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Die Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermodul für eine Fluidströmung.
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In vielen technischen Prozessen ist es für die Energieeffizienz von Vorteil Wärme zu speichern, um sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Insbesondere bei der Stromerzeugung durch Solarthermie ist es erforderlich Wärme zu speichern, damit eine Stromversorgung auch bei Bewölkung und nachts möglich ist.
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Als ein Wärmespeicher im Bereich der Hochtemperaturwärmespeicherung kommen ein Feststoffspeicher, ein thermochemischer Speicher oder ein Latentwärmespeicher in Frage, die sich dadurch unterscheiden, in welcher Form die Wärme gespeichert wird. Bei dem Feststoffspeicher wird die Wärme in den Gitterschwingungen des Feststoffspeichers gespeichert, wobei eine Zufuhr von Wärme eine Temperaturerhöhung des Feststoffspeichermaterials und damit eine höhere Beweglichkeit der Gitteratome bewirkt. Herkömmlich wird der Feststoffspeicher, in der Regel Beton, aus Festigkeitsgründen bis zu einer Temperatur von 400 °C betrieben. Die speicherbaren Energiedichten des Feststoffspeichers ergeben sich aus der Wärmekapazität des Feststoffspeichers und sind im Vergleich zu dem thermochemischen Speicher und dem Latentwärmespeicher gering. Bei dem thermochemischen Speicher wird die Wärme mittels einer reversiblen chemischen Reaktion gespeichert. Der thermochemische Speicher kann bis zu einer Temperatur von 500 °C betrieben werden, wobei diese Temperatur durch die Stabilität der verwendeten Materialen gegeben ist. Der thermochemische Speicher ermöglicht die höchsten Energiedichten, jedoch ist die Herstellung des thermochemischen Speichers aufwändig und somit kostenintensiv.
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Bei dem Latentwärmespeicher wird die zu speichernde Wärme benutzt, um einen Phasenübergang eines Phasenübergangsmaterials zu bewirken, insbesondere den Phasenübergang von der festen in die flüssige Phase. Die Speicherung von Wärme erfolgt daher bei der Phasenübergangstemperatur des Phasenübergangsmaterials. Herkömmlich kann der Latentwärmespeicher bis zu einer Temperatur von 400 °C betrieben werden, wobei diese Grenze durch die chemische Stabilität des verwendeten Phasenübergangsmaterials sowie durch die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Materials gegeben ist, welches das Phasenübergangsmaterial umgibt. Ein herkömmlicher Latentwärmespeicher hat lediglich eine geringe Zyklenbeständigkeit, d.h. mehrfaches Erwärmen und Abkühlen des Latentwärmespeichers führt zu einer Verminderung seiner Lebensdauer.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Latentwärmespeichermodul für eine Fluidströmung zu schaffen, wobei das Latentwärmespeichermodul bei einer hohen Betriebstemperatur eine lange Lebensdauer und eine hohe Zyklenbeständigkeit hat.
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Das erfindungsgemäße Latentwärmespeichermodul für eine Fluidströmung weist eine Packung auf, die von einer Mehrzahl von ein Phasenübergangsmaterial aufweisenden Wärmespeicherelementen gebildet ist, die derart aneinanderliegend angeordnet sind, dass die Wärmespeicherelemente relativ zueinander beweglich und zwischen den Wärmespeicherelementen Zwischenräume ausgebildet sind, von denen Durchströmkanäle in der Packung gebildet sind, wobei beim Durchströmen der Fluidströmung durch die Durchströmkanäle die Wärmespeicherelemente derart von dem Fluid kontaktiert sind, dass Wärme zwischen dem Fluid und dem Phasenübergangsmaterial der Wärmespeicherelemente übertragbar ist.
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Beim Betrieb des Latentwärmespeichermoduls wird dieser auf eine vorherbestimmte Betriebstemperatur erwärmt, die der Phasenübergangstemperatur des Phasenübergangsmaterials entspricht. Für den Einsatz des Latentwärmespeichermoduls in einem Hochtemperaturprozess ist die Betriebstemperatur des Latentwärmespeichermoduls von 700°C bis 800°C erstrebenswert. Das Phasenübergangsmaterial ist dahingehend gewählt, dass die Phasenübergangstemperatur des Phasenübergangsmaterials der Betriebstemperatur entspricht. Beim Erwärmen der Wärmespeicherelemente beispielsweise von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur erfahren die Wärmespeicherelemente eine Volumenausdehnung aufgrund ihrer Wärmeausdehnungsfähigkeit. Dadurch, dass die Wärmespeicherelemente in der Packung relativ zueinander beweglich angeordnet sind, sind die Wärmespeicherelemente im Wesentlichen kraftfrei zueinander verrutschbar, so dass bei der Volumenausdehnung der einzelnen Wärmeübertragungselemente eine Kraftübertragung von einem der Wärmespeicherelemente zu einem anderen der Wärmespeicherelemente nur bedingt möglich ist. Somit ist es unterbunden, dass sich bei der Erwärmung der Wärmespeicherelemente übermäßige Thermospannungen und/oder Thermospannungsgradienten in der Packung aufbauen können. Dadurch stellen sich in der Packung lediglich harmlose Spannungszustände ein, obwohl die Packung der hohen Betriebstemperatur sowie eventuell hohen Temperaturgradienten ausgesetzt ist.
