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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher zur Aufnahme und Abgabe von thermischer Energie durch ein Phasenwechselmaterial.
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Bei einem Latentwärmespeicher wird die Eigenschaft bestimmter Phasenwechselmaterialien (PCM, phase change material) ausgenutzt, eine im Vergleich zur sensiblen spezifischen Wärmekapazität große Wärmemenge durch einen reversiblen Phasenübergang aufnehmen und wieder abgeben zu können. Diese sogenannte latente Wärme kann nahezu verlustfrei über längere Zeiträume gespeichert werden. In der Regel erfolgt dabei ein Übergang des PCM vom festen in den flüssigen Zustand unter Aufnahme von Schmelzwärme bzw. ein Übergang vom flüssigen in den festen Zustand unter Abgabe von Erstarrungswärme.
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Die Zu- und Abführung der Wärme erfolgt über ein flüssiges oder gasförmiges Wärmeträgermedium, wobei verschiedene Konzepte bekannt sind, um einen möglichst effektiven thermischen Kontakt zwischen dem Wärmeträgermedium und dem PCM zu ermöglichen. Zum einen sind Latentwärmespeicher bekannt, bei denen sich die gesamte Menge an PCM in einem einzigen Behältnis befindet, während das Wärmeträgermedium zum Beispiel in Rohren durch das PCM geleitet wird. Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass der Phasenübergang des PCM lokal sehr ungleichmäßig erfolgt.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass PCM in einer Vielzahl von kleineren Behältnissen anzuordnen, die von dem Wärmeträgermedium umströmt werden. Insbesondere sind verschiedene Latentwärmespeicher bekannt, in denen das PCM in Form von Kugeln, Zylindern oder dergleichen umhüllt bzw. verkapselt ist, wie zum Beispiel in der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 109 165 A1 beschrieben. Nachteilig bei dieser Lösung ist der relativ hohe Fertigungsaufwand und der hohe Bedarf an Material für die Verkapselung des PCM. Dies kommt insbesondere bei Latentwärmespeichern für Hochtemperaturanwendungen zum Tragen, wo das Kapselmaterial eine hohe thermische und chemische Beständigkeit aufweisen muss. Da es sich bei dem PCM in der Regel um Salze handelt und die Latentwärmespeicher bei Temperaturen von bis zu 800 °C betrieben werden, kommt hier in der Praxis meistens nur korrosionsbeständiger Stahl als Kapselmaterial in Frage. Dies führt aufgrund des Materialbedarfs für eine derartige Verkapselung zu erheblichen Kosten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Latentwärmespeicher vorzuschlagen, der auch für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist, und der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei dem Latentwärmespeicher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Latentwärmespeicher eine Mehrzahl von Wannen aus einem korrosionsbeständigen Metall umfasst, wobei jede Wanne eine im Wesentlichen horizontale Bodenfläche und mindestens eine Wandfläche aufweist, wobei die Wannen nach oben offen sind und ganz oder teilweise mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt sind, und wobei die Wannen mittels Abstandhaltern vertikal übereinander angeordnet sind, so dass zwischen zwei benachbarten Wannen jeweils ein gasförmiges Wärmeträgermedium durchleitbar ist.
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Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher zeichnet sich durch einen relativ einfachen Aufbau aus, der jedoch einen erstaunlich effektiven Betrieb ermöglicht. Da sich das PCM in flachen Wannen befindet, die nach oben offen sind, ergibt sich über eine große Fläche ein unmittelbarer Kontakt mit dem Wärmeträgermedium und somit ein ungehinderter Wärmeaustausch. Dieser direkte Kontakt wird ermöglicht durch die Verwendung eines gasförmigen Wärmeträgermediums (während bei einem flüssigen Wärmeträgermedium das PCM vollständig umhüllt sein müsste).
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Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers ist die Kostenersparnis, die sich nicht nur durch die einfache Konstruktionsweise ergibt, sondern insbesondere aus dem geringeren Materialbedarf an korrosionsbeständigem Metall. Bei gleicher Materialstärke wird für eine mit PCM gefüllte Wanne deutlich weniger Material benötigt als z.B. für eine Anzahl an Kugeln, die insgesamt dieselbe Menge an PCM aufnehmen. Hinzu kommt, dass die Wannen bei der vorliegenden Erfindung tendenziell mit einer geringeren Materialstärke ausgeführt sein können, da sie geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt sind als mit PCM gefüllte Kugeln oder Kapseln (insbesondere erfolgt keine Belastung durch die Volumenänderung des PCM beim Phasenübergang).
