DE102011085722A1 - Latent heat accumulator, has heat exchange device configured such that coherent regions of liquid phase of phase change material are in contact with expansion pad at each time point of phase change from solid state into fluid state - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial (englisch: phase change material, im Folgenden abgekürzt PCM) nach Anspruch 1 und Verfahren zur Erzeugung eines Phasenwechsels oder Phasenübergangs in dem PCM nach Anspruch 11.The invention relates to a latent heat storage with a phase change material (abbreviated in the following PCM) according to claim 1 and a method for generating a phase change or phase transition in the PCM according to claim 11.
Ein Latentwärmespeicher ist ein Wärmespeicher, der thermische Energie ohne signifikante Temperaturerhöhung des PCMs, verlustarm, mit vielen Wiederholungszyklen speichern kann. Latentwärmespeicher funktionieren durch Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen erster Ordnung (zum Beispiel des Phasenübergangs flüssig → fest) eines Speichermediums, des oben bereits erwähnten PCMs, wobei für unterschiedliche Temperaturbereiche unterschiedliche Materialien Anwendung finden. Beim „Aufladen” kommerzieller Latentwärmespeicher (zum Beispiel „Taschenwärmer”) werden meist als PCM verwendete spezielle Salze, Salzhydrate oder Paraffine verflüssigt oder geschmolzen, die dabei sehr viel Wärmeenergie (Schmelzwärme) aufnehmen. Da dieser Vorgang reversibel ist, gibt das PCM genau die hierbei zugeführte Wärme beim Erstarren wieder ab. Für technische Anwendungen als Latentwärmespeicher ist in der Regel eine Kristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur erwünscht. Dafür wird dem PCM ein geeigneter Keimbildner zugesetzt, der eine Unterkühlung der Schmelze verhindert.A latent heat storage is a heat storage that can store thermal energy without significant temperature increase of the PCM, with low loss, with many repetition cycles. Latent heat stores function by utilizing the enthalpy of reversible thermodynamic state changes of the first order (for example, the liquid → solid phase transition) of a storage medium, the PCM already mentioned above, using different materials for different temperature ranges. When "charging" commercial latent heat storage (for example "pocket warmer"), special salts, salt hydrates or paraffins usually used as PCM are liquefied or melted, which absorb a great deal of heat energy (heat of fusion). Since this process is reversible, the PCM gives off exactly the heat supplied during solidification. For technical applications as latent heat storage, crystallization shortly below the melting temperature is generally desired. For this purpose, a suitable nucleating agent is added to the PCM, which prevents subcooling of the melt.
Bei den meisten Materialien nimmt die Dichte beim Übergang vom festen zum flüssigen Aggregatszustand ab, d. h. sie dehnen sich dabei aus (Ausnahmen sind z. B. Wasser (Anomalie des Wassers) und Kaliumfluorid-Tetrahydrat), wobei eine Volumenzunahme von 10% bis 15% typisch ist. Um eine Schmelzpunkterhöhung von 1 K zu erreichen, muss ein Druck von mehreren kbar auf das Material ausgeübt werden. Dies bedeutet umgekehrt, dass Drücke im kbar-Bereich auftreten können, wenn das Material eingeschlossen ist und 1 Kelvin über den Schmelzpunkt erwärmt wird. Solche Drücke sind in bekannten Wärmespeicher mit starrem Speicherbehälter, in dem das PCM aufgenommen ist, nicht zu handhaben und führen zu dessen Zerstörung.For most materials, the density decreases upon transition from the solid state to the liquid state of aggregation, ie. H. they expand (exceptions are, for example, water (anomaly of water) and potassium fluoride tetrahydrate), with a volume increase of 10% to 15% being typical. In order to achieve a melting point increase of 1 K, a pressure of several kbar must be exerted on the material. This in turn means that pressures in the kbar range can occur when the material is trapped and 1 Kelvin is heated above the melting point. Such pressures are in known heat storage with rigid storage container in which the PCM is included, not to handle and lead to its destruction.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Latentwärmespeicher mit einem starren Speicherbehälter bereitzustellen, der so ausgelegt ist, dass er durch die Ausdehnung des in dem Speicherbehälter aufgenommenen PCMs bei dessen Übergang von seiner festen zu seiner flüssigen Phase nicht beschädigt wird. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Induzierung eines Phasenwechsels von der festen Phase zu der flüssigen Phase in einem Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers vorzuschlagen.It is an object of the present invention to provide a latent heat accumulator with a rigid storage container, which is designed so that it is not damaged by the expansion of the recorded in the storage container PCM in its transition from its solid to its liquid phase. It is a further object of the present invention to propose a method for inducing a phase change from the solid phase to the liquid phase in a phase change material of the latent heat storage.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 11 gelöst.The solution of this problem is achieved by the features of claims 1 and 11, respectively.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) umfasst ein Latentwärmespeicher wenigstens einen formstabilen Speicherbehälter, in dem ein Phasenwechselmaterial angrenzend an [a| ein Ausdehnungspolster] angeordnet ist, und [b| eine Wärmetauschvorrichtung] zur Induzierung von [c| Phasenwechseln in dem Phasenwechselmaterial, wobei die Wärmetauschvorrichtung so konfiguriert und angeordnet ist, dass sich zu jedem Zeitpunkt eines Phasenwechsels von einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand [d| der oder die zusammenhängenden Bereiche] flüssiger Phase in Kontakt mit dem Ausdehnungspolster befinden].According to the present invention (claim 1) comprises a latent heat storage at least one dimensionally stable storage container in which a phase change material adjacent to [a | an expansion pad], and [b | a heat exchange device] for inducing [c | Phase changes in the phase change material, wherein the heat exchange device is configured and arranged so that at any time of a phase change from a solid state to a liquid state [d | the contiguous areas] liquid phase are in contact with the expansion pad].
Zu [a]. Das Ausdehnungspolster befindet sich innerhalb des Speicherbehälters und ist mechanisch mit dem PCM gekoppelt, d. h. es wird durch die Ausdehnung des PCMs beim Phasenwechsel fest → flüssig komprimiert. Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann das Ausdehnungspolster – den in den Ansprüchen 10 und 11 definierten Gegenstand an dieser Stelle vorwegnehmend – entweder nur ein Gas (Anspruch 10), ein Gas in Verbindung mit einer Membran (Anspruch 11) oder ein Gasballon oder dergleichen sein. Das Ausdehnungspolster dient dazu, Raum innerhalb des Speicherbehälters für die Ausdehnung des Phasenwechselmaterials beim Phasenwechsel fest → flüssig bereitzustellen.To [a]. The expansion pad is located within the storage container and is mechanically coupled to the PCM, i. H. it is solid → liquid compressed by the expansion of the PCM during the phase change. According to advantageous embodiments of the present invention, the expansion pad - anticipating the object defined in
Zu [b]. Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die Wärmetauschvorrichtung – den in den Ansprüchen 2 und 9 definierten Gegenstand an dieser Stelle vorwegnehmend – (i) durch eine Rohranordnung, die von einem Wärmetauschfluid durchströmt wird (Anspruch 2) oder (ii) eine elektrische Heizvorrichtung (Anspruch 9) sein.To [b]. According to advantageous embodiments of the present invention, the heat exchange device - the object defined in claims 2 and 9 anticipating at this point - (i) by a tube assembly, which is traversed by a heat exchange fluid (claim 2) or (ii) an electric heater (claim 9).
Zu [c]. Die erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung ist dazu geeignet, dem PCM entweder Wärme zuzuführen oder Wärme von dem PCM abzuführen und somit einen Phasenwechsel fest flüssig bzw. einen Phasenwechsel flüssig fest zu induzieren. Daher spricht Anspruch 1 davon, dass die Wärmetauschvorrichtung Phasenwechsel (Plural) induziert, geht aber im Weiteren von dem Phasenwechsel fest → flüssig aus.To [c]. The heat exchanger device according to the invention is suitable for either supplying heat to the PCM or dissipating heat from the PCM and thus firmly inducing a phase change in liquid form or a liquid phase change. Therefore, claim 1 speaks of the fact that the heat exchange device induces phase change (plural), but goes further from the phase change fixed → liquid.
