DE102012111744A1

DE102012111744A1 - Latentwärmespeicher

Info

Publication number: DE102012111744A1
Application number: DE201210111744
Authority: DE
Inventors: Andreas Beck
Original assignee: Hochschule fur Technik Stuttgart
Current assignee: Hochschule fur Technik Stuttgart
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: DE102012111744B4

Abstract

Es wird ein Latentwärmespeicher zur Speicherung von Wärmeenergie in einem energiespeichernden Phasenwechselmaterial vorgestellt, der einen Behälter zur Aufnahme des energiespeichernden Phasenwechselmaterials, einen ersten Wärmetauscher, der an einer ersten Seite des Behälters angeordnet ist, mit einem ersten Zu- und Ablauf für ein erstes Wärmeträgermedium, einen zweiten Wärmetauscher, der an einer zweiten Seite des Behälters angeordnet ist, mit einem zweiten Zu- und Ablauf für ein zweites Wärmeträgermedium, ein in dem Behälter angeordnetes phasenwechselndes Wärmetransportmaterial zur Übertragung der Wärmeenergie von dem ersten Wärmetauscher zu dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial und/oder von dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial zu dem zweiten Wärmetauscher umfasst, wobei der Siede- bzw. der Kondensationspunkt des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials in dem Behälter derart eingestellt ist, dass der Wärmeübertrag vom ersten Wärmetauscher in das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial von dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand auflädt und das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial eigenständig im aufgeladenen Zustand die Entfernung zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial überbrückt und dass der Wärmeentzug vom phasenwechselnden Wärmetransportmaterial in den zweiten Wärmetauscher das phasenwechselnden Wärmetransportmaterial vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand entlädt und das phasenwechselnden Wärmetransportmaterial eigenständig im entladenen Zustand die Entfernung zwischen dem zweiten Wärmetauscher und dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial überbrückt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher zur Speicherung von Wärmeenergie in einem energiespeichernden Phasenwechselmaterial, eine Heizung bzw. eine Solarthermieanlage mit einem Latentwärmespeicher sowie ein Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Wärmeenergie in einem energiespeichernden Phasenwechselmaterial.
Hintergrund der Erfindung
In zahlreichen Anwendungsgebieten ist es wünschenswert, eine Speicherung von primärer Wärmeenergie für eine spätere Nutzung bzw. Wiederverwendung zur Verfügung zu haben.
Besondere weltweite Aufmerksamkeit hat vor Allem in den letzten Jahrzehnten die individuelle Heizung von privaten oder industriellen Haushalten erhalten. Das Hauptaugenmerk liegt dabei häufig auf alternativen Erzeugungsverfahren der Wärmeenergie, die im Wesentlichen entweder weniger oder weniger schädliche Schadstoffe emittieren sollen. Aber auch die Verwendung von direkter solarer Wärmeenergie, beispielsweise mittels Solarkollektoren, wird weltweit diskutiert.
Betrachtet man hierzu 1, bei welcher das solare Wärmeangebot über einen Jahreszeitraum dargestellt ist, so wird ersichtlich, dass in den Sommermonaten ein Überangebot vorhanden ist, welches bei entsprechender Pufferung den Winterbedarf eines ebenfalls in 1 dargestellten typischen Haushaltes decken könnte.
Allerdings liegen für die Speicherung und Rückgewinnung thermischer Primärenergie beispielsweise zur Nutzung in industriellen Prozessen oder zu Heizzwecken noch immer keine effizienten, also insbesondere möglichst verlustarmen, technisch realisierbaren Lösungen vor.
Beispielsweise ist es üblich, große Wärmemengen in Fluiden zu speichern, entsprechende Dimensionierungen der Speichermengen sind anhand der Wärmekapazitäten der eingesetzten Fluide berechenbar. Besonders häufig wird flüssiges Wasser, aber auch Wasserdampf, aufgrund der einfachen Handhabung und der großen Verfügbarkeit eingesetzt.
Allerdings steigt der Wärmeverlust des Wasserspeichers proportional zur Temperaturdifferenz des Wasserspeichers zu seiner Umgebung, weshalb schließlich die speicherbare Energiemenge nicht nur durch die Wärmekapazität des Fluids begrenzt wird, sondern auch durch den an die Umgebung abfließenden Wärmestrom aus dem Wärmespeicher. Eine langfristige oder dauerhafte Speicherung von Wärme bei Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur ist theoretisch betrachtet ausgeschlossen, da Temperaturdifferenzen auch bei guter Isolierung stets ihren Ausgleich suchen. In praxi bestimmt der in die Isolierung investierte Aufwand die minimal erzielbaren Verlustwärmeströme wesentlich.
Ferner sind bei Fluiden häufig chemische Reaktionen mit dem Fluidbehälter oder anderen mit dem Fluid in Berührung kommenden Materialien und auch Ablagerungen zu beobachten, die die Langzeitnutzung eines solchen Speichers erschweren.
Bei anderen Speicherverfahren wird die Wärmeenergie nicht primär gespeichert, sondern beispielsweise in chemischen Umwandlungsprozessen wie in einer Gaserzeugung gespeichert. Diese Umwandlungsprozesse weisen Wirkungsgrade auf, die in der Regel weit unterhalb von eins liegen.
Weiterhin ist es bekannt, die latente Wärmeenergie eines Stoffes, die bei einem Phasenübergang aufgewendet werden muss bzw. dabei frei wird, zu Wärmespeicherzwecken heranzuziehen. Es wurden dabei vorwiegend zu Forschungszwecken bereits verschiedene Stoffe, die sich durch stoffspezifische Latentwärmemengen unterscheiden, verglichen, wie beispielsweise der 5 entnommen werden kann. Eine industrielle Großanwendung scheiterte bislang aber entweder an der chemischen Beständigkeit der Behälter, die den Latentwärmespeicher umgeben, beispielsweise im Falle von Speichersalzen, oder aber an einer zufriedenstellenden und praktikablen Lösung des Materialschwundes beim Phasenübergang in die nächstniedrigere Phase, also von der Gasphase zur Flüssigphase oder von der Flüssigphase zur festen Phase, wodurch der Wärmeübertrag aus oder in den Stoff erheblich behindert wird.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren bereit zu stellen, welches eine effiziente Speicherung und Rückgewinnung von thermischer Primärenergie ermöglicht. Dabei sollen insbesondere die Nachteile des Standes der Technik verringert oder ausgeräumt werden.
Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, das Problem der bislang bei Latentwärmespeichern auftretende „deutliche” Verringerung des Wärmeübertragungskoeffizienten, der bisher zumindest während der Energieentnahme bis nahe null absinkt, zu lösen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird ein Latentwärmespeicher zur Speicherung von Wärmeenergie in einem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (ePCM) vorgestellt. Mit einem solchen Latentwärmespeicher lässt sich demnach ein äußerer Wärmeeintrag in dem Phasenübergang eines Speichermaterials einkoppeln und speichern.
