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Stand der Technik
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Aus der
DE 31 08 760 A1 geht ein Kristallisationswärmespeicher zur Erwärmung eines Getränks hervor, bei dem eine kristalldotierte Nadel bei Vorliegen eines Wärmebedarfs zur Auslösung einer Kristallisation des Wärmespeichermediums in das flüssig-unterkühlte Wärmespeichermedium eingestochen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung löst die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums in einem Speicherbehälter zur Wärmeerzeugung, eine verbesserte Vorrichtung, ein verbessertes Kristallisationskeim-Material, einen verbesserten Latentwärmespeicher sowie ein verbessertes Wärmespeichermedium bereitzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zu einer Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums, insbesondere eines Salzhydrats wie Natriumacetat-Trihydrat, Dinatriumhydrogenphosphat-Dodecahydrat oder Dinatriumcarbonat-Decahydrat, in einem Speicherbehälter zur Wärmeerzeugung, wobei das Wärmespeichermedium zumindest zeitweise in flüssig-unterkühlter Form vorliegt. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte Entnehmen von Kristallisationskeim-Material aus dem Wärmespeichermedium, Bereitstellen mindestens eines Kristallisationskeims auf Basis des Kristallisationskeim-Materials, sowie Einbringen des Kristallisationskeims in das Wärmespeichermedium, insbesondere bei Vorliegen eines Wärmebedarfs.
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In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens erfolgt das Entnehmen mittels einer Entnahmeeinrichtung, das Bereitstellen in einer Bereitstellungseinrichtung, sowie das Einbringen wiederum mittels der Entnahmeeinrichtung.
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Das Wärmespeichermedium ist ein Phasenwechselmaterial, das latente Wärme auch bei niedrigen Mediumtemperaturen, insbesondere bei Umgebungstemperatur, speichern kann. Es liegt dann in einem flüssigen, unterkühlten Aggregatzustand vor. Zur Freigabe der gespeicherten Wärme wird eine Kristallisation des flüssigen, unterkühlten Wärmespeichermediums ausgelöst. Dabei verliert das Wärmespeichermedium seine flüssige Form, es erstarrt bzw. kristallisiert und erwärmt sich dabei. Die freiwerdende Kristallisationswärme kann zur Stillung eines Wärmebedarfs einer Nutzung zugeführt werden, beispielsweise mittels eines Wärmeübertragers an ein Nutzfluid wie beispielsweise Heizungswasser oder Heizluft, oder an einen beliebigen anderen Gegenstand. Bei dem Wärmespeichermaterial kann es sich insbesondere um eine Salzlösung bzw. ein Salzhydrat wie Natriumacetat-Trihydrat, Dinatriumhydrogenphosphat-Dodecahydrat oder Dinatriumcarbonat-Decahydrat, handeln. Das Wärmespeichermedium liegt in einem Speicherbehälter eines Latentwärmespeichers vor.
