DE102007038631A1

DE102007038631A1 - Latentwärmespeicher auf Basis von unterkühlten Schmelzen

Info

Publication number: DE102007038631A1
Application number: DE102007038631A
Authority: DE
Inventors: Jan Harling
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2009-02-19

Abstract

Bisher wird bei Wärmespeichern auf den Vorteil unterkühlter Schmelzen verzichtet, da man keine Möglichkeit kannte die Phasenwechselwerkstoffe kontrolliert bis unter den jeweiligen Schmelzpunkt herunter zu kühlen. Die Erfindung ermöglicht das Unterkühlen von Schmelzen und Lösungen bis unter den Phasenwechselpunkt. Das bedeutet, dass thermische Energie verlustarm gelagert und transportiert werden kann. Um das Phasenwechselmaterial bis unter den Phasenwechselpunkt herunter kühlen zu können, wird das Phasenwechselmaterial in Massenpakete eingeteilt, bei denen bei der Unterkühlung die Kristalllösungsgeschwindigkeit gerade größer als die Kristallwachstumsgeschwindigkeit ist. Um dann trotzdem die Kristalllisation gezielt starten zu können ist ein Volumen mit dauerhaft kristallinem Phasenwechselmaterial innerhalb des selben Speicherbehältnisses vorzusehen. Anwendung kann diese Erfindung überall finden, wo Wärme über längere Zeit verlustarm gespeichert oder transportiert werden soll.

