DE10048536A1 - Dynamischer Latentwärmespeicher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher (1) bspw. dynamischer Latentwärmespeicher mit einem Latentwärmespeichermaterial (3) auf Basis etwa von Paraffin, Salz oder Fett und einem ggf. Siede- und Kondensationsphasen durchlaufenden Wärmetransportmedium (4). Zur Erzielung eines verbesserten Latentwärmespeichers schlägt die Erfindung vor, dass das Latentwärmespeichermaterial (3) aus im Vergleich zu dem Latentwärmespeicher (1) kleinen gesonderten, unverkleideten Mediumelementen besteht, zwischen denen Strömungswege (5) für das Wärmetransportmedium (4) verbleiben und dass das Latentwärmespeichermaterial (3) mit einem Verdickungsmittel versetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher, bspw. einen dynamischen Latentwärmespeicher, mit einem Latent­ wärmespeichermaterial auf Paraffinbasis und einem ggf. Siede- und Kondensationsphasen durchlaufenden Wärme­ transportmedium.

Derartige Latentwärmespeicher sind bereits in verschie­ denen Ausgestaltungen bekannt geworden. Hinsichtlich dynamischer Latentwärmespeicher wird insbesondere auf die EP 522 259 B1 verwiesen, darüber hinaus auch auf die DD 270 310, die DE 35 24 242 A1, die DD 236 862 und die DE 33 25 943 C2.

Bei diesen bekannten Latentwärmespeichern wird prak­ tisch reines Paraffin als Latentwärmespeichermaterial benutzt. Darüber hinaus sind als Latentwärmespeicher­ materialien auch Salze und bspw. Fette bekannt. Gerade auch bei dynamischen Latentwärmespeichern bestehen doch entscheidende Nachteile. So ist insbesondere bei Paraf­ fin keine beliebige geometrische Ausgestaltung möglich. Der Latentwärmespeicher kann nicht mit beliebiger Länge ausgebildet werden, da die Durchsetzung des Paraffins dann nicht mehr zu erreichen ist. Es gibt, obwohl in der vorgenannten Schrift hierzu bereits Siedekörper vorgeschlagen sind, gleichwohl gewisse Druckstoßproble­ me durch Siedeverzüge. Durch die genannten Siedekörper sind diese nur in gewissen Grenzen zu überwinden.

Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik stellt sich der Erfindung die Aufgabe, einen verbesser­ ten, ggf. verbesserten dynamischen Latentwärmespeicher anzugeben.

Diese Aufgabe ist zunächst und im Wesentlichen beim Gegenstand des Anspruches 1 gelöst, wobei darauf abge­ stellt ist, dass das Latentwärmespeichermaterial aus im Vergleich zu dem Speicher kleinen, gesonderten, unver­ kleideten Medienelementen besteht, zwischen denen Strö­ mungswege für das Wärmetransportmedium verbleiben und wobei das Latentwärmespeichermaterial aus mit einem Verdickungsmittel versetzten Medium wie etwa Paraffin, Salz, Fett oder dergleichen besteht. Wenn diese Medium­ elemente bspw. kugelförmige Gestalt haben, verbleiben geometrisch zwangsweise die erforderlichen Strömungswe­ ge für das Wärmetransportmedium zwischen den Mediumele­ menten. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Medium­ elemente so eingestellt sind, hinsichtlich des Latent­ wärmespeichermaterials und dessen Anteil, dass im entla­ denen Zustand, also nach Unterschreiten der Umwandlungs­ temperatur des Latentwärmespeichermaterials, eine harte oder relativ harte Einstellung gegeben ist und dass im geladenen Zustand, also oberhalb der Phasenumwandlungs­ temperatur zu flüssig des Latentwärmespeichermaterials, eine relativ weiche Einstellung gegeben ist. Dies ist bspw. auch mit dem Effekt verbunden, dass beim Laden eines im Wesentlichen vollständig mit derartigen Medium­ elementen, bis auf die dazwischen verbleibenden Strö­ mungswege erste Mediumelemente bereits weich sind, während die verbleibenden Mediumelemente noch hart sind. Da im weichen Zustand, also oberhalb der Phasenum­ wandlungstemperatur des Latentwärmespeichermaterials zu flüssig hin, auch eine größere Ausdehnung der Mediumele­ mente gegeben ist, kann diese aufgrund der Weichheit gut in einem geschlossenen Behältnis aufgefangen wer­ den. Zudem stellt sich ein gewisser selbstregelnder Effekt ein: Die weichen, volumenmäßig vergrößerten Mediumelemente verengen die Strömungswege etwas, so dass sich die Durchströmung verstärkt zu den noch nicht aufgeschmolzenen Elementen hin verlagert. Zudem stellt sich ein gewisser Pumpeffekt ein, dass nämlich zwischen den bereits relativ weich gewordenen Mediumelementen befindliches Wärmetransportmedium verdrängt wird in Bereiche, in welchen die Mediumelemente noch vergleichs­ weise hart eingestellt sind.

