DE102015212395A1 - Verfahren zur Wärmespeicherung - Google Patents
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Abstract
Zur Wärmespeicherung wird ein Salz verwendet, das ein kristallwasserreiches Hydrat und zumindest ein kristallwasserärmeres Hydrat oder Anhydrat bildet, wobei das kristallwasserreiche Hydrat bei Wärmezufuhr zur Speicherung der zugeführten Wärme durch Austritt von Kristallwasser in das kristallwasserärmere Hydrat oder Anhydrat übergeht. Aus dem kristallwasserärmeren Hydrat oder Anhydrat wird bei Wasserzufuhr das kristallwasserreiche Hydrat unter Freisetzung der gespeicherten Wärme zurückgebildet. Das kristallwasserreiche Hydrat ist vorzugsweise Kupfersulfat-Pentahydrat.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmespeicherung, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.
- Herkömmliche Pkws mit stark optimierten Verbrennungsmotoren weisen einen mechanischen Wirkungsgrad von günstigstenfalls ca. 38% auf. Das heißt, dass lediglich 38% der chemisch im Kraftstoff enthaltene Energie in Vortriebsarbeit umgewandelt wird. Die verbleibende Energiemenge (bestenfalls 62%) geht in Form von Wärme (auch über Reibung) verloren und wird als solche fast vollständig (mit Ausnahme der Wärme, die zur Innenraumklimatisierung genutzt wird) an die Umgebung über das Kühlsystem oder das Abgas abgegeben. In der Gesamtbilanz des eingesetzten Kraftstoffs werden folglich fast 2/3 der chemisch enthaltenen Energie durch die Abgabe der Wärme an die Umgebung nicht genutzt. Fokus aktueller Forschungen ist es, diese Wärme mit Hilfe von Wärmespeichersystemen nutzbar zu machen.
- Entscheidend für die Wiederverwertung der gespeicherten Wärme ist die Methode der Wärmespeicherung, das erreichbare Temperaturniveau, der Ort der Wieder-Einspeisung, sowie der Ansatzpunkt des zu erzielenden Effekts.
- Einige Methoden zur Wärmespeicherung sind bereits bekannt. So ist das passive Zurückhalten von Wärme aus dem Bereich der Wärmedämmung gebräuchlich. Aktive, beladbare Systeme sind z. B. bei Taschenwärmern in Form von Latentwärmespeichern bekannt.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein effizientes Verfahren zur Wärmespeicherung insbesondere für die Abwärme von Verbrennungsmotoren bereit zu stellen, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
- Dies wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren bestimmt.
- Nach der Erfindung wird zur Wärmespeicherung ein Salz verwendet, das ein kristallwasserreiches Hydrat und zumindest ein demgegenüber kristallwasserärmeres Hydrat oder Anhydrat bildet.
- Aus dem kristallwasserreichen Hydrat tritt bei Wärmezufuhr, also durch eine eine endotherme Reaktion Kristallwasser aus, wodurch des kristallwasserreiche Hydrat in das kristallwasserärmere Hydrat und bei Austritt des gesamten Kristallwasser in das Anhydrat übergeht.
- Die zur Dehydratisierung zugeführte Wärme wird in dem kristallwasserärmeren Hydrat bzw. Anhydrat als chemische Energie gespeichert.
- Wenn dem kristallwasserarmen Hydrat oder dem Anhydrat wieder Wasser zugeführt wird, wird das kristallwasserreiche Hydrat zurückgebildet, wobei die in dem kristallwasserarmen Hydrat bzw. Anhydrat gespeicherte chemische Energie in einer exothermen Reaktion in Form von Hydratationswärme freigesetzt wird.
- Nach der Erfindung werden also Salze verwendet, die in ihre Struktur Wassermoleküle einlagern können.
- Durch die Einlagerung der Wassermoleküle ändert sich die Struktur des Kristallgitters, wodurch Energie in Form von Wärme freigesetzt wird (exotherme Reaktion). Durch Einbringen von Energie in Form von Wärme in das hydratisierte Salz wird das Kristallwasser wieder aus der Kristallstruktur ausgetrieben Die Dehydratisierung stellt also einen endotherme Reaktion dar. Damit nimmt das Kristallgitter des Salzes die eingebrachte Energie auf und wandelt sich in die dehydratisierte Form zurück.
- Das bei der Wärmezufuhr aus dem kristallwasserreichen Hydrat ausgetretene Wasser und das kristallwasserarme Hydrat oder Anhydrat, mit dem die zugeführte Wärme gespeichert wird, werden voneinander getrennt aufbewahrt. Das ausgetretene, abgetrennte Wasser kann dann erneut zur Wärmefreisetzung durch exotherme Reaktion mit dem kristallwasserarmen Salz bzw. Salz-Anhydrat zur Reaktion gebracht werden.
- Als Salz wird vorzugsweise ein zweiwertiges Metallsulfat verwendet.
