DE102012020335A1

DE102012020335A1 - Latentwärmespeicher mit einer Vorrichtung zur Bestimmung des Aggregatzustandes eines Phasenwechselmaterials und Verfahren zur Bestimmung des Aggregatzustandes eines Phasenwechselmaterials eines Latentwärmespeichers

Info

Publication number: DE102012020335A1
Application number: DE201210020335
Authority: DE
Inventors: Olaf Anders
Original assignee: H M Heizkorper & Co KG GmbH; Hm Heizkorper & Co KG GmbH
Current assignee: H M Heizkorper & Co KG GmbH; Hm Heizkorper & Co KG GmbH
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-10-18
Also published as: DE102012020335B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher S mit einem Speicherbehälter 1 zur Aufnahme eines Phasenwechselmaterials und einer Vorrichtung 3 zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Aggregatzustandes eines Phasenwechselmaterials eines Latentwärmespeichers. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Aggregatzustandes eines Phasenwechselmaterials beruht auf der Messung der Impedanz der Admittanz in dem Phasenwechselmaterial, wobei die gemessene Impedanz oder Admittanz mit einem Grenzwert verglichen wird. Wenn die gemessene Impedanz oder Admittanz den Grenzwert über- bzw. unterschreitet, wird auf das Vorliegen eines festen bzw. flüssigen Aggregatzustandes geschlossen. Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher S verfügt über eine Vorrichtung 3 zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials, die eine Messeinrichtung 3A zur Messung der Impedanz oder Admittanz oder einer von der Impedanz oder Admittanz abgeleiteten elektrischen Größe aufweist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 3 zur Bestimmung des Aggregatzustandes eine Auswerteinrichtung 3B auf, die derart ausgebildete ist, dass die gemessene Impedanz oder Admittanz oder die von der Impedanz oder Admittanz abgeleitete elektrische Größe mit einem Grenzwert verglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher mit einem Speicherbehälter zur Aufnahme eines Phasenwechselmaterials und einer Vorrichtung zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials eines Latentwärmespeichers.
In solarthermischen Anlagen finden zum Speichern von Solarenergie Latentwärmespeicher Verwendung. Derartige Latentwärmespeicher verfügen über einen Speicherbehälter zur Aufnahme eines Wärmespeichermediums. Bei dem Wärmespeichermedium kann es sich um ein Phasenwechselmaterial (PCM) handeln, das zum Speichern der solaren Wärme die Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen ausnutzt.
Ein bekanntes Phasenwechselmaterial ist beispielsweise Natriumacetat-Trihydrat, das eine hohe Schmelzenthalpie und einen relativ geringen Preis hat. Beim Laden des Latentwärmespeichers geht das Phasenwechselmaterial von einem festen Aggregatzustand in einen flüssigen Aggregatzustand über. Natriumacetat-Trihydrat beispielsweise wird bei einer Schmelztemperatur von 58°C verflüssigt. Beim Abkühlen bleibt das Salzhydrat als unterkühlte Schmelze in einem metastabilen Zustand flüssig. Wenn hingegen eine Kristallisation ausgelöst wird, erwärmt sich das Salzhydrat auf eine Temperatur von 58°C, wobei die latente Wärme wieder freigegeben wird.
Ein Latentwärmespeicher für solarthermische Anlagen ist beispielsweise aus der DE 10 2010 046 482 A1 und DE 10 2010 046 484 A1 bekannt.
