DE102012111707A1

DE102012111707A1 - Latent heat storage and process for its preparation

Info

Publication number: DE102012111707A1
Application number: DE102012111707.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-06-05
Also published as: WO2014086462A1

Abstract

Ein Latentwärmespeicher 1 besteht aus einer Matrix 3, die kompakt angeordnete Kompartimente 4 umschließt, die ein phasenveränderliches Speichermedium 5 und gegebenenfalls ein zusätzliches Ausdehnungsvolumen 6 enthalten. Das Speichermedium ist ein Metall oder eine Metalllegierung mit einem die Arbeitstemperatur bestimmenden Schmelzpunkt. Die Matrix 3 ist mechanisch und thermisch stabil und vorzugsweise als Ziegel 2 oder Ofenkachel mit einer Matrix 3 aus gebrannter oder gesinterter Keramikmasse ausgebildet.A latent heat storage device 1 consists of a matrix 3 which encloses compactly arranged compartments 4 which contain a phase-variable storage medium 5 and, if necessary, an additional expansion volume 6. The storage medium is a metal or a metal alloy with a melting point that determines the working temperature. The matrix 3 is mechanically and thermally stable and is preferably designed as a brick 2 or oven tile with a matrix 3 of fired or sintered ceramic mass.

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher mit einem fest/flüssig-phasenveränderlichen Speichermedium, das mit dem erforderlichen Ausdehnungsspiel von einem Kapselmaterial umhüllt ist.The invention relates to a latent heat storage with a solid / liquid-phase variable storage medium, which is enveloped with the required expansion clearance of a capsule material.

Latentwärmespeicher besitzen eine hohe Speicherkapazität, weil zusätzlich zur spezifischen Wärme des Speichermediums die bei der Verflüssigung aufgenommene Schmelzwärme genutzt wird. Dementsprechend bestimmt die Schmelztemperatur des Speichermediums den Betriebsbereich des Latentwärmespeichers, der beim Verflüssigen Wärme speichert und beim Verfestigen Wärme abgibt.Latent heat storage devices have a high storage capacity, because in addition to the specific heat of the storage medium, the heat of fusion received during the liquefaction is used. Accordingly, the melting temperature of the storage medium determines the operating range of the latent heat storage, which stores heat during liquefaction and gives off heat during solidification.

Latentwärmespeicher sind in unterschiedlicher Ausführung bekannt. Im einfachsten Fall bestehen sie aus einem geschlossenen Behälter, der das für den vorgesehenen Anwendungsfall benötigte Volumen an Speichermedium enthält. Darüber hinaus sind Latentwärmespeicher bekannt, bei denen das Speichermedium in eingekapselte Speicherpartikel unterteilt ist. Dabei kann es sich um eine Makrokapselung in Plastikkugeln oder um eine Mikrokapselung handeln, bei der die kleinen Kapseln mit dem eingeschlossenen Speichermedium in Gips oder Beton eingebettet sind.Latent heat storage are known in different versions. In the simplest case, they consist of a closed container containing the volume of storage medium required for the intended application. In addition, latent heat storage are known in which the storage medium is divided into encapsulated storage particles. This may be a macroencapsulation in plastic balls or a microencapsulation in which the small capsules with the enclosed storage medium are embedded in plaster or concrete.

Die bekannten Latentwärmespeicher werden zur Warmwasserspeicherung und in der gekapselten Ausführung auch als Wärmespeicher im Hausbau eingesetzt, insbesondere in Form von Wandplatten oder in Fußböden. Dabei wird als Speichermedium Paraffin mit einer der gewünschten Raumtemperatur entsprechenden Schmelztemperatur eingesetzt. Hier wirkt die latente Wärmespeicherung im Sinne einer Konstanthaltung der Raumtemperatur, wobei einer Abkühlung durch Verfestigung und einer Überhitzung durch Verflüssigung des Paraffins begegnet wird.The known latent heat storage are used for hot water storage and in the encapsulated version as a heat storage in building, especially in the form of wall panels or floors. The storage medium used is paraffin with a melting point corresponding to the desired room temperature. Here, the latent heat storage acts in the sense of keeping the room temperature constant, cooling by solidification and overheating being counteracted by liquefaction of the paraffin.

Die bekannte Kapselung des Speichermediums mittels Kunststoff wie Polyäthylen oder Silikon sowie die verwendeten Speichermedien ermöglichen einen Einsatz des bekannten Latentwärmespeichers nur im Niedrigtemperaturbereich.The known encapsulation of the storage medium by means of plastic such as polyethylene or silicone and the storage media used allow the use of the known latent heat storage only in the low temperature range.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Latentwärmespeicher mit einem erweiterten Anwendungsbereich und neuen Einsatzmöglichkeiten zu schaffen.Accordingly, the invention has for its object to provide a latent heat storage with a broader scope and new uses.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom eingangs beschriebenen Latentwärmespeicher erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Speichermedium ein Metall oder eine Metalllegierung vorgesehen ist, dass das Kapselmaterial hitzebeständig und stabil gegenüber dem Speichermedium ist und dass das Kapselmaterial eine Matrix mit einzelnen Kompartimenten bildet, in denen das in separate Speicherpartikel unterteilte Speichermedium dicht eingeschlossenen ist.This object is achieved on the basis of the above-described latent heat storage according to the invention that as a storage medium, a metal or a metal alloy is provided that the capsule material is heat resistant and stable to the storage medium and that the capsule material forms a matrix with individual compartments in which the separate storage particles subdivided storage medium is tightly enclosed.

