DE102010061316A1

DE102010061316A1 - Latentwärmespeicher mit Rührwerk

Info

Publication number: DE102010061316A1
Application number: DE102010061316A
Authority: DE
Inventors: Herbert Huemer
Original assignee: XOLAR RENEWABLE ENERGY GmbH
Current assignee: XOLAR RENEWABLE ENERGY GmbH
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2011-06-22
Also published as: AT509274A1; AT509274B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher (1) umfassend einen Behälter (2) mit einem darin enthaltenen, in flüssigem und/oder festem Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium (3), einen Wärmetauscher (4) innerhalb des Behälters (2) zum Austausch von Wärme zwischen dem Speichermedium (3) und einem im Wärmetauscher (4) enthaltenen und durch diesen transportierbaren Wärmeträgerfluid (6), ein Rührwerk (13) zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden innerhalb des flüssigen Speichermediums (3) mit einem Rührantrieb (14) und einem mit diesem antriebsverbundenen Rührorgan (15). Zur Verbess (3) ist am Rührorgan (15) zumindest ein das Speichermedium (3) in einem großen Volumenbereich (22) durchsetzendes Wärmeleitelement (20) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Beladen und Entladen eines Latentwärmespeichers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 20.
Zur Speicherung von großen Wärmemengen werden bereits seit längerem Latentwärmespeicher verwendet, bei denen ein Speichermedium während des Beladens bzw. des Entladens, also bei der Wärmezufuhr und der Wärmeentnahme seinen Aggregatzustand zwischen fest und flüssig bzw. flüssig und fest ändert, wobei bei diesem Umwandlungsprozess große Wärmemengen zuzuführen sind bzw. freigegeben werden und darin die große Speicherkapazität begründet ist. Derartige Speichermedien werden auch als Phase-Change-Materials (PCM) bezeichnet und können etwa im Vergleich zu Wasser als Speichermedium bei gleicher Masse eine mehrfache Wärmemenge speichern, wodurch auf kleinem Raum große Mengen an Wärmeenergie gespeichert werden können.
Ein Latentwärmespeicher umfasst dabei einen Behälter mit darin enthaltenem Speichermedium sowie einen im Behälter angeordneten oder einen Bestandteil des Behälters bildenden Wärmetauscher, mit dem Wärme zwischen dem Speichermedium und einem durch den Wärmetauscher geleiteten Wärmeträgerfluid ausgetauscht wird. Bei der Verwendung derartiger Latentwärmespeicher können jedoch verschiedene Probleme auftreten, wie sie beispielsweise in US 4,294,078 beschrieben sind. Im Behälter besteht beim Wärmetransport vom bzw. zum Wärmetauscher das Problem, dass das Speichermedium in festem Aggregatzustand Wärme nur schlecht transportieren kann, da als Mechanismus für den Wärmetransport nur die Wärmeleitung innerhalb des festen Speichermediums zu Verfügung steht, während bei flüssigem Aggregatzustand ein Wärmetransport sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Konvektion des Speichermediums erfolgen kann. Die pro Zeiteinheit in das feste Speichermedium zuführbare bzw. aus diesem abführbare Wärmemenge kann dadurch sehr beschränkt sein und die Leistungsfähigkeit eines derartigen Latentwärmespeichers für die praktische Anwendung unzureichend sein.
Ein Ansatz, die schlechte Wärmeleitfähigkeit des festen Speichermediums auszugleichen, besteht darin, den Wärmetauscher so auszuführen, dass er das Volumen des Speichermediums in einem großen Bereich durchsetzt und dadurch beim Wärmetransport nur kurze Wege durch Wärmeleitung zu überbrücken sind. So ist in dem genannten US-Patent 4,294,078 der Wärmetauscher als dreidimensionale, rasterartige oder gitterartige Struktur ausgebildet, die das Volumen des Speichermediums gleichmäßig und fast vollständig durchsetzt.
Der Nachteil eines derartigen Latentwärmespeichers besteht darin, dass der Wärmetauscher aufwendig herzustellen ist und auch in der Handhabung unpraktisch ist.
Ein anderer Ansatz, das Problem der schlechten Wärmeleitung im festen Speichermedium zu lösen, ist aus DE 20 2007 005 965 U1 bekannt, wonach das Speichermedium mit einem sehr gut wärmeleitenden, dreidimensionalen Geflecht durchsetzt ist und dadurch ein hoher Wärmetransport zum einfach aufgebauten Wärmetauscher bewirkt werden kann. Ein derartiges Geflecht kann jedoch unter Umständen nur sehr umständlich in den Behälter des Latentwärmespeichers eingebracht werden und kann für die Verwendung bei Latentwärmespeichern die auf der Wärmespeicherung in einem unterkühltem, flüssigem Speichermedium basieren, möglicherweise ungeeignet sein, da das Geflecht eine unerwünschte, vorzeitige und spontane Kristallisation des unterkühlten, flüssigen Speichermediums auslösen kann.
Bei Latentwärmespeichern, die als Speichermedium Salzhydrate verwenden, kann, wie ebenfalls aus US 4,294,078 bekannt, das Problem der Stratifikation auftreten, bei der sich die Salzlösung entmischt und sich am Boden des Behälters schwer lösliche Salzkristalle ansammeln, die an den planmäßigen Schmelzvorgängen und Erstarrungsvorgängen im Betrieb des Latentwärmespeichers nicht mehr beteiligt sind und daher eine Leistungsverminderung bewirken. Zur Vermeidung dieser Stratifikation ist bekannt, die Salzlösung durch Rühren oder Pumpen regelmäßig zu bewegen, wodurch Konzentrationsunterschieden innerhalb des Speichermediums vorgebeugt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Latentwärmespeicher zur Verfügung zu stellen, bei dem die Problematik der schlechten Wärmeleitung innerhalb des festen Speichermediums ebenfalls gelöst ist, der jedoch einen einfachen Aufbau aufweist. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Latentwärmespeicher mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 bzw. das Verfahren zum Beladen bzw. Entladen eines Latentwärmespeichers mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 20. Erfindungswesentlich dabei ist, dass der Wärmetransport innerhalb des Latentwärmespeichers durch ein am Rührorgan angeordnetes und das Speichermedium in einem großen Volumenbereich durchsetzendes Wärmeleitelement wesentlich verbessert wird. Der überraschende Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung besteht darin, dass das Rührorgan des Rührwerks nicht nur zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden und dadurch der Vermeidung von Stratifikation im flüssigen Aggregatzustand des Speichermediums eingesetzt wird, sondern darüber hinaus durch die daran angeordneten Wärmeleitelemente auch zum wesentlich verbesserten Wärmetransport im festen Aggregatzustand des Speichermediums beiträgt, während die aus dem Stand der Technik bekannten Rührorgane aufgrund ihrer relativ geringen Ausdehnung bzw. Abmessungen im Wesentlichen nur im flüssigen Aggregatzustand des Speichermediums eine Funktion besitzen. Das Wärmeleitelement besitzt dabei eine Wärmeleitfähigkeit, die einem Mehrfachen der Wärmeleitfähigkeit des festen Speichermediums entspricht und ist beispielsweise aus Metall gebildet. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt dabei vorzugsweise zumindest 15 W/mK.
Eine Ausführung gemäß Anspruch 2 ist von Vorteil, da dadurch die beim Wärmeleitvorgang zum Wärmetauscher hin oder vom Wärmetauscher weg bestehenden Distanzen nur sehr kurz sind und daher große Wärmeleistungen übertragen werden können.
Die Ausführung gemäß Anspruch 3 ist von Vorteil, da das im festen Speichermedium zur Wärmeleitung dienende Wärmeleitelement gleichzeitig als beim Rührvorgang im flüssigen Speicherelement wirksames Rührelement verwendet wird.
Insbesondere können mehrere Wärmeleitelemente auch mehrere Rührelemente umfassen oder diese bilden, wodurch auch die Rührelemente über einen großen Volumenbereich des Speichermediums verteilt sind und daher ein optimaler Konzentrationsausgleich innerhalb des flüssigen Speichermediums bewirkt ist.