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Das korrosionsbeständige Metall, aus dem die Wannen gebildet sind, ist vorzugsweise ein korrosionsbeständiger Stahl, insbesondere ein Edelstahl. Beispiele für besonders geeignete Stähle im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind diejenigen der Stahlgruppen 1.44, 1.45 und 1.48.
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Alternativ können z.B. auch korrosionsbeständige Aluminiumlegierungen zur Herstellung der Wannen eingesetzt werden, insbesondere Aluminiumlegierungen der Gruppe 3.000 (mit Mangan), der Gruppe 5.000 (mit Magnesium) und der Gruppe 6.000 (mit Silizium und Magnesium).
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Die Form der Wannen kann im Rahmen der Erfindung relativ frei gewählt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Wannen eine rechteckige Bodenfläche und vier zur Bodenfläche im Wesentlichen senkrechte, ebene Wandflächen auf. Die Wannen definieren somit ein quaderförmiges Aufnahmevolumen für das PCM. Der Latentwärmespeicher mit den übereinander angeordneten Wannen weist dann ebenfalls eine Quaderform auf.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Wannen eine kreisförmige Bodenfläche und eine zur Bodenfläche im Wesentlichen senkrechte, kreisförmige Wandfläche auf. Die Wannen definieren somit ein zylindrisches Aufnahmevolumen für das PCM. Der Latentwärmespeicher mit den übereinander angeordneten Wannen ist dann ebenfalls zylinderförmig.
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Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Bodenflächen der Wannen Durchbrüche aufweisen, die in dem Latentwärmespeicher horizontal übereinander angeordnet sind und eine Zuführung und/oder Abführung des Wärmeträgermediums ermöglichen, wobei die Durchbrüche jeweils von mindestens einer weiteren Seitenwand der Wanne umgeben sind. Diese Variante bietet sich insbesondere bei Wannen mit kreisförmigen Bodenflächen an, wobei die Durchbrüche dann günstigerweise ebenfalls kreisförmig und konzentrisch mit dem Außenumfang der Bodenflächen angeordnet sind. Die Strömung des Wärmeträgermediums erfolgt dann z.B. von oben oder unten in die Durchbrüche, zwischen den einzelnen Wannen radial nach außen und dort wieder horizontal nach oben oder unten.
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Die Wannen sind bei dem erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher vorzugsweise flach ausgebildet, d.h. die mindestens eine Seitenwand weist im Vergleich zu einer maximalen Abmessung der Bodenfläche eine relativ geringe Höhe auf. Die maximale Abmessung der Bodenfläche ist z.B. die Länge einer rechteckigen Bodenfläche oder der Durchmesser einer kreisförmigen Bodenfläche. Bevorzugt entspricht die Höhe der mindestens einen Seitenwand 0,1% bis 5% der maximalen Abmessung der Bodenfläche, weiter bevorzugt 0,5% bis 3%. Auf diese Weise wird eine möglichst große Oberfläche des PCM im Verhältnis zu seinem Volumen geschaffen, die in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeträgermedium steht. Ein zusätzlicher Wärmeübergang erfolgt auch durch die Bodenflächen der Wannen hindurch, die ebenso groß sind.
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Der relativ einfache Aufbau und der relativ geringe Materialbedarf an korrosionsbeständigem Metall ermöglichen es, den erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher bei Bedarf auch sehr groß zu dimensionieren, was insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen im Bereich von Kraftwerken und Industrieprozessen von Bedeutung ist. Die Bodenfläche der Wannen kann typischerweise eine maximale Abmessung von 2 bis 100 m aufweisen, bevorzugt von 10 bis 50 m. Dementsprechend weist die mindestens eine Seitenwand typischerweise eine Höhe von 3 bis 15 cm auf, bevorzugt von 5 bis 10 cm.
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Wie bereits erwähnt, kann die Materialstärke der Bodenflächen und der Wandflächen aufgrund der Konstruktionsweise des Latentwärmespeicher relativ gering sein. Vorzugsweise beträgt die Materialstärke 0,5 bis 2 mm, typischerweise z.B. 1 mm.
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Die Abstandhalter, die erfindungsgemäß jeweils zwischen zwei benachbarten Wannen vorgesehen sind, sind vorzugsweise jeweils unmittelbar auf der Bodenfläche einer Wanne und unmittelbar unter der Bodenfläche der nächsten Wanne angeordnet. Die Anzahl und Größe der Abstandhalter kann relativ frei gewählt werden, solange eine ausreichende Stabilität des Latentwärmespeichers gegeben ist.