Der Wärmeeintrag in das energiespeichernde Phasenwechsel- oder Speichermaterial wird insbesondere von einem Wärmetransportmaterial vollzogen, das heißt, dass das ePCM von der ursprünglichen Wärmequelle beabstandet angeordnet sein kann. Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn auch das Wärmetransportmaterial zum Transport der Wärmeenergie zum ePCM oder von dem ePCM weg selbst jeweils einen Phasenübergang vollzieht, da dies einen erstaunlich einfachen Aufbau des Latentwärmespeichers ermöglicht, bei dem die Wärmeeinkopplung in das ePCM und/oder die Wärmeentnahme aus dem ePCM insbesondere ohne eine elektrische oder ähnliche Antriebsenergie möglich ist, indem das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial (pWTM) den Abstand bzw. die Entfernung zwischen der Stelle, bei der die Wärme in den Latentwärmespeicher eingekoppelt oder aus dem Latentwärmespeicher entnommen wird, und dem ePCM eigenständig, z. B. angetrieben durch die Schwerkraft, überbrückt.
Der Latentwärmespeicher umfasst einen Behälter zur Aufnahme des energiespeichernden Phasenwechselmaterials.
Das ePCM kann dabei beispielsweise unten im Behälter angeordnet sein derart, dass das ePCM von einem in flüssiger Phase vorliegenden phasenwechselnden Wärmetransportmaterial umspült wird. Es kann auch mittig im Behälter angeordnet sein derart, dass das ePCM von einem in gasförmiger Phase vorliegenden phasenwechselnden Wärmetransportmaterial umströmt wird. Die Vorzüge der jeweiligen Anordnung des ePCM im Behälter werden in den zu den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Der Latentwärmespeicher umfasst ferner einen ersten Wärmetauscher, der an einer ersten Seite des Behälters angeordnet ist, mit einem ersten Zu- und Ablauf für ein erstes Wärmeträgermedium. Beispielsweise kann mittels des ersten Wärmetauschers ein Wärmeeintrag in den Latentwärmespeicher eingekoppelt werden, wobei das Wärmeträgermedium die Wärmeenergie von einer entfernten Wärmeenergiequelle zu dem ersten Wärmetauscher des Latentwärmespeichers überträgt.
Der Latentwärmespeicher weist des Weiteren einen zweiten Wärmetauscher auf, der an einer zweiten der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Behälters angeordnet ist, mit einem zweiten Zu- und Ablauf für ein zweites Wärmeträgermedium. Beispielsweise kann mittels des zweiten Wärmetauschers Wärmeenergie von dem Latentwärmespeicher abgeführt und mittels des zweiten Wärmeträgermediums zu einem entfernten Ort übertragen werden. Das zweite Wärmeträgermedium kann von dem ersten Wärmeträgermedium vollständig getrennt sein und je nach Anwendungsbereich kann es sich auch um verschiedene (stoffliche) Medien handeln. Es sei aber nicht ausgeschlossen, dass das erste Wärmerträgermedium und das zweite Wärmeträgermedium insbesondere aus einem gemeinsamen Reservoir entnommen werden und/oder je nach Betriebsrichtung des Latentwärmespeichers, also Eintrag in oder Entnahme aus dem Latentwärmespeicher, dem jeweils zugehörigen ersten oder zweiten Wärmetauscher für den Wärmeabtransport zugeführt wird.
Der Latentwärmespeicher umfasst ferner das in dem Behälter angeordnete phasenwechselnde Wärmetransportmaterial zur Übertragung der Wärmeenergie von dem ersten Wärmetauscher zu dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial und/oder von dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial zu dem zweiten Wärmetauscher. Vorteilhaft ist es, wenn in dem Latentwärmespeicher ein gemeinsames phasenwechselndes Wärmetransportmaterial angeordnet ist, welches sowohl den Eintrag in das ePCM als auch die Entnahme aus dem ePCM übernimmt. Es ist aber auch möglich, den Behälter in zwei getrennte Bereiche zu unterteilen, wobei das ePCM mittig im Bereich der Abtrennung angeordnet ist, und ein erstes und ein zweites phasenwechselndes Wärmetransportmaterial in dem Behälter anzuordnen, so dass jeweils ein separater Wärmeübertragungsvorgang übernommen werden kann.
Der Siede- bzw. der Kondensationspunkt des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials in dem Behälter ist derart eingestellt, dass der Wärmeübertrag vom ersten Wärmetauscher in das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial von dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand auflädt und das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial eigenständig im aufgeladenen Zustand die Entfernung zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial überbrückt.
Ebenfalls ist der Siede- und Kondensationspunkt des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials in dem Behälter derart eingestellt, dass der Wärmeentzug vom phasenwechselnden Wärmetransportmaterial in den zweiten Wärmetauscher das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand entlädt und das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial eigenständig im entladenen Zustand die Entfernung zwischen dem zweiten Wärmetauscher und dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial überbrückt. Falls der Behälter eine Abtrennung aufweist, kann der Behälter auch je eine eigene Druckeinstellung für den Siede- und Kondensationspunkt des ersten bzw. zweiten phasenwechselnden Wärmetransportmaterials aufweisen.
Durch Erniedrigung des Druckes lässt sich bei vielen zum Wärmetransport geeigneten Wärmetransportmaterialien eine Erniedrigung des Siede- und Kondensationspunktes erzielen. Durch die korrekte Einstellung des Behälterinnendruckes, und damit des Dampfdruckes des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials, kann der Siede- und Kondensationspunkt daher gerade auf den für den Einsatzzweck geeigneten Punkt eingestellt werden, bei welchem bereits ein geringer Wärmeeintrag in den ersten Wärmetauscher am oder im Bereich des ersten Wärmetauschers einen Phasenübergang des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase hervorruft und/oder bei welchem bereits ein geringer Wärmeentzug an dem zweiten Wärmetauscher bei dem phasenwechselnden Wärmetransportmaterial am oder im Bereich des zweiten Wärmetauschers einen Phasenübergang von der gasförmigen in die flüssige Phase hervorruft.
Bevorzugt weist der Latentwärmespeicher eine Evakuierungseinrichtung zum Einstellen des Siede- und Kondensationspunktes des phasenwechselnden Transportmaterials auf, mittels welcher der Innendruck des Behälters und damit der Dampfdruck des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials eingestellt wird.
Weiter bevorzugt ist der erste Wärmetauscher an einer Unterseite des Behälters angeordnet, so dass das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial im entladenen Zustand der Schwerkraft folgend zu dem ersten Wärmetauscher gelangt. Ferner ist bevorzugt der zweite Wärmetauscher an einer Oberseite des Behälters angeordnet, so dass das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial im geladenen Zustand der Gasbewegung folgend zu dem zweiten Wärmetauscher gelangt.
