik abzuhelfen und einen Wärmespeicher au entwickeln, welcher die mit einem verdampfenden und kondensierenden Wärme transpor tneclium vorhandenen Vor teile mit der Möglichkeit verbindet, den Speicher zu jeder Seit und damit auch gleichzeitig zu laden und zu entladen,und •Möglichkeiten zu schaffen, die ein unkontrolliertes Entladen des Speichers verhindern.The aim of the invention is therefore to remedy the shortcomings of the prior art and develop a heat storage au, which shares the existing with a vaporizing and condensing heat tneclium existing parts with the ability to load the memory to each side and thus simultaneously and • to create opportunities that prevent uncontrolled unloading of the storage.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bereits bekannte Wärmespeicher bei Verwendung erprobter Wä.rjr«transport- bzw* Speioheriiiedien konstruktiv so zu v-ai-äncUrrn, daß der Latentwärmespeicher gleichzeitig ge- und entladen werden kann und ein unkontrolliertes iJntladea des Latmitwäriüespeichers unmöglich ist. ;It is therefore an object of the invention, already known heat storage using proven Wä.rjr «transport or * Speioheriiiedien constructive so v-ai-ÜncUrrn that the latent heat storage can be loaded and unloaded simultaneously and an uncontrolled iJntladea the Latmitwäriüesem store is impossible. ;

Brfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Laden und Entladen des Latentwärmespeicher^ (nachfolgend Speicher genannt) in zwei voneinander getrennten Druckkammern (einer Lade- und einer Entladekammer) erfolgt, die zum Teil mit einem flüssigen Warmetransportraedium (z. Z· einem Kältemittel) gefüllt sind. Die !Trennwand zwischen beiden Kammern ist als flacher Behälter ausgeführt, dessen Wandung zur Verbesserung der Wärmeübertragung profiliert oder berippt sein kann und welcher die Latentspeichermasse' enthält. Bei druckfesten Latentspeichermassen kann anstelle des Behälters die Latentspeichermasse als Trennwand dienen.According to the invention, this object is achieved in that the charging and discharging of the latent heat accumulator (hereinafter referred to as accumulator) takes place in two separate pressure chambers (a charging chamber and an unloading chamber), some of which are equipped with a liquid heat transfer medium (eg a refrigerant). are filled. The dividing wall between the two chambers is designed as a flat container whose wall can be profiled or ribbed to improve the heat transfer and which contains the latent storage mass. In pressure-resistant latent storage masses, the latent storage mass can serve as a partition instead of the container.

Beide Kammern, die vorzugsweise übereinander angeordnet sind (oben die Entladekammer, unten die Ladekammer), enthalten einen oder mehrere Wärmeübertrager. Der oder die Wärmeübertrager der (unteren) Ladekammer sind so angeordnet, daß sie von flüssigen Wärmetransportmedien umgeben sind. Der oder die Wärmeübertrager der (oberen) Entladekaramer sind so angeordnet, daß sie sich außerhalb des Wärmetransportmediums befinden.Both chambers, which are preferably arranged one above the other (top of the discharge chamber, below the loading chamber), contain one or more heat exchangers. The one or more heat exchangers of the (lower) loading chamber are arranged so that they are surrounded by liquid heat transfer media. The one or more heat exchangers of the (upper) Entladekaramer are arranged so that they are outside of the heat transfer medium.

Das Laden des Speichers, d. h. die Aufheisung der Latentspeichermasse innerhalb der Trennwand erfolgt (vom Wärmeübertrager der (unteren) Ladekammer ausgehend) durch Verdampfung des Wärmetransportmediums und dessen Kondensation an der Unterseite der Speicher-Trennwand.Loading the memory, d. H. the latent storage mass is heated up inside the dividing wall (starting from the heat exchanger of the (lower) loading chamber) by evaporation of the heat transport medium and its condensation at the bottom of the storage dividing wall.

Das Entladen des Speichers, d. h. Abkühlung der Latentspeicherinasse innerhalb der Trennwand erfolgt (von der Oberseite der .Speicher— Trennwand ausgehend) durch Verdampfung des Wärmetransportmediums an dieser Stelle und dessen Kondensation am Wärmeübertrager der (oberen) En'tladekammer,The unloading of the memory, ie cooling of the latent storage mass within the partition takes place (starting from the top of the .Speicher- partition) by evaporation of the heat transfer medium at this point and its condensation at the heat exchanger of the (upper) En'tladekammer,

Durch die Aufteilung des Speichers in zwei Druckkammern ist erreicht, daß sich in jeder Kammer der zur Lade- bav;. Entladetemperatur zugehörige Siededruck einstellt, so daß trotz derBy dividing the memory in two pressure chambers is achieved that in each chamber of the loading bav ;. Discharge temperature corresponding boiling pressure sets, so that despite the

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Unterschiede, die zwischen Lade- und Entladetemperatur bestehen, die Wärmeübertragung in den Speicher hinein und aus diesem heraus gleichzeitig erfolgen kann.Differences that exist between charging and discharging, the heat transfer into the memory and out of this can be done simultaneously.

