DE102013208973A1

DE102013208973A1 - Hochleistungslatentwärmespeicher

Info

Publication number: DE102013208973A1
Application number: DE102013208973.2A
Authority: DE
Inventors: Uwe Lenk; Jochen Schäfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2014-11-20
Also published as: WO2014183894A1

Abstract

Bei der Speicherung thermischer Energie konnte bislang keine hohe Energiedichte gleichzeitig mit hoher Leistungsdichte gewährleistet werden. Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher verwendet ein Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermaterial. Dieses ist ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial und liegt partikelförmig vor. Die PCM-Partikel werden je in einem ersten Behälter für das wärmebeladene Phasenwechselmaterial und in einem zweiten Behälter für das wärmeentladene Phasenwechselmaterial gelagert. Eine Verbindung zwischen den beiden Behältern mit einer Fördereinrichtung für das Wärmespeichermaterial weist eine Wärmeübertragungsvorrichtung auf, welche ausgestaltet ist thermische Energie zwischen dem Wärmespeichermaterial und einem Wärmetransportmedium zu übertragen. Demnach kann über die PCM-Speicherpartikel eine hohe Energiedichte gewährleistet werden, über die Behältervolumina die Kapazität des Speichers eingestellt werden und über das Design der Wärmeübertragungsvorrichtung wird eine hohe Leistungsdichte ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichersystem.
Im Bereich der Latentwärmespeicher sind Speichersysteme mit hoher Energiedichte bekannt und Speichersysteme mit hoher Leistungsdichte. Eine hohe Energiedichte bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte kann bislang von keinem bekannten thermischen Energiespeicher gewährleistet werden.
Für eine hohe Leistungsdichte eines thermischen Energiespeichers ist ein System aus der WO 2012/027769 bekannt, bei dem Sand als Wärmespeichermaterial verwendet wird. Der Sand kann je in einem Behälter für heißen Sand oder für kalten Sand gelagert werden und über eine Rohrleitung von einem Behälter zum anderen transportiert werden. Über einen Wärmeübertrager im Bereich der Rohrleitung wird der Speicher be- oder entladen. Zwar weist der hier beschriebene thermische Energiespeicher eine hohe Leistungsdichte, jedoch keine hohe Energiedichte auf, was überwiegend auf das verwendete Speichermaterial Sand zurückzuführen ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Latentwärmespeicher anzugeben, welcher bei hoher Leistungsdichte gleichzeitig eine hohe Energiedichte gewährleistet.
Die Aufgabe ist durch ein System gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Latentwärmespeichersystem verwendet ein Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermaterial. Dies hat den Vorteil, die gewünschte hohe Energiedichte zu gewährleisten. Das Wärmespeichermaterial ist dabei entweder ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial. Bei formstabilen Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterialien bleibt, wie der Name besagt, das Phasenwechselmaterial auch in der flüssigen Phase formstabil. Das Latentwärmespeichersystem umfasst des Weiteren einen ersten Behälter für das wärmebeladene Phasenwechselmaterial sowie einen zweiten Behälter für wärmeentladenes Phasenwechselmaterial. Beispielsweise sind die beiden Behälter thermisch isoliert. Eine Verbindung zwischen den beiden Behältern mit einer Fördereinrichtung für das Wärmespeichermaterial umfasst außerdem eine Wärmeübertragungsvorrichtung. Diese Wärmeübertragungsvorrichtung ist dabei so ausgestaltet, dass thermische Energie zwischen dem Wärmespeichermaterial und einem Wärmetransportmedium übertragen werden kann. Der Aufbau mit den zwei Behältern für das wärmebeladene und wärmeentladene Phasenwechselmaterial hat den Vorteil, dass über die Behältervolumina die Kapazität des Speichers eingestellt werden kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt das Phasenwechselmaterial partikelförmig vor. Beispielsweise liegt das Phasenwechselmaterial pulverförmig oder granulär vor. Der Partikeldurchmesser wird insbesondere so gewählt, dass der Wärmetransport innerhalb des Partikels die thermische Leistung des Speichers nicht limitiert. Ist der Partikel zu groß, so würde der Kern des Partikels die Außentemperatur nicht erfahren oder nur sehr zeitverzögert. Die Verwendung eines Fest-Fest-Phasenwechselmaterials oder eines formstabilen Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterials ist demnach Bedingung dafür, dass das Phasenwechselmaterial partikelförmig verwendbar ist. Beispielsweise kommt als Fest-Fest-Phasenwechselmaterial Polyethylen in Frage. Ein Beispiel für ein formstabiles Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial ist ultrahochmolekulares Polyethylen.
Konkret äußert sich die Anforderung an einen geeigneten Partikeldurchmesser, der gewährleistet, dass der Wärmetransport innerhalb des Partikels die thermische Leistung des Speichers nicht limitiert, folgendermaßen:
Die Biot-Zahl Bi für das Phasenwechselmaterial, welche das Verhältnis des konduktiven zum konvektiven thermischen Widerstand darstellt, muss kleiner als 10, insbesondere kleiner als 2 sein. Vorzugsweise ist die Biotzahl deutlich kleiner als 1.