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Vorteilhaft ist es, insbesondere bei Wannen mit rechteckigen Bodenflächen, wenn zwischen zwei benachbarten Wannen jeweils vier quaderförmige Abstandhalter in vier Eckbereichen der Wannen angeordnet sind. Auf diese Weise verbleibt ein ausreichender Freiraum zwischen den Wannen zur Durchleitung des gasförmigen Wärmeträgermediums. Bei größeren Abmessungen der Wannen kann es erforderlich sein, weitere Abstandhalter vorzusehen, um die mechanische Stabilität zu gewährleisten.
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Die Abstandhalter weisen bevorzugt eine Höhe auf, die 150% bis 300% der Höhe der mindestens einen Wandfläche der Wannen entspricht. Somit steht zwischen zwei Wannen jeweils ein ausreichend großes Volumen für das Wärmeträgermedium zur Verfügung.
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Besonders günstig ist es, wenn die Abstandhalter aus einem Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität gebildet sind, da sie auf diese Weise einen zusätzlichen Beitrag zur Kapazität des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers leisten. Die Abstandhalter haben somit eine weitere Funktion als sensible Wärmespeicher. Insbesondere können die Abstandhalter aus einem keramischen Material gebildet sein, wie z.B. Tonziegel oder Klinker. Diese Materialien sind zudem sehr kostengünstig.
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Weiter bevorzugt ist es, wenn die Abstandhalter eine poröse Struktur aufweisen und/oder mit Durchbrüchen versehen sind. Auf diese Weise wird die Kontaktfläche zwischen dem Material der Abstandhalter und dem Wärmeträgermedium erhöht.
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Das Phasenwechselmaterial des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers weist vorzugsweise einen Schmelzpunkt im Bereich von 150 bis 800 °C auf. Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher kann damit in vorteilhafter Weise im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden.
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Das PCM ist vorzugsweise ausgewählt aus anorganischen oder organischen Salzen und Salzhydraten, insbesondere aus Natriumchlorid, Natriumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumnitrat, Natriumacetat und geeigneten Hydraten dieser Salze.
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Das gasförmige Wärmeträgermedium, mit dem der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher betrieben wird, ist vorzugsweise Luft, Stickstoff oder Kohlendioxid.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Latentwärmespeicher in einem Gehäuse angeordnet, das teilweise offen ist oder Durchbrüche aufweist, um einen gerichteten Strom des Wärmeträgermediums zwischen den Wannen zu ermöglichen. Im Fall eines Latentwärmespeichers mit rechteckigen Wannen kann das Gehäuse insbesondere an zwei gegenüberliegenden vertikalen Seiten offen sein, um einen horizontalen Strom des Wärmeträgermediums von der einen offenen Seite zu der anderen offenen Seite zu ermöglichen. Wenn der Latentwärmespeicher kreisförmige Wannen mit mittigen Durchbrüchen umfasst, kann das Gehäuse entsprechend ausgebildet sein, um die weiter oben beschriebene Strömung des Wärmeträgermediums zu ermöglichen.
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Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, insbesondere im Zusammenhang mit Kraftwerken und Industrieprozessen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers in einer solarthermischen Anlage oder in einem sensiblen Regeneratorspeicher.
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Bei einer solarthermischen Anlage, wie z.B. einem Solarturmkraftwerk, wird tagsüber Luft durch konzentrierte Solarstrahlung in einem Receiver erhitzt. Ein Teil dieser erhitzten Luft, die nicht unmittelbar genutzt wird, kann einem erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher zugeführt werden. Abends und nachts kann die gespeicherte Wärme zurückgewonnen und zur Stromerzeugung eingesetzt werden.
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Bei einem sensiblen Regeneratorspeicher wird ein Feststoffspeichermaterial mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität von dem gasförmigen Wärmeträgermedium durchströmt. Durch die rein sensible Wärmespeicherung findet nach einer gewissen Zeit ein Temperaturabfall aus dem Speicher statt. Ein erfindungsgemäßer Latentwärmespeicher kann vorteilhaft an den Enden des Regeneratorspeichers angeordnet werden. Da der Phasenwechsel des PCM bei konstanter Temperatur stattfindet, kann so der Abfall der Austrittstemperatur verzögert werden. Damit kann der Speicher für längere Zeit eine konstante Austrittstemperatur bereitstellen, was sich positiv auf den nachgeschalteten Prozess auswirkt.
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Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
- 1: schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers; und
- 2: schematische Darstellung einer Wanne des Latentwärmespeichers gemäß 1.
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Die 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers 10 in perspektivischer Darstellung. Der Latentwärmespeicher 10 umfasst eine Mehrzahl (hier exemplarisch fünf) von Wannen 12 aus einem korrosionsresistenten Stahl, die vertikal übereinander angeordnet sind.