Die verschiedenen Metalle bieten eine breite Palette unterschiedlicher Schmelztemperaturen, die von unter 100°C bis über 1000°C reichen. Dabei lassen sich insbesondere durch Legierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen nahezu beliebige Umwandlungstemperaturen (Schmelztemperaturen) in Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten erreichen.The different metals offer a wide range of different melting temperatures, ranging from below 100 ° C to over 1000 ° C. In this case, in particular by means of alloys with different compositions, virtually any transformation temperatures (melting temperatures) can be achieved in adaptation to the respective conditions.

Beispielhaft seien hier in Betracht kommende Metalle und Legierungen mit den zugehörigen Schmelztemperaturen in aufsteigender Folge genannt:
Gallium 29,8°C, Bismutlegierungen 50° bis 100°C, Indium 157°C, Zinn 232°C, Bismut 271°C, Blei 327°C, Zink 420°C, Antimon 631°C, Aluminium 660°C.By way of example, suitable metals and alloys with the associated melting temperatures are mentioned in ascending order:
Gallium 29.8 ° C, bismuth alloys 50 ° to 100 ° C, indium 157 ° C, tin 232 ° C, bismuth 271 ° C, lead 327 ° C, zinc 420 ° C, antimony 631 ° C, aluminum 660 ° C.

Bevorzugt wird als Speichermedium ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, eingesetzt. Auch Zink kommt als besonders geeignetes Speichermedium in Betracht.The storage medium used is preferably a light metal or a light metal alloy, in particular aluminum or an aluminum alloy. Zinc also comes as a particularly suitable storage medium into consideration.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Kapselmatrix kann unabhängig von ihren Abmessungen und ihrer Außenkontur Kompartimente in wählbarer Größe und entsprechender Anzahl enthalten, die Kammern zur Aufnahme der Speicherpartikel und eines eventuell erforderlichen Ausdehnungsvolumens bilden. Der Kapselmatrix kann eine dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechende komplexere Form gegeben werden, wobei eine hohe volumenmäßige Beladung mit Speichermedium erreicht werden kann, wenn viele kleine Kompartimente und entsprechend Speicherpartikel vorgesehen sind.Independently of their dimensions and their outer contour, the capsule matrix provided according to the invention may contain compartments of a selectable size and corresponding number which form chambers for receiving the storage particles and any expansion volume that may be required. The capsule matrix can be given a more complex form corresponding to the respective application, whereby a high volume loading with storage medium can be achieved if many small compartments and accordingly storage particles are provided.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Latentwärmespeichers ist das Kapselmaterial ein keramisches Material. Keramik ist in hohem Maße hitzebeständig und zugleich chemisch stabil gegenüber heißen Metallschmelzen. Außerdem lässt sich keramisches Material gut verarbeiten und während des Herstellungsvorgangs in vorteilhafter Weise sowohl zu einfachen quaderförmigen Ziegeln als auch zu komplexeren Formen gestalten, beispielsweise auch zu Speicherkacheln für Heizwärme, wie sie bei Kachelöfen Anwendung finden.In a particularly advantageous embodiment of the latent heat accumulator, the capsule material is a ceramic material. Ceramics are highly resistant to heat and at the same time chemically stable hot metal melts. In addition, ceramic material can be processed well and make during the manufacturing process advantageously both simple cuboid bricks and more complex forms, for example, to storage tiles for heating, as found in tiled stoves application.

Alternativ können aber auch andere Kapselmaterialien wie feuerfester Beton oder Graphit vorgesehen sein, die sich gleichfalls durch Hitzebeständigkeit und Stabilität auszeichnen. Auch kann ein Kapselmaterial aus Metall gewählt werden, das einen höheren Schmelzpunkt als das Speichermedium aufweist und mit dem Speichermaterial keine Legierung bildet.Alternatively, however, other capsule materials such as refractory concrete or graphite may be provided, which are also characterized by heat resistance and stability. Also, a metal capsule material may be chosen which has a higher melting point than the storage medium and does not alloy with the storage material.