Für den Betrieb der bekannten Latentwärmespeicher in solarthermischen Anlagen ist der Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials von Interesse, da von dem Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials auf den Ladezustand des Latentwärmespeichers geschlossen werden kann. Der Latentwärmespeicher kann auch durch einen unvorhersehbaren Vorgang unbeabsichtigt gezündet werden, so dass die Kristallisation einsetzt, was an dem Aggregatzustand erkannt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Bestimmung des Aggregatzustandes eines Phasenwechselmaterials in einem Latentwärmespeicher auf einfache Weise zu ermöglichen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Es hat sich gezeigt, dass bei einem Wechsel des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials eine signifikante Änderung der Impedanz oder Admittanz auftritt, so dass auf der Grundlage dieser signifikanten Änderung der Impedanz oder Admittanz auf den Aggregatzustand geschlossen werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Aggregatzustandes eines Phasenwechselmaterials beruht auf der Messung der Impedanz oder Admittanz in dem Phasenwechselmaterial, wobei die gemessene Impedanz oder Admittanz mit einem Grenzwert verglichen wird. Wenn die gemessene Impedanz oder Admittanz den Grenzwert über- bzw. unterschreitet, wird auf das Vorliegen eines festen bzw. flüssigen Aggregatzustandes geschlossen. Anstelle der Impedanz oder Admittanz kann auch jede von der Impedanz oder Admittanz abgeleitete elektrische Größe gemessen werden. Beispielsweise kann die Impedanz- oder Admittanzmessung auf einer Strom- oder Spannungsmessung beruhen.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher verfügt über eine Vorrichtung zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials, die eine Messeinrichtung zur Messung der Impedanz oder Admittanz oder einer von der Impedanz oder Admittanz abgeleiteten elektrischen Größe aufweist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung zur Bestimmung des Aggregatzustandes eine Auswerteinrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass die gemessene Impedanz oder Admittanz oder die von der Impedanz oder Admittanz abgeleitete elektrische Größe mit einem Grenzwert verglichen wird.
Es hat sich insbesondere gezeigt, dass der Wirkwiderstand der Impedanz bei einem flüssigen Aggregatzustand wesentlich geringer als bei einem festen Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht daher vor, den Wirkwiderstand mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen, wobei ein Signal zum Signalisieren eines festen Aggregatzustandes erzeugt wird, wenn der Wirkwiderstand größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, und/oder ein Signal zum Signalisieren eines flüssigen Aggregatzustandes erzeugt wird, wenn der Wirkwiderstand kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist. Der Grenzwert zum Erkennen eines festen Aggregatzustandes kann der gleiche Grenzwert wie der Grenzwert zum Erkennen eines flüssigen Aggregatzustandes sein. Vorzugsweise können aber auch unterschiedliche Grenzwerte vorgegeben werden, so dass mit großer Sicherheit zwischen beiden Aggregatzuständen unterschieden werden kann. Dabei sollten die Grenzwerte in einem ausreichenden Abstand ober- bzw. unterhalb der Bereiche liegen, die für den jeweiligen Aggregatzustand kennzeichnend sind.
Anstelle des Wirkwiderstandes kann aber auch der Wirkleitwert der Impedanz gemessen und ausgewertet werden. Auch kann jede mit dem Wirkwiderstand oder Wirkleitwert korrelierende elektrische Größe erfasst werden.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die Messwerte für den Wirkwiderstand oder Wirkleitwert von der Temperatur des Phasenwechselmaterials abhängig sind. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht daher die Messung der Temperatur des Phasenwechselmaterials vor, wobei der vorgegebene Grenzwert ein von der Temperatur abhängiger Grenzwert ist.
Die Auswerteinrichtung des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers weist bei der bevorzugten Ausführungsform eine Messeinrichtung zum Messen der Temperatur des Phasenwechselmaterials und eine Speichereinheit zum Speichern von mehreren Grenzwerten auf, die jeweils einer bestimmten Temperatur zugeordnet sind. Die Auswerteinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass der der gemessenen Temperatur zugeordnete Grenzwert aus der Speichereinheit ausgelesen und mit dem Wirkwiderstand oder Wirkleitwert verglichen wird. Alternativ ist es aber auch möglich, den Grenzwert in Abhängigkeit von der Temperatur in der Auswerteinrichtung zu berechnen, wenn die Temperaturabhängigkeit des Grenzwertes vorgegeben ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Messeinrichtung eine Elektrodenanordnung aufweist, die an dem Speicherbehälter vorgesehen ist. Die Elektrodenanordnung umfasst vorzugsweise zwei Elektroden. Es können aber auch mehr als zwei Elektroden für die Messung der Impedanz oder Admittanz vorgesehen sein.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform sieht einen Speicherbehälter aus Metall vor, wobei die erste Elektrode der Messanordnung in dem Speicherbehälter angeordnet ist und die zweite Elektrode von dem Speicherbehälter gebildet wird. Vorzugsweise ist die erste Elektrode gegenüber dem Speicherbehälter isoliert am Boden des Speicherbehälters angeordnet. Dadurch ist es möglich, bei der Messung das gesamte Volumen des im Speicherbehälter enthaltenen Phasenwechselmaterials zu erfassen, wodurch besonders zuverlässige Messergebnisse erzielt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt auch die Temperaturmessung am Boden des Speicherbehälters, wobei die Temperaturmessung vorzugsweise mit einem Messwertgeber erfolgt, der gleichzeitig die erste Elektrode der Elektrodenanordnung bildet.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Latentwärmespeichersystem mit einem Latentwärmespeicher in stark vereinfachter Darstellung,
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials des Latentwärmespeichers von 1 und
3 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild für den Latentwärmespeicher von 1.