Insbesondere auch hinsichtlich der Ausgestaltung eines dynamischen Latentwärmespeichers ist von der Gestaltung und Höhe her keine Begrenzung mehr gegeben. Es ist kein "Pfropfen" von Latentwärmespeichermaterial her gegeben, der durch das siedende Wärmetransportmedium durchsetzt werden muss.

Dadurch, dass ein Verdickungsmittel vorgesehen ist, ergibt sich kein Auslaufen und Verlaufen des Latentwär­ mespeichermaterials, also bspw. des Paraffins, Salz oder Fettes, mehr im geladenen Zustand des Speichers, das heißt bei Schmelztemperatur des Latentwärmespeicher­ materials. Es ist aber auch kein eigenes Strukturmateri­ al notwendig. In besonders bevorzugter Ausführung kann es sich bei dem Verdickungsmittel um ein Styrol-Block- Copolymer handeln. Im Einzelnen um ein solches, das unter dem Handelsnamen Kraton, G erhältlich ist. Jeden­ falls ist es bevorzugt, hier Diblock-, Triblock-, Radi­ alblock- und/oder Multiblock-Copolymere einzusetzen. Dies führt zu einer festen oder gelartigen Struktur des Mediumelementes.

Hinsichtlich des Paraffins kann es sich um sehr ver­ schiedenartige, unter diesem Begriff zusammenzufassende Stoffe handeln. In der Regel sind es feste paraffini­ sche Kohlenwasserstoffe (Makro-Paraffine, Intermediat- Paraffine, mikrokristalline Wachse). Bekanntlich werden feste, paraffinische Kohlenwasserstoffe in der Regel aus Vakuumdestillationsfraktionen durch verschiedene technologische Trennschnitte gewonnen, die einen gewis­ sen Ölanteil bedingen. Dieser kann durchaus enthalten sein. Darüber hinaus kann es sich auch um synthetische Paraffine handeln, die im Fischer-Tropsch-Verfahren gewonnen sind. Derartige FT-Paraffine bestehen vornehm­ lich nur aus Normal-Paraffinen. Mehr als 90% sind ge­ wöhnlich N-Alkane. Der Rest sind Iso-Alkane. Die Ketten­ länge liegt bei C30 bis etwa C100, bei einer Gradation (auch Erstarrungspunkt EP) von ca. 86°C bis 10500. Zu FT-Paraffinen allgemein wird auch bspw. auf die Litera­ turstelle A. Kühnle "In Fette, Seifen, Anstrichmittel" 1982, Seiten 156 bis 162 verwiesen.

Das Verdickungsmittel kann je nach Bedarf zugesetzt werden. Ein üblicher Anteil ist 10 bis 15% bezogen auf die Gesamtmasse eines beschriebenen Mediumteilchens. Wesentlich ist, dass beim Durchströmen der Wärmetrans­ portflüssigkeit bzw. dessen Dampfform kein Auslösen des Paraffins auftritt.