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Die Kristallisation des Wärmespeichermediums kann, zum Beispiel bei vorliegendem Wärmebedarf von einem Nutzer oder auch automatisch, gezielt initiiert bzw. ausgelöst werden. Dazu entnimmt das Verfahren aus dem Wärmespeichermedium im Speicherbehälter eine kleine Menge Kristallisationskeim-Material. Weiter stellt das Verfahren mindestens einen Kristallisationskeim insbesondere außerhalb des Wärmespeichermediums und/oder außerhalb des Speicherbehälters bereit, wobei der Kristallisationskeim, kurz auch Keim genannt, auf dem Kristallisationskeim-Material basiert. Der Keim ist in der Lage, eine Kristallisation des Wärmespeichermediums auszulösen, indem der Keim mit dem Medium in Kontakt gebracht wird. Dazu wird der Kristallisationskeim in das flüssig-unterkühlte Wärmespeichermedium eingebracht. Benötigt wird ein nur sehr kleiner Kristallisationskeim; beispielsweise kann ein Keim mit einem Durchmesser von ca. 100 µm und/oder mit einer Masse von wenigen 1/100 g ausreichen. Der Keim, der selber ein Kristall sein kann, berührt das Wärmespeichermedium und bewirkt eine Kristallisation der bei Einbringung dem Keim unmittelbar benachbarten Mediumbereiche. Diese kristallisierenden Mediumbereiche geben den Impuls zur Kristallisation an die ihnen benachbarten weiteren Mediumbereiche weiter, so dass sich eine Kristallisation nach und nach durch das ganze Wärmespeichermedium fortpflanzt und ausbreitet. Die bei der Kristallisation freiwerdende Wärme kann zur Stillung eines Wärmebedarfs seitens eines Nutzers verwendet werden. Nach Abschluss der Kristallisation kann das Wärmespeichermedium durch Erwärmung mittels einer Wärmezufuhr wieder geschmolzen und verflüssigt werden. Daran anschließend kann einmal die sogenannte sensible Wärme genutzt werden, dabei kühlt das Wärmespeichermedium von der erwärmten Temperatur, beispielsweise der Schmelztemperatur, auf eine Endtemperatur, beispielsweise Umgebungstemperatur, ab, ohne zu kristallisieren. Nun liegt das Wärmespeichermedium wieder in flüssigem unterkühltem Zustand vor. Die Freigabe der jetzt noch gespeicherten latenten Wärme kann zu einem beliebigen Zeitpunkt durch Kristallisation des Wärmespeichermediums erfolgen, wozu das erfindungsgemäße Verfahren Verwendung findet.
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Damit ist ein einfaches Verfahren zur Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums gegeben. Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass es nicht auf ein Verbrauchsmaterial für die Kristallisationskeime angewiesen ist, das regelmäßig von außen ersetzt werden müsste - sondern dass es sich das Kristallisationskeim-Material und die Kristallisationskeime immer wieder selbst neu bereitstellt. Ein solches Verfahren hat weiter den Vorteil, dass der Kristallisationskeim vom Wärmespeichermedium getrennt vorliegt, solange kein Wärmebedarf vorliegt. Das Verfahren ist durch Einbringen des Keims von einem Nutzer manuell in Gang zu setzen; es kann aber auch von einer Regelung ausgelöst werden, beispielsweise nach festen Zeitvorgaben oder bei erkanntem Wärmebedarf.
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Natriumacetat-Trihydrat mit Zusatz von mehr als 3,8 Gewichtsprozent Wasser löst sich bei Temperaturen oberhalb von 58 °C in seinem eigenen Kristallwasser.
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Wird diese Lösung abgekühlt, zeigt diese eine Unterkühlung bis hin zu Temperaturen unterhalb von - 10 °C. Wird diese unterkühlte Lösung zum Beispiel mit einem Kristall Natriumacetat-Trihydrat, beispielsweise mit einem Durchmesser von 100 µm bzw. von wenigen 1/100 g Masse, in Berührung gebracht, startet durch diesen einen Kristallisationskeim unmittelbar die Kristallisation. Mit der Kristallisation wird die sogenannte Kristallisationswärme freigesetzt. Daher ist ein Wärmespeichersystem auf Basis von Natriumacetat-Trihydrat sehr attraktiv, wenn eine Wärmemenge für längere Zeit auf Umgebungstemperaturniveau gespeichert werden soll.