Description

Es ist bekannt dass sich unterkühlte Salzschmelzen zwar theoretisch zu einer verlustarmen Wärmespeicherung eignen, aber da Sie oberhalb einer kritischen Masse, in Abhängigkeit von den Umgebungsvariablen (Wandrauhigkeit, Wandmaterial, Temperatur, lokale Konzentration, Reinheitsgrad etc.), zur spontaner Kristallisation neigen, und daher noch nicht als technisch handhabbare Wärmespeicher auf dem Markt sind. Einzige Ausnahme stellen die im Campingladen zu findenden Handtaschenwärmer dar, welche sich aber durch Ihren Aufbau nicht technisch sinnvoll einsetzen lassen, da jeder der Taschenwärmer einzeln gezündet werden müsste. (Dissertation von Thomas Freitag, der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz, „Entwickelung eines Natriumacetat-Trihydrat-Latentwärmespeichers mit einem Wärmeübertrager aus Kunststoffmetallverbund-Kapillarrohr", 2005)
Problem
Der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass alle bis zu diesem Zeitpunkt realisierten Latentwärmespeicher auf die Vorteile einer unterkühlten Schmelze verzichten müssen, da ein Speichervolumen, welches kleiner der kritischen Masse des Speicherstoffs ist, kein wirtschaftlich vertretbares Verhältnis zwischen Kosten für den Initialisierungsprozess der Kristallisation, auf der einen Seite, und den Kosten für die Speichermasse, auf der anderen Seite, realisieren ließen.
Lösung
Dieses Problem wird durch das in Patentanspruch 1 aufgeführte Merkmal gelöst. Denn das Einteilen in massenunterkritische Pakete hat zur Folge, dass eine unterkühlte, also unter die Phasenwechseltemperatur heruntergekühlte, Schmelze/Lösung noch nicht auskristallisiert, da die Schmelz- bzw. Lösungsgeschwindigkeiten kleiner der Kristallwachsungsgeschwindigkeit bleibt. Die Größe der Massenpakete ist, wegen der vielen Einflussfaktoren wie beispielsweise Materialreinheit, Werkstoffwechselwirkungen und Oberflächenbeschaffenheit des Behältnisses, in den meisten Fällen, durch Experimente zu ermitteln.
Erreichte Vorteile
Die in der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allem darin, dass durch die in Patentanspruch 1 genannte Ausführung eine verlustarme Langzeitlagerung von Thermischer Energie möglich ist, da es keinen Temperaturunterschied zwischen Schmelze und Lagerraumtemperatur geben muss.
Dieser Vorteil entsteht, da die Schmelze/Lösung trotz Unterkühlung, nicht den Phasenwechsel vollzieht, solange sie nicht durch Anstoßen der Kristallisation (Patentansprüche 2 bis 5) zu diesem Phasenwechsel angeregt wird. Dies bedeutet, dass die latente Wärme, also die Wärme welche beim Phasenwechsel freigesetzt oder aufgenommen wird, nicht verloren geht, da die Schmelze/Lösung zur Lagerung kein großen Temperaturunterschied zur Umgebung braucht.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung
Eine Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben.
Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht es die unterkühlte Schmelze zuverlässig zu impfen und somit zur Kristallisation zu bringen. Hierbei dient das dauerhaft kristalline Volumen als Impfkristall, von welchem der Phasenwechsel durch Kontakt mit dem Speichermedium ausgelöst wird. Während des Aufschmelzens ist das dauerhaft Kristalline Volumen durch eine mechanische Bewegungseinrichtung (Patentanspruch 4) thermisch ausreichend von dem aufzuschmelzenden Speichervolumen getrennt. Das Bedeutet beispielsweise, dass das kristalline Teilvolumen in der Klemmschiene (1, Teil 3) während des Schmelzvorgangs kaum thermischen Kontakt zum Sekundärmedium (zum Beispiel Wasser) und zum aufschmelzenden Speicherstoff hat.
Die Weiterbildung nach Patentanspruch 3 ermöglicht es dem Speichermedium die auftretenden Volumenkontraktionen, beim Erstarren und Schmelzen des Selben, auf das Sekundärmedium, über die flexibelen Behältnisswände, zu übertragen, ohne dass sich das Sekundärmedium und das Primärmedium (Speichermedium) mischen können.
Die Weiterbildung nach Patentanspruch 4 ermöglicht es frei nach dem Willen des Anwenders die Freisetzung der latenten Wärme zu initialisieren.
Die Weiterbildung nach Patentanspruch 5 ermöglicht es das Speichermedium von den Wärmeaustauscherwannen zu trennen und somit nun ein vielfaches an Speichermedium zu laden und zu lagern als es bei einer festen Verbindung möglich wäre, ohne das Volumen einer ganzen Wärmetauscherwanne im Lagerraum unterbringen zu müssen.
Beschreibung eines möglichen Ausführungsbeispiels
Ein mögliches Ausführensbeispiel ist in der 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
In der 1 ist ein aus mehreren Kammern (hier drei Kammern) aufgebauter Latentwärmespeicher zu erkennen. In jeder der Kammern sind mehrere Sektionen (1) hintereinander geschaltet, wobei sich mit jeder der in Reihe geschalteten Sektionen sich die Nutzwärme der Kammer um den Betrag der einzelnen Sektionsnutzwärme erhöht. Die in den Kammern befindlichen Sektionen (1) werden vom Sekundärmedium (z. B. Wasser) in den Kammern vom Zulauf her umströmt sobald die vor den Kammern befindlichen Ventile (2) geöffnet werden. Das Sekundärmedium fließt dann durch den Rücklauf zurück zur Wärmequelle oder Wärmesenke.
Die in 1 mit (3) dargestellten Klemmschienen sind in 2 und 3 im Querschnitt dargestellt. Die Klemmschienen (3) dienen dazu die Masse im Schlauch kontrollieren zu können. Dazu wird die im Schlauch befindliche Masse in massenunterkritische Pakete eingeteilt, den erwähnten Sektionen (1). Gleichzeitig kann, in dem durch die Klemmschiene abgetrennten Volumen des Schlauchs das in Patentanspruch 2 aufgeführte, „dauerhaft kristalline Volumen" vorgehalten werden, welches durch mechanische Bewegung der Klemmschiene mit dem restlichen Speichermedium vereinigt oder getrennt werden kann.
In 2 ist die Klemmschiene im geschlossenen Zustand zu sehen. In diesem Zustand wird der Schlauch mit dem Salz durch die Klemmschiene zusammengedrückt, wodurch die beiden Phasen des Salzes (fest und flüssig) in unterschiedlichen Volumen existieren können ohne, dass es zu einer ungewollten Kristallisation kommt.
Wird mm eine oder beide (wie in 3 dargestellt) Seiten der Klemmschiene gelöst, so kommen die zuvor getrennten Volumen zusammen und damit auch die verschiedenen Phasen des Primärmediums, so dass die feste Phase als Keim, beziehungsweise impfkristall, für die flüssige Phase dient. Nach diesem Impfen kristallisiert das Primärmedium aus und gibt dabei seine thermische Energie über die Schlauchoberfläche an das Sekundärmedium ab. Soll der Speicher wieder mit thermischer Energie durch das Sekundärmedium beladen werden so wird die Klemmschiene wieder geschlossen (entsprechend 2), um das Überleben der festen Phase beim Aufschmelzen zu sichern.
Ist die flüssige Phase der Schmelze wie in 2 dargestellt bis vor die Klemmstelle geströmt könnte es durch kleinste Falten im Schlauch zu kleinen Kanälen kommen, durch die sich die Kristallisation beim Abkühlen der Schmelze ausbreiten könnte. Dies kann durch einfaches senken der Sektionen in der Box verhindert werden. Denn durch ein Herabhängen des Schlauches von der Klemmstelle, wie in 4 dargestellt, kann das aus der Schmelze austretende Gas (das Lösungsmittel: Beispielsweise Wasserdampf) einen Puffer im Schlauch zwischen der Klemmstelle und der Schmelze bilden, welches eine zuverlässige Trennung der unterkühlten Schmelze vom kristallinen Volumen darstellt. Soll nun Kristallisation ausgelöst werden wird das Niveau der Schmelze durch geeignete Maßnahmen (zum Beispiel mechanische Bewegung, Druckerhöhung oder ähnliches) soweit, in Relation zur Klemmschiene, angehoben, dass es wieder Kontakt zum kristallinen Volumen bekommen kann. (siehe 5)
In 6 ist der Wärmespeicher in seinen Bestandteilen gezeigt. Die Wärmetauscherwannen (4) (bisher als Kisten bezeichnet) sind hierbei von den Klemmschienen (3) (Bewegungsvorrichtung) lösbar, so dass der in diesen Klemmschienen befindliche Schlauch mit dem Primärmedium zusammen von den Wärmeaustauschwannen (4) gelöst werden kann. Damit wird es dem Anwender ermöglicht durch das Wechseln der Schienen zusammen mit den Schläuchen das wärmespeichernde Medium (Primärmedium) getrennt von den Wannen zu lagern und zu transportieren, so dass hierdurch eine Erhöhung der gesamten Speicherkapazität der Anlage ohne aufwendige Umbauten möglich ist.
Verwendete Literatur