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Die Mehrzahl der Wärmespeicherelemente impliziert, dass das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis der einzelnen Wärmespeicherelemente größer ist als etwa eines die Packung bildenden Blocks. Dadurch erwärmen sich die einzelnen Wärmespeicherelemente schnell, wodurch im Betrieb des Latentwärmespeichermoduls vorteilhaft eine rasche Durchwärmung der Wärmespeicherelemente stattfindet. Außerdem ist die absolute Volumenausdehnung der einzelnen Wärmespeicherelemente gering verglichen mit der des die Packung bildenden Blocks, so dass in den Wärmespeicherelementen kritische Spannungsspitzen vermieden sind, wodurch das Latentwärmespeichermodul eine lange Lebensdauer hat.
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Die in dem Latentwärmespeichermodul zu speichernde Wärme bewirkt in dem Latentwärmespeichermodul den Phasenübergang des Phasenübergangsmaterials. Dadurch, dass beim Phasenübergang die Zunahme der Energiedichte des Phasenübergangsmaterials vergleichsweise hoch ist, ist die Energiedichte des Latentwärmespeichermoduls ebenfalls hoch und seine Wärmekapazität groß. Somit kann das Latentwärmespeichermodul vorteilhaft kompakt gebaut sein. Ein Latentwärmespeicher kann eine Mehrzahl an Latentwärmespeichermodulen aufweisen.
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Bevorzugt ist die Packung eine Schüttung der Wärmespeicherelemente, insbesondere eine lose Schüttung mit im Wesentlichen gleich großen Wärmespeicherelementen, wobei die Herstellung der Schüttung vorteilhaft einfach ist. Die Wärmespeicherelemente sind bevorzugt kugelförmig. Eine bevorzugte Ausführungsform der Packung ist eine dichteste Packung aus kugelförmigen Wärmespeicherelementen, insbesondere mit im Wesentlichen gleich großen Wärmespeicherelementen. Die Wärmespeicherelemente weisen bevorzugt eine monomodale Größenverteilung auf. Durch die Wahl der Größen und/oder Größenverteilung der Wärmespeicherelemente ist die Geometrie der Durchströmkanäle vorteilhaft vorherbestimmbar.
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Bevorzugt ist die Packung mindestens ein Stapel der Wärmespeicherelemente. Die Wärmespeicherelemente sind bevorzugt plattenförmig und/oder stabförmig. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wärmespeicherelemente in dem mindestens einen Stapel matrixförmig angeordnet, wodurch sich vorteilhaft eine gute Durchströmbarkeit der Packung ohne große Reibungsverluste ergibt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Wärmespeicherelemente in dem mindestens einen Stapel auf Lücke angeordnet. Somit ist das Fluid mäanderförmig durch die Packung strömbar, wodurch sich vorteilhaft eine gute Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und den Wärmespeicherelementen und somit dem Phasenübergangsmaterial ergibt.
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Die Packung ist bevorzugtermaßen vollständig oder teilweise von einem von dem Fluid durchströmbaren Käfig begrenzt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im Wesentlichen gleich groß wie der Wärmeausdehnungskoeffizient der Packung ist. Dadurch, dass die Wärmespeicherelemente von dem Käfig begrenzt sind, ergibt sich vorteilhaft eine stabile und transportable Packung.