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Wird eine kleine Materialmenge des Natriumacetat-Trihydrat/Wasser-Gemisches aus dem Wärmespeicher entnommen und bei Temperaturen oberhalb von 60 °C getrocknet, beispielsweise indem es der Umgebungsluft ausgesetzt wird, so entsteht eine Mischung aus festem wasserfreiem Natriumacetat und einer Lösung aus Natriumacetat und Wasser. Das feste, wasserfreie Natriumacetat initiiert bei Unterschreitung von 58 °C die Rekristallisation der kleinen Materialmenge. Dadurch steht die kleine Materialmenge als Kristallisationskeim für die Initiierung der Kristallisation des Wärmespeichermediums zur Verfügung.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt Entnehmen die Teilschritte Vorbewegen einer Speichereinrichtung auf und/oder in das Wärmespeichermedium mittels einer Stelleinrichtung, Speichern von Kristallisationskeim-Material aus dem flüssig-unterkühlten Wärmespeichermedium an der Speichereinrichtung, Zurückbewegen der Speichereinrichtung aus dem Wärmespeichermedium heraus, insbesondere in die Bereitstellungseinrichtung, mittels der Stelleinrichtung. Vorbewegen und Zurückbewegen können beispielsweise ein rotatorisches und/oder translatorisches Bewegen, beispielsweise ein Klappen, Fahren, Absenken, Anheben mittels eines Armes, einer Stange, einer Schnur sein. Die Bewegung kann manuell oder motorisch aufgebracht werden. Vorbewegen und/oder Zurückbewegen dienen insbesondere einem Aufsetzen der Speichereinrichtung auf dem flüssig-unterkühlten Wärmespeichermedium und/oder Eintauchen in das flüssig-unterkühlte Wärmespeichermedium und/oder einem Herausnehmen der Speichereinrichtung aus dem Wärmespeichermedium. Das Speichern dient dazu, Kristallisationskeim-Material in und/oder an der Speichereinrichtung aufzunehmen. Aufsetzen der Speichereinrichtung auf dem Wärmespeichermedium bedeutet hier ein Aufsetzen auf einer Oberfläche des Wärmespeichermediums. Die Oberfläche kann sich im Speicherbehälter als Grenzfläche zwischen dem Wärmespeichermedium und einem darüber liegenden Teilraum des Speicherbehälters ausbilden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt Bereitstellen die Teilschritte Erzeugen des Kristallisationskeims aus dem Kristallisationskeim-Material sowie Bevorraten des Kristallisationskeim-Materials und/oder des Kristallisationskeims an der Speichereinrichtung. Im Laufe des Verfahrens wird der mindestens eine Kristallisationskeim dezentral am Ort der Anwendung aus dem an der Speichereinrichtung gespeicherten Kristallisationskeim-Material erzeugt. Der Keim muss also nicht in einer zentralen Fertigungsstätte erzeugt, zum Latentwärmespeicher verbracht und dort bereitgestellt werden. Vielmehr wird der Keim regelmäßig für die mindestens eine nächste Kristallisation des Wärmespeichermediums neu erzeugt.
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Die Erzeugung des Kristallisationskeims kann insbesondere durch Trocknen des Kristallisationskeim-Materials an der Speichereinrichtung, insbesondere mittels einer Erzeugungseinrichtung, erfolgen. Das Kristallisationskeim-Material und der daraus erzeugte Kristallisationskeim werden an der Speichereinrichtung bis zur mindestens einen nächsten Kristallisation des Wärmespeichermediums vorgehalten. Das Speichern dient dazu, sowohl Kristallisationskeim-Material als auch mindestens einen Kristallisationskeim in und/oder an der Speichereinrichtung aufzunehmen. Das Bevorraten des Kristallisationskeim-Materials und/oder des Kristallisationskeims an der Speichereinrichtung kann in einer Aufnahmeeinrichtung erfolgen. Das Kristallisationskeim-Material ist ein Ausgangsmaterial oder Vorratsmaterial zum Erzeugen von Keimen. Aus einer bevorrateten Menge Kristallisationskeim-Material kann mindestens ein Kristallisationskeim