Die Arbeitstemperatur eines solchen Latentwärmespeicher­ körpers kann insbesondere durch den im Latentwärmespei­ cher herrschenden Druck bzw. Unterdruck feinfühlig eingestellt werden. Entsprechend ist auch die Schmelz­ temperatur des Latentwärmespeichermaterials (Paraffin) zu wählen bzw. einzustellen.

Das erfindungsgemäße Konzept des Latentwärmespeichers ist vorteilhaft weiter auch dadurch ausgenutzt, dass der Latentwärmespeicher unter Belassung der genannten Strömungswege vollständig mit dem Latentwärmespeicherma­ terial gefüllt ist. Es ist nicht mehr erforderlich gewisse Freiräume, im Sinne von Freiheit von Latentwärmespeichermaterial, in dem Latentwärmespeicher zu belas­ sen.

Hinsichtlich des Wärmetransportmediums bietet sich zunächst Wasser an. Darüber hinaus kann es sich aber auch um eine (im kondensierten Zustand) Flüssigkeit handeln, die etwa Alkohol enthält oder aus Alkohol be­ steht. Letzteres insbesondere dann, wenn der Latentwär­ mespeicher hinsichtlich einer Kälte-Anwendung verwendet wird.

Darüber hinaus ist es auch in an sich bekannter Weise bevorzugt, dass in dem Latentwärmespeicher ein Unter­ druck herrscht. Die Mediumteile sind bevorzugt ver­ gleichsweise klein. Jedoch kann die Größe auch nahezu frei eingestellt werden. Relativ gesehen sind die Medi­ umteile mit Größenabmessungen im Bereich von 1/10 bis 1/1000 eines Querschnitts-Durchmessers des Latentwärme­ speichers ausgebildet.

Absolut gesehen können es im Fall von Kügelchen-Medium­ teilen solche sein mit einem Durchmesser von 1 bis 2 oder etwa auch bis 5 mm.

Das Mediumelement kann hinsichtlich seiner Dichte bei Raumtemperatur bzw. bei Ausspeichertemperatur des La­ tentwärmespeichers auf einen Wert eingestellt sein, der höher ist als der entsprechende Wert des Wärmetransport­ mediums. Dann ist sichergestellt, dass das Mediumele­ ment bzw. die Mediumelemente beim Ausspeichern sich am Boden des Speichers befinden. Entsprechend kann auch vorgesehen sein, dass der Wert geringer eingestellt ist, so dass die Mediumelemente jedenfalls dann oben in dem Wärmetransportmedium schwimmen. Es kann auch vorgesehen sein, dass der entsprechende Wert gleich dem Wert des Wärmetransportmediums eingestellt ist.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist auch ein Mediumelement elastisch verformbar. Ein Mediumelement kann weiter einen Gaseinschluss, wie etwa einem Luft­ einschluss aufweisen. Ein Mediumelement kann darüber hinaus auch offene Poren aufweisen. Es kann auch porös- schaumstoffartige Struktur aufweisen.

Nachstehend ist die Erfindung des Weiteren anhand der beigefügten Zeichnung, die jedoch lediglich ein Ausfüh­ rungsbeispiel darstellt, erläutert. Hierbei zeigt die einzige Figur eine schematische Querschnittsansicht eines Latentwärmespeichers, gefüllt mit im Vergleich zu dem Speicher kleinen gesonderten Mediumele­ menten.

Dargestellt und beschrieben ist ein Latentwärmespeicher 1, der aus einem Speicherbehälter 2 und darin angeordne­ tem Latentwärmespeichermaterial 3 besteht. Darüber hinaus befindet sich in dem Latentwärmespeicher 1 ein Wärmetransportmedium 4 in Gestalt von Wasser.