Ein solches metallisches Kapselmaterial zeichnet sich durch eine hohe mechanische Belastbarkeit (Druckfestigkeit) und durch Dichtheit (Porenfreiheit) aus, so dass auf gesonderte Maßnahmen zur Gewährleistung der Abdichtung gegenüber dem eingekapselten Speichermedium verzichtet werden kann.Such a metallic capsule material is characterized by a high mechanical strength (compressive strength) and by tightness (freedom from pores), so that it is possible to dispense with separate measures to ensure the seal against the encapsulated storage medium.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine doppelte Kapselung der Speicherpartikel aus einer inneren Metallschicht und einer äußeren Keramikmatrix vorgesehen.In an advantageous embodiment, a double encapsulation of the storage particles of an inner metal layer and an outer ceramic matrix is provided.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Unterteilung des Speichermediums in einzelne Speicherpartikel, die in einer Matrix eingelagert sind, ermöglicht flexible Formungen der Matrix unter Erhalt der Homogenität. Zugleich dient diese Maßnahme der Sicherheit. Sollte beim Betrieb des Speichers durch Materialversagen ein Riss in der Matrix entstehen, so kann nur das geschmolzene Speichermedium aus den betroffenen Kompartimenten entweichen. Eine Vielzahl kleiner Kompartimente ist daher erstrebenswert.The inventively provided subdivision of the storage medium into individual storage particles, which are embedded in a matrix, allows flexible shaping of the matrix while maintaining the homogeneity. At the same time this measure serves the safety. Should a crack in the matrix occur due to material failure during operation of the store, only the molten storage medium can escape from the affected compartments. A large number of small compartments is therefore desirable.

Grundsätzlich kann die Größe der Speicherpartikel und entsprechend der Kompartimente frei gewählt werden. Der Speichereffekt ist von dieser Wahl nicht betroffen. Näherungsweise kann man eine optimale Bestückung des Wärmespeichers mit Kompartimenten samt Speicherpartikel als dichtestmögliche Kugelpackung betrachten. Dabei ist das Gesamtvolumen der Kugeln unabhängig von ihrer Größe und macht zwei Drittel des Gesamtvolumens der umschließenden Matrix und der eingelagerten Kugeln aus.In principle, the size of the storage particles and according to the compartments can be chosen freely. The memory effect is not affected by this choice. As an approximation one can consider an optimal assembly of the heat accumulator with compartments together with storage particles as tightest possible ball packing. The total volume of the balls is independent of their size and accounts for two-thirds of the total volume of the enclosing matrix and the embedded balls.

Ein idealisierter Wärmespeichervergleich zwischen einem üblichen Ziegel und einem erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher aus einer entsprechenden Ziegelmatrix mit in kompakter Anordnung eingelagerten kugelförmigen Aluminiumpartikeln als Speichermedium sieht wie folgt aus: Ziegel: Spezifische Wärme [kJ dm^–3 K^–1] = 1.7 Aluminium: Spezifische Wärme [kJ dm^–3 K^–1] = 2.7 Schmelzenthalpie [kJ dm^–3] = 2889 Schmelztemperatur [K] = 933 An idealized heat storage comparison between a conventional brick and a latent heat storage medium according to the invention from a corresponding brick matrix with spherical aluminum particles incorporated in a compact arrangement as storage medium is as follows: Brick: Specific heat [kJ dm ^-3 K ^-1 ] = 1.7 Aluminum: Specific heat [kJ dm ^-3 K ^-1 ] = 2.7 Enthalpy of fusion [kJ dm ^-3 ] = 2889 Melting temperature [K] = 933

Der reine Ziegel speichert im Betriebsbereich von zum Beispiel 300 K und 1100 K ca. 1360 kJ an sensibler Wärme. Für den erfindungsgemäßen Ziegel mit eingelagerten Aluminiumpartikeln gilt mit der vorbeschriebenen Volumenverteilung von ein Drittel Ziegel zu zwei Drittel Aluminium im gleichen Temperaturbereich ein Speicherwert von 3819 kJ, der sich aus der sensiblen Wärme des Ziegelanteils von 453 (= 1360 × 1/3) kJ, der sensiblen Wärme von Aluminium 1440 (= 1360 × 2,7:1,7 × 2/3) kJ und der latenten Wärme des Aluminiumschmelzvorgangs von 1926 (= 2889 × 2/3) kJ zusammensetzt. Somit weist der erfindungsgemäße Ziegel eine im Vergleich zum normalen Ziegel um das 2,8-fache (= 3819:1360) gesteigerte Speicherkapazität auf. Dementsprechend kann bei gleicher Dicke eine deutlich höhere Speicherleistung bzw. bei gleicher Speicherleistung eine deutlich geringere Dicke erzielt werden.The pure brick stores in the operating range of, for example, 300 K and 1100 K about 1360 kJ of sensitive heat. For the brick according to the invention with embedded aluminum particles applies with the above volume distribution of one-third brick to two-thirds aluminum in the same temperature range a memory value of 3819 kJ, resulting from the sensitive heat of the brick portion of 453 (= 1360 × 1/3) kJ, the sensitive heat of aluminum 1440 (= 1360 × 2.7: 1.7 × 2/3) kJ and the latent heat of the aluminum melting process of 1926 (= 2889 × 2/3) kJ composed. Thus, the tile according to the invention has a 2.8 times (= 3819: 1360) increased storage capacity compared to the normal tile. Accordingly, with the same thickness, a significantly higher storage capacity or, for the same storage capacity, a significantly smaller thickness can be achieved.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des Latentwärmespeichers in seiner Ausführung mit einer keramischen Matrix.The invention also relates to a method for producing the latent heat accumulator in its execution with a ceramic matrix.

Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Granulat, also kleine Partikel, des Speichermediums mit keramischem Kapselmaterial vollständig überzogen wird, dass die so erhaltenen Granulatkapseln zu geschlossenporig gekapselten Rohlingen verdichtet werden, und dass dann die Rohlinge zum stabilen Endprodukt gebrannt oder gesintert werden.This method is characterized in that granules, so small particles of the storage medium with ceramic capsule material is completely coated, that the granules thus obtained are compacted closed-cell encapsulated blanks, and that then the blanks are fired or sintered to the stable end product.

Dieses Verfahren führt zu einem mechanisch und thermisch stabilen Endprodukt. Es erlaubt eine weitgehend freie Formgebung des Latentwärmespeichers, der somit optimal dem vorgesehenen Verwendungszweck angepasst werden kann. Dabei besteht die Möglichkeit, die exakte Ausformung durch Aufbringen von zusätzlichem keramischem Material an kritischen Stellen – beispielsweise im Bereich von Ecken und Kanten – zu unterstützen.This process leads to a mechanically and thermally stable end product. It allows a largely free shaping of the latent heat storage, which can thus be optimally adapted to the intended use. It is possible, the exact shape by applying additional ceramic material at critical points - for example in the area of corners and edges - to support.

Viele und speziell kostengünstige keramische Massen schrumpfen jedoch signifikant beim Brennen oder Sintern mit Hilfe von Wärme. Bei einem typischen Brennvorgang bei 1200°C wird abhängig von der Feuchtigkeit des keramischen Materials ein Schwund beobachtet, der bis in den zweistelligen Prozentbereich (z.B. 15%) reichen kann. Ebenfalls ist zu berücksichtigen, dass sich die Komponenten des Latentwärmespeichers beim Erhitzen unterschiedlich ausdehnen können und dass eine Volumenänderung des Speichermediums während des Phasenübergangs stattfinden kann. Daher ist es zumindest beim keramischen Latentwärmespeicher im Normalfall erforderlich, ein Schrumpfungsspiel und/oder Ausdehungsspiel vorzusehen, um schädliche Druckspannungen im Endprodukt zu vermeiden.However, many and especially low cost ceramic masses significantly shrink when fired or sintered with the aid of heat. In a typical firing operation at 1200 ° C, depending on the moisture of the ceramic material, a fade is observed, which can reach up to the double-digit percentage range (e.g., 15%). It should also be noted that the components of the latent heat storage can expand differently when heated and that a change in volume of the storage medium can take place during the phase transition. It is therefore normally necessary, at least in the case of the ceramic latent heat store, to provide a shrinkage clearance and / or expansion clearance in order to avoid damaging compressive stresses in the end product.

Aus diesem Grunde ist eine sinnvolle Weiterbildung des Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung eines Ausdehnungsvolumens dem Granulat vor dem Einkapseln eine organische Substanz beigegeben wird, die beim Brennen oder Sintern verbrennt und das Ausdehnungsvolumen hinterläßt.For this reason, a useful development of the method is characterized in that the granules before encapsulation, an organic substance is added to create an expansion volume, which burns during firing or sintering and leaves the expansion volume.

Zweckmäßigerweise kann diese organische Substanz dadurch eingebracht werden, dass entweder das Granulat vor dem Einkapseln mit der organischen Substanz überzogen wird, oder aber dadurch, dass von einem Mischgranulat aus pulverförmigem Speichermaterial und der organischen Substanz ausgegangen wird. In beiden Fällen ist das jeweilige Kapselvolumen größer als das Volumen des umschlossenen reinen Speichermediums.Conveniently, this organic substance can be introduced by either coating the granules before encapsulation with the organic substance, or by starting from a mixed granulate of pulverulent storage material and the organic substance. In both cases, the respective capsule volume is greater than the volume of the enclosed pure storage medium.

Als organische Substanz kann beispielsweise Wachs, Zucker, Zellulose oder ein Polymer eingesetzt werden. Beim thermischen Brennen/Sintern vergasen und verflüchtigen sich diese Stoffe in der gewünschten Weise.As an organic substance, for example, wax, sugar, cellulose or a polymer can be used. During thermal firing / sintering, these substances gas and volatilize in the desired manner.