In dem Behälter können an dem ersten und/oder zweiten Wärmetauscher und/oder im Bereich des energiespeichernden Phasenwechselmaterials Temperatursensoren angeordnet sein. Mittels der Temperatursensoren kann insbesondere die Evakuierungseinrichtung derart gesteuert werden, dass der Dampfdruck des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials eingestellt wird. Mit den Temperatursensoren kann ferner auch der Temperaturgradient im Behälter erfasst werden, wodurch Rückschlüsse auf eine Strömungsverteilung des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials im Behälter möglich sind.
Der Behälter wird bevorzugt mittels der Evakuierungseinrichtung evakuiert. Unter gewöhnlichen, also insbesondere Standardatmosphärenbedingungen, bedeutet dies eine Reduktion des Behälterinnendrucks auf bevorzugt unter 0,1 Bar oder unter 0,01 Bar. Je nach Einsatzgebiet, beispielsweise in einer Hochtemperaturumgebung für eine Stahlschmelze oder Ähnlichem, kann der Behälterinnendruck auch im evakuierten Zustand größer als der Normaldruck sein, da die Temperatur üblicherweise linear in den Druck einzurechnen ist. Jedoch ist es auch unter solchen Bedingungen sinnvoll, den Behälterinnendruck zur Anpassung des Siede- bzw. Kondensationspunktes des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials zu reduzieren.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das ePCM in seinen zwei Betriebszuständen ”entladen” bzw. ”aufgeladen” in fester bzw. flüssigen Aggregatszustand vorliegt. Hierbei wird das ePCM von dem festen in den flüssigen Aggregatszustand aufgeladen und dabei Wärmeenergie gespeichert. Von dem flüssigen in den festen Aggregatszustand wird das ePCM entladen, wobei die zuvor gespeicherte Energie abgegeben wird.
Besonders bevorzugt liegt das ePCM in Granulatform vor. Beispielsweise ist es bei verschiedenen Paraffinen möglich, ein Granulat zur Verfügung zu stellen, welches die Granulatform auch nach einer Vielzahl von Phasenwechseln beibehält und dabei keine oder nur unwesentliche bzw. keine wesentlich behindernden Verklumpungen auftreten. Ein solches Granulat kann in vorteilhafter Weise in den Behälter eingeschüttet werden, und in einer Ausführungsform des Behälters mit einem Sieb kann das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial von unten durch das Sieb an dem granularen ePCM vorbeiströmen und durch die große bereitgestellte Oberfläche einen schnellen und effizienten Energieübertrag in das ePCM oder aus dem ePCM heraus zu gewährleisten. Das ePCM ist dabei bevorzugt ein Schüttgut.
Bei dem Wärmeintrag in den Latentwärmespeicher über den ersten Wärmetauscher ist das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial oder der eingestellte Behälterinnendruck bevorzugt derart ausgewählt, dass die Wärme von dem phasenwechselnden Wärmetransportmaterial mittels Konvektionssieden oder mittels Blasensieden aufgenommen wird, um einen schnellen Wärmeübertrag von dem ersten Wärmetauscher und einen raschen Transport zu dem ePCM zu gewährleisten.
Bei der Anordnung des ePCM in dem Behälter ist eine weitere bevorzugte Ausführung, das ePCM in innerhalb des Behälters angeordneten Röhren einzubringen. Unter Röhren wird hierbei jede Form zusammengefasst, die eine große Oberfläche in vertikaler Richtung bzw. eine möglichst große von dem gasförmigen phasenwechselnden Wärmetransportmaterial entlangströmende Länge aufweist, so dass ein möglichst effizienter Wärmeübertrag an die Röhrenoberfläche und somit in das ePCM realisierbar ist. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um vertikal aufgestellte Rohrzylinder, in die von oben das ePCM einfüllbar ist, wobei das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial an den Außenwänden der Rohrzylinder entlangströmt, wenn es in der gasförmigen Phase ist. Bei dem Entlangströmen wird dann von dem kälteren ePCM bevorzugt eine ausreichend große Wärmemenge aus dem phasenwechselnden Wärmetransportmaterial entzogen, so dass dieses an der Außenwand des/der Rohrzylinder kondensiert und auch die Kondensationsenergie, also die latente Wärme, an das ePCM überträgt.
Das auf diese Art entladene phasenwechselnde Wärmetransportmaterial kann in flüssiger Phase wieder zu dem ersten Wärmetauscher gelangen, also insbesondere tropfenförmig der Schwerkraft folgend hinunterlaufen. Ist das phasenwechselnden Wärmetransportmaterial am ersten Wärmetauscher angelangt, kann es dort wieder geladen, also in die gasförmige Phase versetzt werden und selbsttätig erneut den Abstand zu dem ePCM zurücklegen. Für diesen Kreislauf ist, von der ohnehin in den Latentwärmespeicher einzubringende Wärmeenergie abgesehen, keine äußere Antriebsenergie notwendig. D. h. der Kreislauf der Wärmeübertragung zwischen dem ePCM und dem ersten bzw. zweiten Wärmetauscher läuft selbsttätig solange, bis sich die Temperatur des ePCM der Temperatur des ersten Wärmetauschers angepasst hat. Mit anderen Worten ermöglicht die zu speichernde Wärmeenergie auch zugleich den Wärmetransport zwischen dem ersten bzw. zweiten Wärmetauscher und dem ePCM, so dass dieser Wärmetransport insbesondere verlustfrei, d. h. ohne Verlust von zu speichernder Wärmeenergie und/oder ohne Einsatz äußerer ”zusätzlicher” Antriebsenergie, als Kreislauf im Behälter aufrecht erhalten bleibt, solange im Behälter Temperaturdifferenzen vorliegen.
Der aufgeladene ePCM hält die Innentemperatur des Behälters und somit den Dampfdruck des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials aufrecht. Falls hierbei die Phasenübergangstemperatur des ePCM im Bereich der Umgebungstemperatur des Behälters liegt, ist auch für die Beibehaltung der Innentemperatur kein Energieeinsatz nötig, so dass die Wärmeenergie in dem aufgeladenen ePCM dauerhaft bzw. langfristig gespeichert werden kann.
Auch der Entladevorgang des Latentwärmespeichers kann vorteilhafter Weise ohne äußere Antriebsenergie durchgeführt werden. Wenn an dem zweiten Wärmetauscher ein Wärmeträgermedium zugeführt wird oder an diesem die Temperatur erniedrigt wird, so wird auch der Wärmetauscher insgesamt abkühlen. An dem abgekühlten Wärmetauscher kann das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial kondensieren, wofür bevorzugt nur eine geringe Temperaturdifferenz benötigt wird. Die Kondensation führt zu einen Wärmeenergieeintrag in den Wärmetauscher zum Abführen mittels des Wärmeträgermediums aus dem Latentwärmespeicher. Das Kondensat des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials kann insbesondere einfach zu dem ePCM der Schwerkraft folgend hinunterlaufen oder auf anderem einfachen Wege dorthin gelangen, um erneut geladen zu werden.