Die Ausführung gemäß Anspruch 4 ermöglicht die Verwendung von üblichen, hohlzylinderförmigen Wärmetauschern, die in den häufig verwendeten zylindrischen Behältern eingebaut sind. Das innerhalb des Speicherbehälters befindliche Speichermedium wird dabei von den Wärmeleitelementen am Rührorgan in einen großen Volumenbereich durchsetzt, wodurch kurze Wärmeleitwege im festen Speichermedium gegeben sind.
Die Ausführung gemäß Anspruch 5 bewirkt, dass die Wärmeleitelemente etwa in radialer Richtung zwischen Drehachse des Rührorgans und dem Wärmetauscher und dadurch auch in Richtung des Temperaturgefälles innerhalb des festen Speichermediums verlaufen. Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitelemente wird dadurch optimal ausgenützt.
Die Ausführung gemäß Anspruch 6 bewirkt ebenfalls, dass die Wärmeleitelemente einen Großteil des Volumens des Speichermediums durchsetzen und dadurch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Speichermediums weitgehend kompensiert wird. Die rotationssymmetrische Ausführung des Wärmetauschers kann dabei durch eine bereits zuvor erwähnte, hohlzylindrische Ausführung bewirkt sein oder aber auch durch andere rotationssymmetrische Ausführungen, etwa durch eine kegelförmige oder tonnenförmige Grundform, gegeben sein.
Die Ausführung gemäß Anspruch 7 stellt sicher, dass auch in Richtung parallel zur Drehachse des Rührorgans nur kurze Wärmeleitwege vorhanden sind.
Die Ausführung nach Anspruch 8 ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung eines Wärmetauschers, der mit preisgünstigen Materialien aufgebaut ist. Aufgrund des geringeren Einheitspreises einer Kunststoffrohrleitung gegenüber herkömmlichen Wärmetauscherrohren, etwa aus Kupfer, können derartige Wärmetauscher bei gleichen Herstellkosten mit größeren Wärmetauscheroberflächen versehen sein und auch der Wärmetauscher selbst einen größeren Volumenbereich des Speichermediums durchsetzen. Die den Wärmeaustausch zwischen Speichermedium Wärmeträgerfluid im Wärmetauscher beeinflussende niedrigere Wärmeleitfähigkeit einer Kunststoffrohrleitung gegenüber einer Metallrohrleitung kann durch eine größere Rohrlänge ausgeglichen werden. Eine geeignete Kunststoffrohrleitung kann etwa aus den bekannten Rohren für Fußbodenheizungen gebildet sein.
Eine Ausführung gemäß Anspruch 9 ist vorteilhaft, da die Wärmetauschereinheit dadurch eine hohe Stabilität erreicht und dadurch eine gute Handhabbarkeit bei der Montage gegeben ist. Als Halteschienen können vorteilhaft für die Verlegung von Fußbodenheizungen verwendete Halteschienen mit rasterartigen Ausnehmungen für die Kunststoffrohrleitungen zum Einsatz kommen.
Die Ausführung des Wärmespeichers gemäß Anspruch 10 bewirkt ebenfalls, dass ein größerer Volumenbereich des Speichermediums vom Wärmetauscher selbst durchsetzt ist und dadurch ebenfalls die Wärmeleitwege verkürzt werden. Die Halteschienen, die die Funktion eines Wickelkernes für die Windungen der Rohrleitung des Wärmetauschers haben, besitzen dazu beispielsweise eine wechselnde Abfolge von tiefen und seichten Einkerbungen, wodurch alternierend ein größerer und ein kleinerer Wickelkerndurchmesser und dadurch auch Windungsdurchmesser erzielt wird.
Eine Möglichkeit den Wärmetransport zum Wärmetauscher weiter zu verbessern besteht in der Ausführung gemäß Anspruch 11, wodurch ein direkter Wärmeübergang zwischen den Wärmeleitelementen und dem Wärmetauscher bewirkt wird.
Eine Ausführung des Latentwärmespeichers gemäß Anspruch 12 ermöglicht eine Langzeitspeicherung von Wärme, da das flüssige, unterkühlte Speichermedium nach Abgabe der spürbaren, sensiblen Wärme sich auf dem Temperaturniveau der Umgebung befindet und solange der flüssige Aggregatzustand aufrecht erhalten bleibt, bei der Speicherung kein weiterer Energieverlust durch Wärmeabgabe an die Umgebung auftritt. Die in diesem Zustand weiterhin enthaltene, latente Wärme wird durch Einleitung der Kristallisation, also den Übergang des flüssigen Speichermediums in den festen Aggregatzustand, freigemacht und kann diese über die Wärmeleitelemente und den Wärmetauscher dem nunmehr in festem Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium entzogen werden. Das vorzugsweise verwendete Speichermedium Natrium-Acetat-Trihydrat besitzt eine Schmelztemperatur bzw. Kristallisationstemperatur von ca. 58°C und ist demnach gut geeignet, mit dem von Sonnenkollektoren zur Verfügung gestellten Temperaturniveau eines Wärmeträgerfluids erwärmt und dabei erschmolzen zu werden (ca. 80 bis 90°C) und andererseits nach dem Kristallisationsvorgang Wärme an einen Heizkreislauf für Wohnraumheizung (30 bis 50°C) abzugeben.
Die Ausführung des Speichermediums gemäß Anspruch 13 mit einem Anteil von bis zu 20% Natriumthiosulfat und/oder bis zu 20% Natriumnitrat und/oder bis zu 10% Natronlauge bewirkt eine gute Stabilität des unterkühlten, flüssigen Speichermediums gegenüber spontaner, unerwünschter Kristallisation und bewirkt gleichzeitig eine Erhöhung des aufnehmbaren Energieinhaltes pro Masseeinheit des Speichermediums.
Zusätzlich zu den verwendeten Wärmeleitelementen kann die Wärmetransportleistung durch die Ausführung des Speichermediums gemäß Anspruch 14 weiter verbessert werden. Durch eine gleichmäßige Verteilung von wärmeleitenden Fasern oder Partikeln im Speichermedium kann dessen Wärmeleitfähigkeit wesentlich erhöht werden.
Um bei unterkühlbaren, flüssigen Speichermedien die Kristallisation und dadurch die Bereitstellung der Latentwärme zu automatisieren, ist es von Vorteil, wenn gemäß Anspruch 15 am Behälter eine mit einer Steuervorrichtung verbundene, auf das Speichermedium einwirkende Auslösevorrichtung angeordnet ist. Die Auslösevorrichtung bewirkt eine lokale Kristallisation des unterkühlten, flüssigen Speichermediums, die sich in Folge über den gesamten Speicherinhalt ausbreitet. Das Speichermedium wird durch die Auslösevorrichtung angeregt den metastabilen unterkühlten flüssigen Zustand zu verlassen und in den stabilen festen, kristallisierten Zustand überzugehen, wobei die Latentwärme frei wird.
Eine baulich einfache Lösung für eine Auslösevorrichtung besteht in der Ausführung gemäß Anspruch 16. Mit einem Peltier-Element kann das Speichermedium lokal so stark abgekühlt werden, dass eine spontane Kristallisation auftritt, die als Keim für die weitere, vollständige Kristallisation des Speichermediums dient. Der für den Betrieb des Peltier-Elements erforderliche Strom kann beispielsweise von der Steuervorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
Alternativ zu der zuvor beschriebenen, thermischen Auslösung der Kristallisation kann auch ein so genanntes Impfen des unterkühlten, flüssigen Speichermediums erfolgen, bei dem dieses in Kontakt mit kristallinen Oberflächen gebracht wird, an denen sich die gelösten Salzmoleküle anlagern können und dadurch der Kristallisationsvorgang eingeleitet wird. Derartige kristalline Strukturen können etwa durch ein mechanisch verformbares Metallplättchen gebildet sein, wie sie etwa zur Auslösung bei den bekannten Handwärmern eingesetzt werden, oder aber auch durch einen in das flüssige Speichermedium eingetauchten Stab mit daran haftenden Salzkristallen. Bei beiden Varianten ist ein verstellbares Betätigungselement umfasst, das die Schmelze mit den Impfkristallen in Kontakt bringt und das gemäß Anspruch 17 vorteilhaft mittels Magnetkräften, die zwischen Betätigungselement und Auslöseelement wirken, verstellt wird. Durch die zwischen Betätigungselement und Auslöseelement wirkenden Magnetkräfte bewirkt eine außerhalb des Behälters durchgeführte Verstellung des Betätigungselements eine entsprechende Verstellung des Auslöseelements innerhalb des Behälters, wodurch die Kristallisation des flüssigen, unterkühlten Speichermediums eingeleitet werden kann. Der Behälter besteht dabei vorzugsweise aus einem die magnetischen Feldlinien wenig oder nicht behindernden Material, beispielsweise Kunststoff. Diese Anordnung ermöglicht ein Verstellen des Auslösemechanismus, ohne dass im Behälter eine Öffnung für die mechanische Betätigung oder die Durchführung einer Stromversorgung erforderlich wäre.
