DE102013215256A1

DE102013215256A1 - Latentwärmespeicher und Herstellungsverfahren dazu

Info

Publication number: DE102013215256A1
Application number: DE102013215256.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Johannes; Tobias Kötter; Christian Seidel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher, der thermische Energie über so genannte Phase Change Materials (PCMs) verlustarm, mit vielen Wiederholungs-Cyclen und über lange Zeit speichern kann. Durch den Einbau von Wärmeleitstrukturen kann eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit erzielt werden. Insbesondere kann durch geeignete Vorlage der Wärmeleitstrukturen auch eine gerichtete Wärmeleitfähigkeit erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher, der thermische Energie über so genannte Phase Change Materials (PCMs) verlustarm, mit vielen Wiederholungs-Cyclen und über lange Zeit speichern kann.
Bekannt sind mit Paraffin als PCM gefüllte Speicherelemente, beispielsweise in den Tanks von solarthermischen Anlagen. Paraffin ist ein geeignetes Medium, genau wie andere Stoffe mit hoher Schmelzenthalpie. Nachteilig an den bekannten Latentwärmespeicher mit herkömmlichen PCMs ist, dass die Zeiträume, in denen die Wärme aufgenommen und wieder abgegeben wird, im Bereich von mindestens Minuten und üblicherweise sogar im Bereich von Stunden liegen. Die Wärmespeicherung und die Wärmeabgabe sind entsprechend langsame Prozesse, so dass die bekannten Latentwärmespeicher nicht für dynamische Prozesse einsetzbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Latentwärmespeicher zu schaffen, der in kurzen Zeiträumen Wärmespeicherung und Wärmeabgabe realisieren kann.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung wie er in den Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur erläutert wird, gelöst.
Demnach ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verbundwerkstoff für einen Latentwärmespeicher, ein Phasenwechselmaterial umfassend, wobei das Phasenwechselmaterial um Wärmeleitstrukturen herum so angeordnet ist, dass die hohe Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitstrukturen eine schnelle Aufnahme und Abgabe von Wärme im Verbundwerkstoff ermöglicht. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes für einen Latentwärmespeicher, wobei Wärmeleitstrukturen mit flüssigem PCM überzogen werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die Wärmeleitstrukturen im Vakuum mit Phasenwechselmaterial überzogen. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dann keine Hohlräume im Verbundwerkstoff entstehen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, ein modifiziertes Vakuuminjektionsverfahren einzusetzen.
Das PCM wird bevorzugt flüssig, insbesondere bis zum Schmelzpunkt oder über den Schmelzpunkt hinaus erwärmt, eingelassen.
Die Wärmeleitstrukturen liegen bevorzugt isotrop verteilt im Verbundwerkstoff vor. Die Wärmeleitstrukturen können in einer Konzentration von 0,1% bis zu 99,9 Volumen-% vorliegen.
Im Extremfall liegen im Verbundwerkstoff bis zu über 90 % Volumenprozent an CNT, bei Graphen 30 bis 60 Vol%, bei Kohlenstofffasern als Bündel oder Gelege entsprechend dem jeweiligen Bedarf.
Die Formgebung des Verbundwerkstoffs geschieht beispielsweise auch durch Verkapselung je nach Anteil an PCM. Wenn überwiegend Wärmeleitstrukturen vorliegen, dann sind diese formgebend, aber wenn überwiegend PCM vorliegt, dann empfiehlt sich, insbesondere auch wegen der Verflüssigung durch Wärmeaufnahme, eine Verkapselung, beispielsweise auch eine Makroverkapselung.
Im Verbundwerkstoff gibt es beispielsweise auch faserverstärkte und nicht faserverstärkte Bereiche, also keine isotrope Verteilung der Wärmeleitstrukturen. Dies insbesondere kann zur Anpassung des Verbundwerkstoffes an verschiedene Anwendungen dienen.
Zur Verflüssigung des PCMs können verschiedene Methoden eingesetzt werden, vorzugsweise aber wird das PCM einfach erwärmt.
Die Verbundwerkstoffe können zur Bildung von Latentwärmespeicher aller Größen eingesetzt werden, da nahezu fast beliebige Skalierungen möglich sind.
Die Wärmeleitstrukturen sind beispielsweise Folien, Fasern und/oder Gewebe aus Metall, Keramik und insbesondere Kohlenstofffasern, CNTs, Graphit und/oder Graphene. Insbesondere bevorzugt sind diese Kohlenstoffverbindungen nicht funktionalisiert.
Auch Latentwärmespeicher in der Größe im Mikrometerbereich können realisiert werden.
Im Folgenden wird anhand einer Figur ein prinzipieller Aufbau zur Vakuuminjektion von PCMs gezeigt.
Von unten nach oben ist unten eine Trägerform 1, die vorzugsweise beheizbar ist. Darauf liegen die Wärmeleitstrukturen 14, beispielsweise Fasergelege oder Fasergewebe wie Kohlefasergelege. Links zu erkennen ist der Einlass 10, durch den das verflüssigte, beispielsweise auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzbereichs erwärmte, PCM eingelassen wird. In dem zwischen der beheizten Form 1 und der Abdeckung 12 liegenden Bereich 16 herrscht Unterdruck oder Vakuum, das durch die runde Öffnung 13, die gegenüber dem Einlass für das PCM liegt, gezogen wird.
Eine Wärmeleitstruktur, beispielsweise Fasern und Gewebe aus Metall, Kohlenstoff, Keramik oder anderen wärmeleitfähigen Stoffen, werden geschichtet und in einem Vakuumsack eingebettet, der eine Unterdruckleitung oder einen Vakuumausgang und einen PCM-Einlass besitzt.
Durch das Vakuum wird das flüssige PCM in die geschichtete Wärmeleitstruktur gezogen und durch den atmosphärischen Überdruck gleichzeitig kompaktiert. Dadurch entsteht ein sehr kompakter und defektfreier Verbundwerkstoff, der eine hohe, unter Umständen, je nach Vorlage der Wärmeleitstruktur, auch gerichtete Wärmeleitfähigkeit, bei gleichzeitig hohem Anteil an PCM-Material mit hoher thermischer Enthalpie hat.
Durch den Saugdruck im Bereich 16, der bei 13 erzeugt wird, wird das verflüssigte PCM vom Einlass 10 durch die Wärmeleitstrukturen 14 hindurch zum Vakuum 13 gesogen. So werden die Wärmeleitstrukturen 14 komplett mit flüssigem PCM durchtränkt. In der Figur ist entsprechend eine PCM-Front 15 zu erkennen, die anzeigt, wie das flüssige PCM zur Unterdruckleitung 13 hin gesogen wird.
Die hier beschriebenen Latentwärmespeicher gibt es in allen Dimensionen, es können Gehäuse von kleinen und großen elektrischen Maschinen wie großen Turbinen und Windkrafträder und auch kleine Latentwärmespeicher im Mikrometerbereich realisiert werden. Entsprechend werden dann die Wärmeleitstrukturen wie Kohlenstofffasern, Graphit, Graphene und/oder Carbonnanotubes, bis hin zu single wall carbon nanotubes (SWCNTs) auch in geeigneten Dimensionen gewählt.
Bisher war der Einsatz von Latentwärmespeichern größtenteils auf Prozesse begrenzt, bei welchen die Zeit zwischen Einspeicherung der thermischen Energie und Recyclierung oder Abgabe der Energie an die Umgebung in Bereichen von mehreren Minuten und Stunden liegen. Der Einsatz in schnellen Prozessen ist aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des reinen Phase Change Materials (beispielsweise Paraffin mit 0,25 W/mK) nicht möglich.
Durch die Erfindung wird erstmals eine Methode und eine entsprechende Materialkombination vorgeschlagen zur Realisierung hochwärmeleitfähiger PCM Strukturen.
Im gegensatn zu bekannten Methoden zur Herstellung wärmeleitfähiger PCM-Verbundwerkstoffe können mit dem hier gezeigten Verfahren nahezu alle Wärmeleitmaterialien und/oder -strukturen eingesetzt werden. Es entstehen Verbundmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und thermischer Enthalpie.
Insbesondere ist das hier gezeigte Verfahren auch bestens geeignet, um den PCM-Anteil im Verbundwerkstoff zu steuern. Es ist auch möglich zwischen die Wärmeleitstrukturen noch Partikel, die auch wärmeleitend sein können, einzustreuen. Dadurch kann der Abstand zwischen den Schichten einfach und effizient eingestellt werden. Nach dem hier vorliegenden Verfahren kann nahezu jeder Anteil von PCM zu Wärmeleitstruktur erzeugt werden.
Mit dem beschriebenen Verfahren können bei Einsatz von hochwärmeleitfähigen Kohlenstofffasern als Wärmeleitstruktur (so genannte pechbasierte Kohlenstofffasern) maximale Wärmeleitfähigkeiten in der Faserhauptrichtung für den PCM-Kohlenstofffaser-Verbund von über 200 W/mK erzeugt werden.
Durch die hohe Defektfreiheit des Verbundwerkstoffes werden gleichzeitig hohe Enthalpien erreicht, die je nach Materialkombination bei 1/3 bis 2/3 der der ursprünglichen PCMs liegen.
Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher, der thermische Energie über so genannte Phase Change Materials (PCMs) verlustarm, mit vielen Wiederholungs-Cyclen und über lange Zeit speichern kann. Durch den Einbau von Wärmeleitstrukturen kann eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit erzielt werden. Insbesondere kann durch geeignete Vorlage der Wärmeleitstrukturen auch eine gerichtete Wärmeleitfähigkeit erzeugt werden.