In einer vorteilhaften Anordnung ist ein Latentwärmespeicher für eine Heizung vorgesehen zum Speichern von Wärmeenergie. Eine Heizung ist insbesondere eine Hauswärmeheizung, eine Standheizung, eine Heißluftanlage oder jede andere Vorrichtung zum Abgeben von Wärme.
In einer weiteren vorteilhaften Anordnung wird eine Solarthermieanlage vorgestellt mit einem wie vorstehend beschriebenen Latentwärmespeicher zum Zwischenspeichern von Energie aus einem Solarthermiegenerator. Die von dem Solarthermiegenerator eingesammelte Wärmeenergie wird in dieser Ausführungsform über das Wärmeträgermedium an den ersten Wärmetauscher transportiert, dort von dem phasenwechselnden Wärmetransportmaterial aufgenommen und in dem im Behälter angeordneten ePCM gespeichert.
Bevorzugt ist der Latentwärmespeicher in einem Gesamtsystem zur Kühlung eines Objektes eingesetzt. Das zu kühlende Objekt gibt in dieser Ausführungsform Wärmeenergie mittels des Wärmeträgermediums an den ersten Wärmetauscher des Latentwärmespeichers ab, wo die Wärmeenergie von dem phasenwechselnden Wärmetransportmaterial aufgenommen und in dem im Behälter angeordneten ePCM gespeichert wird.
Das heißt, dass auch bei der Objektkühlung das zu kühlende Objekt für den Latentwärmespeicher physikalisch und begrifflich als Wärmequelle betrachtet werden kann, die beispielsweise vergleichbar ist mit dem Solarthermiegenerator als Wärmequelle. Ein mögliches Einsatzgebiet eines solchen Latentwärmespeichers in einem Gesamtsystem zur Kühlung eines Objekts, kurz auch als ”Kältespeicher” beschreibbar, ist beispielsweise als Pufferspeicher für eine nicht konstant zur Verfügung stehende Primärkühlquelle oder auch jeder Zweck, bei dem ein heißeres Objekt zwischenzeitlich abzukühlen ist und nach der Abkühlphase mittels der im Latentwärmespeicher gespeicherten Wärme wieder aufgeheizt wird.
Bei einer Hausheizung bzw. einer fortschrittlichen ”Haustemperierungsanlage” ist es auch möglich, das Haus im Sommer mittels des Latentwärmespeichers, und je nach Temperaturbereich des eingesetzten ePCM ggf. einer zwischengeschalteten Wärmepumpe, auf eine angenehme Temperatur zu kühlen und im Winter wiederum das Haus mittels der im Latentwärmespeicher gespeicherten Wärme zu heizen. Das heißt, dass das sommerwarme Haus in dieser Ausführungsform als zusätzliche Wärmequelle Wärmeenergie an den Latentwärmespeicher abgibt, wobei ”von außen betrachtet” der Latentwärmespeicher das Haus abkühlt und somit quasi in der ”Betriebsrichtung” Kältespeicher arbeitet.
Es ist ersichtlich, dass der Latentwärmespeicher unabhängig von einer von außen betrachteten ”Betriebsrichtung” stets Wärmeenergie primär im Phasenübergang des ePCM speichert und dabei sowohl das Kühlen als auch das Aufheizen eines Objekts betreiben kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Wärmeenergie in einem energiespeichernden Phasenwechselmaterial umfasst die folgenden Schritte: Zunächst wird das ePCM in einen Behälter zur Aufnahme des ePCM eingefüllt. Die Aufladung des Latentwärmespeichers bzw. des ePCM mit Wärmeenergie erfolgt, indem ein erster Wärmetauscher, der an einer ersten Seite des Behälters angeordnet ist und einen ersten Zu- und Ablauf umfasst, mittels eines ersten Wärmeträgermediums Wärmeenergie in den Behälter zuführt und die Wärmeenergie aus dem ersten Wärmetauscher mittels einem in dem Behälter angeordneten phasenwechselnden Wärmetransportmaterials von dem ersten Wärmetauscher zu dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial übertragen wird.
Die Entladung des Latentwärmespeichers erfolgt, indem der zweiter Wärmetauscher, der an der zweiten Seite des Behälters angeordnet ist und einen zweiten Zu- und Ablauf umfasst, mittels eines zweiten Wärmeträgermediums Wärmeenergie aus dem Behälter entnimmt, wobei die Wärmeenergie von dem ePCM mittels des in dem Behälter angeordneten phasenwechselnden Wärmetransportmaterials zu dem zweiten Wärmetauscher übertragen wird.
Der Siede- bzw. der Kondensationspunkt des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials, also insbesondere der Siedepunkt, wird dabei in dem Behälter derart eingestellt, dass der Wärmeübertrag vom ersten Wärmetauscher in das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial von dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand auflädt, so dass das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial eigenständig im aufgeladenen Zustand die Entfernung zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem ePCM überbrückt. Ferner ist der Siede- bzw. der Kondensationspunkt, also insbesondere der Kondensationspunkt, derart eingestellt, dass der Wärmeentzug vom phasenwechselnden Wärmetransportmaterial in den zweiten Wärmetauscher das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand entlädt und das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial eigenständig im entladenen Zustand die Entfernung bzw. den Abstand zwischen dem zweiten Wärmetauscher und dem ePCM überbrückt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 ein Beispiel einer saisonalen Verteilung von solarem Wärmeenergieangebot und Heizwärmeverbrauch,
2 den Aufbau eines einfachen Wärmespeichers mit erstmalig eingefülltem Phasenwechselmaterial,
3 den Aufbau wie 2, wobei das Phasenwechselmaterial einen Phasenübergang zur festen Phase vollzogen hat,
4 die Siedepunktkurve von Wasserdampf,
5 eine Übersicht über derzeit bekannte Materialien, die sich prinzipiell zur Verwendung als Phasenwechselmaterial eignen,
6 einen erfindungsgemäßen Aufbau eines Latentwärmespeichers,
7 eine weitere Ausführungsform eines Aufbaus eines Latentwärmespeichers mit Röhren,
8 eine weitere Ausführungsform eines Aufbaus eines Latentwärmespeichers mit granuliertem ePCM,
9 eine Ausführungsform eines Aufbaus eines Latentwärmespeichers mit getrennten Bereichen des Behälters,
10 ein beispielhafter zeitlicher Verlauf der Wärmestromdichte und des Wärmeübertragungskoeffizientes nach einer Messung mit einem Aufbau gemäß der Ausführungsform der 7,
11 wie 10, wobei der zeitliche Verlauf des Wärmestromes einer Beladung und einer Entladung eines ePCM dargestellt ist,
12 ein beispielhafter zeitlicher Verlauf eines Wärmeübertragungskoeffizientes der Messung gemäß 11.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Es ist eine der Bestrebungen der vorliegenden Erfindung, eine für die jährliche Haushaltsheizwärmeverteilung geeignete Vorrichtung vorzustellen, die als Puffer einsetzbar ist, um beispielsweise das saisonal schwankende solare Wärmeenergieangebot gleichmäßig über das Jahr verfügbar zu machen. 1 gibt einen Überblick über das monatliche Solarenergieangebot (gemessen in kWh/m²) sowie einen typischen Haushaltsheizwärmeverbrauch (gemessen in kWh/Monat). Das Solarenergieangebot ist in den Sommermonaten erheblich größer als in den Wintermonaten. Überdies verläuft es nahezu spiegelbildlich zu einem typischen Haushaltsheizwärmeverbrauch, der in den Wintermonaten besonders hoch ist. Aus der 1 geht daher hervor, dass es eine Möglichkeit ist, die in den Sommermonaten zur Verfügung stehende solare Wärmeenergie in einem Puffer zu speichern, um diese Wärmeenergie in den Wintermonaten wieder zur Verfügung zu stellen.