Um die Stabilität des unterkühlten flüssigen Speichermediums gegenüber unverwünschter, vorzeitiger Kristallisation zu erhöhen, kann es von Vorteil sein, wenn gemäß Anspruch 18 das Speichermedium im Behälter von einem Ölfilm bedeckt ist, wobei dieser bei ebener Oberfläche des flüssigen Speichermediums eine Dicke zwischen 3 mm und 20 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 10 mm aufweist. Dieser Ölfilm verhindert, dass möglicherweise auf die Oberfläche des flüssigen Speichermediums auftreffende Schmutzpartikel als Kristallisationskeime wirksam werden und die Kristallisation spontan einsetzt, bevor diese aktiv eingeleitet wird, wenn die gespeicherte Latentwärme benötigt wird.
Eine weitere Verkürzung der Wärmeleitwege innerhalb des Behälters kann gemäß Anspruch 19 dadurch bewirkt werden, dass das Rührorgan mit dem Wärmeelement einen Leitungskanal für die Durchleitung von Wärmeträgerfluid umfasst und dadurch selbst als Wärmetauscher ausgebildet ist. Weiters ist es dadurch auch möglich, auf einen fix eingebauten Wärmetauscher zu verzichten.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht gemäß Anspruch 21 dadurch, dass vor der Phasenumwandlung mit Kristallisation des Speichermediums das Wärmeleitelement an den Wärmetauscher angenähert oder in berührenden Kontakt mit diesem gebracht wird. Die Wärmeleitelemente sind dazu verstellbar am Rührorgan gelagert und können dadurch im flüssigen Aggregatzustand des Speichermediums entsprechende Verstellbewegungen ausführen und durch die Annäherung oder Kontaktierung der Wärmetransport bei dem Speichermedium in festem Aggregatzustand erhöht werden.
Gemäß Anspruch 22 ist bei dieser Verfahrensvariante weiters vorteilhaft, wenn durch eine Logikschaltung und eine Sensoranordnung die aktive Einleitung der Kristallisation, also die Aktivierung der Auslösevorrichtung, erst nach der Annäherung oder Kontaktierung des zumindest einen Wärmeelements an den Wärmetauscher ausgelöst wird.
Die mögliche Erhöhung der Wärmetransportleistung innerhalb des kristallisierten Speichermediums durch Verwendung eines als Wärmetauscher ausgebildeten Rührorgans wurde bereits zuvor beschrieben.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in stark schematisch vereinfachter Darstellung:
1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher;
2 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers;
3 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers;
4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers;
5 die Führung der Wicklungen bei einem Wärmetauscher gemäß 4 in Draufsicht in Richtung V;
6 einen Teilschnitt durch einen Latentwärmespeicher mit zwei alternativen Formen von Auslösevorrichtungen;
7 einen Teilschnitt durch einen Latentwärmespeicher mit verstellbaren Wärmeleitelementen;
8 eine mögliche Ausführung des Anschlusses eines als Wärmetauscher ausgebildeten Rührorgans.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z. B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z. B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mitumfasst sind, d. h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z. B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Latentwärmespeicher 1, der als Hauptbestandteile einen Behälter 2, der mit einem Speichermedium 3 gefüllt ist und einen Wärmetauscher 4 zur Zuführung oder Abführung von Wärme zum bzw. vom Speichermedium 3 umfasst. Der Behälter 2 kann dabei beliebiges Fassungsvolumen und eine beliebige Form aufweisen, sinnvollerweise besitzt er jedoch ein Fassungsvolumen von mehreren hundert Litern bis zu mehreren tausend Litern, und eine Form, wie sie auch bei herkömmlichen Wärmespeichern, Pufferspeichern oder Warmwasserspeichern eingesetzt wird, wie etwa quaderförmige oder kreiszylindrische Form. Zur Vermindung von Wärmeverlusten des Latentwärmespeichers 1 kann der Behälter 2 selbstverständlich mit einer Wärmedämmung 5 versehen sein.
Das Speichermedium 3 besteht aus einem Material, das zwischen der im Betrieb des Latentwärmespeichers 1 auftretenden Minimaltemperatur und der Maximaltemperatur seinen Aggregatzustand zwischen fest und flüssig ändert und bei diesem Phasenübergang eine große Latentwärmemenge aufnehmen bzw. wieder abgegeben kann. Beim Phasenübergang von fest zu flüssig wird diese Wärmemenge als Schmelzwärme bezeichnet und beim Phasenübergang von flüssigem zu festem oder kristallinem Zustand wird diese Wärmemenge als Kristallisationswärme bezeichnet.
Als Speichermedium kommen aufgrund ihrer hohen spezifischen Wärmekapazität vorzugsweise Salzhydrate zum Einsatz, wobei sich Natrium-Acetat-Trihydrat als gut geeignet erwiesen hat. Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Speichermediums 3 in Hinblick auf Stabilität gegen spontane Kristallisation des unterkühlten Speichermediums 2 und Wärmespeicherkapazität kann erzielt werden, wenn dem Natrium-Acetat-Trihydrat bis zu 20% Natriumthiosulfat und/oder bis zu 20% Natriumnitrat und/oder bis zu 10% Natronlauge beigemengt werden.
Das Speichermedium 3 nimmt in geschmolzener und flüssiger Form ein größeres Volumen ein, als im festen, kristallisierten Zustand, es ist daher bei der Bemessung der Menge des Speichermediums 3 im Behälter 2 ein Spielraum für die Volumenänderung erforderlich. Natrium-Acetat-Trihydrat besitzt einen Schmelzpunkt von etwa 58°C und ist daher für die Wärmespeicherung zu Heizzwecken gut geeignet, da beispielsweise von Solarkollektoren ein Temperaturniveau für die Beladung des Latentwärmespeichers 1 mit etwa 80 bis 90°C zur Verfügung steht und beim Verbrauch de r gespeicherten Wärme, beispielsweise durch Niedertemperaturheizanlagen, eine Temperatur von 30 bis 40°C benötigt wird. Die folgenden beispielhaften Ausführungen sind für die Verwendung von Natrium-Acetat-Trihydrat beschrieben, es können jedoch auch andere PCM-Materialien als Speichermediumg 3 zum Einsatz kommen
Der Wärmetransport in bzw. aus dem Latentwärmespeicher 1 über den Wärmetauscher 4 erfolgt, indem im Wärmetauscher 4 ein Wärmeträgerfluid 6 enthalten und durch diesen transportiert wird. Der Wärmetauscher 4 ist dazu mit einem ersten Anschluss 7 und einem zweiten Anschluss 8 mit einem nicht dargestellten Wärmekreislauf verbunden. Durch Pfeile ist dabei der Transport des Wärmeträgerfluids 6 durch den Wärmetauscher angedeutet, wobei auch die Transportrichtung 9 wechseln kann. Bei der Beladung des Latentwärmespeichers 1 ist dabei die Temperatur des zugeführten Wärmeträgerfluids 6 über dem Temperaturniveau des Latentwärmespeichers 1 und bei der Entladung des Latentwärmespeichers 1 unterhalb von dessen Temperaturniveau.