Zu [d]. Das Merkmal [d] bedeutet, dass es – beim Phasenwechsel fest → flüssig innerhalb des PCMs keinen „Einschluss einer flüssigen PCM-Phase” gibt, also keinen Bereich, dessen Temperatur höher als die der ihn vollständig (abgesehen von Elementen der Wärmetauschvorrichtung oder Bereichen des Speicherbehälters) umgebenden festen PCM-Phase ist. Denn dies hätte zur Konsequenz, dass das PCM in diesem Einschluss/Bereich früher als das ihn umgebende PCM schmelzen würde und sich nicht zerstörungsfrei in das Ausdehnungspolster ausdehnen könnte. Ein solcher Fall würde zum Beispiel dann eintreten, wenn die Wärmeaustauschvorrichtung vollständig unterhalb der Oberfläche des PCMs liegen würde (vgl.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 2), umfasst die Wärmeaustauschvorrichtung wenigstens ein Rohr, das, um die Phasenwechsel zu bewirken, von einem Wärmetauschfluid durchströmt wird. Dabei kann der Speicherbehälter ein Rohr oder mehrere Rohre umgeben, so dass das in dem Rohr oder den Rohren geführte Wärmetauschfluid den Speicherbehälter „durch”strömt (vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 3). Oder es kann – umgekehrt – ein Rohr einen oder mehrere Speicherbehälter umschließen, so dass das Wärmetauschfluid den oder die Speicherbehälter „um”strömt (vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 4). Da das Wärmetauschfluid einige Zeit durch das PCM unterwegs ist und dabei kontinuierlich Wärme an das PCM abgibt und abkühlt, schmilzt das Speichermaterial zuerst am Einströmungsabschnitt des Rohrs in das PCM, d. h. im Bereich der Grenzfläche, und erst später an dessen Ausströmungsabschnitt, so dass kein flüssig gewordenes PCM eingeschlossen wird und sich keine hohen Drücke in dem PCM aufbauen (vgl. die keilförmigen Schraffuren in den Figuren).According to an advantageous embodiment of the present invention (claim 2), the heat exchange device comprises at least one tube, which, in order to effect the phase changes, is flowed through by a heat exchange fluid. In this case, the storage container can surround a tube or a plurality of tubes, so that the heat exchange fluid guided in the tube or tubes flows through the storage container (advantageous embodiment of the present invention according to claim 3). Or it can - vice versa - a tube enclosing one or more storage containers, so that the heat exchange fluid or the storage container "flows around" (advantageous embodiment of the present invention according to claim 4). As the heat exchange fluid travels through the PCM for some time while continuously releasing and cooling heat to the PCM, the storage material melts first at the inflow portion of the tube into the PCM, i. H. in the area of the interface, and only later on its outflow section, so that no liquid PCM is trapped and build up high pressures in the PCM (see the wedge-shaped hatching in the figures).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 5) weist das wenigstens eine Rohr einen Einströmungsabschnitt und einen Ausströmungsabschnitt auf, die auf der gleichen Seite des Speicherbehälters dessen Oberfläche durchdringen, während gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 6) der Einströmungs- und der Ausströmungsabschnitt auf verschiedenen Seiten des Speicherbehälters dessen Oberfläche durchdringen. Beide Ausgestaltungen beziehen sich natürlich auf die Variante, in der ein Fluid, durch ein Rohr oder mehrere Rohre geleitet, das PCM „durch”strömt. Die Anordnung und Form des wenigstens einen Rohrs sind grundsätzlich beliebig, solange – wie es oben beschrieben ist – beim Schmelzen des PCMs keine Einschlüsse gebildet werden. Wie die unten beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen zeigen, ist die Bandbreite möglicher Konstruktionen sehr groß, so dass der Latentwärmespeicher gemäß der vorliegenden Erfindung flexibel eingesetzt werden kann.According to an advantageous embodiment of the present invention (Claim 5), the at least one tube has an inflow portion and an outflow portion which penetrate the surface of the same on the same side of the storage container, while according to a further advantageous embodiment of the present invention (claim 6) of the inflow and the outflow portion on different sides of the storage container penetrate the surface thereof. Of course, both embodiments relate to the variant in which a fluid, passed through a pipe or a plurality of pipes, flows through the PCM. The arrangement and shape of the at least one tube are basically arbitrary, as long as - as described above - no inclusions are formed during melting of the PCM. As the preferred embodiments described below show, the bandwidth of possible designs is very large, so that the latent heat storage according to the present invention can be used flexibly.