Eine weitere zweckmäßige Möglichkeit zur Schaffung eines Ausdehungsvolumens besteht darin, dass ein poröses oder aufgeschäumtes Granulat eingesetzt wird. In diesem Fall ist das Ausdehungsvolumen bereits in fein verteilter Form in dem zu überziehenden Granulat enthalten und muss nicht mehr durch den Brennvorgang erzeugt werden. Dieser führt aber zu einem Schmelzen des Metallschaums, bei dem sich das Metall auf ein kleineres Volumen verdichtet und das dabei ausgetriebene Gas ein nunmehr separates Ausdehnungsvolumen bildet.Another expedient possibility for creating a volume expansion is that a porous or foamed granules is used. In this case, the expansion volume is already contained in finely divided form in the granules to be coated and no longer needs to be generated by the firing process. However, this leads to a melting of the metal foam, in which the metal is compressed to a smaller volume and thereby expelled gas forms a now separate expansion volume.

Bei einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung des Verfahrens wird das Granulat zunächst mit einer Metallschicht dicht überzogen, bevor das keramische Kapselmaterial aufgebracht wird, wobei die Metallschicht eine Schmelztemperatur oberhalb der Betriebstemperatur des Latentwärmespeichers aufweist und keine Legierung mit dem Speichermedium eingeht. Dieses Verfahren führt zu einer dichten Kapselung der Speicherpartikel bereits durch die innere Metallschicht. Daher ist es nicht unbedingt erforderlich, die äußere Kapsel (Matrix) bis in einen geschlossenporigen Zustand zu verdichten.In a further expedient development of the method, the granules are first densely coated with a metal layer before the ceramic capsule material is applied, wherein the metal layer has a melting temperature above the operating temperature of the latent heat storage and no alloy with the storage medium. This method leads to a tight encapsulation of the storage particles already through the inner metal layer. Therefore, it is not absolutely necessary to compress the outer capsule (matrix) to a closed-pore state.

Eine von vielen möglichen Anwendungen des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers ist der Ofenbau. Durch die Energiewende werden Heizungen basierend auf heimischen nachwachsenden Rohstoffen wie Holz wieder sehr attraktiv. Die Verfeuerung zu Heizzwecken geschieht meist dezentral in Zimmeröfen, die direkt die umgebende Luft beheizen und nur geringe Wärmespeicherkapazität besitzen. Weitverbreitet ist der Kachelofen, der eine große Masse als sensiblen Energiespeicher benutzt. Nachteilig sind dabei der enorme Raumbedarf, das große Gewicht und die hohen Herstellungskosten, die eine Nachrüstung in bestehendem Wohnraum oft nicht erlauben. Daher wird oft auf kompakte und daher einfach nachzurüstende Kaminöfen zurückgegriffen, die kostengünstig in jedem Baumarkt angeboten werden. Diese bestehen aus einer Metallbrennkammer, meist verkleidet mit z.B. Keramik oder Speckstein als sensiblen Wärmespeicher. Der Speichereffekt ist jedoch durch die vergleichsweise sehr geringe Masse des sensiblen Wärmespeichermaterials verglichen mit einem Kachelofen gering. Durch die Verwendung von Ziegeln oder Kacheln, die erfindungsgemäß als Latentwärmespeicher ausgebildet sind, kann bei Kaminöfen die Wärmespeicherkapazität bei gleichem Raumbedarf deutlich gesteigert werden.One of many possible applications of the latent heat accumulator according to the invention is the furnace construction. The energy turnaround makes heaters based on domestic renewable resources such as wood again very attractive. Heating for heating purposes is usually decentralized in room furnaces, which directly heat the surrounding air and have only low heat storage capacity. Widely used is the tiled stove, which uses a large mass as a sensitive energy storage. Disadvantages are the enormous space required, the large weight and the high production costs, which often do not allow retrofitting into existing living space. Therefore, it is often resorted to compact and therefore easy to retrofit stoves that are offered inexpensively in any hardware store. These consist of a metal combustion chamber, usually lined with e.g. Ceramic or soapstone as a sensitive heat storage. However, the memory effect is low due to the comparatively very low mass of the sensitive heat storage material compared to a tiled stove. By using bricks or tiles, which are formed according to the invention as latent heat storage, the heat storage capacity can be significantly increased in the same space requirements in wood-burning stoves.

Auch die Koppelung eines Latentwärmespeichers mit bestehenden Zentralheizungen macht energietechnisch Sinn, da diese in den allermeisten Fällen keine Puffer für Heizwärme und nur relativ kleine Warmwasserspeicher besitzen. Dieses führt zu vielen, kurzen Heizintervallen. Durch Kopplung mit einem Wärmepufferspeicher werden weniger aber längere Heizintervalle erzielt, welche die Effektivität der vorhandenen Heizung um bis zu 30% steigern können.The coupling of a latent heat storage with existing central heating energy makes sense, since they have in most cases no buffer for heating and only relatively small hot water tank. This leads to many short heating intervals. By coupling with a heat storage tank less but longer heating intervals are achieved, which can increase the effectiveness of the existing heating by up to 30%.