Der Wärmetauscher 4 kann, wie in 1 dargestellt, im Inneren des Behälters 2 im Speichermedium 3 eingebettet sein, es wäre jedoch auch möglich, dass der Wärmetauscher 4 einen Teil der Behälterwand 10 bildet. Die Größe und die Form des Wärmetauschers 4 kann prinzipiell beliebig sein, für eine ausreichende Wärmeübertragungsleistung empfehlen sich Abmessungen und Formen für den Wärmetauscher 4, wie sie auch bei herkömmlichen Wärmespeichern, Pufferspeichern, Warmwasserspeichern und dergleichen verwendet werden.
Im Folgenden werden die bei einem normalen Betrieb des Latentwärmespeichers 1 ablaufenden Vorgänge kurz beschrieben, wobei auch die für die Erfindung wesentliche, bauliche Ausführung des Latentwärmespeichers 1 erläutert wird. Bei einem Latentwärmespeicher 1, der keine nutzbare Wärme mehr enthält, liegt das Speichermedium 3 in festem Aggregatszustand vor und befindet sich auf dem Temperaturniveau der Umgebung außerhalb des Latentwärmespeichers 1. Zum Beladen wird nun Wärmeträgerfluid 6 mit höherer Temperatur zugeführt, wodurch die Temperatur des Wärmetauschers 4 über die Temperatur des Speichermediums 3 angehoben wird und ein Wärmeübergang vom Wärmetauscher 4 an das angrenzende Speichermedium 3 erfolgt. Der Wärmetransport innerhalb des Speichermediums 3 erfolgt dabei in Abhängigkeit vom örtlichen Aggregatzustand entweder durch Wärmeleitung im festen Speichermedium 3 oder durch Wärmeleitung und Konvektion in Bereichen, in denen das Speichermedium 3 bereits in flüssigem Aggregatszustand vorliegt. Bei ausreichend langsamer Wärmezufuhr würde der Phasenübergang des gesamten Speichermediums 3 auf dem Temperaturniveau des Schmelzpunktes, also hier bei etwa 58°C, erfolgen, da jedoch für einen vollständigen Temperaturausgleich innerhalb des Speichermediums 3 aufgrund der begrenzten Wärmeleitfähigkeit Zeit benötigt wird, liegt im Allgemeinen im Nahbereich des Wärmetauschers 4 flüssiges Speichermedium 3 mit einer Temperatur die gleich oder größer der Schmelztemperatur ist, vor und in vom Wärmetauscher 4 distanzierten Bereichen liegt festes, kristallisiertes Speichermedium 3 mit einer Temperatur die kleiner oder gleich der Schmelztemperatur ist, vor. In weiterer Folge der Beladung des Latentwärmespeichers 1 gibt es einen Zustand, indem das gesamte Speichermedium 3 geschmolzen ist und in den flüssigen Aggregatzustand übergegangen ist. Von Wärmeverlusten durch die Behälterwand 10 abgesehen, enthält der Latentwärmespeicher 1 in diesem Zustand die Wärmemenge, die erforderlich ist, das feste Speichermedium 3 von der Umgebungstemperatur bis zur Schmelztemperatur zu erwärmen und zusätzlich die für den Phasenübergang notwendige Wärmemenge, die auch als Schmelzenthalpie bezeichnet wird. Der Phasenübergang von festem zu flüssigem Aggregatzustand des Speichermediums 3 erfolgt etwa bei der Schmelztemperatur, bei Natrium-Acetat-Trihydrat bei etwa 58°C, und eine weitere Wärmezufuhr führt in Folge zu einer Erhöhung der Temperatur des flüssigen Speichermediums 3 bis zu dem Temperaturniveau, das vom Wärmeträgerfluid 6 zur Verfügung gestellt wird.
Damit ist die Beladung des Latentwärmespeichers 1 abgeschlossen und kann dieser die aufgenommene Wärmeenergie – von Wärmeverlusten durch die Behälterwand 10 abgesehen – bis zum Zeitpunkt der Entladung, das heißt bis zur Entnahme von Wärme gespeichert werden.
Das Entladen des Latentwärmespeichers 1 erfolgt, indem dem Wärmetauscher 4 Wärmeträgerfluid 6 zugeführt wird, dessen Temperatur unterhalb der jeweiligen Temperatur des Speichermediums 3 liegt, wobei hier zwischen Speichermedien 3 die bei Unterschreiten der Schmelztemperatur ohne Verzögerung in den festen Aggregatzustand übergehen, also kristallisieren und Speichermedien 3, die sich in flüssigem Aggregatzustand bis unter die Schmelztemperatur unterkühlen lassen, zu unterscheiden ist.
Für den Fall, dass ein nicht unterkühlbares Speichermedium 3 vorliegt, beispielsweise paraffinartige Zusammensetzungen, sinkt bei der Wärmeentnahme die Temperatur des flüssigen Speichermediums 3 bei fortgesetzter Wärmeentnahme bis zur Schmelztemperatur, verharrt jedoch in Folge bei der Schmelztemperatur bis die beim Phasenübergang flüssig zu fest frei werdende Kristallisationswärme vom Wärmetauscher 4 abgeführt ist Bei weiterer Wärmeabfuhr über den Wärmetauscher 4 sinkt dann die Temperatur des nunmehr festen Speichermediums 3 bis auf das Temperaturniveau des dem Wärmetauscher 4 zugeführten Wärmeträgerfluids 6.
Für den Fall dass ein unterkühlbares Speichermedium 3, wie etwa Natrium-Acetat-Trihydrat verwendet wird, erfolgt bei der Wärmeentnahme aus dem flüssigen Speichermedium 3 bei Erreichen und Unterschreiten der Schmelztemperatur kein Phasenübergang, sondern bleibt der flüssige Aggregatzustand bei fortschreitender Temperaturabnahme des Speichermediums 3 weiter erhalten. Bei einem geeigneten Speichermedium 3 kann diese Wärmeentnahme und Temperaturabsenkung auch bis auf das Temperaturniveau der Umgebung des Latentwärmespeichers 1 fortgesetzt werden, eventuell auch unter Verwendung von Wärmepumpen im Wärmekreislauf des Wärmetauschers 4, wobei bei identischer Temperatur des Speichermediums 3 und der Außenumgebung des Latentwärmespeichers 1 über die Behälterwand 10 kein Wärmeverlust mehr stattfindet. In diesem Zustand kann das unterkühlte flüssige Speichermedium 3, in dem noch die latente Kristallisationswärme enthalten ist, über sehr lange Zeiträume aufbewahrt werden, wodurch eine Wärmespeicherung über lange Zeiträume möglich ist. Bei späterem Bedarf an Wärme kann die Freigabe der Latentwärme dadurch ausgelöst werden, dass im unterkühlten flüssigen Speichermedium 3 eine Kristallisation ausgelöst wird, die sich in Folge über das gesamte Speichermedium 3 ausbreitet und dessen Temperatur dadurch wieder auf ein Niveau angehoben wird, das für die Versorgung eines Wärmeverbrauchers ausreichend ist. In 1 ist vereinfacht eine Auslösevorrichtung 11 dargestellt, die ein auf das Speichermedium 3 einwirkendes Auslöseelement 12 umfasst, mit dem die Kristallisation im unterkühlten flüssigen Speichermedium 3 quasi auf Knopfdruck eingeleitet werden kann. Die Auslösevorrichtung 11 wird dabei etwa mittels einer nicht dargestellten Steuerungsvorrichtung aktiviert, die einen Wärmebedarf eines Wärmeverbrauchers feststellt und basierend auf hinterlegten Steuerungs- oder Regelungsstrategien auf die Wärmeanforderung mit der Aktivierung der Auslösevorrichtung 11 reagiert.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher 1 umfasst weiters, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, ein Rührwerk 13 mit einem Rührantrieb 14, etwa einem Elektromotor und einem in das Speichermedium 3 ragendem Rührorgan 15. Das Rührwerk 13 dient im flüssigen Aggregatzustand des Speichermediums 3 dazu, dieses im Behälter 2 regelmäßig oder andauernd zu bewegen und durchzumischen, wodurch Konzentrationsunterschiede innerhalb des Speichermediums 3 reduziert oder vermieden werden können und der Wärmetransport innerhalb des flüssigen Speichermediums 3 und der Wärmeaustausch mit dem Wärmetauscher 4 durch verstärkte Konvektionsbewegung deutlich verbessert wird.