1 zeigt ein Latentwärmespeichersystem, dass eine Vielzahl von Latentwärmespeicher S umfasst, die in Gruppen angeordnet sein können. In 1 ist nur ein Latentwärmespeicher S dargestellt. Die Latentwärmespeicher S können zum Speichern von Solarenergie beladen werden und können entladen werden, um die Solarenergie zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung zu stellen. Das Latentwärmespeichersystem umfasst weiterhin ein Leitungssystem 2A mit Zufuhrleitungen für die Zufuhr von Wärme in die Latentwärmespeicher S und Abfuhrleitungen für die Abfuhr von Wärme aus den Latentwärmespeichern sowie eine Steuereinheit 2B zum Ansteuern von Absperrorganen in den Zufuhr- und Abfuhrleitungen, um die Latentwärmespeicher in einer vorgegebenen Reihenfolge be- bzw. entladen zu können. Diese Komponenten 2 des Wärmespeichersystems sind in 1 nur andeutungsweise dargestellt, da sie als solche zum Stand der Technik gehören.
Der Latentwämespeicher S weist einen Speicherbehälter 1 auf, der bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein zylindrischer Metallbehälter ist, der beispielsweise aus Edelstahl besteht. Der metallische Metallbehälter 1, der einen Boden 1A und einen Deckel 1B aufweist, ist mit einem Phasenwechselmaterial PCM befüllt. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind die Anschlüsse des Speicherbehälters 1 für das Leitungssystem sowie der in dem Behälter vorhandene Wärmetauscher nicht dargestellt.
Der Latentwärmespeicher 1 verfügt über eine Vorrichtung 3 zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials PCM, die in 1 nur andeutungsweise dargestellt ist. Die Vorrichtung 3 zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials weist eine Messeinrichtung 3A und eine Auswerteinrichtung 3B sowie eine Anzeigeeinrichtung 3C auf, die nachfolgend noch im einzelnen beschrieben werden. Die Vorrichtung 3 kann eine separate Einheit bilden oder Bestandteil der zentralen Steuereinheit des Wärmespeichersystems sein.
2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der Vorrichtung 3 zur Bestimmung des Aggregatzustandes mit der Mess-, Auswert- und Anzeigevorrichtung 3A, 3B, 3C.
Die Messeinrichtung 3A weist eine Elektrodenanordnung 4 auf, die eine erste Elektrode 4A und eine zweite Elektrode 4B umfasst. Die erste Elektrode 4A ist in dem Speicherbehälter 1 mittig am Boden 1A angeordnet, während die zweite Elektrode 4B von dem metallischen Behälter 1 gebildet wird (1).
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode 4A Bestandteil eines Messwertgebers 5 zum Messen der Temperatur des Phasenwechselmaterials PCM am Behälterboden. Der Messwertgeber 5 weist ein metallisches Gehäuse 5A auf, das einen Temperaturfühler 5B dicht umschließt. Das gegenüber dem Boden 1A des Behälters 1 isolierte Metallgehäuse 5A des Messwertgebers 5 bildet die erste Elektrode 4A der Elektrodenanordnung 4.