Eine andere Anwendung ist die sichere (d.h. keine Grundwassergefährdung wie z.B. durch Öl) und ungefährliche Langzeitspeicherung von thermischer Energie, die z.B. in einem Heizkraftwerk zentral produziert wird, und dezentral bei Bedarf als elektrische und/oder Heizungsenergie genutzt werden kann. Für diesen Zweck wird ein superisolierter Container (z.B. ein Container mit substanzgestützter Vakuumisolierung) mit speziell geformten Latentwärmespeichern so bestückt, dass Kanäle zum Wärmeaustausch entstehen. Mit einem geeigneten flüssigen oder gasförmigen Medium kann damit Wärme beladen oder entladen werden. Another application is the safe (ie no groundwater hazard such as oil) and safe long-term storage of thermal energy, which is centrally produced, for example, in a combined heat and power plant, and can be used locally as needed as electrical and / or heating energy. For this purpose, a super-insulated container (eg a container with substance-supported vacuum insulation) is equipped with specially shaped latent heat accumulators in such a way that channels for heat exchange are created. Heat can be loaded or unloaded with a suitable liquid or gaseous medium.

Das vom Latentwärmespeicher erreichbare Temperaturgefälle ist auch geeignet, um als umweltfreundliche, emissionsfreie Energiequelle eines dezentralen Blockheizkraftwerkes zu dienen, mit dem zusätzlich zur thermischen Energie z.B. mit Hilfe eines Stirling-Motors elektrische Energie gewonnen werden kann.The temperature gradient achievable by the latent heat storage device is also suitable for serving as an environmentally friendly, emission-free energy source of a decentralized combined heat and power plant with which, in addition to the thermal energy, e.g. With the help of a Stirling engine electrical energy can be obtained.

Latentwärmespeicher mit einer Arbeitstemperatur unter 100°C sind für solare Anwendungen prädestiniert.Latent heat storage tanks with a working temperature below 100 ° C are predestined for solar applications.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a schematic drawing. Show it:

1 einen quaderförmigen Latentwärmespeicher (Ziegel) in längsgeschnittener perspektivischer Teildarstellung mit einer vergrößerten Detailansicht; 1 a cuboid latent heat storage (brick) in longitudinal sectional perspective partial view with an enlarged detail view;

2 die Verfahrensschritte 2a bis 2d mit den grundlegenden Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Latentwärmespeichers; 2 the process steps 2a to 2d with the basic steps of the method according to the invention for producing a ceramic latent heat storage;

3 die Verfahrensschritte 3a bis 3e zur Herstellung des Latentwärmespeichers mit Berücksichtigung eines Ausdehnungsvolumens; 3 the process steps 3a to 3e for producing the latent heat storage with consideration of an expansion volume;

4 die Verfahrensschritte 4a bis 4d mit einer alternativen Vorgehensweise zur Erzielung des Ausdehnungsvolumens; 4 the process steps 4a to 4d with an alternative approach to achieving the expansion volume;

5 die Verfahrensschritte 5a bis 5d mit einer dritten Alternative zur Erzielung des Ausdehnungsvolumens; und 5 the process steps 5a to 5d with a third alternative for achieving the expansion volume; and

6 die Verfahrensschritte 6a bis 6e für die Herstellung eines Latentwärmespeichers mit einer doppelten Kapselung des Speichermediums. 6 the process steps 6a to 6e for the production of a latent heat storage device with a double encapsulation of the storage medium.

Gemäß 1 ist der Latentwärmespeicher 1 als quaderförmiger Ziegel 2 ausgebildet. Dieser weist eine Matrix 3 aus einem geeigneten Kapselmaterial auf, das im Arbeitsbereich des Latentwärmespeichers stabil ist. Die Matrix 3 umschließt Kompartimente 4, die vorzugsweise als zumindest annähernd kugelförmige Kammern ausgebildet und in kompakter Anordnung innerhalb der Matrix 3 vorhanden sind.According to 1 is the latent heat storage 1 as a cuboid brick 2 educated. This one has a matrix 3 from a suitable capsule material, which is stable in the working range of the latent heat storage. The matrix 3 encloses compartments 4 preferably formed as at least approximately spherical chambers and in a compact arrangement within the matrix 3 available.

Die Kompartimente 4 enthalten ein Speichermedium 5 aus Metall oder einer Metalllegierung sowie bei der abgebildeten Ausführung auch ein Ausdehnungsvolumen 6. Die Matrix 3 ist mechanisch und thermisch stabil und zugleich undurchlässig für das verflüssigte Speichermedium 5. Dieses ist durch die Kompartimentierung in separate Speicherpartikel 7 unterteilt.The compartments 4 contain a storage medium 5 made of metal or a metal alloy and in the illustrated embodiment, an expansion volume 6 , The matrix 3 is mechanically and thermally stable and at the same time impermeable to the liquefied storage medium 5 , This is due to the compartmentalization in separate storage particles 7 divided.