Das Rührorgan 15 umfasst dabei im einfachsten Fall eine mit dem Rührantrieb 15 antriebsverbundene Rührwelle 16 und zumindest ein an dieser angeordnetes Rührelement 17, das im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 beispielsweise durch einen Propeller 18 gebildet ist. Das Rührelement 17 ist vorzugsweise in der Nähe des Behälterbodens angeordnet, wodurch unerwünschte Salzablagerungen weitgehend vermieden werden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das Rührorgan 15 bzw. die Rührwelle 16 eine vertikal ausgerichtete Drehachse 19, wodurch der Propeller 18 beispielsweise eine durch strichlierte Pfeile vereinfacht angedeutete Strömungsbewegung des flüssigen Speichermediums 3 bewirkt, die im Bereich der Drehachse 19, also hier im Mittenbereich des Speichermediums 3 nach oben verläuft und in der Nähe der senkrechten Behälterwände nach unten verläuft.
Erfindungsgemäß ist am Rührorgan 15 zumindest ein Wärmeleitelement 20 angeordnet, das das Speichermedium 3 in einem großen Volumenbereich durchsetzt und den Wärmetransport innerhalb des Speichermediums 3 in festem Aggregatzustand wesentlich verbessert wird, wodurch in den Zuständen beim Beladen oder Entladen des Latentwärmespeichers 1, in denen das Speichermedium 3 in festem Aggregatzustand vorliegt, eine ausreichende Wärmetransportleistung zum bzw. vom Wärmetauscher 4 bewirkt wird.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind entlang der Rührwelle 16 mehrere, scheibenförmige Wärmeleitelemente 20 angeordnet, wodurch für den Wärmetransport im erstarrten Speichermedium 3 viel kürzere Wärmeleitwege vorliegen, als bei nicht vorhandenen Wärmeleitelementen 20. Die scheibenförmigen Wärmeleitelemente liegen dabei in zur Drehachse 19 rechtwinkeligen Ebenen, weshalb deren Beitrag auf die Rührbewegung im Vergleich zum Propeller 18 relativ gering ist und keine nennenswerte Erhöhung der erforderlichen Antriebsleistung des Rührantriebs 14 bewirkt.
Bei einem erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher 1 besitzt das Rührorgan 15 nicht nur bei flüssigem Speichermedium 3 eine Funktion sondern unterstützt bei festem Speichermedium 3 auch den Wärmetransport innerhalb des Latentwärmespeichers 1, wodurch im Gegenzug der Wärmetauscher im Unterschied zum Stand der Technik wesentlich einfacher gehalten werden kann. Die Wärmeleitelemente 20 sind aus einem Material, das eine gute Wärmeleitfähigkeit, insbesondere zumindest von 15 W/mK aufweist und diese Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitelemente 20 ein Mehrfaches der Wärmeleitfähigkeit des festen Speichermediums 3 beträgt. In 1 ist eine die Wärmeleitelemente 20 umschreibende Hüllfläche 21 mit strichpunktierten Linien dargestellt. Die scheibenförmigen Wärmeleitelemente 20 in 1 können Öffnungen aufweisen, damit die vom Propeller 18 bewirkte Strömung des flüssigen Speichermediums 3 nur wenig behindert wird und sich auch auf den Wärmeleitelementen 20 selbst nur geringe Kristallablagerungen ansammeln können.
Die mit strichpunktierten Linien dargestellte Hüllfläche 21, innerhalb der die Wärmeleitelemente 20 rotieren, bestimmt auch den Volumenbereich 22 im festen Speichermedium 3, der zum Zwecke der verbesserten Wärmeleitung von den Wärmeleitelementen 20 durchsetzt ist.
In der 2 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform des Latentwärmespeichers 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in der vorangegangenen 1 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung gleicher Bauteile mit gleichen Bezugszeichen in der vorangegangenen 1 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
In Abwandlung zur Ausführungsform gemäß 1 besitzt der Latentwärmespeicher 1 gemäß 2 einen Wärmetauscher 4 in der Bauart, wie er auch bei Pufferspeichern oder Warmwasserspeichern häufig verwendet wird und eine hohlzylindrische Form besitzt, die dadurch entsteht, dass eine Rohrleitung 23 aus Metall oder eine Kunststoffrohrleitung 24 spiralenartig zu einer Wärmetauschereinheit 25 gewickelt ist. Die Länge der Rohrleitung 23 bzw. der Kunststoffrohrleitung 24 ist dabei so bemessen, dass deren wirksame Oberfläche und die gegebene Wärmeübergangszahl in Kombination mit den im Betrieb vorherrschenden Temperaturspannen eine ausreichende Wärmeaustauschleistung ergeben. Bei einer Rohrleitung 23 aus Metall kann demnach der Wärmetauscher 4 aufgrund der besseren Wärmeübergangszahl kleiner ausgeführt sein, während bei Verwendung einer Kunststoffrohrleitung für den Wärmetauscher 4 eine größere Leitungslänge erforderlich ist. Selbstverständlich können bei jeder Bauart eines Wärmetauschers 4 zusätzliche Wärmetauscherflächen vorgesehen sein.
Im Zentrum des hohlzylindrischen Wärmetauschers 4 ist in der Ausführung gemäß 2 das Rührorgan 15 angeordnet, wobei dieses wieder eine Rührwelle 16 umfasst, an der etwa in radialer Richtung verlaufende Rührelemente 17 angeordnet sind, die in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig die Wärmeleitelemente 20 darstellen. Die Wärmeleitelemente 20 erstrecken sich dabei annährend bis zum Wärmetauscher 4, wodurch gewissermaßen die von den Wärmeleitelementen 20 im festen Speichermedium 3 gesammelte Wärme in den Nahbereich des Wärmetauschers 4 transportiert wird bzw. Wärme vom Wärmetauscher 4 über die Wärmeleitelemente 20 im festen Speichermedium 3 verteilt werden kann.
Der Wärmetauscher 4 ist mit seiner hohlzylindrischen Form rotationssymmetrisch bezogen auf die Drehachse 19 angeordnet und die Wärmeleitelemente sind innerhalb einer Hüllfläche 21 angeordnet, deren Durchmesser 26 annähernd dem Innendurchmesser 27 des Wärmetauschers 4 beträgt. Die Wärmeleitwege im festen Speichermedium 3 werden bereits wesentlich verkürzt, wenn der Durchmesser 26 zumindest 75%, insbesondere 90%, vorzugsweise 95% des Innendurchmessers 27 beträgt. In Richtung der Drehachse 19 sind die Wärmeleitelemente 20 über eine Länge 28 verteilt, die zumindest 80%, vorzugsweise jedoch mehr, der Ausdehnung 29 des Wärmetauschers 4 in Richtung der Drehachse 19 entspricht. Diese Ausdehnung 29 entspricht etwa der Länge des hohlzylindrischen Wärmetauschers 4. Die Wärmeleitelemente 20 können bei dieser, aber auch bei allen anderen Ausführungsformen, vollflächig ausgeführt sein, aber auch Durchbrechungen oder Öffnungen aufweisen, die einen Durchtritt von flüssigem Speichermedium 3 durch die Wärmeleitelemente 20 bei der Rührbewegung zulassen. Die Wärmeleitelemente können beispielsweise auch als Lochblech oder als Gitter ausgeführt sein und besitzen vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wie sie bei verschiedenen Metallen gegeben ist.
