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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher sowie einen Warmwasserbereiter und
ein Verfahren zum Herstellen eines Latentwärmespeichers. Weiterhin betrifft
die Erfindung die Verwendung eines Materials als Kristallisationskeimmaterial.
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Latentwärmespeicher
sind allgemein bekannt. Diese speichern thermische Energie in einem Medium,
das einen Großteil
der thermischen Energie bei einem Phasenübergang, insbesondere flüssig zu fest,
wieder als Wärme
abgibt.
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Beispielsweise
ist Natriumacetat-Trihydrat ein gebräuchliches Salzhydrat zur Verwendung
als Energiespeicher. Dieser Stoff liegt bei Raumtemperatur im kristallinen
Zustand vor und wird beim Erhitzen flüssig. Die Schmelztemperatur
liegt bei 58°C.
Beim Phasenwechsel fest-flüssig
wird eine Energie von 260 kJ/kg umgesetzt.
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Die
Besonderheit liegt im Abkühl-
und Kristallisationsverhalten. Das flüssige Natriumacetat kann sich
bis auf Raumtemperatur abkühlen
ohne dass eine Kristallisation stattfindet (unterkühlte Schmelze).
Erst durch das Einbringen eines Impulses wird die Kristallisation
ausgelöst.
Der Impuls kann entweder durch eine starke Erschütterung, einen „Click”-Impuls
eines Metallplättchens
oder durch einen Kristallisationskeim gegeben werden.
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Ausgehend
von dem Impuls setzt die Kristallisation ein. Dabei erwärmt sich
der Stoff beispielsweise auf 58°C.
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Nachteilig
hierbei ist, dass die Kristallisation und damit die Wärmeabgabe
mechanisch ausgelöst werden
muss. Solche mechanischen Auslösungen sind
zumindest für
technische Anwendungen relativ aufwändig zu realisieren. Im Übrigen besteht
für mechanische
Auslöseeinrichtungen
das Problem des Verschleißens.
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Andere
Lösungen
schlagen vor, Keimbildner in das Latentwärmespeichermedium einzubringen, die
ohne Eingriff von außerhalb
des Speichermediums generell eine Kristallisation auslösen, soweit
das Latentwärmespeichermedium
hinreichend unter seine Schmelztemperatur abgefallen ist. Hierdurch
wird ein zu starkes Abkühlen
und damit Bilden einer unterkühlten
Schmelze vermieden. Eine Kristallisation und damit Abgabe der gespeicherten
Wärme kann
hierbei jedoch mitunter schon kurz unterhalb der Schmelztemperatur
des Latentwärmespeichermediums
erfolgen. Eine solche Wärmeabgabe
kann für manche
Anwendungen zu früh
sein.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es somit, bekannte Latentwärmespeicher
zu verbessern, insbesondere eine verbesserte oder zumindest alternative
Auslösung
der Kristallisation anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird somit
ein Latentwärmespeicher
gemäß Anspruch
1 vorgeschlagen. Demnach ist ein Behälter mit einem ersten Latentwärmespeichermaterial
mit einer ersten Schmelztemperatur befüllt. Weiterhin ist ein Kristallisationskeimmaterial
zum Auslösen
einer Kristallisation des ersten Latentwärmespeichermaterials vorhanden, das
eine zweite Schmelztemperatur aufweist. Das Latentwärmespeichermaterial
und das Kristallisationskeimmaterial stehen in unmittelbarem Kontakt miteinander.
Die Schmelztemperatur des ersten Latentwärmespeichermaterials ist dabei
größer gewählt als
die des Kristallisationskeimmaterials. Der Latentwärmespeicher
ist somit dafür
vorgesehen und vorbereitet, dass zum Speichern von Wärme das
erste Latentwärmespeichermaterial über seinen
Schmelzpunkt erwärmt
wird, so dass ein Phasenübergang von
fest zu flüssig
erfolgt, wobei das Latentwärmespeichermaterial
viel Wärme
aufnimmt. Sobald das Latentwärmespeichermaterial
vollständig
in die flüssige
Phase übergegangen
ist, hat es eine große
Energiemenge gespeichert. Kühlt
das Latentwärmespeichermaterial
sich nun unter seine erste Schmelztemperatur ab, behält es zunächst die
flüssige
Phase bei und behält
somit auch zunächst
einen Großteil der
gespeicherten Energie. Kühlt
sich das Speichermedium weiter ab, bis es die zweite Schmelztemperatur
unterschreitet, so kann das Kristallisationskeimmaterial kristallisieren.
Diese Kristallisation des Kristallisationskeimmaterials kann dann
die Kristallisation in dem Latentwärmespeichermaterial auslösen.