2 zeigt einen einfachen Aufbau eines Wärmespeichers 2, in dessen Inneren ein geladenes, also flüssiges, Phasenwechselmaterial 4 angeordnet ist. Ein Spiralwärmetauscher 10 mit einem Zulauf 6 und einem Rücklauf 8 hat Wärme in das Innere des Wärmespeichers 2 geführt, welche in dem Phasenwechselmaterial 4 gespeichert ist. Ein Phasenübergang des Phasenwechselmaterials 4 hat sich vollzogen, wenn die Phasenübergangstemperatur des Phasenwechselmaterials 4 überschritten wurde. In dem Beispiel der 2 füllt das Phasenwechselmaterial 4 den unteren Bereich des Wärmespeichers 2 voll aus und umschließt den Spiralwärmetauscher 10.
Wird das Phasenwechselmaterial 4 entladen, also die Wärme mittels des Spiralwärmetauschers 10 und dem Rücklauf 8 entnommen, so vollzieht das Phasenwechselmaterial 4 dann einen Phasenübergang, wenn die Phasenübergangstemperatur des Phasenwechselmaterials 4 zu dem Temperaturbereich des Spiralwärmetauschers 10 passt, der Spiralwärmetauscher 10 also insbesondere kälter ist als die Phasenübergangstemperatur des Phasenwechselmaterials 4.
Bei der Entladung des mit 2 vorgestellten Wärmespeichers 2 vollzieht das Phasenwechselmaterial 4 einen Phasenübergang, wobei das eingesetzte Material schwindet. Der Materialschwund tritt aufgrund der unterschiedlichen Dichte von Fluid und Feststoff auf. 3 zeigt nun den teilentladenen Wärmespeicher, wobei das Phasnewechselmaterial teilweise in die feste Phase übergetreten ist und somit ein Materialschwund 12 bereits eingetreten ist. Da die Wärmeenergie an dem Spiralwärmetauscher 10 entzogen wird, tritt der Phasenübergang und somit der Materialschwund 12 auch zunächst im Bereich des Spiralwärmetauschers 10 auf. Der Materialschwund 12 beabstandet daher während des Entladevorganges das Phasenwechselmaterial 4 von dem Spiralwärmetauscher 10. In den Bereich des Materialschwundes 12 wird Luft und/oder Vakuum treten, also in beiden Fallen ein guter thermischer Isolator. Der Wärmeentzug ist daher bei beginnender Ablösung des Phasenwechselmaterials 4 von dem Spiralwärmetauscher 10 signifikant reduziert oder sogar gestoppt. Der Wärmeübertragungskoeffizient wird dabei bis nahe null reduziert. Die in diesem Wärmespeicher gespeicherte Wärmemenge kann somit nur langsam oder sogar gar nicht mehr entnommen werden. Auch ein erneuter Eintrag von Wärme in das Phasenwechselmaterial 4 ist durch die durch den Materialschwund 12 ausgelöste Beabstandung von dem Spiralwärmetauscher 10 gehemmt.
Es hat sich für die Anwendung des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers aus den vorgenannten Gründen daher als vorteilhaft erwiesen, ein phasenwechselndes Wärmetransportmaterial einzusetzen, um die Wärmeenergie zu dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (ePCM) hin oder von dem ePCM wegzutragen.
4 zeigt die Siedepunktskurve von Wasserdampf in Abhängigkeit von Druck und Temperatur unter übriger Beibehaltung der Bedingungen der internationalen Standardatmosphäre. Anhand des Beispiels von Wasser(dampf) soll der Zusammenhang zwischen der Einstellung des Behälterinnendruckes des Behälters 22 (siehe 6) des Latentwärmespeichers 20 und dem Einsatztemperaturbereich des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials 38, 40 (siehe 6) dargestellt werden. Anhand der 4 wird ersichtlich, dass bei einer Änderung des Drucks p auch eine Änderung der Phasenübergangstemperatur, die als Grenzlinie zwischen den Bereichen ”flüssig” und ”fest” dargestellt ist, einhergeht. Aus diesem Grund kann mittels einer Einstellung des Behälterinnendruckes des Behälters 22 (siehe 6) auch die Phasenübergangstemperatur des Wärmetransportmaterials eingestellt und somit an einen gewünschten Temperaturbereich angepasst werden. Verringert man beispielsweise den Behälterinnendruck so verringert sich auch die Phasenübergangstemperatur.
5 zeigt eine graphisch zusammengestellte Auswahl an verschiedenen möglichen Einsatzmaterialien für das ePCM. Besonders bevorzugt werden Paraffine, da diese bereits mit Phasenübergangstemperaturen verfügbar sind, die für Haushaltsanwendungen bzw. Heizwärmespeicher einsetzbar sind.
6 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers 20. Ein ePCM 50 ist in einem Behälter 22, welcher eine Isolierung 24 aufweist, angeordnet. Der Latentwärmespeicher 20 ist in der gezeigten Ausführungsform vertikal angeordnet, das heißt die Oberseite der 6 stellt auch die Oberseite des Latentwärmespeichers 20 dar. Der Zulauf 28 und der Ablauf 30 des ersten Wärmetauschers 26 sind demgemäß in der Ausführungsform der 6 an der Unterseite des Latentwärmespeichers 20 angeordnet. Obzwar in der Ausführungsform eine Anordnung des ersten Wärmetauschers 26 im Inneren des Behälters 22 gezeigt ist, ist es ggf. auch möglich, den ersten Wärmetauscher 26, wie auch den zweiten Wärmetauscher 32, außen an dem Behälter 22 anzuordnen. Aufgrund der zumeist besseren Isolationswirkung ist allerdings die gezeigte innere Anordnung des ersten und des zweiten Wärmetauscher 26, 32 im Behälter 22 bevorzugt.