In der 3 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform eines Latentwärmespeichers 1 gezeigt, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen 1 und 2 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in der vorangegangenen 1 und 2 hingewiesen bzw. Bezug genommen und werden anhand von 3 mögliche, alternative oder zusätzliche Merkmale eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers 1 beschrieben. Im Latentwärmespeicher 1 gemäß der Ausführungsform in 3 ist der Wärmetauscher 4 wieder hohlzylindrisch mit vertikaler Achse im Behälter 2 angeordnet und ist die Drehachse 19 des Rührorgans 15 wieder in dessen Zentrum platziert. Die Rührbewegung des flüssigen Speichermediums 3 wird wie in 1 mit einem Rührelement 17 in Form eines Propellers 18 bewirkt. Zur erfindungsgemäßen Verbesserung des Wärmetransports im festen Speichermedium 3 ist dieses in einem großen Volumenbereich von einem Wärmeleitelement 20 durchsetzt, das in dieser Ausführungsform als zur Drehachse 19 konzentrischer Hohlzylinder 30 ausgeführt ist, der am Rührorgan 15, hier der Rührwelle 16 angeordnet ist, und dessen untere und obere Stirnfläche 31 geeignete Öffnungen, die die Bewegungen des flüssigen Speichermediums 3 erlauben, aufweisen. Der Hohlzylinder 30 besitzt dabei einen Außendurchmesser 32, der nur wenig kleiner ist, als der Innendurchmesser 27 des hohlzylinderförmigen Wärmetauschers 4, wodurch wieder kurze Wärmeleitwege im festen Speichermedium 3 bewirkt sind. Innerhalb des Hohlzylinders 30 ist das Speichermedium 3 von Wärmeleitfortsätzen 33 durchsetzt, die von der Innenseite des Hohlzylinders 30 etwa in radialer Richtung sich bis annährend zur Rührwelle 16 erstrecken. Diese Wärmeleitfortsätze 33 können wie in 3 dargestellt, etwa streifenfömig ausgebildet sein, und auf einfache Weise so hergestellt sein, dass in das flächige Material, das den Hohlzylinder aufbaut, U-förmige Schlitze geschnitten werden, wodurch streifenförmige Wärmeleitfortsätze 33 freigestellt werden, die in das Innere des Hohlzylinders 30 eingebogen werden und dadurch das Speichermedium 3 etwa in radialer Richtung durchsetzen. In 3 ist mit strichpunktierten Linien eine derartige U-förmige Schnittkante 34 angedeutet. Auf diese Weise können auch vom Hohlzylinder 30 nach außen vorragende Wärmeleitfortsätze 33 hergestellt werden, mit denen der Abstand zwischen dem Hohlzylinder 30 und dem außen liegenden Wärmetauscher 4 zumindest teilweise überbrückt werden kann.
Die Wärmeleitelemente 20 bzw. daran ausgebildete, zusätzliche Wärmeleitfortsätze 33 sind bei allen Ausführungsformen so dimensioniert und angeordnet, dass beim Rührvorgang keine Kollision mit anderen Bauteilen des Latentwärmespeichers 1 erfolgen kann. Dies betrifft nicht nur rotierende Bewegungen eines Rührorgans 15, sondern auch oszilierende, schwingende oder andere Bewegungsarten eines Rührorgans 15, die geeignet sind, unerwünschte Kristallablagerungen aus dem flüssigen Speichermedium 3 zu verhindern und/oder Konvektionsbewegungen des flüssigen Speichermediums 3 zu fördern.
4 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Wärmetauschers 4 für einen erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher 1, bei dem eine Rohrleitung 23, insbesondere eine Kunststoffrohrleitung 24 spiralartig zu einer hohlzylinderähnlichen Wärmetauschereinheit 25 aufgewickelt sind. Dabei sind die einzelnen Windungen mit Halteschienen 35 fixiert, die dazu entsprechende Ausnehmungen aufweisen und parallel zur Längsachse des hohlzylinderähnlichen Wärmetauschers 4 bzw. der Wärmetauschereinheit 25 verlaufen. Die Halteschienen 35 im Ausführungsbeispiel gemäß 4 besitzen dabei seichtere Ausnehmungen 36 und tiefere Ausnehmungen 37, die abwechselnd aufeinander folgen und nach dem Bewickeln mit der Rohrleitung 23 bzw. der Kunststoffrohrleitung 24 zwei verschiedene Wickeldurchmesser der Windungen am fertigen Wärmetauscher 4 bewirken. Beim Herstellen eines solchen Wärmetauschers 4 bewirken die seichteren Ausnehmungen 36 größere Durchmesser 38 der Windungen und die tieferen Ausnehmungen 37 die kleineren Durchmesser 39 der Windungen.
Entlang der Rührwelle 16 sind mehrere Rührelemente 17 in Form von Propellern 18 angeordnet, die gleichzeitig auch die Wärmeleitelemente 20 darstellen.
5 zeigt in einer vereinfachten Ansicht gemäß Pfeil V in 4 beispielhaft den Verlauf der Wicklungen der Rohrleitung 23 bzw. der Kunststoffrohrleitung 24 bei einem Wärmetauscher 4 gemäß der Ausführung in 4. Die Rohrleitung 23 bzw. die Kunststoffrohrleitung 24 ist dabei vereinfacht lediglich als Linie dargestellt, man erkennt jedoch, dass durch die Abfolge von seichten Ausnehmungen 36 und die tiefen Ausnehmungen 37 sich bei den daraus ergebenden Windungen abwechselnd große Durchmesser 38 und kleine Durchmesser 39 ergeben. Lediglich in dem Kreuzungspunkt 40 liegen jeweils benachbarte Windungen übereinander und besitzen denselben Abstand zur Drehachse 19 der Drehwelle.
In 6 sind zwei mögliche alternative Ausführungsformen für die Auslösevorrichtung 11 dargestellt, wobei die obere Auslösevorrichtung 11a auf der mechanischen Einbringung von Kristallisationskeimen in das unterkühlte, flüssige Speichermedium 3 basiert, während bei der unteren Auslösevorrichtung 11b die Auslösung auf starker, lokaler Abkühlung basiert. Die Auslösevorrichtung 11a umfasst ein stabförmiges Auslöseelement 12, beispielsweise einen Glasstab, der in einer in Volllinien dargestellter Ruhestellung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des flüssigen Speichermediums 3 positioniert ist und in einer Auslösestellung, die in strichlierten Linien dargestellt ist, in das flüssige Speichermedium 3 eintaucht. Das Auslöseelement 12 ist dabei etwa in vertikaler Richtung verstellbar an der Behälterwand 10 innerhalb des Behälters 2 gelagert und kann durch einen geeigneten Antriebsmechanismus zwischen der Ruhestellung und der Auslösestellung verstellt werden. An dem Teil des Auslöseelements 12, der in das flüssige Speichermedium 3 eingetaucht werden kann, befinden sich kleine Mengen von Salzkristallen, insbesondere solche Kristalle, die der Zusammensetzung des festen, erstarrten Speichermediums 3 entsprechen. Wird nun dieses Auslöseelement 12 in das unterkühlte und flüssige Speichermedium 3 eingetaucht, dienen die auf dem Auslöseelement 12 befindlichen Kristalle als Kristallisationskeime und wird die Kristallisation des Speichermediums 3 mit der entsprechenden Bereitstellung der Latentwärme eingeleitet. Eine Möglichkeit diese Verstellung des innerhalb des Behälters 2 befindlichen Auslöseelements 12 zu bewirken, besteht darin, außerhalb des Behälters 2 ein verstellbares Betätigungselement 41 vorzusehen und über Magnetkräfte, die die Behälterwand 10 durchsetzen, die Bewegung des Auslöseelements 12 an die Bewegung des Betätigungselements 41 zu koppeln. Dazu ist etwa das Betätigungselement 41 mit einem Magnetelement 42 versehen und über einen Verstellantrieb 43 etwa in Form eines einfachen Linearantriebes in vertikaler Richtung verstellbar. Innerhalb des Behälters 2 ist das Auslöseelement 12 in einer Führung 44 gelagert und weist seinerseits ein Magnetelement 45 auf, wobei die Magnetelemente 42 und 45 so aufeinander abgestimmt sind, dass zwischen ihnen eine starke Magnetkraft wirkt. Es wäre auch eine vereinfachte Bauweise möglich, bei der entweder nur das Auslöseelement 12 oder das Betätigungselement 41 mit einem Magnetelement versehen ist, solange das damit zusammenwirkende Gegenstück ein Bauteil aus magnetisierbarem Material umfasst und ausreichende, die Behälterwand 10 durchsetzende Magnetkräfte hervorgerufen werden. Die Behälterwand 10 ist bei dieser Ausführungsform mit Nutzung von Magnetkräften vorzugsweise aus unmagnetischem Material, wie etwa Kunststoff hergestellt.