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Die Wärmespeicherelemente weisen bevorzugt eine Poren aufweisende Trägerstruktur auf, in deren Poren das Phasenübergangsmaterial eingebracht ist. Dadurch ist das Phasenübergangsmaterial in jedem der Wärmespeicherelemente vorteilhaft gleichmäßig verteilbar. Unter den Poren sind auch Hohlräume zu verstehen. Die Trägerstruktur weist bevorzugt Keramik, Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid auf. Diese Materialien sind auch bei hohen Temperaturen beständig, wodurch sich vorteilhaft eine lange Lebensdauer der Wärmespeicherelemente ergibt. Bevorzugtermaßen ist das Phasenübergangsmaterial derart gewählt, dass bei den vorherbestimmten Betriebsbedingungen des Latentwärmespeichermoduls der Phasenübergang zwischen einer festen und einer flüssigen Phase erfolgt. Bei dem Phasenübergang von einer festen in eine flüssige Phase ergibt sich lediglich eine geringe Volumenausdehnung des Phasenübergangsmaterials, wodurch die Spannungsbelastung der Trägerstruktur vorteilhaft gering ist. Der Füllgrad der Poren ist bevorzugt so gewählt, dass thermisch bedingte Volumenänderungen ausgleichbar sind. Insbesondere der flüssige Aggregatzustand des Phasenübergangsmaterials ist chemisch aggressiv. Die vorher genannten Materialien für die Trägerstruktur sind vorteilhaft chemisch resistent gegen das flüssige Phasenübergangsmaterial.
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Das Phasenübergangsmaterial weist bevorzugt ein Metall, insbesondere Aluminium, eine Legierung, ein Salz, insbesondere Lithium-, Natrium-, Kalium-, Magnesium- und Calciumsalze, welche Fluoride, Chloride oder Carbonate sind, und/oder eine Mischung von Salzen auf. Durch die Wahl der Mischung der Salze oder der Legierung lässt sich vorteilhaft die Temperatur des Phasenübergangs vorherbestimmen. Die Metalle, die Legierungen und die Salze sind auch bei hohen Temperaturen chemisch beständig, wodurch sich vorteilhaft eine lange Lebensdauer der Wärmespeicherelemente ergibt.
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Bevorzugt ist zusätzlich zu der Packung ein Feststoffwärmespeicher, insbesondere eine Feststoffschüttung, vorgesehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Latentwärmespeichermodul in einer Sequenz aus mindestens drei Wärmespeichern angeordnet, mit einem außenliegenden Feststoffspeicher und Packungen für die anderen Wärmespeicher, mit einem Phasenübergangsmaterial mit einer vorherbestimmten Phasenübergangstemperatur in jeder der Packungen, wobei die Phasenübergangstemperaturen der Packungen in Richtung des Feststoffwärmespeichers abnehmen.
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Die Kombination von den Packungen mit einem Feststoffwärmespeicher ist vorteilhaft, wenn auf Temperaturen unterhalb der Phasenübergangstemperatur abgekühlt werden soll. Dadurch kann die Temperatur der Vorrichtung vorteilhaft eine lange Zeit auf einem hohen Niveau gehalten werden bzw. die Temperatur der Vorrichtung kann vorteilhaft langsam abgesenkt werden.
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Die Betriebstemperatur des Latentwärmespeichermoduls ist im Wesentlichen die Phasenübergangstemperatur des Phasenübergangsmaterials. Hat das Latentwärmespeichermodul die Betriebstemperatur erreicht, so führt eine weitere Zufuhr von Wärme zu einer Veränderung des Verhältnisses der zwei am Phasenübergang beteiligten Phasen bei gleichbleibender Temperatur. Dadurch können vorteilhaft eventuell auftretende große Temperaturgradienten über das Latentwärmespeichermodul vermindert werden. Des Weiteren können vorteilhaft zeitliche Temperaturschwankungen abgeschwächt werden. Durch die Verminderung der Temperaturgradienten und der zeitlichen Temperaturschwankungen ist die Spannungsbelastung des Latentwärmespeichermoduls gering und somit seine Lebensdauer vorteilhaft lang.
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Das erfindungsgemäße Latentwärmespeichermodul ist bei der herkömmlichen Betriebstemperatur von 300 °C betreibbar. Es sind jedoch auch Betriebstemperaturen möglich, die über 400 °C liegen, d.h. mit dem erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermodul sind Betriebstemperaturen möglich, die über den Betriebstemperaturen von herkömmlichen Hochtemperaturwärmespeichern liegen.
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Im Folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermoduls anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
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1 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform des Latentwärmespeichermoduls und
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2 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform des Latentwärmespeichermoduls.
