DD225857A3 - Hochleistungswaermespeicher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Waermespeicher auf der Basis von Latentspeichermaterialien. Der erfindungsgemaesse Speicher besitzt eine hohe Waermekapazitaet, geringe Lade- und Entladezeiten und kann gleichzeitig be- und entladen werden. Die aktive Speicherfuellung besteht aus 4 unterschiedlichen Stoffsystemen. Hauptanteil der aktiven Speicherfuellung sind zur Stratifikation neigende Latentspeichermaterialien, deren anwendungstechnisch negative Eigenschaften durch die weiteren Stoffsysteme ueberwunden werden.

Description

Hochleistungswärmespeicher

Anwendungsgebiet der Erfindung

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 Umwelt energie (Erdwärme, Sonnenenergie, Geothermalenergie u. a.) als auch Anfallenergie (Abwasser, Abluft u. a.) dienen .

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Die Mehrheit praktisch realisierter Wärmespeicher arbeiten auf der Basis fühlbarer Wärme, die an Speichermaterialien wie Erdreich, Wasser, Steine, Eisenblöcke, öl/ Beton u. ä. übertragen oder von diesen entnommen wird. Diese Speichersysteme besitzen eine Reihe wesentlicher Nachteile:

- 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 zieht.

- Aufgrund der bei den Speichermaterialien allgemein verbundenen niedrigen spezifischen Wärmekapazitäten, ist das Masse/Leistungsverhältnis im Vergleich mit den nachfolgend beschriebenen Hochleistungswärmespeicher sehr ungünst ig .

- 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 starke Verringerung der Lade- bzw. Entladeleistung während des Ladens bzw. Entladens in Kauf genommen werden.

- Die Wärme muß stets bei einem Temperaturniveau gespeichert werden, das oberhalb der Temperatur liegt, die für einen bestimmten Wärmeprozeß (z. B. Heizen) mindestens benötigt wird. Der Speicherprozeß arbeitet dadurch mit

α π c c D λ D Q η <, η Q Q j q

einer unnötigen Erzeugung und Vernichtung von Energie, die z. B. in Arbeitsmaschinen viel sinnvoller eingesetzt we rden könnte .

Möglichkeiten zur Abhilfe der genannten Mangel 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 Wärmespeichermediums nahezu konstant. Abweichungen treten nur dann auf, wenn nach Beendigung des Schmelz- oder Erstarrungsprozesses durch fortgesetzte Wärmezu- bzw. Wärmeabfuhr fühlbare Wärme übertragen wird, in deren Folge die Speichertemperatur steigt oder fällt.

- Die Wärmeübertragungsleistungen bleiben beim Laden und Entladen nahezu konstant. .

- Im Vergleich mit o. g. Speichern können Latentwärmespeicher in Abhängigkeit-.von der gewählten Speichersubstanz und der genutzten Temperaturdifferenz etwa 2 - IO mal· mehr Wärme pro Volumen- oder Masseneinheit aufnehmen.

Die wesentlichen Nachteile, die Latentwärmespeicher aufweisen, sind folgende:

- Geringe Wärmeübertragunsleistungeh infolge der zumeist niedrigen Wärmeleitfähigkeit aller bekannten organischen und anorganischen Speichermaterialien und damit verbundene g roße Wä rmeübert ragungszeiten.

- Die Neigung verschiedener - insbesondere anorganischer Substanzen - während des Prozesses der Wärmeabgabe zu unterkühlen und/oder sich zu entmischen (St rat ifikation).

Zur Vermeidung dieser Nachteile sind aus der Fach- und Patentliteratur verschiedene konstruktive Lösungen bekannt. Beispielsweise werden Konstruktionen vorgeschlagen, bei welchen durch Vergrößerung der .Wärmeübertragungsflachen oder Einfügen von Metallteilchen in Stützsubstanzen, die den Speicherraum erfüllen, die Wärmeleitung an Metallteile gebunden und die Wärmeleitung damit beschleunigt (DT-OS 1928694).