1. Thomas Freitag, Dissertation, Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz, „Entwickelung eines Natriumacetat-Trihydrat-Latentwärmespeichers mit einem Wärmeübertrager aus Kunststoffmetallverbund-Kapillarrohr", 2005

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Dissertation von Thomas Freitag, der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz, „Entwickelung eines Natriumacetat-Trihydrat-Latentwärmespeichers mit einem Wärmeübertrager aus Kunststoffmetallverbund-Kapillarrohr", 2005 [0001]
- Thomas Freitag, Dissertation, Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz, „Entwickelung eines Natriumacetat-Trihydrat-Latentwärmespeichers mit einem Wärmeübertrager aus Kunststoffmetallverbund-Kapillarrohr", 2005 [0017]

Claims

Latentwärmespeicher auf Basis von unterkühlten Schmelzen, beispielsweise für den Einsatz in der Gebäude-Kraftwerks- oder Industrietechnik, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium in kristallisationsunterkritische Massenpakete eingeteilt ist.
Latentwärmespeicher nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dauerhaft kristallines Volumen zur Keimgebung vorgehalten wird. 2.1 Latentwärmespeicher nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dauerhaft kristalline Volumen beim Aufschmelzen kaum thermischen Kontakt zum Sekundärmedium (z. B. heißes Wasser) hat.
Latentwärmespeicher nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (zum Beispiel ein Salzhydrat) in flexiblen schlauchähnlichen Behältnissen vom umströmenden Sekundärmedium getrennt gelagert wird. 3.1 Latentwärmespeicher nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das trennende Material des schlauchähnlichen Behältnisses gegenüber den Ihn umgebenden Stoffen diffusionsdicht ist. (diffusionsdicht: es wandert kaum umgebender Stoff durch das trennende Material) 3.2 Latentwärmespeicher nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Patentanspruch 1 genannten massenunterkritischen Pakete (oder auch Sektionen) in einer Wärmetauscherwanne in Reihe geschaltet/gehängt werden können. 3.3 Latentwärmespeicher nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Patentanspruch 1 genannten massenunterkritischen Pakete sich durch Fertigen und Befüllen eines Behältnisses, nach Patentanspruch 3, und durch einteilen in Massenunterkritische Pakete mittels Bewegungsvorrichtung, nach Patentanspruch 5, sich in mehrere parallele Kammern einteilen lässt.
Latentwärmespeicher nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dauerhaft kristalline Volumen durch mechanische Bewegung (beispielsweise eines Schiebers oder einer Klemmschiene) von der Schmelze getrennt aber auch vereinigt werden kann. 4.1 Latentwärmespeicher nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das abgetrennte, dauerhaft kristalline, Volumen kaum thermischen Kontakt zum Sekundärmedium (z. B. heißes Wasser) hat. 4.1 Latentwärmespeicher nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Maßnahmen (zum Beispiel: mechanische Bewegung, Druckerhöhung in der Kammer oder ähnliches) das Niveau der Schmelze/Lösung, in Relation zur Bewegungseinrichtung (zum Beispiel der Klemmschiene) soweit angehoben werden kann, dass sichergestellt ist, dass es zum Kontakt zwischen fester und flüssiger Phase des Speicherstoffs, beim öffnen der Bewegungseinrichtung, kommen kann.
Latentwärmespeicher nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium zusammen mit der Bewegungsvorrichtung (entsprechend Patentanspruch 4) zum Auswechseln geeignet ist.