erzeugt werden und kann mindestens eine Kristallisation initiiert werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt Einbringen die Teilschritte Vorbewegen der Speichereinrichtung auf und/oder in das Wärmespeichermedium, Kontaktieren des flüssig-unterkühlten Wärmespeichermediums mit dem Kristallisationskeim an der Speichereinrichtung, sowie Zurückbewegen der Speichereinrichtung aus dem Wärmespeichermedium heraus, insbesondere in die Bereitstellungseinrichtung, mittels der Stelleinrichtung. Vorbewegen und Zurückbewegen erfolgen dem Prinzip nach wie zuvor zum Schritt Entnehmen erläutert mittels der Stelleinrichtung. Durch das Kontaktieren des flüssig-unterkühlten Wärmespeichermediums mit dem Kristallisationskeim wird die Kristallisation des Wärmespeichermediums sowie die damit einhergehende Freisetzung der Kristallisationswärme ausgelöst. Optional kann im Anschluss an das Kontaktieren und noch vor dem Zurückbewegen ein neuerliches Speichern von Kristallisationskeim-Material aus dem Wärmespeichermedium in und/oder an der Speichereinrichtung erfolgen. Alternativ kann das Speichern auch zeitgleich mit dem Kontaktieren erfolgen; während der Keim das Wärmespeichermedium berührt, berührt auch das Wärmespeichermedium die Speichereinrichtung und wird eine kleine Menge Kristallisationskeim-Material an der Speichereinrichtung gespeichert.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt Speichern ein Anhaften und/oder Anhängen und/oder Benetzen und/oder Aufsaugen und/oder Einsickern und/oder Verklammern von Kristallisationskeim-Material aus dem flüssig-unterkühlten Wärmespeichermedium in und/oder an der Speichereinrichtung. Voraussetzung ist ein Aufsetzen und/oder Eintauchen der Speichereinrichtung auf und/oder in das flüssig-unterkühlte Wärmespeichermedium mittels der Stelleinrichtung.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt Erzeugen die Teilschritte Trocknen des Kristallisationskeim-Materials an der Speichereinrichtung durch Verdunsten von Wasser im Kristallisationskeim-Material durch Belüften und/oder Erwärmen des Kristallisationskeim-Materials sowie zumindest teilweises Kristallisieren des Kristallisationskeim-Materials an der Speichereinrichtung. Das im Kristallisationskeim-Material vorhandene Wasser verdunstet, indem das auf der Speichereinrichtung gespeicherte, in der Aufnahmeeinrichtung bevorratete Kristallisationskeim-Material belüftet und/oder erwärmt wird. Hierdurch kommt es dann auch zum Kristallisieren des Kristallisationskeim-Materials und Ausbilden eines Kristallisationskeims.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt Bevorraten ein gegenüber dem Speicherbehälter und/oder einer Außenumgebung zumindest zeitweise gasdicht und/oder dampfdicht getrenntes Bevorraten in der Aufnahmeeinrichtung. Dies erfolgt insbesondere mit einem zumindest zeitweisen Öffnen und/oder Verschließen einer räumlichen Verbindung von Speicherbehälter und/oder Aufnahmeeinrichtung und/oder Außenumgebung. Aufgrund der Gasdichtheit und/oder Dampfdichtheit ist gewährleistet, dass bei geschlossener räumlicher Verbindung beim Erzeugen und/oder Bevorraten des Kristallisationskeim-Materials und/oder des Kristallisationskeims keine störende Feuchtigkeit aus dem Speicherbehälter und/oder aus der Außenumgebung hinzutritt. Weiter ist auch gewährleistet, dass keine Feuchtigkeit aus dem im Speicherbehälter bevorrateten Wärmespeichermedium entweichen kann. Die räumliche Verbindung muss prinzipiell jedoch auch öffenbar sein, beispielsweise damit die Speichereinrichtung vorbewegt und zurückbewegt werden kann.