Die alternative Ausführungsform einer Auslösevorrichtung 11b besteht darin, dass das Auslöseelement 12 durch ein Peltier-Element 46 gebildet ist. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung, die von einer Stromversorgung 47 bereitgestellt ist, wird vom Peltier-Element 46 eine mit dem Speichermedium 3 in Kontakt stehende Kühlfläche 48 stark abgekühlt, und zwar auf eine Temperatur die sofort eine spontane Kristallisation des unterkühlten, flüssigen Speichermediums 3 auslösen kann. Dadurch kann quasi ebenfalls auf Knopfdruck die Kristallisation des flüssigen Speichermediums 3 und damit auch die Bereitstellung der Latentwärme eingeleitet werden.
Bei beiden zuvor beschriebenen Beispielen einer Auslösevorrichtung 11a, 11b kann die Aktivierung des Betätigungselements 41 bzw. des Peltier-Elements 46 mittels einer nicht dargestellten Steuervorrichtung erfolgen.
6 zeigt weiters an der Oberfläche des Speichermediums 3 einen Ölfilm 49, der die Oberfläche des Speichermediums 3 vor dem Kontakt mit Kristallisationskeimen in Form von Schmutzpartikeln oder sonstigen Partikeln schützt und dadurch die Auslösung von unerwünschter, spontaner Kristallisation verhindert ist. Der Ölfilm 49 besteht dabei aus einem Öl das eine geringere Dichte aufweist als das flüssige Speichermedium 3 und besitzt vorzugsweise eine Dicke von zumindest 3 mm, vorzugsweise zumindest 5 mm, bei ebener Oberfläche des flüssigen Speichermediums 3.
7 zeigt eine mögliche Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers 1, bei dem die Wärmeleitelemente 20 verstellbar am Rührorgan 15 gelagert sind, und zwar entweder durch eine gelenkige Lagerung oder eine elastische Lagerung. In beiden Fällen dient diese verstellbare Lagerung dazu, die Wärmeleitelemente 20 von einer Ausgangsstellung, in der sie vom Wärmetauscher 4 einen Abstand 50 aufweisen, in eine Arbeitsstellung verstellen zu können, in der sie einen geringeren Abstand 50 zum Wärmetauscher 4 oder in direkten, berührenden Kontakt mit dem Wärmetauscher 4 verstellbar sind. Die Verstellung kann dabei natürlich nur im flüssigen Zustand des Speichermediums 3 erfolgen und dient dazu, die Wärmeleitwege für den Wärmetransport im kristallisierten, festen Speichermedium 3 zu reduzieren.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 7 sind die Wärmeleitelemente 20 als Schwenkarme 51 ausgebildet, die an der Rührwelle 16 mittels eines Gelenks 52 gelagert sind und sich in etwa radialer Richtung bis auf einen Abstand 50 zum Wärmetauscher 4 hin erstrecken. Über eine geeignete Verstellvorrichtung 53 mit einem nicht dargestellten Verstellantrieb können die Wärmeleitelemente 20 in Form von Schwenkarmen 51 in die Arbeitsstellung verschwenkt werden, in der eine Kontaktfläche 54 in Kontakt mit dem Wärmetauscher 4 gebracht ist oder der Abstand 50 zumindest gegenüber der Ausgangsstellung reduziert ist. Das Gelenk 52 kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass an der Rührwelle 16 eine Lagerscheibe 55 fixiert ist, an der entsprechende Lagerbolzen 56 angeordnet sind, die von einer am Schwenkarm 51 angeformten Lagerhülse 57 umgriffen sind.
In 8 ist ein Detail einer möglichen, weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers 1 dargestellt, bei dem das Rührorgan 15, an dem das Wärmeleitelement 20 oder mehrere Wärmeleitelemente 20 angeordnet sind, einen Leitungskanal 58 für die Durchleitung von Wärmeträgerfluid 6 umfasst und dadurch selbst als Wärmetauscher 4 ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist die um die Drehachse 19 drehbar gelagerte Rührwelle 16 als Doppelrohr 59 ausgebildet, das aus einem Innenrohr 60 und einem dazu konzentrischen und einen Abstand aufweisenden Außenrohr 61 besteht. An diesem Doppelrohr 59 sind im Inneren des Behälters 2 die das Speichermedium 3 durchsetzenden Wärmeleitelemente 20 angeordnet, die den Wärmetransport zwischen dem festen Speichermedium 3 und dem Doppelrohr 59 verstärken. Beim Entladen eines Latentwärmespeichers 1 wird beispielsweise über das Innenrohr 60 Wärmeträgerfluid 6 mit einer niedrigeren Temperatur zugeführt, von dem es an dessen nicht dargestellten unterem Ende oder über geeignete Durchtrittsöffnungen in das Außenrohr 61 übergeht und durch dieses der Wärmeaustausch mit dem Speichermedium 3 stattfindet. Außerhalb des Latentwärmespeichers 1 ist das Doppelrohr 59 mit einem feststehenden Anschlussstück 62 drehbar und abgedichtet gelagert, wobei die Dichtungen 63 so ausgeführt sind, dass auch bei sich drehendem Doppelrohr 59 eine ausreichende Abdichtung gegeben ist. Der Antrieb der Rührwelle 16 in Form des Doppelrohrs 59 erfolgt durch einen Rührantrieb 14, der in diesem Ausführungsbeispiel eine am Doppelrohr 59 befestigte Zahnriemenscheibe 64, einen Zahnriemen 65 und einen nicht dargestellten Antriebsmotor umfasst, wobei selbstverständlich auch andere, gleichwirkende Antriebsvarianten denkbar sind.
Die Wärmeleitelemente 20 können bei den verschiedenen Ausführungsformen unterschiedliche Dicken und damit auch Wärmeleitquerschnitte aufweisen, bei Verwendung von Wärmeleitelementen 20 aus Metallblech sind Dicken von ca. 0,5 mm bis hinauf zu 3 mm oder auch mehr möglich.
Bei den Figuren sind die Durchführungen für den ersten Anschluss 7 und den zweiten Anschluss 8 des Wärmetauschers 4 in der Seitenwand des Behälters 2 dargestellt, selbstverständlich können diese auch an anderen Positionen der Behälterwand 10, insbesondere auch an der oberen Behälterwand bzw. Stirnfläche positioniert sein. Die Anordnung an der Oberseite ist von Vorteil, wenn der Behälter 2 mit einem Deckel an der Oberseite versehen ist, der den leichten Einbau des Wärmetauschers 4 und auch des Rührwerks 13 gestattet.