Die Messeinrichtung 3A der Vorrichtung 3 zur Bestimmung des Aggregatzustandes 1 ist eine Messeinrichtung zur Messung der Impedanz oder Admittanz in dem Phasenwechselmaterial PCM. Nachfolgend wird nur die Impedanzmessung beschrieben, da sich die Admittanzmessung in analoger Weise ergibt.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Messeinrichtung 3A zur Impedanzmessung einen Frequenzgenerator 6, einen Strom-/Spannungswandler 7, einen Gleichrichter 8 und einen Tiefpassfilter 9 auf. Der Frequenzgenerator 6 erzeugt eine konstante Spannung U mit einer bestimmten Frequenz f, die an den beiden Elektroden 4A und 4B der Elektrodenanordnung 4 anliegt. Der durch das Phasenwechselmaterial PCM zwischen den Elektroden 4A, 4B fließende Strom I wird in dem Strom-/Spannungswandler 7 in eine Spannung U umgewandelt, die in dem Gleichrichter 8 gleichgerichtet wird. Mit dem Tiefpassfilter 9 werden die pulsierenden Anteile des Spannungssignals entfernt.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Messeinrichtung 3B um eine vereinfachte Schaltung zur Bestimmung des Wirkwiderstandes der Impedanz. Für die Erfindung ist aber unerheblich, mit welcher Messeinrichtung der Wirkwiderstand bestimmt wird, sofern der Wirkwiderstand mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann.
In Versuchen hat sich gezeigt, dass der mit dem Phasenwechselmaterial PCM befüllte Speicherbehälter 1 durch das in 3 dargestellte elektrische Ersatzschaltbild beschrieben werden kann, das zwei Kapazitäten C₀ und C_P, eine Induktivität L und einen ohmschen Widertand R umfasst. Bei den Versuchen haben sich deutliche Unterschiede in der Höhe des ohmschen Widerstandes R gezeigt, wenn das Phasenwechselmaterial im kristallinen Zustand oder flüssigen Zustand vorliegt. Dabei hat sich gezeigt, dass der Wirkwiderstand R mit steigender Temperatur zunimmt. Es haben sich beispielsweise folgende Werte ergeben.

C₀ = 4 μF
L = 90 nH
F => 200 kHz

R_flüssig = 70–290 Ohm
R_fest = 2.000–5.000 Ohm
Für die Admittanz ergeben sich entsprechend ein niedriger Wirkleitwert im festen (kristallinen) Zustand und ein hoher Wirkleitwert im flüssigen Zustand, wobei der Leitwert mit steigender Temperatur T abnimmt.
Die als Ausführungsbeispiel beschriebene Messeinrichtung 3A erzeugt bei einer bestimmten Messfrequenz, beispielsweise 200 kHz, ein dem Wirkwiderstand (Leitwert) weitgehend proportionales Messsignal, das in der Auswerteinrichtung 3B ausgewertet wird. Die Auswerteinrichtung 3B kann beispielsweise einen Mikroprozessor 10 und eine Speichereinheit 11 umfassen. In der Speichereinheit 11 sind für unterschiedliche Temperaturen oder Temperaturbereiche jeweils unterschiedliche Grenzwerte gespeichert, wobei in Abhängigkeit von der Temperatur T derjenige Grenzwert von der Auswerteinrichtung 3B aus der Speichereinheit 11 ausgelesen wird, mit dem der gemessene Wirkwiderstand verglichen wird. Die Messung der Temperatur des Phasenwechselmaterials erfolgt mit dem Temperaturfühler 5B des Messwertgebers 5, dessen Ausgangssignal die Auswerteinrichtung 3B empfängt.