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Es
kann somit das erste Latentwärmespeichermaterial
nach Eigenschaften wie Wärmespeichereigenschaften,
thermische Leitfähigkeit
und Schmelztemperatur ausgewählt
werden. Zum Festlegen einer Temperatur, bei bzw. unterhalb der die
Kristallisation und damit die Wärmeabgabe
des Latentwärmespeichermaterials
einsetzt, kann durch entsprechende Wahl des Kristallisationskeimmaterials erfolgen,
soweit dessen Schmelztemperatur jedenfalls unterhalb der ersten
Schmelztemperatur liegt.
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Das
Kristallisationskeimmaterial ist somit ein Material, das die Kristallisation
des Phasenwechselmaterials auslöst.
Es härtet
aus, insbesondere kristallisiert bei bzw. wenig unterhalb seiner
Schmelztemperatur, ohne dass es hierfür einer besonderen Auslösung bedarf.
Darunter sind Temperaturwerte von weniger als 5 K, insbesondere
weniger als 2 K und insbesondere weniger als 1 K unterhalb der Schmelztemperatur
zu verstehen.
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Das
Kristallisationskeimmaterial ist gemäß einer Ausführung selbst
auch ein Latentwärmespeichermaterial,
unterscheidet sich von dem ersten Latentwärmespeichermaterial aber zumindest
darin, dass seine Kristallisationstemperatur etwa seiner Schmelztemperatur
entspricht oder zumindest bei bzw. wenig unterhalb seiner Schmelztemperatur liegt.
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Vorzugsweise
ist das Kristallisationskeimmaterial wenigstens teilweise in dem
ersten Latentwärmespeichermaterial
als wenigstens eine zusammenhängende
Materialansammlung ohne Durchmischung mit dem ersten Latentwärmespeichermaterial aufgenommen.
Dies betrifft insbesondere auch den flüssigen Zustand beider Materialien.
Beide Materialien sind dabei nicht homogen durchmischt sondern das
Kristallisationskeimmaterial ist in der Art von Tröpfchen oder
Tropfen – gegebenenfalls
ein einziger großer
Tropfen oder ähnliche
Ansammlung – in
dem ersten Latentwärmespeichermaterial
aufgenommen und/oder verteilt. Jedenfalls behalten beide Materialien
grundsätzlich
ihre Eigenschaften, insbesondere Schmelztemperatur und Kristallisationsverhalten, bei.
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Vorzugsweise
ist der Anteil des Kristallisationskeimmaterials in dem Latentwärmespeicher
im Vergleich zum ersten Latentwärmespeichermaterial gering.
Bezogen auf die Masse ist das Verhältnis des ersten Latentwärmespeichermaterials
zu dem Kristallisationskeimmaterial zumindest 10:1, vorzugsweise
100:1. Vorzugsweise sind wenigstens 3 g Kristallisationsmaterial
in dem Latentwärmespeicher
enthalten. Die Wärmespeicherkapazität des Latentwärmespeichers
richtet sich somit im Wesentlichen nach dem ersten Latentwärmespeichermaterial.
Das Kristallisationskeimmaterial wird nur in geringen Mengen beigegeben.
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Gemäß einer
Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass als erstes Latentwärmespeichermaterial
ein Salzhydrat, insbesondere Natriumacetat-Trihydrat verwendet wird.
Ein solches Material hat sich grundsätzlich als Latentwärmespeichermaterial bewährt, wobei
erfindungsgemäß durch
das Kristallisationskeimmaterial die Temperatur, bei der die Kristallisation
startet, insbesondere aufgrund einer auftretenden Unterkühlung des
Latentspeichermaterials verändert
bzw. eingestellt werden kann. Das grundsätzlich bekannte Problem der
zu starken Abkühlung von
Natriumacetat-Trihydrat kann durch die erfindungsgemäße Beimengung
eines Kristallisationskeimmaterials behoben, zumindest aber verringert werden.
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Bevorzugt
wird als Kristallisationskeimmaterial Paraffin verwendet. Paraffin
ist ein allgemein bekanntes Material, das in unterschiedlichen Zusammensetzungen
vorkommen kann. Es ist grundsätzlich
wasserabstoßend
und reaktionsträge.
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Abhängig von
seiner Zusammensetzung kann Paraffin unterschiedliche Schmelzpunkte
aufweisen. Paraffine sind reaktionsträge Kohlenwasserstoffe auf Basis
der chemischen Zusammensetzung CnH2n+2 und sind im Übrigen grundsätzlich im
Handel auch in unterschiedlichen Mischungen erhältlich und können auch
anhand des gewünschten
Schmelzpunktes ausgewählt
werden. Im Übrigen
ist Paraffin auch als Latentwärmespeichermaterial
grundsätzlich geeignet.