Claims

Verbundwerkstoff für einen Latentwärmespeicher, ein Phasenwechselmaterial umfassend, wobei das Phasenwechselmaterial um Wärmeleitstrukturen herum so angeordnet ist, dass die hohe Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitstrukturen eine schnelle Aufnahme und Abgabe von Wärme im Verbundwerkstoff ermöglicht.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, bei dem die Wärmeleitstruktur ein Kohlenstoffmaterial umfasst.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, bei dem die Wärmeleitstrukturen ausgewählt sind aus der Gruppe der Kohlenstofffasern, Carbonnanotubes, Graphit und/oder Graphene.
Verbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeleitstrukturen innerhalb des Verbundwerkstoffes isotrop verteilt vorliegen.
Verbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, der noch Additive, die auch wärmeleitfähig sein können, hat.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 5, wobei die Additive in Partikelform vorliegen.
Verbundwerkstoff für einen Latentwärmespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, der eine gerichtete Wärmeleitfähigkeit hat.
Verbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, der eine Verkapselung hat.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes für einen Latentwärmespeicher, wobei Wärmeleitstrukturen mit flüssigem PCM überzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, das unter Vakuum oder Unterdruck durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, folgende Verfahrensschritte umfassend: – Vorlegen von Wärmeleitstrukturen in einer Vakuumkammer-Ziehen von Vakuum oder Unterdruck, – Erwärmen der Vakuumkammer mit Wärmeleitstrukturen-Einlass von so viel flüssigem PCM, dass alle Wärmeleitstrukturen mit PCM getränkt sind.
Verfahren nach Anspruch 11, zusätzlich den Verfahrensschritt-Einstreuen von Partikel zwischen die noch nicht PCM-getränkten Wärmeleitstrukturen.