Die gesonderten Mediumelemente 3 besitzen beim Ausfüh­ rungsbeispiel Kugelform. Zwischen den einzelnen, über­ einander angeordneten Mediumelementen 3 sind Strömungs­ wege 5 belassen, im Fall des dynamischen Latentwärme­ speichers für das verdampfende Wärmetransportmedium 4.

Wenn im Fall des dynamischen Latentwärmespeichers 1 dieser in seinem unteren Bereich U aufgeheizt wird, wird das Wärmetransportmedium 4 verdampfen und in seinem oberen, kalten Bereich O wird das Wärmetransportme­ dium sodann kondensieren. Beim Kondensieren frei werden­ de Wärme lädt den Latentwärmespeicher 1 auf, indem die kleinen Mediumelemente 3 erwärmt werden. Das in den Mediumelementen befindliche Paraffin durchläuft einen Phasenwechsel und speichert so im Vergleich große Wärme­ mengen. Obwohl mit der Speicherung von Wärme eine Ver­ flüssigung des Paraffinanteils einhergeht, sorgt das Verdickungsmittel, etwa das genannte Kraton G, bspw., dafür, dass die geometrische Gestalt des Mediumelemen­ tes erhalten bleibt. Es tritt auch nicht etwa ein Aus­ laufen von Paraffin oder dergleichen auf.

Bevorzugt ist, dass das Mischungsverhältnis von Paraf­ fin zu Kraton G etwa 10% beträgt.

Aufgrund der kurzzeitig speicherbaren hohen Wärmemengen kann ein solcher dynamischer Latentwärmespeicher 1 bspw. als thermische Sicherung verwendet werden. Auf die oben bereits genannte DE 35 24 242 A1 wird insbeson­ dere auch in diesem Zusammenhang verwiesen. Wenn etwa bei Aggregatausfällen oder dergleichen frei werdende Wärmemengen kurzzeitig abgeführt und gespeichert werden müssen.

Darüber hinaus sind noch eine Vielzahl anderer Anwen­ dungsmöglichkeiten gegeben. Im einfachsten Fall etwa zur Speicherung von Wärme im Hausheizungsbereich. Dar­ über hinaus auch etwa zur Speicherung von Wärme bei ablaufenden chemischen Prozessen, deren Temperatur auch bei unstetig frei werdender Wärme möglichst konstant gehalten werden soll.

Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswe­ sentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) voll­ inhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims (12)

1. Latentwärmespeicher (1), bspw. dynamischer Latentwär­ mespeicher mit einem Latentwärmespeichermaterial (3) auf Basis etwa von Paraffin, Salz oder Fett und einem ggf. Siede- und Kondensationsphasen durchlaufenden Wärmetransportmedium (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermaterial (3) aus im Vergleich zu dem Latentwärmespeicher (1) kleinen gesonderten, unver­ kleideten Mediumelementen besteht, zwischen denen Strö­ mungswege (5) für das Wärmetransportmedium (4) verblei­ ben und dass das Latentwärmespeichermaterial (3) mit einem Verdickungsmittel versetzt ist.

2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 oder insbesonde­ re danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdickungs­ mittel Kraton G ist.

3. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis zwischen dem Latentwärmespeichermaterial und Kraton G 70 : 30 bis 95 : 5 beträgt.

4. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher unter Belassen der genannten Strömungswege (5) vollstän­ dig mit dem Latentwärmespeichermaterial (3) gefüllt ist.

5. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium Wasser ist.

6. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium Alkohol enthält.

7. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Latentwärmespeicher (1) Unterdruck herrscht.

8. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Mediumelement hinsicht­ lich seiner Dichte bei Raumtemperatur auf einen Wert eingestellt ist, der kleiner, gleich oder größer der Dichte des Wärmetransportmediums ist.

9. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Mediumelement jeden­ falls bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztempera­ tur des Latentwärmespeichermaterials elastisch verform­ bar ist.

10. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Mediumelement einen Gaseinschluss aufweist.

11. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Mediumelement offene Poren aufweist.

12. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Mediumelement eine porös-schaumstoffartige Struktur aufweist.