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Für das Kristallisationskeimmaterial
werden vorzugsweise Schmelztemperaturen im Bereich von 35 bis 95°C, vorzugsweise
im Bereich von 45 bis 55°C
vorgesehen. Hierdurch kann die Wärmeabgabe des
ersten Latentwärmespeichermaterials
auf einen Temperaturwert in diesem Bereich festgelegt werden. Die
genannten Temperaturbereiche sind beispielsweise für die Abgabe
der gespeicherten Wärme
günstig
bei der Verwendung in Warmwasserspeichern bzw. Warmwasserbereitern.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird als erstes Latentwärmespeichermaterial
Natriumacetat-Trihydrat verwendet und als Kristallisationskeimmaterial Paraffin.
Hierbei können
die günstigen
Eigenschaften von Natriumacetat-Trihydrat als Latentwärmespeichermaterial
genutzt werden bei gleichzeitiger gezielter Vorgabe einer Kristallisationstemperatur
durch das Paraffin.
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Weiterhin
wird ein Warmwasserbereiter mit einem Wärmetauscher zum Erwärmen und/oder Warmhalten
von Wasser und einem mit dem Wärmetausch
in Wechselwirkung stehenden erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher vorgeschlagen.
Hierbei kann Wärmeenergie
in dem Latentwärmespeicher gespeichert
und bei Bedarf abgegeben werden. Eine so abgegebene Wärme soll über den
Wärmetauscher
das Wasser erwärmen
bzw. warmhalten. Über die
Wahl des Kristallisationskeimmaterials wird die Temperatur festgelegt
werden, unterhalb derer der Latentwärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie zum
Erwärmen
des Wassers abgibt.
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Der
Wärmetauscher
kann dabei mittelbar oder unmittelbar mit dem Latentwärmespeicher
in Wechselwirkung stehen. Gemäß einer
Ausführungsform
ist der Wärmetauscher
insbesondere in Form von Wasserrohren in unmittelbarem Kontakt mit
dem ersten Latentwärmespeichermaterial
und gegebenenfalls auch mit dem Kristallisationskeimmaterial. Der
Wärmetauscher
wird hierfür
unmittelbar in den Behälter
eingesetzt und Anschlussleitungen zum Zu- und Abfließen des
Wassers werden aus dem Behälter
herausgeführt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind mehrere Latentwärmespeicher,
also mehrere mit dem ersten Latentwärmespeichermaterial und dem
Kristallisationskeimmaterial gefüllte
Behälter
beispielsweise als sogenannte Makrokapseln in einem Wärmeübertragungsmedium
in Art einer losen Schüttung
vorgesehen. Die Wärmeübertragung
erfolgt hierbei von den Latentwärmespeichern über das
Wärmeübertragungsmedium
zu dem Wärmetauscher.
Die Behälter insbesondere
Makrokapseln sind aus einem Kunststoff wie beispielsweise Polypropylen
(PP) gefertigt.
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Erfindungsgemäß wird zudem
ein Verfahren zum Herstellen eines Latentwärmespeichers vorgeschlagen.
Demgemäß wird ein
Behälter
mit einem ersten Latentwärmespeichermaterial
befüllt,
das eine erste Schmelztemperatur aufweist. Anschließend wird
dem ersten Latentwärmespeichermaterial
ein Kristallisationskeimmaterial zugegeben, das eine zweite Schmelztemperatur
aufweist, wobei die erste Schmelztemperatur über der zweiten Schmelztemperatur
liegt. Schließlich
wird der Behälter
verschlossen. Somit ist auf einfache Weise ein Latentwärmespeicher
herstellbar, der im Wesentlichen eine Kristallisationstemperatur
vorgeben kann.
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Erfindungsgemäß wird zudem
vorgeschlagen, Paraffin als Kristallisationskeimmaterial in einem ersten
Latentwärmespeichermaterial
zum Auslösen einer
Kristallisation des ersten Latentwärmespeichermaterials zu verwenden.
Dabei weist das erste Latentwärmespeichermaterial
eine erste Schmelztemperatur auf und das Paraffin eine zweite Schmelztemperatur,
wobei die erste Schmelztemperatur größer ist als die zweite Schmelztemperatur.