Der Behälter 22 ist in der in 6 gezeigten Ausführungsform nahezu vollständig mit dem ePCM 50 gefüllt. Der übrige Innenraum wird von dem phasenwechselnden Wärmetransportmaterial 38, 40 eingenommen.
Der Aufladevorgang des Latentwärmespeichers 50 kann folgendermaßen beschrieben werden. Der erste bzw. untere Wärmetauscher 26 wird durch den Zulauf 28 und den Ablauf 30 mit einem Wärmeträgermedium beschickt, welches wärmer ist als der Innenraum des Latentwärmespeichers 20 und somit eine Wärmemenge an den ersten Wärmetauscher 26 abgibt. Das Wärmeträgermedium zirkuliert zu der Wärmequelle, beispielsweise der Solarthermieanlage oder zu dem zu kühlenden Objekt, zurück, und nimmt erneut eine Wärmemenge auf, die es weiter an den ersten Wärmetauscher 26 des Latentwärmespeichers 50 abgibt.
Die von dem ersten Wärmetauscher 26 aufgenommene Wärmeenergie wird zügig von dem flüssigen phasenwechselnden Wärmetransportmaterial 40 aufgenommen, wobei aufgrund des passend eingestellten Behälterinnendrucks mit geringem Wärmeeintrag ein Phasenübergang des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials herbeigeführt wird. Das nun gasförmige phasenwechselnde Wärmetransportmaterial 38 (pWTM) kann den Abstand zum ePCM 50 ohne äußeren Antrieb selbsttätig – angetrieben durch thermische Konvektion aufgrund des weniger dichten warmen Dampfes des gasförmigen pWTM 38 – zurücklegen und an einer großen Oberfläche des ePCM 50 die Wärmeenergie an das ePCM 50 abgeben. Bei dem Wärmeeintrag in das ePCM wird erneut ein Phasenübergang des pWTM 38, 40 herbeigeführt, so dass das pWTM 38, 40 wiederum ohne äußere Antriebsenergie selbstständig – angetrieben durch die Schwerkraft – den Abstand zurück zum ersten Wärmetauscher 26 zurücklegen kann, indem es der Schwerkraft folgend herabtropft. Dort angekommen kann das pWTM 40 erneut Wärmeenergie von dem ersten Wärmetauscher 26 aufnehmen und den Kreislauf erneut durchlaufen.
Der Entladevorgang des Latentwärmespeichers 20 kann wie folgt beschrieben werden. In dem Behälter 22 herrscht ein eingestellter Behälterinnendruck, bei welchem ein berechenbarer Anteil des flüssigen pWTM 40 in die gasförmige Phase übergeht und als gasförmiges pWTM 38 vorliegt. In der in 6 gezeigten Ausführungsform des Latentwärmespeichers 20 ist das pWTM 38, 40 daher im geladenen Zustand des ePCM 50 selbst ebenfalls zumindest teilgeladen, d. h. es liegt teilweise in der flüssigen Phase 40 des pWTM und teilweise in der gasförmigen Phase 38 des pWTM vor. Am oberen zweiten Wärmetauscher 32 wird nun Wärme entzogen, indem das darin geführte Wärmeträgermedium über den Ablauf 36 abgeführt und neues, kälteres Wärmeträgermedium über den Zulauf 34 zugeführt wird.
Das gasförmige pWTM 38 kondensiert aufgrund der Temperaturdifferenz sowie des eingestellten Dampfdruckes bzw. des Behälterinnendruckes – an dem oberen zweiten Wärmetauscher 32 und überträgt zumindest die latente Wärmeenergie des Phasenübergangs an den zweiten Wärmetauscher 32 und damit an das abführende Wärmeträgermedium. Das kondensierte, also flüssige und entladene pWTM 40, rinnt oder tropft im Behälter 22 der Schwerkraft folgend nach unten und gelangt so in Kontakt mit dem oder in die Nähe des ePCM 50. Streicht das entladene pWTM 40 über die Oberfläche des geladenen ePCM 50, welches bevorzugt in der flüssigen Phase vorliegt, kommt es überwiegend in der Grenzschicht der Oberfläche des ePCM 50 zur Wärmeübertragung durch Abstrahlung und/oder Kontaktwärmeübertragung von dem wärmeren ePCM 50 an das entladene pWTM 40, wodurch dieses wieder aufgeladen wird, einen Phasenübergang vollzieht und sich als geladenes pWTM 38 erneut selbsttätig in Richtung des zweiten Wärmetauschers 32 bewegt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Phasenübergangstemperatur des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials im Bereich der Temperatur des Zulaufs des ersten oder des zweiten Wärmetauschers 26, 32 eingestellt ist. Ist die Phasenübergangstemperatur mittels des Behälterinnendruckes auf die Temperatur des ersten Wärmetauschers 26 eingestellt, so begibt sich bereits bei geringem Wärmeeintrag aus dem ersten Wärmetauscher 26 in das pWTM 40 ein zunehmender Anteil des pWTM 40 in die energetisch nächsthöhere Phase, also insbesondere aus der flüssigen in die gasförmige Phase und nimmt dabei Wärmeenerige aus dem ersten Wärmetauscher 26 auf, es ist geladen.
Ist die Phasenübergangstemperatur mittels des Behälterinnendruckes auf die Temperatur des zweiten Wärmetauschers 32 eingestellt, so begibt sich bereits bei geringem Wärmeentzug aus dem pWTM 38 in den zweiten Wärmetauscher 32 ein zunehmender Anteil des pWTM 38 in die nächstniedrigere Phase, also insbesondere aus der gasförmigen in die flüssige Phase und gibt dabei Wärmeenergie in den zweiten Wärmetauscher 32 ab. Besonders bevorzugt sind die Temperaturbereiche des ersten und zweiten Wärmetauschers 26, 32 ähnlich oder sogar identisch, so dass eine gemeinsame Phasenübergangstemperatur des pWTM 38, 40 für beide Wärmetauscher 26, 32 eingestellt sein kann.
Der Speicherung der Wärmeenergie in dem Phasenübergang, also als latente Wärme des ePCM 50 anstelle einer sensiblen Speicherung, die einen Temperaturanstieg hervorruft, ist weiter vorteilhaft, dass das ePCM 50 insbesondere auch geladen bei Umgebungstemperatur gelagert werden kann, wodurch eine Isolierung verringert werden kann oder sogar nicht mehr benötigt wird. in jedem Fall kann aber der Wärmeverlust aus dem Latentwärmespeicher 20 in die Umgebung verringert werden.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Latentwärmespeichers 20, wobei das ePCM 50 in Röhren 48 innerhalb des Behälters 22 angeordnet ist. Die Anordnung in den Röhren 48 bietet die Möglichkeit, nahezu beliebige Materialien als ePCM 50 einzusetzen, da dieses chemisch getrennt von dem pWTM 38, 40 vorliegt. Darüber hinaus bieten die Röhren 48 eine große Oberfläche für das darüberstreichende pWTM 38, 40, wodurch ein verbesserter Wärmeübertrag erreicht werden kann.