Die Wärmeübertragungsleistung in die Speichersubstanz hinein oder aus dieser heraus wird damit verbessert und die Übertragungsleistungen 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 Betriebs-· temperatur des Speichers liegt (DT-OS 1928694, DT-OS 2648678).

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 eintweder 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 einsetzbaren Metallteilchen verwendet werden kann (DT-OS 1928694).

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.Stratifik ation.

Zur Vermeidung der mit der St rat ifikation einher gehenden 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. (DT-OS 2543686) als Lösung angesehen.

Nachteilig ist dabei, daß hierfür neben dem Speicher Antriebssysteme als auch Antriebsenergie benötigt wird, 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 im DE-AS 2517.080 oder CH-PS 601.738 beschrieben. Den gesamten Vorteilen steht hier der Nachteil des erhöhten Materialeinsatzes gegenüber. Da rüberhinaus lassen diese Lösungen kein gleichzeitiges Laden und Entladen zu oder aber ein unkontrolliertes Entladen des Speichers .

Um den letarjenannten Mängeln des Standes der Technik abzuhelfen, sind Latentspeichersysteme gemäß DD-WP 147.405 und

ι DD-WP 207 753

("Thermischer Speicher") vorgeschlagen worden. Allerdings haftet insbesondere dem Speichersystem gemäß DD-VJP 207 758

noch der Nachteil

an, daß der Speicher problemlos nur mit Speicherstoffen, die keine Stratifikation und Unterkühlung aufweisen, betrieben werden kann und z. B. nur mit organischen Stoffen die benö-

tigten wärmetechnischen Parameter liefert. Zu den erfolgreich eingesetzten organischen Materialien gehört z. B. Paraffin in Verbindung mit Äthanol als Wärmetransportmedium. Diese Stoffe sind jedoch grundsätzlich in bezug auf andere bekannte Latentspeichermaterialien und Wärmetransportmedien sehr teuer und verursachen hohe Anlagenkosten. Darüberhinaus sind z. B. Paraffin - als Erdölprodukte - in großen Mengen teilweise nicht verfügbar.

Ziel der Erfindung

Aus dem bekannten Stand der Technik ergibt sich als Ziel der Erfindung, einen Latenwärmespeicher 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 Speichersy^temen wesentlich verringert werden sollen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aus dem Ziel der Erfindung leitet sich die Aufgabe ab, einen Latenwärmespeicher hoher Leistungsfähigkeit zu entwickeln, in dem vorzugsweise an sich bekannte, jedoch inkongruent schmelzende und zur Entmischung (St rat ifikation) neigende Latent speichermaterialien einsetzbar sind. Erfindungsgemäß erhält deshalb der Hochleistungswärmespeicher auf der Basis der technischen Lösung des DD-WP 2C7 758 :

eine Speicherfüllung, die aus vier Stoffsystemen besteht.

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

Stoffsystem 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 (Stratifikationseffekt) aufbauen und sich das Stoffsystem nicht mehr im Phasengleichgewicht befindet.

Der Anteil des Stoffsystems. I am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Hochleistungsvvärmespeichers beträgt erfindungsgemäß 50 - 95 Volumenprozent. Als Stoff sind z. B.

- 5 Glaube/salz (Na„SO . . 10H₀O) oder Fixiersalz einsetzbar

Stoffsystem II

bestehend aus einem oder mehreren Komponenten zusammengesetzten flüssigen Wärmetransportmedium, in dem das Stoffsystem I nicht oder nur bedingt lösbar ist. Dabei erfüllen die Dichte des Stoffsystems 11..(Cp₁₁) und die Dichte der schmelzflüssigen Phase des Stoffsystems I ( ^ _) erfindungsgemäß folgende Bedingung

wobei der Dampfdruck des Stoff systems I (^p _DI) ^ur|d der Dampfdruck des Stoffsystems II (^ρηττ' erfindungsgemäß der Bedingung

P^P

DI ^ DII

genügen

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

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

Der Fall mit dem Volumenanteil Null des Stoffsystems II ist dann möglich, wenn erfindungsgemäß des Kristallwasser des Stoffsystems I als ',Värmet ransportmedium benutzt wird und damit das Stoffsystem II darstellt.