Für den Fall, dass der Wirkwiderstand größer als der vorgegebene Grenzwert ist, wird auf einen festen Aggregatzustand geschlossen, so dass die Auswerteinrichtung 3B ein elektrisches Signal erzeugt, das den festen Aggregatzustand signalisiert. Wenn der vorgegebene Grenzwert hingegen unterschritten wird, wird ein Signal erzeugt, dass einen flüssigen Aggregatzustand signalisiert. Die Steuersignale der Auswerteinrichtung 3B werden der Steuereinheit 2B des Wärmespeichersystems zugeführt, um einen entsprechenden Eingriff in die Steuerung vornehmen zu können, der in Abhängigkeit von dem Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials vorgenommen werden soll. Die Steuersignale der Auswerteinrichtung 3B werden auch von der Anzeigeeinrichtung 3C empfangen, mit der der Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials PCM in dem betreffenden Speicherbehälter angezeigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010046482 A1 [0004]
DE 102010046484 A1 [0004]

Claims

Latentwärmespeicher mit einem Speicherbehälter (1) zur Aufnahme eines Phasenwechselmaterials und einer Vorrichtung (3) zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials (PCM), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) zur Bestimmung des Aggregatzustandes des Phasenwechselmaterials (PCM) eine Messeinrichtung (3A) zur Messung der Impedanz oder Admittanz oder einer von der Impedanz oder Admittanz abgeleiteten elektrischen Größe in dem Phasenwechselmaterial und eine Auswerteeinrichtung (3B) zur Auswertung der gemessenen Impedanz oder Admittanz oder der von der Impedanz oder Admittanz abgeleiteten elektrischen Größe aufweist, die derart ausgebildet ist, dass die gemessene Impedanz oder Admittanz oder die von der Impedanz oder Admittanz abgeleitete elektrische Größe mit einem Grenzwert verglichen wird, wobei auf der Grundlage des Überschreitens oder Unterschreitens des Grenzwertes auf das Vorliegen eines festen oder flüssigen Aggregatzustandes geschlossen wird.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (3A) Mittel zum Bestimmen des Wirkwiderstandes der Impedanz und die Auswerteinrichtung (3B) Mittel zum Vergleichen des Wirkwiderstandes mit einem vorgegebenen Grenzwert aufweist.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (3B) derart ausgebildet ist, dass die Auswerteinrichtung ein Signal zum Signalisieren eines festen Aggregatzustandes erzeugt, wenn der Wirkwiderstand größer als ein vorgegebene Grenzwert ist.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (3B) derart ausgebildet ist, dass die Auswerteinrichtung ein Signal zum Signalisieren eines flüssigen Aggregatzustandes erzeugt, wenn der Wirkwiderstand kleiner als ein vorgegebene Grenzwert ist.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (3A) einen Messwertgeber (5) zur Messung der Temperatur des Phasenwechselmaterials und die Auswerteinrichtung (3B) eine Speichereinheit (11) zum Speichern von mehreren Grenzwerten aufweist, die jeweils einer bestimmten Temperatur zugeordnet sind, wobei die Auswerteinrichtung derart ausgebildet ist, dass der der gemessenen Temperatur zugeordnete Grenzwert mit dem Wirkwiderstand verglichen wird.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (3A) eine an dem Speicherbehälter (1) vorgesehene Elektrodenanordnung (4) aufweist.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (1) ein metallischer Behälter ist und die Elektrodenanordnung (4) eine erste Elektrode (4A) und eine zweite Elektrode (4B) aufweist, wobei die erste Elektrode (4A) in dem Speicherbehälter (1) angeordnet ist und die zweite Elektrode (4B) von dem Speicherbehälter gebildet wird.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (4A) gegenüber dem Speicherbehälter (1) isoliert am Boden (1A) des Speicherbehälters angeordnet ist.
Verfahren zur Bestimmung des Aggregatzustandes eines Phasenwechselmaterials eines Latentwärmespeichers, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz oder Admittanz oder eine von der Impedanz oder Admittanz abgeleitete elektrische Größe in dem Phasenwechselmaterial gemessen wird, und dass die gemessene Impedanz oder Admittanz oder die von der Impedanz oder Admittanz abgeleitete elektrische Größe mit einem Grenzwert verglichen wird, wobei auf der Grundlage des Überschreitens oder Unterschreitens des Grenzwertes auf das Vorliegen eines festen oder flüssigen Aggregatzustandes geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkwiderstand der Impedanz ermittelt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen festen Aggregatzustand geschlossen wird, wenn der Wirkwiderstand größer als der vorgegebene Grenzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen flüssigen Aggregatzustand geschlossen wird, wenn der Wirkwiderstand kleiner als der vorgegebene Grenzwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur gemessen wird, wobei der Grenzwert in Abhängigkeit von der Temperatur vorgegeben wird.