Pes weiteren ist erreicht, daß beim Absinken der Temperatur der Wärmequelle unter die Spcichertemperatur der Speicher nicht über den oder die Wärmeübertrager der (unteren) Ladekaminer unkontrolliert entladen werden kann, da der oder die Wärmeübertrager der (unteren) Ladekararae'r vorn flüssigen V/ärme~ transportmedium umgeben wird, das aufgrund der niedrigen Temperatur· der Wärinaquelle lediglich unterkühlt wird. Die Ausbildung eines Kondensations- und Verdampfungskreislaufes, in dessen Folge Wärme aus dem Speicher abgezogen wird, ist in dieser Situation nicht möglich«Pes further is achieved that when the temperature of the heat source below the Spcichertemperatur the memory can not be unloaded on the or the heat exchanger of the (lower) loading chamber uncontrolled, since the one or more heat transfer of the (lower) Ladekararae'r front liquid V / arms ~ Transport medium is surrounded, which is only supercooled due to the low temperature · the source of heat. The formation of a condensing and evaporating circuit, which removes heat from the store, is not possible in this situation. "

A u ο f i^: hrun gjfb 9 ijn? iel. A u ο ^fi: hrun gjfb 9 ijn? iel.

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand der Fig. 1 näher erläutert v/sr den*The solution according to the invention will be explained in more detail with reference to FIG.

Der Speicher besteht aus zwei Druckkammern, aus der Ladekaiuraer 1 "Und eier Ent la de kammer 2, Die Trennwand 3 enthält die Speichermas--e 4- (vorzugsweise Latentspeichermasse). Das Wärmetranr-iportmedium 7 in der Ladekammer 1 bedeckt den Wärmetibertrager 5 vollständig« Das Wärmetransportmedium 8, das mit dem Wärmetransportmrrdiuin 7 identisch sein kann, bedeckt vollständig die Oberfläche der Trennwand 3· Der Wärmeübertrager 6 der Entladekaniüier 2 befinde;: sich außerhalb des Wärme transportmediums 8«, Der Speicher ist isoliert rait einem Isolation-smaterial 9·The memory consists of two pressure chambers from the Ladekaiuraer 1 "and eggs Ent la de chamber 2, The divider 3 contains the Speichermas - e. 4- (preferably latent heat storage mass) The Wärmetranr-iportmedium 7 in the loading chamber 1 is covered heat Tiber exchanger 5 is completely The heat transfer medium 8, which may be identical to the heat transfer device 7, completely covers the surface of the partition wall 3. The heat exchanger 6 of the discharge tank 2 is located outside the heat transport medium 8, the storage tank is insulated with an insulating material 9.

Beim Laden des Speichers laufen -folgende Prozesse ab:When loading the memory, the following processes take place:

Der Wärmeöbertr'-iger 5 wird von eiaem Wärmeträger·, der Wärme von einer Energiequelle enthält, durchströmt. Ist die Temperatur üeü Wärme tr·;· Ig Gi-S- hoher al..i die zu dem in der Lade- kämmer 1 vorhandenen Druck gehörende- Siedetemperatur, so verdampft das Wärme iva.'atisporojijirdiui:}. '/ aLi Wärme üb or träger 5= KsThe heat exchanger 5 is flowed through by a heat carrier containing heat from an energy source. If the temperature above heat is higher than the boiling point in the chamber 1, the heat viva.'atisporojijirdiui evaporates. '/ aLi heat absorber 5 = Ks

steigt auf, kondensiert an der Unterseite der Trennwand, gibt dort die bei der Kondensation frei werdende Uiirwandlungsenthalpie an das Speichermaterial ab, tropft zum Wärmeübertrager 5 zurück und verdampft dort von neuem.rises, condenses on the underside of the partition wall, where it releases the Uiirwandlungsenthalpie released in the condensation to the storage material, drips back to the heat exchanger 5 and evaporates there again.