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Wie es aus 1 und 2 ersichtlich ist, weist ein Latentwärmespeichermodul 1 zwei horizontale Begrenzungswände 2, zwischen denen ein Fluid 4 mit einer horizontalen Strömungsrichtung 8 strömt, sowie eine Packung mit Wärmespeicherelementen 3 auf. Die Wärmespeicherelemente 3 weisen eine hier nicht dargestellte Poren aufweisende Trägerstruktur auf, in die ein Phasenübergangsmaterial eingebracht ist. Das Fluid 4 strömt frei bis zu einem Zuströmrand 11, von da an dringt es in die Packung ein. Anschließend durchdringt das Fluid 4 die Packung, tritt dabei mit den Elementoberflächen 10 der Wärmespeicherelemente 3 in Kontakt, strömt bis zu einem Abströmrand 13, an dem es wieder aus der Packung austritt. Durch den Kontakt zwischen den Wärmespeicherelementen 3 und dem Fluid 4 ist Wärme zwischen dem Fluid 4 und dem Phasenübergangsmaterial der Wärmespeicherelemente 3 übertragbar. In der Packung ist aufgrund der Verdrängungswirkung der Wärmespeicherelemente 3 der effektive Strömungsquerschnitt kleiner als außerhalb der Packung, so dass die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Packung höher als außerhalb der Packung ist.
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Wie es aus 1 ersichtlich ist, sind die Wärmespeicherelemente 3 der ersten Ausführungsform kugelförmig und die Packung ist eine Schüttung 6. Die Schüttung 6 ist in Strömungsrichtung 8 beidseitig von einem vertikalen und von dem Fluid durchströmbaren Käfig 5 begrenzt, der sich über die vollständige Breite des Latentwärmespeichermoduls 1 erstreckt. Die Schüttung 6 erstreckt sich ebenfalls über die vollständige Breite des Latentwärmespeichermoduls 1. Der Käfig 5 fällt mit dem Zuströmrand 11 und dem Abströmrand 12 zusammen. Zwischen den Wärmespeicherelementen 3 sind Zwischenräume 9 ausgebildet, von denen Durchströmkanäle 15 in der Packung gebildet sind. Das Fluid 4 durchströmt die Durchströmkanäle 15 unter Zurücklegen eines mäanderförmigen Wegs, wodurch das Fluid 4 mit einer Vielzahl an Wärmespeicherelementen in Kontakt treten kann und dadurch gut Wärme mit dem Latentwärmespeichermodul austauschen kann. Dehnen sich die Wärmespeicherelemente 3 in der Schüttung durch einen Wärmeeintrag aus, so können sich die Wärmespeicherelemente 3 gegeneinander bewegen, wodurch die Entstehung von kritischen Spannungen unterbunden wird.
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Wie es aus 2 ersichtlich ist, sind die Wärmespeicherelemente 3 in der Packung der zweiten Ausführungsform quaderförmig mit einem rechteckigen Längsschnitt ausgebildet, wobei die langen Seiten parallel zu den Begrenzungswänden 2 ausgerichtet sind. Die Wärmespeicherelemente 3 sind in einem Stapel 7 matrixartig angeordnet, der sich über die gesamte Breite des Latentwärmespeichermoduls 1 erstreckt. Der Stapel 7 ist mit parallel zu den Begrenzungswänden 3 ausgerichteten Längskanälen 13 und senkrecht dazu ausgerichteten Querkanälen 14 durchzogen. Das Fluid 4 strömt im Wesentlichen durch die Längskanäle 13, wobei das Fluid 4 auch via die Querkanäle 14 von einem Längskanal 13 zu einem benachbarten Längskanal 13 strömen kann. Dehnen sich die Wärmespeicherelemente 3 aus, so führt dies zu einer Verengung der Längs- 13 und Querkanäle 14.
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Denkbar ist auch, dass die Wärmespeicherelemente 3 aus 2 zylinderförmig sind, mit parallel zu den Begrenzungswänden 2 ausgerichteten Symmetrieachsen. Denkbar ist, dass die zylinderförmigen Wärmespeicherelemente 3 sowohl matrixförmig aneinander anliegen als auch matrixförmig mit einem Abstand zueinander angeordnet sind.
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Denkbar ist eine weitere Ausführungsform, in der die plattenförmigen Wärmespeicherelemente 3 in dem Stapel 7 auf Lücke angeordnet sind. In diesem Fall würde das Fluid 4 einen mäanderförmigen Weg durch den Stapel zurücklegen.
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In einer anderen denkbaren Ausführungsform weist das Latentwärmespeichermodul 1 drei horizontal angeordnete, unmittelbar benachbarte Packungen mit den Schüttungen auf, wobei die stromabwärts liegende Packung eine Packung aus einem Feststoffwärmespeicher ist. Die anderen beiden Packungen weisen Wärmespeicherelemente mit einem Phasenübergangsmaterial auf, wobei das Phasenübergangsmaterial der stromaufwärts liegenden Packung eine höhere Phasenübergangstemperatur als die Phasenübergangstemperatur der mittleren Packung hat.