- Das Hydrat des zweiwertigen Metallsulfats ist vorzugsweise ein Pent-, Hexa- oder Hepta-Hydrat. Bevorzugt werden Stoffe der Formel MSO4·7H2O = [M(H2O)6]SO4·H2O, (mit M = Mn2+, Fe2+, Zn2+, Mg2+), also Mangan-, Eisen-, Zink- und/oder Magnesium-Heptahydrat.
- Insbesondere wird Kupfersulfat-Pentahydrat CuSO4·5H2O = [Cu(H2O4]SO4·H2O bevorzugt.
- Die dem kristallwasserreichen Hydrat zur Speicherung zugeführte Wärme wird vorzugweise durch die Abwärme des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges gebildet.
- Die in Form des kristallwasserarmen Hydrats oder Anhydrats gespeicherte Wärme wird dann bei Wasserzufuhr freigesetzt und vorzugsweise zur Vorerwärmung des Verbrennungsmotors beim Starten verwendet.
- Die während der Fahrt mit dem Kraftfahrzeug erzeugte Abwärme des Verbrennungsmotors wird über ein Medium von dem Verbrennungsmotor an das kristallwasserreiche Salz übertragen, um das kristallwasserarme Hydrat bzw. Anhydrat zu bilden.
- Als Medium zur Wärmeübertragung der Abwärme des Verbrennungsmotors zu dem kristallwasserreichen Hydrat, sowie zur Vorerwärmung des Verbrennungsmotors, wird vorzugsweise das Motoröl oder das Abgas des Verbrennungsmotors oder die Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Verbrennungsmotors verwendet.
- Nachstehend sind die chemischen Reaktionen von Kupfersulfat als Salz zur Wärmespeicherung beispielhaft dargestellt.
CuSO4·5H2O (95°C) → CuSO4·3H2O + 2H2O CuSO4·3H2O (116°C) → CuSO4·H2O + 2H2O CuSO4·H2O (200°C) → CuSO4 - Die in Klammern angegebene Temperatur in °C stellt die Temperatur dar, bei der die jeweilige Wasserabspaltungsreaktion im Wesentlichen abgeschlossen ist. Insgesamt findet die Abgabe des im Kupfersulfat enthaltenen Kristallwassers zwischen 88–245°C statt. Da die thermische Zersetzung des Kupfersulfat-Anhydrats erst bei erheblich höheren Temperaturen von 340–650°C stattfindet, ist der Reaktionsbereich von 88–245°C ideal für die Rückführung von überschüssiger Abwärme aus der Verbrennung.
- Vorzugsweise wird daher zur Speicherung der Abwärme von Verbrennungsmotoren ein Salzhydrat verwendet, das das Kristallwasser im Bereich von 80 bis 280°C abgibt. Die Zersetzungstemperatur des Anhydrats sollte deutlich höher liegen und mindestens 320°C betragen.
Claims (11)
- Verfahren zur Wärmespeicherung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmespeicherung ein Salz verwendet wird, das ein kristallwasserreiches Hydrat und zumindest ein kristallwasserärmeres Hydrat oder Anhydrat bildet, wobei das kristallwasserreiche Hydrat bei Wärmezufuhr zur Speicherung der zugeführten Wärme durch Austritt von Kristallwasser in das kristallwasserärmere Hydrat oder Anhydrat übergeht und aus dem kristallwasserärmeren Hydrat oder Anhydrat bei Wasserzufuhr das kristallwasserreiche Hydrat unter Freisetzung der gespeicherten Wärme zurückgebildet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bei Wärmezufuhr aus dem kristallwasserreichen Hydrat ausgetretene Wasser und das kristallwasserärmere Hydrat oder Anhydrat zur Speicherung der zugeführten Wärme getrennt voneinander aufbewahrt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz ein zweiwertiges Metallsulfat ist.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrat des zweiwertigen Salzsulfats ein Penta-, Hexa- oder Hepta-Hydrat ist.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heptahydrat ein Mangan-, Eisen-, Zink- oder Magnesiumsulfat-Heptahydrat ist.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pentahydrat ein Kupfersulfat-Pentahydrat ist.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem kristallwasserreichen Hydrat zur Speicherung zugeführte Wärme durch die Abwärme eines Verbrennungsmotors gebildet wird.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem kristallwasserärmeren Hydrat oder Anhydrat bei Wasserzufuhr freigesetzte Wärme zur Vorerwärmung des Verbrennungsmotors beim Starten des Verbrennungsmotors verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Salz-Hydrat verwendet wird, das das Kristallwasser im Bereich von 80 bis 280°C abgibt.
- Verfahren nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium zur Wärmeübertragung der Abwärme des Verbrennungsmotors zu dem kristallwasserarmen Hydrat und/oder zu Vorerwärmung des Verbrennungsmotors durch das Motoröl und/oder Abgas des Verbrennungsmotors und/oder die Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Verbrennungsmotors gebildet wird.
- Anwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche für Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor.
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