StoffsysterTi_III

bestehend aus einem Sammler, der ein oder mehrere feste oder flüssige Stoffe mit polar-unpolarem Aufbau (Tenside) oder unpolare Stoffe enthält.

Der Anteil des Stoffsystems III am Gesamtvolumen der aktiven Speicher füllung des Hochleistungswärmespeichers beträgt er findungsgemäß

0-5 Volumenprozent.

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

Für den Fall, daß das Stoffsystem I nur wenig oder gar n.icht inkongruent schmilzt, ist der Einsatz des Stoffsystems III für die aktive Speicherfüllung nicht erforderlich.

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

Stoffsystem. IV

bestehend aus einem oder mehreren Keimbildnern, 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.

Ausführunqsbeispiel

Der erfindungsgemäße Hochleistung.swärmespeicher soll in seinem Leistungsvermögen an nachstehendem Beispiel vorgestellt we rde η :

Die Speicher füllung besteht aus:

Stoffsystem I Glaubeisalz _{g3 v} ·, _c/

/0

Stoffsystem II Äthylbromid -,,_

(C₂H₂Br) ^{35 v}^ <°

Stoffsystem III Pilantin V 1 VoI %

Stof fsystem IV Borax 1 Vol.·. %

Vom Stoffsystem I wurden 50 kg Glaubesalz zum Einsatz gebracht

Der Hochleistungwärmespeicher mit der vorgenannten erfindungsgemäßen aktiven Speichererfüllung besitzt eine Wärmekapazität von 0=3 kWh, wobei zwischen Auf- und Entladen eine Temperaturdifferenz von t = 10 ⁰C auftritt.

Diese'Wärmekapazität ist fünfmal so groß wie die Wärmekapazität eines Wasserspeichers gleichen Volumens.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   Hochleistungswärmespeicher mit konstruktivem Aufbau gemäß DD-WP 207 758 und einer aktiven Speicherfüllung, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Speicherfüllung die vier Stoffsysteme I, II, III und IV enthält, wobei

   - das Stoffsystem I aus einem oder mehreren Stoffen besteht, die aufgrund ihrer Umwandlungswärme und spezifischen Wärmekapazität wärmespeichernde Eigenschaften besitzen, beim Schmelzen und Erstarren Phasen unterschiedlicher Dichte und Zusammensetzung bilden, wodurch St rat ifikationserscheinungen auftreten, z. B. Glaubeisalz und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 50-95 Volumen-ρrozent bet ragt,

   - das S.toffsystem II aus eine oder mehrere Komponenten enthaltene Flüssigkeit besteht, die das Stoffsystem I nicht oder nur bedingt zu lösen vermag, die Dichte des Stoffsystems II('2 -j) und die Dichte der schmelzflüssigen Phase des Stoffsyst ems I (Q _T) der Bedingung

   (Q

   < Si

   genügt, der Dampfdruck des Stoffsystems I (P__T) und der Dampfdruck des Stoffsystems II (Ρ^_ττ) die Bedingung

   DI <££ DII

   erfüllt, z. 3. Äthylbromid und sein Anteil am Gesamtvolumen

   er al
   t ragt

   der aktiven Speicherfüllung G bis 50 Volumenprozente be-

   das Stoffsystem III aus einem Sammler besteht, der einen oder mehrere flüssige oder feste Stoffe mit polar-unpolarem Aufbau (Tenside) oder unpolare Stoffe, z. B. Alkylsulfat enthält und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung Q bis 5 Volumenprozent beträgt, und

   das Stoffsystem IV aus einem oder mehreren Keimbildnern, ζ. Β Borax besteht und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung O bis 20 Volumenprozent beträgt.