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 7) umfasst der Latentwärmespeicher eine Mehrzahl von Rohren, die jeweils einen Einströmungsabschnitt aufweisen, der aus einem Sammeleinströmrohr (Verteiler) abzweigt. Dies hat den Vorteil, dass der Speicherbehälter nur an wenigen Stellen von Rohren durchstoßen wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Wärmeaustausch durch die dünner als das Sammeleinströmrohr dimensionierbaren Rohre schnell erfolgt.According to an advantageous embodiment of the present invention (claim 7), the latent heat accumulator comprises a plurality of tubes, each having an inflow portion, which branches off from a Sammeleinströmrohr (distributor). This has the advantage that the storage tank is pierced only in a few places by pipes. Another advantage is that the heat exchange through the thinner than the Sammeleinströmrohr dimensionable tubes is done quickly.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 8) ist das wenigstens eine Rohr ein Mehrkammerprofilrohr, kurz MPE-Rohr (englisch „multi port extruded aluminium pipe”). Derartige Rohre ermöglichen eine vergleichsweise sehr effiziente Wärmeübertragung und sind daher ideal für den Gebrauch in hoch effektiven Wärmetauschern.According to an advantageous embodiment of the present invention (claim 8), the at least one tube is a multi-chamber profile tube, short MPE tube (English "multi port extruded aluminum pipe"). Such pipes allow a comparatively very efficient heat transfer and are therefore ideal for use in highly effective heat exchangers.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 9) ist die Wärmetauschvorrichtung eine elektrische Heizvorrichtung. Die elektrische Heizvorrichtung kann alternativ zu der oben beschriebenen Rohranordnung mit wenigstens einem Rohr oder ergänzend dazu vorgesehen sein. Im Unterschied zu einer Wärmeeinkopplung mit Hilfe der Rohranordnung mit wenigstens einem Rohr, wobei zwar entlang des wenigstens einen Rohres ein Temperaturgefälle des Wärmetauschfluids vorliegt, doch das PCM auch am Ende des Rohres ein wenig aufgewärmt wird, erfolgt die Erwärmung des PCMs mit Hilfe der elektrischen Heizvorrichtung gleichmäßig, d. h. die Temperatur einer Wärme abgebenden Oberfläche der Heizvorrichtung – die als Heizstab oder als Heizplatte oder äquivalenter Heizelemente ausgebildet sein kann – ist über diese Oberfläche im Wesentlichen konstant. Es ist zum Beispiel denkbar, dass die Heizvorrichtung als Platte ausgeführt und in einer Ebene angeordnet ist, die sich parallel zu einer Grenzfläche zwischen dem Ausdehnungspolster und dem PCM erstreckt, so dass – wenn zum Beispiel in dem in
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 10) ist das Ausdehnungspolster (nur) aus einem Gas gebildet. Das Gas nimmt dabei den durch das PCM, die Wärmetauschvorrichtung und den Speicherbehälter begrenzten Raum ein. Bei dieser Variante muss zur Konzipierung der Wärmetauschvorrichtung deren Orientierung – genauer deren „Bereich möglicher Orientierungen” – im Raum des Latentwärmespeichers im Betrieb festgelegt werden, um die in Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung definierte, Einschlüsse vermeidende räumliche Beziehung zwischen dem PCM und der Wärmetauschvorrichtung zu gewährleisten. Der Ausdruck „Bereich möglicher Orientierungen” bedeutet, dass die Wärmetauschvorrichtung so konzipiert sein kann, dass die in Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung definierte räumliche Beziehung in einem Bereich von Winkeln, die die Orientierung kennzeichnen, gegeben ist, was als „Orientierungstoleranz” bezeichnet werden könnte.According to an advantageous embodiment of the present invention (claim 10), the expansion pad (only) is formed from a gas. The gas occupies the space limited by the PCM, the heat exchange device and the storage tank. In this variant, for the design of the heat exchange device whose orientation - more precisely their "range of possible orientations" - must be determined in the space of the latent heat storage during operation to ensure the defined in claim 1 of the present invention, inclusions avoiding spatial relationship between the PCM and the heat exchange device , The term "range of possible orientations" means that the heat exchange device can be designed such that the spatial relationship defined in claim 1 of the present invention is given in a range of angles which characterize the orientation, which could be termed "orientation tolerance" ,