Der Volumenbereich 22, in dem das Speichermedium 3 durchsetzt ist, kann vereinfacht auch als das Volumen betrachtet werden, das ein das rotierende Rührorgan 15 mit den daran angeordneten Wärmeleitelementen 20 umhüllender Zylinder oder Kegel aufweist. Dieser Volumenbereich 22 entspricht zumindest einem Drittel, vozugsweise mehr als der Hälfte des vom Speichermedium 2 eingenommenen Volumens, um einen guten Wärmetransport innerhalb des festen Speichermediums 3 zu bewirken.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des Latentwärmespeichers 1, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die einzelnen speziell dargestellten Ausführungsvarianten desselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. Es sind also auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvarianten möglich sind, vom Schutzumfang mit umfasst.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Latentwärmespeichers 1 dieser bzw. dessen Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
Vor allem können die einzelnen in den 1; 2; 3; 4, 5; 6; 7; 8 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
Bezugszeichenliste

1: Latentwärmespeicher
2: Behälter
3: Speichermedium
4: Wärmetauscher
5: Wärmedämmung
6: Wärmeträgerfluid
7: erster Anschluss
8: zweiter Anschluss
9: Transportrichtung
10: Behälterwand
11: Auslösevorrichtung
12: Auslöseelement
13: Rührwerk
14: Rührantrieb
15: Rührorgan
16: Rührwelle
17: Rührelement
18: Propeller
19: Drehachse
20: Wärmeleitelement
21: Hüllfläche
22: Volumenbereich
23: Rohrleitung
24: Kunststoffrohrleitung
25: Wärmetauschereinheit
26: Durchmesser
27: Innendurchmesser
28: Länge
29: Ausdehnung
30: Hohlzylinder
31: Stirnfläche
32: Außendurchmesser
33: Wärmeleitfortsatz
34: Schnittkante
35: Halteschienen
36: Ausnehmung
37: Ausnehmung
38: Durchmesser
39: Durchmesser
40: Kreuzungspunkt
41: Betätigungselement
42: Magnetelement
43: Verstellantrieb
44: Führung
45: Magnetelement
46: Peltier-Element
47: Stromversorgung
48: Kühlfläche
49: Ölfilm
50: Abstand
51: Schwenkarm
52: Gelenk
53: Verstellanordnung
54: Kontaktfläche
55: Lagerscheibe
56: Lagerbolzen
57: Lagerhülse
58: Leitungskanal
59: Doppelrohr
60: Innenrohr
61: Außenrohr
62: Anschlussstück
63: Dichtungen
64: Zahnriemenscheibe
65: Zahnriemen
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80

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 Patentliteratur

US 4294078 [0003, 0004, 0007]
DE 202007005965 U1 [0006]

Claims

Latentwärmespeicher (1) umfassend einen Behälter (2) mit einem darin enthaltenen, in flüssigem und/oder festem Aggregatzustand vorliegenden Speichermedium (3), einen Wärmetauscher (4) innerhalb des Behälters (2) zum Austausch von Wärme zwischen dem Speichermedium (3) und einem im Wärmetauscher (4) enthaltenen und durch diesen transportierbaren Wärmeträgerfluid (6), ein Rührwerk (13) zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden innerhalb des flüssigen Speichermediums (3) mit einem Rührantrieb (14) und einem mit diesem antriebsverbundenen Rührorgan (15), dadurch gekennzeichnet, dass am Rührorgan (15) zumindest ein das Speichermedium (3) in einem großen Volumenbereich (22) durchsetzendes Wärmeleitelement (20) angeordnet ist.
Latentwärmespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Wärmeleitelement (20) annähernd bis zum Wärmetauscher (4) erstreckt.
Latentwärmespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (20) zumindest ein den Rührvorgang bewirkendes Rührelement (17) umfasst oder bildet.
Latentwärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) hohlzylinderförmig ausgebildet ist und eine Drehachse (19) des Rührorgans (15) etwa konzentrisch dazu angeordnet ist.
Latentwärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rührorgan (15) mehrere das Speichermedium (3) in etwa radialer Richtung zwischen Drehachse (19) des Rührorgans (15) und Wärmetauscher (4) durchsetzende Wärmeleitelemente (20) umfasst.
Latentwärmespeicher (1) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch bezogen auf die Drehachse (19) ausgebildet ist und die Wärmeleitelemente (20) innerhalb einer Hüllfläche (21) angeordnet sind, deren Durchmesser (26) zumindest 75%, insbesondere 90%, vorzugsweise 95% des Innendurchmessers (26) des Wärmetauschers (4) beträgt.
Latentwärmespeicher (1) nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch bezogen auf die Drehachse (19) ausgebildet ist und die Wärmeleitelemente (20) in Richtung der Drehachse (19) des Rührorgans (15) über eine Länge (28) verteilt angeordnet sind, die zumindest 80% der Ausdehnung (29) des Wärmetauschers (4) in Richtung der Drehachse (19) entspricht.
Latentwärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) eine durch das Speichermedium (3) geführte Kunststoffrohrleitung (24) umfasst.
Latentwärmespeicher (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffrohrleitung (24) an einer Anordnung von Halteschienen (35), insbesondere aus Metall, spiralenartig zu einer etwa hohlzylinderförmigen Wärmetauschereinheit (25) aufgewickelt und befestigt ist.
Latentwärmespeicher (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinheit (25) Windungen mit verschiedenen Durchmessern, insbesondere zwei oder mehr alternierenden oder zueinander versetzten Durchmessern (38, 39), aufweist.
Latentwärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (20) eine verstellbare Kontaktfläche (54) aufweist, die in Kontakt mit dem Wärmetauscher (4) verstellbar ist.
Latentwärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (3) durch einen in flüssigem Aggregatzustand unter seinen Schmelzpunkt unterkühlbaren Stoff gebildet ist, insbesondere zum überwiegenden Teil durch Natriumacetat-Trihydrat.
Latentwärmespeicher (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (3) einen Anteil von bis zu 20% Natriumthiosulfat und/oder bis zu 20% Natriumnitrat und/oder bis zu 10% Natronlauge aufweist.
Latentwärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (3) weitgehend gleichmäßig verteilte, wärmeleitende Fasern oder Partikel, insbesondere aus Edelstahl und/oder Graphit enthält.
Latentwärmespeicher (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass am Behälter (2) eine auf das Speichermedium (3) einwirkende Auslösevorrichtung (11) zur Anregung des Übergangs vom flüssigen unterkühlten Aggregatzustand in einen festen Aggregatzustand angeordnet ist.
Latentwärmespeicher (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösevorrichtung (11) ein Peltier-Element (46) zur lokalen Abkühlung des Speichermediums (3) umfasst.
Latentwärmespeicher (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösevorrichtung (11) ein innerhalb des Behälters (2) angeordnetes, verstellbar gelagertes oder mechanisch verformbares Auslöseelement (12) und ein außerhalb des Behälters (2) angeordnetes, verstellbares Betätigungselement (41) umfasst, und das Auslöseelement (12) und/oder das Betätigungselement (41) mit einem Magnetelement (42, 45) verbunden ist, das eine die Behälterwand (10) durchsetzende Magnetkraft zur Positionsverstellung oder mechanischen Verformung des Auslöseelements (12) ausübt.
Latentwärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (3) im Behälter (2) von einem Ölfilm (49) bedeckt ist, wobei dieser vorzugsweise bei ebener Oberfläche des flüssigen Speichermediums (3) eine Dicke zwischen 3 mm und 20 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 10 mm aufweist.
Latentwärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rührorgan (15) mit dem Wärmeleitelement (20) einen Leitungskanal (58) für die Durchleitung von Wärmeträgerfluid (6) umfasst und dadurch selbst als Wärmetauscher (4) ausgebildet ist.
Verfahren zum Beladen und Entladen eines Latentwärmespeichers (1), umfassend einen Behälter (2) mit einem darin enthaltenen Speichermedium (3), einen Wärmetauscher (4) zum Austausch von Wärme zwischen dem Speichermedium (3) und einem im Wärmetauscher (4) enthaltenen und durch diesen transportierten Wärmeträgerfluid (6), zumindest vorübergehender Aktivierung eines Rührwerks (13) zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden innerhalb des Speichermediums (3) mit einem Rührantrieb (14) und einem mit diesem antriebsverbundenen Rührorgan (15), dadurch gekennzeichnet, dass beim Beladen und Entladen des Latentwärmespeichers (1) Wärme durch zumindest ein das Speichermedium (3) in einem großen Volumenbereich durchsetzendes und am Rührorgan (15) angeordnetes Wärmeleitelement (20) vom Wärmetauscher (4) weg bzw. zum Wärmetauscher (4) hin geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Phasenumwandlung mit Kristallisation des Speichermediums (3) zum Entladen des Latentwärmespeichers (1) das Wärmeleitelement (20) an den Wärmetauscher (4) angenähert oder in berührenden Kontakt mit diesem gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Steuerungsvorrichtung die aktive Einleitung der Kristallisation erst nach der Annäherung oder Kontaktierung des zumindest einen Wärmeleitelements (20) ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Rührorgan (15) zur Durchleitung von Wärmeträgerfluid (6) geeignet ist und als Wärmetauscher (4) verwendet wird.