Die Biot-Zahl Bi ist das Verhältnis des konduktiven zum konvektiven thermischen Widerstand bzw. das Verhältnis des Wärmeleitwiderstands des Wärmespeichers zum Wärmeübergangswiderstand vom Wärmespeicher an das umgebende Medium, zum Beispiel das Wärmetransportmaterial. Im Fall, dass das Wärmespeichermaterial partikelförmig vorliegt, stellt sich die Biot-Zahl folgendermaßen dar: Bi = α·r / λ
Dabei sind r der Radius der Partikel, α der Wärmeübergangskoeffizient der Partikel zum Wärmetransportmaterial und λ die Wärmeleitfähigkeit des Partikelmaterials.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das latente Wärmespeichersystem eine Rohrleitung als Verbindung zwischen den beiden Behältern auf und diese wiederum eine Fördereinrichtung für das Wärmespeichermaterial. Dabei ist die Fördereinrichtung eine Förderschnecke, ein Förderband oder eine Transportbecher aufweisende Fördereinrichtung. Derartige Transporteinrichtungen haben den Vorteil ausgereifte Technologien darzustellen.
Alternativ dazu kann die Verbindung zwischen den beiden Behältern eine Fördereinrichtung mit Gebläse oder mit Pumpe aufweisen, wobei die Fördereinrichtung dann so ausgestaltet ist, dass der Transport des Wärmespeichermaterials suspendiert in einem strömenden Transportfluid vorgenommen werden kann. Eine Suspension des Wärmespeichermaterials kann dann mittels einer pneumatischen Förderung, durch ein Gebläse oder eine Pumpe erfolgen.
Eine weitere alternative Fördereinrichtung ist so ausgestaltet, dass die Förderung des Wärmespeichermaterials durch die Gravitationskraft erfolgt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, auf viele bewegliche mechanische Teile verzichten zu können.
Die Übertragung der thermischen Energie zwischen dem Phasenwechselmaterial und dem Wärmetransportmaterial geschieht über die Wärmeübertragungsvorrichtung. Als Wärmetransportmaterial sind dabei Prozessfluide einsetzbar, wie beispielsweise Wasser oder Wasserdampf, Luft, Stickstoff, Kältemittel im Allgemeinen und insbesondere Organic-Rankine-Cycle-Arbeitsmedien. Die Leistungsdichte bzw. thermische Leistung des Latentwärmespeichersystems ist insbesondere über das Design der Wärmeübertragungsvorrichtung einstellbar. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmeübertragungsvorrichtung ein Wirbelschichtwärmeübertrager.
Dabei kann die Fluidisierung des Phasenwechselmaterials beispielsweise über ein Prozessgas oder alternativ über eine Flüssigkeit erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmeübertragungsvorrichtung ein Plattenwärmeübertrager oder ein Rohrbündelwärmeübertrager. Alternativ zu diesen indirekten Wärmeübertragungsvorrichtungen kann die Wärmeübertragung zwischen Speicher und Prozessfluid auch durch Direktkontakt erfolgen. Dazu wird ein gasförmiges oder ein flüssiges Prozessfluid direkt über das Wärmespeichermaterial geleitet. Der Wärmeübertrag durch Direktkontakt ist besonders vorteilhaft bezüglich eines hohen Wirkungsgrades.
Durch die erfindungsgemäße gezielte Verwendung von Fest-Fest- oder formstabilen Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterialien wird die Energiedichte des thermischen Energiespeichersystems deutlich erhöht bei gleichzeitig wählbarem Verhältnis von Kapazität und Leistungsdichte. Durch die gezielte Wahl des Partikeldurchmessers sowie durch das Design der Förderung der Phasenwechselmaterialpartikel wird die Leistungsdichte des Speichers eingestellt. Dies hat den großen Vorteil, dass kostenintensive Wärmeleitstrukturen oder der Einsatz von Verbundmaterialien wie beispielsweise Graphit-PCM-Verbundmaterialien zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Phasenwechselmaterials nicht notwendig sind.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die Kapazitäts- und die Leistungskomponente voneinander zu trennen. Das heißt bei Bedarf kann die Leistungskomponente für verschiedene Kapazitätskomponenten verwendet werden. Beispielsweise kann bei gleichem Aufbau der Speicheranlage unterschiedliches Speichermaterial verwendet werden und somit Temperaturspeicher auf unterschiedlichsten Temperaturniveaus angeboten werden. Außerdem kann über die Wahl des Speichermaterials auch die Kapazitätskomponente flexibel genutzt werden. Denkbar ist es, das Speichersystem im Sommer oder an Orten hoher Außentemperatur für die Kältespeicherung und im Winter für die Wärmespeicherung zu verwenden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird noch in exemplarischer Weise mit Bezug auf die Figur beschrieben:
Die Figur zeigt schematisch den Aufbau eines Latentwärmespeichersystems. Dabei sind zwei Behälter 20, 30 über eine Rohrleitung 11 miteinander verbunden. Diese Verbindung 11 weist eine Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auf. Die beiden Behälter 20, 30 dienen als Speicherbehälter für das wärmebeladene PCM-Material 20 und das wärmeentladene PCM-Material 30. Über verschiedene Transport- bzw. Fördervorrichtungen 12 kann das granulare PCM-Material von einem Speicherbehälter zum anderen transportiert werden. Dabei durchquert es die Wärmeübertragungsvorrichtung 10. Mittels dieser findet die Beladung oder die Entladung des Speichermaterials statt, kann also dem Latentwärmespeichersystem Wärme zugeführt oder vom Wärmelatentspeichersystem Wärme abgeführt werden, wie durch Pfeile angedeutet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012/027769 [0003]