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 11) umfasst das Ausdehnungspolster (a) ein Gas und (b) eine Membran, die auf dem Phasenwechselmaterial aufliegt, das Gas von dem Phasenwechselmaterial räumlich abtrennt und fest mit dem Speicherbehälter verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass eine funktional optimal ausgelegte Konstruktion des Latentwärmespeichers, wie sie z. B. in
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 12) ist das Ausdehnungspolster zur Begrenzung eines Druckanstiegs in dem Latentwärmespeicher beim Phasenwechsel von dem festen Zustand in den flüssigen Zustand durch eine Öffnung in dem Speicherbehälter im Bereich des Ausdehnungspolsters mit einer Umgebung des Latentwärmespeichers verbunden. Die genannte „Öffnung” ist dahingehend allgemein zu verstehen, als diese entweder einfach ein Loch oder dergleichen oder aber ein Ventil, das eine Regelung des Druckanstiegs ermöglicht, sein kann. In diesem Sinne ist auch der Ausdruck „Begrenzung eines Druckanstiegs” zu verstehen: Bei einer lochartigen Öffnung erfolgt ein vollständiger Druckausgleich mit der Umgebung des Latentwärmespeichers, so dass beim Phasenwechsel keine Druckveränderung erfolgt, also kein Druckanstieg bei einem Phasenwechsel flüssig → fest. Durch ein geeignetes Ventil kann wiederum zum Beispiel ein maximaler Druck in dem von dem Ausdehnungspolster eingenommenen Raum eingestellt werden.According to an advantageous embodiment of the present invention (claim 12), the expansion pad for limiting a pressure increase in the latent heat storage during the phase change from the solid state to the liquid state through an opening in the storage container in the region of the expansion pad is connected to an environment of the latent heat storage. The said "orifice" is to be understood as meaning that it may either be simply a hole or the like, or a valve which allows a regulation of the pressure rise. In this sense, the expression "limitation of a pressure rise" is to be understood: In a hole-like opening, a complete pressure equalization with the environment of the latent heat storage, so that the phase change no pressure change takes place, so no pressure increase at a phase change liquid → solid. By a suitable valve, in turn, for example, a maximum pressure in the space occupied by the expansion pad can be adjusted.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 13) befinden sich in einem Verfahren zur Erzeugung eines Phasenwechsels von einer festen zu einer flüssigen Phase des PCMs des oben beschriebenen Latentwärmespeichers zu jedem Zeitpunkt des Phasenwechsels der oder die zusammenhängenden Bereiche flüssiger Phase in Kontakt mit dem Ausdehnungspolster. Durch dieses Verfahren wird der Phasenwechsel des PCMs so durchgeführt, dass darin keine Einschlüsse flüssiger Phase entstehen und somit das zu schmelzende PCM keine Drücke auf den es aufnehmenden Speicherbehälter ausübt.According to the present invention (claim 13), in a process for generating a phase change from a solid phase to a liquid phase of the PCM of the above-described latent heat storage, the liquid phase (s) in contact with the expansion pad are at any point in the phase change. By this method, the phase change of the PCM is performed so that no liquid phase inclusions are formed therein, and thus the PCM to be melted does not apply pressures to the receiving tank accommodating it.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen sind:Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. In the drawings are:
Die im Folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich in (a) der Anzahl der Speicherbehälter, die der jeweilige Latentwärmespeicher umfasst, (b) der Anzahl der Rohre pro Speicherbehälter und (c) in Form und Anordnung des Rohrs bzw. der Rohre. Alle gezeigten Anordnungen können zudem die oben beschriebene Membran umfassen, obwohl diese in den Figuren nicht dargestellt und nicht detailliert beschrieben ist.The preferred embodiments of the present invention described below differ in (a) the number of storage tanks that the respective latent heat storage tank comprises, (b) the number of pipes per storage tank and (c) the shape and arrangement of the pipe or pipes. All arrangements shown may also comprise the membrane described above, although not shown in the figures and not described in detail.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- LatentwärmespeicherLatent heat storage
- 1212
- Speicherbehälterstorage container
- 1414
- Rohr(e)Tube)
- 1616
- festes PCMsolid PCM
- 1818
- geschmolzenes PCMmelted PCM
- 2020
-
Boden von
12 Ground of12 - 2222
- Gasraumheadspace
- 2424
-
Behälterwand (Wand von
12 )Container wall (wall of12 ) - 2626
- SammeleinströmrohrSammeleinströmrohr
Claims (13)
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