Gemäß 2 wird zur Herstellung eines keramischen Latentwärmespeichers 1 von einem fein dimensionierten Granulat 8 des metallischen Speichermediums 5 ausgegangen. Dieses wird gemäß 2b mit keramischem Kapselmaterial 9 überzogen. Der anschließende Verfahrensschritt 2c veranschaulicht einen Pressvorgang mit einer Verdichtung, bei der das Kapselmaterial 9 eine geschlossenporige Matrix 3 bildet, welche die vom Granulat 8 gebildeten metallischen Speicherpartikel 7 fest und abdichtend umschließt. Dieser geformte Rohling 10 wird dann gemäß Verfahrensschritt 2d zum keramischen Endprodukt 11 gebrannt oder gesintert.According to 2 is used to produce a ceramic latent heat storage 1 of a finely dimensioned granulate 8th of the metallic storage medium 5 went out. This will be according to 2 B with ceramic capsule material 9 overdrawn. The subsequent process step 2c illustrates a pressing process with a compression in which the capsule material 9 a closed-pore matrix 3 which forms the granules 8th formed metallic storage particles 7 firmly and sealingly encloses. This shaped blank 10 is then according to process step 2d to the ceramic end product 11 fired or sintered.

Dieses einfache Verfahren gemäß 2 kommt für den Sonderfall in Betracht, dass beim Brennen oder Sintern die keramische Masse 9 nicht schrumpft, sodass Rohling 10 und Endprodukt 11 die gleiche Größe aufweisen, die Matrix und das Speichermaterial kein unterschiedliches Wärmedehnungsverhalten haben und der Phasenübergang des Speichermediums 5 zu keiner Volumenveränderung führt. Ansonsten käme es zu Spannungen im Endprodukt 11.This simple procedure according to 2 is considered for the special case that during firing or sintering the ceramic mass 9 does not shrink, so blank 10 and final product 11 have the same size, the matrix and the memory material have no different thermal expansion behavior and the phase transition of the storage medium 5 does not lead to a change in volume. Otherwise, there would be tensions in the final product 11 ,

Vielfach muss jedoch mit einem Schrumpfen des keramischen Kapselmaterials 9 gerechnet werden. Dafür sind die in 3 bis 5 veranschaulichten Abwandlungen des Verfahrens gemäß 2 vorgesehen. In many cases, however, shrinkage of the ceramic capsule material is required 9 be counted. That's what the in 3 to 5 illustrated modifications of the method according to 2 intended.

Gemäß 3 besteht die Abwandlung darin, dass vor dem Aufbringen des Kapselmaterials 9 (3c) der Zwischenschritt gemäß 3b eingeschaltet wird, bei dem das Granulat 8 zuerst mit einer organischen Substanz 12 überzogen wird, die als Platzhalter für ein späteres Ausdehnungsvolumen dient. Beim Brennen, also beim Übergang von 3d nach 3e verbrennt und verflüchtigt sich die organische Substanz und schrumpft das verdichtete Kapselmaterial 9, weswegen hier das Endprodukt 11 kleinere Abmessungen als der Rohling 10 aufweist.According to 3 the modification consists in that before applying the capsule material 9 ( 3c ) the intermediate step according to 3b is turned on, where the granules 8th first with an organic substance 12 is coated, which serves as a placeholder for a later expansion volume. When burning, so the transition from 3d to 3e The organic substance burns and volatilizes and shrinks the compressed capsule material 9 , so here's the end product 11 smaller dimensions than the blank 10 having.

Die Abwandlung gemäß 4 besteht darin, dass von einem Mischgranulat 13 ausgegangen wird, das aus einer Mischung aus Metallpulver und der organischen Substanz gewonnen wurde. Dementsprechend kann ein Zwischenschritt entsprechend 3b entfallen.The modification according to 4 is that of a mixed granules 13 which was obtained from a mixture of metal powder and the organic substance. Accordingly, an intermediate step may be appropriate 3b omitted.

Bei der dritten Alternative gemäß 5 wird von einem porösen Granulat 14 ausgegangen, das eine geringere Dichte als das reine Metall aufweist. Das poröse Granulat 14 kann beispielsweise aus einem Metallschaum bestehen. Daher führt der Brennvorgang nicht nur zu einem Schrumpfen des keramischen Kapselmaterials 9 sondern auch zu einer entsprechenden Verdichtung des porösen Granulats 14, wie 5d im Vergleich zu 5c zeigt. Das Granulat schmilzt zum reinen Speichermedium.In the third alternative according to 5 is made of a porous granules 14 assumed that has a lower density than the pure metal. The porous granules 14 may for example consist of a metal foam. Therefore, the firing process not only causes shrinkage of the ceramic capsule material 9 but also to a corresponding compression of the porous granules 14 , as 5d compared to 5c shows. The granules melt into pure storage medium.