Claims

Latentwärmespeichersystem unter Verwendung eines Phasenwechselmaterials als Wärmespeichermaterial umfassend: – einen ersten Behälter (20) für wärmebeladenes Phasenwechselmaterial, – einen zweiten Behälter (30) für wärmeentladenes Phasenwechselmaterial und – eine Verbindung (11) zwischen den beiden Behältern (20, 30) mit einer Fördereinrichtung (12) für das Wärmespeichermaterial, wobei die Verbindung (11) eine Wärmeübertragungsvorrichtung (10, 13) umfasst, welche ausgestaltet ist thermische Energie zwischen dem Wärmespeichermaterial und einem Wärmetransportmedium zu übertragen, und wobei das Phasenwechselmaterial ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial ist.
Latentwärmespeichersystem nach Anspruch 1 wobei das Phasenwechselmaterial partikelförmig vorliegt.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei die Biot-Zahl Bi für das Phasenwechselmaterial, welche das Verhältnis des konduktiven zum konvektiven thermischen Widerstands darstellt, kleiner als 10 ist: Bi < 10.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei die Biot-Zahl Bi für das Phasenwechselmaterial, welche das Verhältnis des konduktiven zum konvektiven thermischen Widerstands darstellt, deutlich kleiner als 1 ist: Bi << 1.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei die Verbindung (11) zwischen den beiden Behältern (20, 30) eine Rohrleitung ist und die Fördereinrichtung (12) für das Wärmespeichermaterial eine Förderschnecke, ein Förderband oder eine Becher-Fördereinrichtung ist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4 wobei die Verbindung (11) zwischen den beiden Behältern (20, 30) eine Rohrleitung ist und die Fördereinrichtung (12) ein Gebläse oder eine Pumpe umfasst und so ausgestaltet ist, dass die Förderung des Wärmespeichermaterials suspendiert in einem strömenden Transportfluid vorgenommen werden kann, in Form einer pneumatischen Förderung, mittels des Gebläses oder der Pumpe.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4 wobei die Verbindung (11) zwischen den beiden Behältern (20, 30) eine Rohrleitung ist und die Fördereinrichtung (12) so ausgestaltet ist, dass die Förderung des Wärmespeichermaterials durch die Gravitationskraft erfolgt.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung (10, 13) ein Wirbelschichtwärmeübertrager ist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7 wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung (10, 13) ein Plattenwärmeübertrager oder ein Rohrbündelwärmeübertrager ist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung (10, 13) so ausgestaltet ist, dass der Wärmeübertrag zwischen dem Wärmespeichermaterial und dem Wärmetransportmedium durch Direktkontakt erzeugbar ist, wobei das Wärmetransportmedium ein gasförmiges oder ein flüssiges Prozessfluid ist.