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Eine einzelne Wanne 12 ist in der 2 dargestellt. Jede Wanne 12 weist eine ebene, rechteckige Bodenfläche 14 und vier rechteckige, zur Bodenfläche 14 senkrechte Wandflächen 16 auf. Die Bodenfläche 14 hat eine Länge I und eine Breite b und die Wandflächen 16 haben eine Höhe h. Dabei gilt, dass h wesentlich kleiner ist als I und b, d.h. die Wannen 12 weisen eine flache Form auf.
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Das Aufnahmevolumen V = l ·b · h der Wannen 12 ist in dem Latentwärmespeicher 10 nahezu vollständig mit einem Phasenwechselmaterial (PCM) 17 gefüllt. Da der Phasenwechsel in der Regel mit einer Volumenänderung verbunden ist, ist die tatsächliche Füllhöhe zumindest in demjenigen Aggregatzustand mit der höheren Dichte kleiner als die Höhe h der Wandflächen 16. Das PCM 17 ist in der Regel ein anorganisches oder organisches Salz oder Salzhydrat.
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Beispielhaft können die Länge I und Breite b der Wannen 12 im Bereich von 10 bis 50 m liegen und die Höhe h der Wandflächen 14 im Bereich von 5 bis 10 cm. Die Materialstärke des korrosionsresistenten Stahls, aus dem die Wannen 12 gebildet sind, kann z.B. 1 mm betragen.
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Die Wannen 12 sind in dem Latentwärmespeicher 10 mithilfe von Abstandhaltern 18 übereinander angeordnet, wobei jeweils vier Abstandhalter 18 in den vier Eckbereichen jeder Wanne 12 angeordnet sind. Die Wannen 12 und die Abstandhalter 18 stützen sich dabei jeweils aufeinander ab, so dass das PCM 17 keiner Druckbelastung ausgesetzt ist und sich beim Phasenwechsel frei ausdehnen kann. Die Abstandhalter 18 sind quaderförmig ausgebildet und bestehen aus einem porösen Keramikmaterial, insbesondere aus Tonziegeln.
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Die Abstandhalter 18 weisen ferner Durchbrüche 20 auf, um eine größere Kontaktfläche mit dem Wärmeträgermedium zu gewährleisten. Beim Betrieb des Latentwärmespeichers 10 wirken die Abstandhalter 18 zusätzlich als sensible Wärmespeicher, so dass die Gesamtkapazität des Speichersystems weiter erhöht wird.
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Der Latentwärmespeicher 10 ist in einem Gehäuse 22 angeordnet, das an zwei gegenüberliegenden Seiten offen ist. Eine dieser offenen Seiten ist in der 1 nach vorne orientiert. An der Seite, die in der 1 nach rechts orientiert ist, ist das Gehäuse 22 geschlossen, aber zur Veranschaulichung nur teilweise dargestellt.
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Beim Betrieb des Latentwärmespeichers 10 wird ein gasförmiges Wärmeträgermedium 24, z.B. Luft, von der einen zur anderen offenen Seite des Gehäuses 22 horizontal zwischen den Wannen 12 hindurchgeleitet (in der 1 durch Pfeile symbolisiert). Dabei erfolgt ein Wärmeübergang zwischen dem Wärmeträgermedium 24 und dem PCM 17, hauptsächlich über die nach oben offene Kontaktfläche des PCM 17, zu einem geringeren Teil aber auch durch die Bodenflächen 14 der Wannen 12. Beim „Laden“ des Latentwärmespeichers schmilzt das PCM 17 unter Aufnahme von Schmelzwärme, beim „Entladen“ des Latentwärmespeichers 10 erstarrt das PCM 17 unter Abgabe von Erstarrungswärme.
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Im Vergleich zu einem Latentwärmespeicher, bei dem das PCM z.B. in Form von Kugeln mit Stahl verkapselt ist, lässt sich der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher 10 aufgrund des einfacheren Aufbaus und der geringeren benötigten Menge an Stahl kostengünstiger herstellen. Zur Herstellung der benötigten Anzahl an Kugeln für dasselbe Gesamtvolumen an PCM würde bei den oben genannten Abmessungen der Wannen 12 mindestens die 2,5-fache Menge an Stahl benötigt, wenn man davon ausgeht, dass der Innendurchmesser der Kugeln der Höhe h der Wandflächen 16 entspricht und die Materialstärke gleich bleibt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Latentwärmespeicher
- 12
- Wannen
- 14
- Bodenflächen
- 16
- Wandflächen
- 17
- Phasenwechselmaterial (PCM)
- 18
- Abstandhalter
- 20
- Durchbrüche
- 22
- Gehäuse
- 24
- Wärmeträgermedium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014109165 A1 [0004]