Zwar kann gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahren auf eine gesonderte Kapselung des metallischen Speichermediums 5 verzichtet werden, da die Matrix 3 bereits eine stabile Permanentkapselung bewirkt. Es ist jedoch auch möglich, gemäß 6 eine zusätzliche separate Kapselung der einzelnen Speicherpartikel 7 vorzusehen. Dazu wird im Zwischenschritt 6b das Granulat 8 mit einer Metallschicht 15 dicht überzogen. Dieses Metall wird so gewählt, dass sein Schmelzpunkt höher liegt als die Betriebstemperatur des Latentwärmespeichers 1 und dass es keine Legierung mit dem metallischen Speichermedium bildet. Auch hier wird nach dem Aufbringen des Kapselmaterials 9 ein geformter Rohling 16 gepresst, der dann zum mechanisch und thermisch stabilen Erzeugnis 17 gebrannt oder gesintert wird. Dieses Erzeugnis zeichnet sich durch eine besonders hohe Zyklenfestigkeit im Wärmespeicherbetrieb aus. Wegen der doppelten Kapselung ist es nicht mehr unbedingt erforderlich, das Kapselmaterial 9 zu einem Rohling 16 mit einer Matrix mit vollständig geschlossenen Poren zu verdichten. Die Matrix 3' einer Variante dieses Ausführungsbeispiels ist daher offenporig.Although, according to the methods described above, a separate encapsulation of the metallic storage medium 5 be waived since the matrix 3 already causes a stable permanent encapsulation. However, it is also possible according to 6 an additional separate encapsulation of the individual storage particles 7 provided. This will be in the intermediate step 6b the granules 8th with a metal layer 15 tightly covered. This metal is chosen so that its melting point is higher than the operating temperature of the latent heat storage 1 and that it does not form an alloy with the metallic storage medium. Again, after the application of the capsule material 9 a shaped blank 16 pressed, then the mechanically and thermally stable product 17 is fired or sintered. This product is characterized by a particularly high cycle stability in heat storage operation. Because of the double encapsulation, it is no longer absolutely necessary, the capsule material 9 to a blank 16 to compact with a matrix with fully closed pores. The matrix 3 'of a variant of this embodiment is therefore porous.

Claims

Latent heat storage with a solid / liquid-phase variable storage medium, which is enveloped by a capsule material, characterized in that - as storage medium ( 5 ) a metal or a metal alloy is provided, - that the capsule material ( 9 ) is heat-resistant and stable with respect to the storage medium and - that the capsule material ( 9 ) a matrix ( 3 ) with individual compartments ( 4 ), in which the in separate storage particles ( 7 ) subdivided storage medium ( 5 ) is tightly enclosed.

Latent heat store according to claim 1, characterized in that the storage medium ( 5 ) is a light metal or a light metal alloy.

Latent heat store according to claim 2, characterized in that the storage medium ( 5 ) Is aluminum or an aluminum alloy.

Latent heat store according to claim 1, characterized in that the storage medium ( 5 ) Zinc is.

Latent heat store according to one of claims 1 to 4, characterized in that the capsule material ( 9 ) is a ceramic material.

Latent heat store according to claim 5, characterized in that it is used as a ceramic tile ( 2 ) is shaped.

Latent heat store according to claim 5 or 6, characterized in that it is shaped as a storage tile for heating heat.

Latent heat store according to one of claims 1 to 4, characterized in that the capsule material ( 9 ) is a refractory concrete.

Latent heat store according to one of claims 1 to 4, characterized in that the capsule material ( 9 ) Graphite is.

Latent heat store according to one of claims 1 to 4, characterized in that the capsule material ( 9 ) is a metal that has a higher melting point than the storage medium ( 5 ) and with the memory material ( 5 ) does not form an alloy.

Latent heat store according to Claims 5 and 10, characterized by a double encapsulation of the storage particles ( 7 ) of an inner metal layer ( 15 ) and an outer ceramic matrix ( 3 ).

Method for producing the latent heat accumulator according to one of claims 5 to 7, characterized in that a granulate ( 8th ) of the storage medium ( 5 ) with ceramic capsule material ( 9 ) is completely coated, that the granules capsules thus obtained closed-cell encapsulated blanks ( 10 ) and that then the blanks ( 10 ) to the stable end product ( 11 ) are fired or sintered.

A method according to claim 12, characterized in that to create an expansion volume the granules ( 8th ) before encapsulating an organic substance ( 12 ), which burns on firing or sintering and leaves the expansion volume.

Process according to claim 13, characterized in that the granules ( 8th ) before encapsulation with the organic substance ( 12 ) is coated.

A method according to claim 13, characterized in that the granules a mixed granules ( 13 ) of powdered storage material ( 5 ) and the organic substance is.

Method according to one of claims 13 to 15, characterized in that as organic substance ( 12 ) Wax, sugar, cellulose or a polymer is used.

A method according to claim 12, characterized in that a porous granules ( 14 ) is used, whose pores form an expansion volume.

A method according to claim 12, characterized in that a foamed granules is used to create an expansion volume.

Method according to one of claims 12 to 18, characterized in that the granules ( 8th ) first with a metal layer ( 15 ) is coated tightly before the ceramic capsule material ( 9 ) is applied, wherein the metal layer ( 15 ) has a melting temperature above the operating temperature of the latent heat storage and no alloy with the storage medium ( 5 ).