In der 7 sind zwei unterschiedliche Anordnungen der Röhren 48 in dem Behälter 22 gezeigt: drei der Röhren 48 enden an ihrer Unterseite oberhalb des entladenen pWTM 40, so dass die größtmögliche Oberfläche der Röhren 48 für den Phasenübergang des pWTM zur Verfügung steht. Die Röhre 48, die in der Ausführungsform der 7 rechts dargestellt ist, taucht in das entladene pWTM 40 ein, so dass eine direkte Wärmeübertragung an das entladene pWTM 40 stattfinden kann und somit auch an der gesamten Oberfläche des entladenen pWTM 40, Phasenübergänge induziert werden, insbesondere also das Wasser von der Wasseroberfläche verdampft. Es ist ersichtlich, dass in dem Behälter 22 auch nur eintauchende Röhren 48 oder nur unbedeckte Röhren 48 angeordnet sein können.
8 zeigt eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform des Latentwärmespeichers 20, wobei das ePCM als granuliertes ePCM 50 vorliegt. Das Granulat hat vorzugsweise die Eigenschaft, auch in der flüssigen Phase die ursprüngliche Granularität beizubehalten, also insbesondere nicht zu verklumpen oder zusammenzufließen. Hierdurch kann es als Schüttgut direkt in den Behälter 22 eingefüllt werden, wodurch das Herstellungsverfahren des Latentwärmespeichers 20 weiter vereinfacht ist, und dauerhaft eingesetzt werden bzw. zumindest eine Vielzahl an Phasenübergängen zu vollziehen ohne zu verklumpen.
In der Ausführungsform der 8 weist der Latentwärmespeicher 20 ein Sieb 44 auf, auf welchem das granulierte ePCM 50 lagert. Das Sieb 44 verbessert die Zirkulation des pWTM 38, 40 in dem Behälter 22, und indem es verbessert die große Oberfläche des ePCM 50 überstreichen kann verbessert sich direkt auch die Wärmeübertragung zwischen dem pWTM 38, 40 und dem ePCM 50.
An dem oberen ersten Wärmetauscher 26 sind Tropfbleche 42 angeordnet, die sowohl eine größere Oberfläche des zweiten Wärmetauschers 32 für das geladene pWTM 38 und somit einen verbesserten Wärmeübertrag bieten als auch ein schnelleres und gezieltes Abtropfen des entladenen pWTM 40 ermöglichen, so dass dieses noch schneller und ggf. direkter zurück zu dem ePCM 50 gelangt und erneut geladen werden kann. Mit anderen Worten werden mit den Tropfblechen 42 die Tropfen des entladenen pWTM 40 zu dem ePCM 50 geleitet.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Latentwärmespeichers 20, wobei der Behälter 22 einen oberen Bereich 22a und einen unteren Bereich 22b aufweist, die durch eine Wand 46 vollständig voneinander getrennt sind. In der gezeigten Ausführungsform der 9 ist ein granuliertes ePCM 50 gezeigt, aber in dieser Ausführungsform ist es ebenso besonders gut realisierbar, verschiedenste Materialien für das ePCM 50 einzusetzen, da es auch vollflächig auf der Wand 46 aufliegen kann. Die für das pWTM 38, 40 zum Energieübertrag zur Verfügung stehende Oberfläche ist auf die gesamte Behälterinnenwand 23 erweitert, da das ePCM 50 durch den großflächigen Kontakt mit der Wand 46 die gesamte Behälterinnenwand 23 aufheizt bzw. dieser Energie entzieht. Der Wärmeeintrag in das ePCM 50 kann daher in der Ausführungsform der 9 über die Behälterinnenwand 23 und die Wand 46 abgewickelt werden, da das pWTM 38, 40 des unteren Bereiches 22b daran kondensiert und so die Wärmeenergie an das ePCM 50 übertragen werden kann. Das Material der Wand 46 kann zu diesem Zweck hinsichtlich einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit ausgewählt sein, aber bereits Eisen oder Aluminium sind hierfür gut geeignet. Bei der Materialauswahl ist ferner die chemische Verträglichkeit mit dem eingesetzten ePCM 50 sowie dem eingesetzten pWTM 38, 40 zu beachten. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform sind zwei unterschiedlich einstellbare Behälterinnendrücke für den unteren Bereich 22b bzw. den oberen Bereich 22a, so dass hier verschiedene Temperaturen des ersten bzw. zweiten Wärmetauschers 26, 32 abgedeckt werden können. Ferner ist der Ausführungsform der 9 vorteilhaft, dass die Materialauswahl für das ePCM 50 kaum beschränkt ist. Auch das Problem des Materialschwundes tritt in dieser Ausführungsform nicht oder nur ausreichend gering auf, da der Wärmeübertrag aus oder in das ePCM 50 über den größten Teil seiner Oberfläche durchgeführt wird und somit ein über das Volumen gleichmäßiges Schwinden des ePCM 50 beobachtbar ist und zumindest die Unterseite des ePCM 50 in ausreichendem thermischen Kontakt bleibt.
10 bis 12 zeigen Messergebnisse, die mit einem Versuchsaufbau durchgeführt wurden, der in seinem Aufbau der Ausführungsform der 7 mit eintauchenden Röhren 48 entspricht. Der untere Graph der 10 zeigt den zeitlichen Verlauf der Messung der Wärmestromdichte, der obere Graph der 10 denjenigen des Wärmeübertragungskoeffizienten einer Entladung des Latentwärmespeichers 20. 11 zeigt im oberen Graphen den Wärmestrom einer Beladung des Latentwärmespeichers im Vergleich zu dem unteren Graphen, der den Wärmestrom einer Entladung zeigt. 12 zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf des Wärmeübergangskoeffizienten einer Beladung im Vergleich zu einer Entladung des Latentwärmespeichers 20. Der im oberen Bereich endende Graph zeigt dabei die Beladung, der im unteren Bereich endende Graph zeigt die Entladung.