Dieser Vorgang bleibt solange erhalten, v/i θ die Temperatur des den Wärmeübertrager 5 durchströmenden Y/är me trägers höher ist als die Siedetemperatur. Unterliegt diese Temperatur zeitlichen Schwankungen, so ist dieser Vorgang sofort unterbrochen, wenn die Temperatur unter die Siedetemperatur absinkt.This process is maintained as long as the temperature of the heat exchanger 5 flowing through the heat transfer medium is higher than the boiling temperature. If this temperature is subject to fluctuations over time, this process is interrupted immediately when the temperature drops below the boiling point.

Beim Entladen des Speichers laufen folgende Prozesse ab:When unloading the memory, the following processes take place:

Der Wärmeübertrager 6 wird von einem Wärmeent:ζugs medium durchströmt. Ist die Temperatur dieses Mediums kleiner als die zu dem in der Entladekammer 2 vorhandenen Druck gehörende Kondensationstemperatur des Wärme transp or tmediuras 8, so kondensiert das in der Kammer dampfförmig vorhandene Wärmetransportiaediura 8 am Wärmeübertrager 6. Die Folge davon ist ein Druckabfall in der Entladekammer, der seinerseits zu einer Siedepunkterniedrigung und zu einer weiteren Verdampfung des Wärme transp or tine diums 8 an der Oberfläche der Trennwand 3 führt.The heat exchanger 6 is flowed through by a heat medium. If the temperature of this medium is less than the condensation temperature of the heat transp or tmediuras 8 associated with the pressure present in the discharge chamber 2, the heat transfer medium 8 present in vapor form in the chamber condenses on the heat exchanger 6. The result of this is a pressure drop in the discharge chamber in turn leads to a boiling point reduction and to a further evaporation of the heat transp or tine diums 8 at the surface of the partition wall 3.

Das durch Verdampfung aufsteigende Wärmetransportmedium 8 kondensiert amWärmeübertrager 6, gibt an diesen die bei der Kondensation frei werdende Umwandiungsenthalpie ab und tropft zur Oberfläche der Trennwand zurück.The heat transport medium 8 rising by evaporation condenses on the heat exchanger 6, discharges therefrom the enthalpy of transformation released during the condensation and drips back to the surface of the partition wall.

Oieser Vorgang vollzieht sich solange, wie die Temperatur des den Wärmeübertrager 6 durchströmenden Wärmeentzugsmediums kleiner ist als die Siedetemperatur. Steigt die Temperatur über die Siedetemperatur oder wird die Durchströiaüng im Wärmeübertrager 6 unterbunden, wird der Vorgang unterbrochen.This process takes place as long as the temperature of the heat transfer medium 6 flowing through the heat extraction medium is less than the boiling temperature. If the temperature rises above the boiling point or the Durchströiaüng is prevented in the heat exchanger 6, the process is interrupted.

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Der Lade- als auch der jSntladevorgau^ laufen deiQsufolge unabhängig voneinander ab» Das bedeutet, daß beide auch gleichzeitig; ablaufen können, -^as Prinzip des Ladens und Entladens macht ein unkontrolliertes Entladen des Speichers unmöglich, da die Wärme immer nur in einer Richtung, d. h. vom Wärmeübertrager 5 ²^²¹ Wärmeübertrager 6_S transportiert werden kann und niemals, umgekehrt* Folglich läßt sich dieses Prinzip auch als "Wärmegleichrichter¹¹ verwenden, wenn es darauf ankommt, das Rückströmen von Wärme in einen bestimmten Kreislauf zu verhindern.The loading and unloading operations, therefore, proceed independently of each other. "This means that both are at the same time; The principle of loading and unloading makes an uncontrolled unloading of the store impossible, since the heat can be transported only in one direction, ie by the heat exchanger 5 ² ^ ²¹ heat exchanger 6 _S and never, vice versa * Consequently, this can be Principle also as "heat rectifier ¹¹ use when it comes to preventing the backflow of heat in a particular circuit.

Claims

-S--S

Invention claim.

1. latent heat storage with thermal insulation against its environment, in which heat transfer is realized by evaporation condensation circuits by means of suitable refrigerants, characterized in that 'the latent heat storage of at least two chambers (1), (2), which has a common from Latentspeichermasse (4 ·) Existing, preferably enlarged surface partition wall (3), wherein in the loading chamber (1) a completely surrounded by liquid heat transfer medium (preferably refrigerant) heat exchanger (5) is arranged and the loading chamber (1) facing side of the 'partition (3) is not in contact with the refrigerant, whereas the discharge chamber (2) facing side of the partition wall (3) is completely covered by refrigerant and the heat exchanger (6) is not in contact with the refrigerant.

See 1See drawings