Beim Abkühlen
des Latentwärmespeichermaterials
und des Paraffins auf die zweite Schmelztemperatur kristallisiert
das Paraffin und löst
die Kristallisation des ersten Latentwärmespeichermaterials aus. Anstelle
von Paraffin könnte
auch ein anderes geeignetes Latentwärmespeichermaterial verwendet
werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die begleitenden Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
ein Diagramm zum Temperaturverlauf und dem Verlauf des Energiegehaltes
eines Latentwärmespeichermaterials
wie beispielsweise Natriumacetat.
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2 zeigt
schematisch einen Ausschnitt aus einem Warmwasserbereiter mit einem
erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher.
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3 zeigt
schematisch einen Ausschnitt aus einem weiteren Warmwasserbereiter
mit einem erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher.
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1 erläutert den
Stand der Technik, demnach für
ein Salzhydrat über
die Zeit der Verlauf eines Energiegehaltes zusammen mit dem korrespondierenden
Temperaturverlauf des Salzhydrats dargestellt ist. Gemäß dem Diagramm
wird dem Salzhydrat, das hier exemplarisch für ein Latentwärmespeichermaterial
steht, bis zum Zeitpunkt t3 gleichmäßig Energie
zugeführt.
Der Energiegehalt E nimmt somit kontinuierlich bis zum Zeitpunkt
t3 zu. Die Temperatur T nimmt nur bis zum
Zeitpunkt t1 kontinuierlich zu. Zum Zeitpunkt
t1 hat sie die Schmelztemperatur erreicht
und das Salzhydrat nimmt somit zunächst Energie auf, ohne dass
die Temperatur steigt, da das Salzhydrat aufgrund des Phasenübergangs
von fest zu flüssig
die zugeführte
Energie (latente Wärmeenergie)
aufnimmt. Dieser Vorgang dauert bis zum Zeitpunkt t2 und
somit findet zwischen t1 und t2 das Schmelzen
statt.
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Vom
Zeitpunkt t2 bis t3 steigt
die Temperatur T dann wieder kontinuierlich an, bis zum Zeitpunkt
t3 keine Energie mehr zugefügt wird.
Die Temperatur sinkt nun kontinuierlich bis zum Zeitpunkt t4 ab, wobei die Schmelze unterkühlt und
etwas Energie (sensible Wärmeenergie)
abgegeben wird. Der Abfall der Temperatur wird hier vereinfachend
linear gezeigt, um das Prinzip zu erläutern. Vom Zeitpunkt t4 zum Zeitpunkt t5 hat
das Salzhydrat Raumtemperatur bzw. Umgebungstemperatur und bleibt
somit, wie auch der Energiegehalt, konstant.
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Zum
Zeitpunkt t5 wird ein Impuls gegeben, so dass
die Kristallisation beginnt. Aufgrund des Phasenübergangs von flüssig zu
fest setzt das Salzhydrat Energie frei, so dass der Energiegehalt
vom Zeitpunkt t5 bis t8 abfällt. Die
Temperatur steigt zunächst stark
an, jedoch nicht über
die Schmelztemperatur hinaus, die zum Zeitpunkt t6 erreicht
wird. Zum Zeitpunkt t7 ist die Kristallisation
im Grunde beendet und die Temperatur fällt kontinuierlich bis zur
Raumtemperatur ab.
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Somit
ist erkennbar, dass die Temperatur des Salzhydrates, das repräsentativ
für andere
erste Latentwärmespeichermaterialien
steht, kontinuierlich bis zur Umgebungstemperatur abfällt. Je
nach Umgebungstemperatur kann dies auch noch deutlich tiefer als
Raumtemperatur sein. Im Fall eines Warmwasserbereiters wäre eine
Temperatur des Latentwärmespeichermaterials
in der Höhe
der Raumtemperatur aber nicht mehr ausreichend, um das Wasser zu
heizen bzw. warmzuhalten. Erfindungsgemäß wird somit ein Kristallisationskeimmaterial
vorgeschlagen, das – bezogen
auf die 1 – für eine Temperatur zwischen
Schmelztemperatur und Raumtemperatur die Kristallisation und damit
die Wärmeabgabe
auslöst.
Das Abfallen der Temperatur T auf die Raumtemperatur wird dann,
jedenfalls vor der Kristallisation, vermieden.
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Der
Impuls zur Kristallisation erfolgt nun nicht mechanisch sondern
bevorzugt durch ein beigemischtes Paraffin. Paraffin ist ebenso
ein Phasenwechselmaterial wie Natriumacetat. Als Beimischung wird
es so ausgewählt,
dass der Schmelzpunkt unterhalb von dem des Salzhydrats liegt. Der
Schmelzvorgang wird nicht beeinflusst. Beim Abkühlen erfolgt jedoch die Unterkühlung der
Salzhydrat-Schmelze
nur bis zu dem Punkt an dem das Paraffin kristallisiert. Dies ist
dann der Impuls der die Kristallisation des Salzhydrats in Gang
setzt.