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt Bevorraten ein wärmeisoliertes Bevorraten eines Kristallisationskeim-Materials in einer Aufnahmeeinrichtung. Das Wärmespeichermedium im Speicherbehälter ändert wiederholt seine Temperatur, insbesondere beim Schmelzen und Erstarren. Die vorgeschlagene thermische Trennung, realisiert durch ein Öffnen und Schließen der räumlichen Verbindung, bewirkt, dass diese Temperaturänderungen nicht auf das Kristallisationskeim-Material und/oder den Kristallisationskeim durchschlagen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Schritt Kontaktieren ein Berühren des flüssig-unterkühlten Wärmespeichermediums mit dem Kristallisationskeim an der Speichereinrichtung. Der Keim wird mit dem Wärmespeichermedium in Kontakt gebracht. Dies erfolgt insbesondere durch Aufsetzen und/oder Eintauchen der Speichereinrichtung mit dem daran gespeicherten Kristallisationskeim auf und/oder in das flüssig-unterkühlte Wärmespeichermedium mittels der Stelleinrichtung. Durch das Berühren des flüssig-unterkühlten Wärmespeichermediums mit dem Kristallisationskeim wird die Kristallisation des Wärmespeichermediums sowie die damit einhergehende Freisetzung der Kristallisationswärme ausgelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums, insbesondere eines Salzhydrats wie Natriumacetat-Trihydrat, Dinatriumhydrogenphosphat-Dodecahydrat oder Dinatriumcarbonat-Decahydrat, in einem Speicherbehälter zur Wärmeerzeugung, wobei das Wärmespeichermedium zumindest zeitweise in flüssig-unterkühlter Form vorliegt. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Entnahmeeinrichtung zum Entnehmen von Kristallisationskeim-Material aus dem Wärmespeichermedium. Diese Entnahmeeinrichtung dient weiterhin auch zum Einbringen eines Kristallisationskeims in das Wärmespeichermedium. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen mindestens eines Kristallisationskeims basierend auf dem Kristallisationskeim-Material. Insbesondere ist die Vorrichtung außerhalb des Wärmespeichermediums und/oder außerhalb des Speicherbehälters angeordnet.
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Mit dieser Vorrichtung ist das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung an einer Wandung des Speicherbehälters angeordnet, insbesondere außen auf die Speicherwandung aufgesetzt, so dass die Vorrichtung im Fall von Wartungsarbeiten gut zugänglich ist. Alternativ kann die Vorrichtung auch auf der Innenseite der Speicherwandung, also im Speicherbehälterinneren, angeordnet sein.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Entnahmeeinrichtung eine Speichereinrichtung zum Speichern von Kristallisationskeim-Material und/oder zumindest einem Kristallisationskeim, sowie eine Stelleinrichtung zum Vorbewegen und/oder Zurückbewegen der Speichereinrichtung auf und/oder in das Wärmespeichermedium und/oder aus dem Wärmespeichermedium heraus.
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Die Stellbewegung kann manuell, beispielsweise mittels eines Handrads, oder motorisch, beispielsweise mittels eines Aktors wie ein Elektromotor, eine elektromechanische Hubvorrichtung oder ein Formgedächtnis-Aktor, auf die Stelleinrichtung aufgebracht werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Bereitstellungseinrichtung eine Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen des Kristallisationskeims aus dem Kristallisationskeim-Material, insbesondere durch Trocknen des Kristallisationskeim-Materials an der Speichereinrichtung, sowie eine Aufnahmeeinrichtung zum Bevorraten des Kristallisationskeim-Materials und/oder des Kristallisationskeims an der Speichereinrichtung. Das Erzeugen des Keims erfolgt vorteilhafterweise in der Aufnahmeeinrichtung.