Es ist denn Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

2: Behälter
4: energiespeicherndes Phasenwechselmaterial
6: Zulauf
8: Rücklauf
10: Kühlspirale
12: Materialschwund
20: Latentwärmespeicher
22: Behälter
22a: oberer Bereich des Behälters
22b: unterer Bereich des Behälters
23: Behälterinnenwand
24: Isolierung
26: Erster Wärmetauscher
28: Zulauf
30: Ablauf
32: Zweiter Wärmetauscher
34: Zulauf
36: Ablauf
38: gasförmiges phasenwechselndes Wärmetransportmaterial pWTM
40: flüssiges phasenwechselndes Wärmetransportmaterial pWTM
42: Tropfblech
44: Sieb
46: Wand
48: Röhre
50: energiespeicherndes Phasenwechselmaterial ePCM

Claims

Latentwärmespeicher (20) zur Speicherung von Wärmeenergie in einem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (ePCM), umfassend: einen Behälter (22) zur Aufnahme des energiespeichernden Phasenwechselmaterials (50), einen ersten Wärmetauscher (26), der an einer ersten Seite des Behälters (22) angeordnet ist, mit einem ersten Zu- und Ablauf (28, 30) für ein erstes Wärmeträgermedium, einen zweiten Wärmetauscher (32), der an einer zweiten Seite des Behälters (22) angeordnet ist, mit einem zweiten Zu- und Ablauf (34, 36) für ein zweites Wärmeträgermedium, ein in dem Behälter (22) angeordnetes phasenwechselndes Wärmetransportmaterial (pWTM, 38, 40) zur Übertragung der Wärmeenergie von dem ersten Wärmetauscher (26) zu dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (50) und/oder von dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (50) zu dem zweiten Wärmetauscher (32), wobei der Siede- bzw. der Kondensationspunkt des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials (38, 40) in dem Behälter (22) derart eingestellt ist, dass der Wärmeübertrag vom ersten Wärmetauscher (26) in das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial (38, 40) das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial von dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand auflädt und das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial eigenständig im aufgeladenen Zustand die Entfernung zwischen dem ersten Wärmetauscher (26) und dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (50) überbrückt und dass der Wärmeentzug vom phasenwechselnden Wärmetransportmaterial (38, 40) in den zweiten Wärmetauscher (32) das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand entlädt und das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial eigenständig im entladenen Zustand die Entfernung zwischen dem zweiten Wärmetauscher (32) und dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (50) überbrückt.
Latentwärmespeicher (20) nach vorstehendem Anspruch, mit einer Evakuierungseinrichtung zum Einstellen des Siede- und Kondensationspunktes des phasenwechselnden Transportmaterials, indem der Innendruck des Behälters (22) und damit der Dampfdrucks des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials eingestellt wird.
Latentwärmespeicher (20) nach vorstehendem Anspruch, wobei der erste Wärmetauscher (26) an einer Unterseite des Behälters (22) angeordnet ist, so dass das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial im entladenen Zustand der Schwerkraft folgend zu dem ersten Wärmetauscher (26) gelangt und/oder wobei der zweite Wärmetauscher (32) an einer Oberseite des Behälters (22a) angeordnet ist, so dass das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial im geladenen Zustand der Gasbewegung folgend zu dem zweiten Wärmetauscher (32) gelangt.
Latentwärmespeicher (20) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei in dem Behälter (22) an dem ersten und/oder zweiten Wärmetauscher (26, 32) und/oder im Bereich des energiespeichernden Phasenwechselmaterials (50) Temperatursensoren zur Steuerung der Evakuierungseinrichtung angeordnet sind.
Latentwärmespeicher (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Behälter (22) mittels der Evakuierungseinrichtung evakuiert wird, d. h. der Behälterinnendruck auf unter 0,1 Bar oder unter 0,01 Bar reduziert wird.
Latentwärmespeicher (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das energiespeichernde Phasenwechselmaterial (50) von dem festen in den flüssigen Aggregatszustand aufgeladen wird und dabei Wärmeenergie speichert und/oder wobei das energiespeichernde Phasenwechselmaterial (50) von dem flüssigen in den festen Aggregatszustand entladen wird und dabei Energie abgibt.
Latentwärmespeicher (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das energiespeichernde Phasenwechselmaterial (50) in Granulatform vorliegt und die Granulatform auch nach einer Vielzahl von Phasenwechseln beibehalten wird und/oder wobei das energiespeichernde Phasenwechselmaterial (50) ein Schüttgut ist.
Latentwärmespeicher (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial die Wärme von dem ersten Wärmetauscher (26) mittels Konvektionssieden oder mittels Blasensieden aufnimmt.
Latentwärmespeicher (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das energiespeichernde Phasenwechselmaterial (50) in innerhalb des Behälters (22) angeordneten Röhren (48) eingebracht ist.
Heizung mit einem Latentwärmespeicher (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Speichern von Wärmeenergie.
Solarthermieanlage mit einem Latentwärmespeicher (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Zwischenspeichern von Wärmeenergie aus einem Solarthermiegenerator.
Kältespeicher mit einem Latentwärmespeicher (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Kühlen eines Objekts mittels des Latentwärmespeichers und zum Zwischenspeichern der Wärmeenergie aus dem Objekt in dem Latentwärmespeicher.
Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Wärmeenergie in einem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (ePCM), wobei das energiespeichernde Phasenwechselmaterial (50) in einen Behälter (22) zur Aufnahme des energiespeichernden Phasenwechselmaterials (50) eingefüllt wird, wobei ein erster Wärmetauscher (26), der an einer ersten Seite des Behälters (22) angeordnet ist, mit einem ersten Zu- und Ablauf (28, 30) mittels eines ersten Wärmeträgermediums Wärmeenergie in den Behälter (22) zuführt, indem die Wärmeenergie aus dem ersten Wärmetauscher (26) mittels einem in dem Behälter (22) angeordneten phasenwechselnden Wärmetransportmaterials (pWTM, 38, 40) von dem ersten Wärmetauscher (26) zu dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (50) übertragen wird und/oder, wobei ein zweiter Wärmetauscher (32), der an einer zweiten Seite des Behälters (22) angeordnet ist, mit einem zweiten Zu- und Ablauf (34, 36) mittels eines zweiten Wärmeträgermediums Wärmeenergie aus dem Behälter (22) entnimmt, indem die Wärmeenergie von dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (50) mittels des in dem Behälter (22) angeordneten phasenwechselnden Wärmetransportmaterials zu dem zweiten Wärmetauscher (32) übertragen wird, wobei der Siede- bzw. der Kondensationspunkt des phasenwechselnden Wärmetransportmaterials in dem Behälter (22) derart eingestellt wird, dass der Wärmeübertrag vom ersten Wärmetauscher (26) in das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial von dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand auflädt und das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial eigenständig im aufgeladenen Zustand die Entfernung zwischen dem ersten Wärmetauscher (26) und dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (50) überbrückt und dass der Wärmeentzug vom phasenwechselnden Wärmetransportmaterial in den zweiten Wärmetauscher (32) das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand entlädt und das phasenwechselnde Wärmetransportmaterial eigenständig im entladenen Zustand die Entfernung zwischen dem zweiten Wärmetauscher (32) und dem energiespeichernden Phasenwechselmaterial (50) überbrückt.