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Ein
Vorteil ist, dass ohne mechanische oder elektronische Bauteile die
Kristallisation bei Erreichen einer bestimmten Temperatur der Schmelze
gestartet werden kann.
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Der
Latentwärmespeicher 1 der 2 weist einen
Behälter
bzw. Speicherbehälter 2 auf,
der im Wesentlichen mit Salzhydrat 4 gefüllt ist.
Zusätzlich ist
eine vergleichsweise geringe Menge Paraffin 6 unmittelbar
in das Salzhydrat 4 eingebracht. Das Paraffin 6 nimmt
gemäß der Seitenansicht
der 2 im Wesentlichen die Form einer Ellipse an. Das
Paraffin kann auch in mehreren kleineren Ansammlungen wie beispielsweise
Tropfen vorhanden sein. Auch ist es möglich, dass sich nach mehreren
Schmelz- und Kristallisationsvorgängen weitere Tröpfchen bilden oder
wieder zusammenkommen. Es sollte aber zumindest eine Ansammlung
vorhanden sein und keine homogene Durchmischung des Paraffins mit
dem Salzhydrat vorkommen.
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Zur
Nutzbarmachung der in dem Salzhydrat 4 in dem Behälter 2 enthaltenen
Wärmemenge
ist ein Trinkwasserwärmetauscher 8 direkt
durch das Salzhydrat 4 geführt. Das Salzhydrat 4 kann
somit seine Wärme
direkt an diesen Wärmetauscher 8 und
damit das darin geführte
Wasser 10 abgeben.
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Etwaige
Heizelemente zum Aufheizen des Salzhydrats sind der Einfachheit
halber nicht dargestellt. Das eingebrachte Paraffin ist beispielsweise
so ausgewählt,
dass es einen Phasenwechsel bei ca. 52°C durchführt.
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3 zeigt
einen Ausschnitt eines Warmwasserbereiters gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Es ist zu bemerken, dass das gemäß 3 erläuterte Prinzip
ebenso vorteilhaft für
andere Geräte mit
einem Wärmespeicher
angewendet werden kann, als nur für einen Warmwasserbereiter.
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Der
Latentwärmespeicher 31 gemäß 3 weist
einen im Querschnitt etwa elliptischen Behälter 32 auf, der auch
als Makrokapsel bezeichnet wird. Eine solche Makrokapsel ist aus
Polypropylen gefertigt. Es kommen jedoch grundsätz lich auch eine Vielzahl anderer
Materialien, insbesondere andere Kunststoffe und andere Thermoplaste
in Betracht.
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Die
Makrokapsel 32 ist im Wesentlichen mit Salzhydrat 34 und
zusätzlich
einem Paraffin 36 als Kristallisationskeimmaterial gefüllt. Das
Salzhydrat 34 mit dem Paraffin 36 in der Makrokapsel 32 entspricht
im Wesentlichen dem Salzhydrat 4 mit dem Paraffin 6 in
dem Speicherbehälter 2 gemäß 2. Die
Makrokapseln 32 sind jedoch üblicherweise kleiner als der
Speicherbehälter 2.
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Die
Makrokapsel 32 ist in einem Wärmeübertragungsmedium 40 gebettet.
Für einen
Warmwasserbereiter oder ein anderes Gerät, das auf ähnliche Weise Wärme benötigt, wird
eine Vielzahl von Makrokapseln 32 in Form einer losen Schüttung in
einen Speicherbehälter
eingefüllt.
Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass eine Vielzahl von Makrokapseln 32, die
jeweils für
sich einen Latentwärmespeicher
bilden, ohne genaue Anpassung an ein späteres Endgerät wie einen
Wasserbereiter hergestellt werden können. Es braucht das genannte
Endgerät
lediglich einen Speicherbehälter
aufzuweisen, in den eine Vielzahl von Makrokapseln 32 zusammen
mit dem Wärmeübertragungsmedium 40 geschüttet werden. Beispielsweise
könnte
der Speicherbehälter 2 gemäß 2 zumindest
theoretisch mit einer Schüttung
aus Makrokapseln 32 mit Wärmeübertragungsmedium 40 enthalten
sein. Üblicherweise
ist aber der verwendete Wärmetauscher
darauf abgestimmt, ob dieser in einem Wärmeübertragungsmedium 40 gemäß 3 angeordnet
ist oder ob er unmittelbaren Kontakt mit dem Salzhydrat hat.