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Speichereinrichtung eine schwammartige und/oder vliesartige und/oder gestrickartige und/oder gewebeartige Struktur, insbesondere aus elastischem Material, insbesondere eine beschichtete Struktur zur verbesserten Benetzbarkeit und/oder Anhaftung von Kristallisationskeim-Material und/oder einem Kristallisationskeim. Die Struktur ist dazu ausgebildet, beim Aufsetzen auf und/oder Eintauchen in das flüssig-unterkühlte Wärmespeichermedium Kristallisationskeim-Material aus dem Wärmespeichermedium aufzunehmen und zu speichern, so dass das Kristallisationskeim-Material nicht oder nur vernachlässigbar von der Struktur wieder abtropft. Dieses gewünschte Verhalten wird durch die Beschichtung unterstützt. Die Elastizität des Materials der Struktur gewährleistet, dass auch das zum Keim trocknende und kristallisierende Kristallisationskeim-Material sich nicht von der Struktur löst, beispielsweise abfällt oder abplatzt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Erzeugungseinrichtung eine Belüftungseinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung. Diese dient zum Trocknen und/oder zumindest teilweisen Kristallisieren des Kristallisationskeim-Materials als Kristallisationskeim an der Speichereinrichtung. Im einfachsten Fall umfasst die Belüftungseinrichtung eine oder mehrere Öffnungen zur passiv-konvektiven Ableitung der Feuchtigkeit. Alternativ kann die Belüftungseinrichtung die Feuchtigkeit aktiv-konvektiv ableiten, beispielsweise durch ein Gebläse. Die Heizeinrichtung kann das Kristallisationskeim-Material erwärmen und den Trocknungs- und Kristallisationsprozess fördern.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Aufnahmeeinrichtung kammerartig ausgebildet ist; so kann sie die Entnahmeeinrichtung, insbesondere die Speichereinrichtung, in sich aufnehmen. Alternativ oder ergänzend ist die Aufnahmeeinrichtung zu einem gegenüber dem Speicherbehälter und/oder einer Außenumgebung zumindest zeitweise gasdicht und/oder dampfdicht getrennten und/oder wärmeisolierenden Aufnehmen der Speichereinrichtung und Bevorraten des Kristallisationskeim-Materials und/oder des Kristallisationskeims eingerichtet; so kann den Trocknungs- und Kristallisationsprozess störende Feuchtigkeit und/oder Wärme nicht oder nur verzögert in die Aufnahmeeinrichtung eindringen. Alternativ oder ergänzend umfasst die Aufnahmeeinrichtung eine Verschließeinrichtung zum Öffnen und/oder Verschließen einer räumlichen Verbindung von Speicherbehälter und/oder Aufnahmeeinrichtung und/oder Außenumgebung. So kann die oben ansgesprochene Trennung umgesetzt sein. Ein bewegliches Element wie beispielsweise eine Klappe, ein Schieber, eine Lamellenanordnung kann die grundsätzlich offene räumliche Verbindung verschließen. Beispielsweise kann bei offener Verbindung Kristallisationskeim-Material aus dem Wärmespeichermedium entnommen werden und/oder ein Kristallisationskeim in das Wärmespeichermedium eingebracht werden. Bei geschlossener Verbindung ist die Aufnahmeeinrichtung, insbesondere gasdicht und/oder wärmeisolierend, getrennt. Mit der Verschließeinrichtung kann sowohl ein ungewollter Eintrag von Kristallisationskeimen in das Wärmespeichermedium als auch ein ungewollter Eintrag von Wärme und/oder Feuchtigkeit vom Wärmespeichermedium in das Kristallisationskeim-Material und/oder die Aufnahmeeinrichtung vermieden oder zumindest reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Kristallisationskeim-Material dient zur Erzeugung eines Kristallisationskeims zur Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums, insbesondere eines Salzhydrats wie Natriumacetat-Trihydrat, Dinatriumhydrogenphosphat-Dodecahydrat oder Dinatriumcarbonat-Decahydrat. Das Kristallisationskeim-Material ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kristallisationskeim-Material aus dem selben Material wie das Wärmespeichermedium beschaffen ist. Damit ist einerseits gewährleistet, dass die in das Wärmespeichermedium eingebrachten Kristallisationskeime das Wärmespeichermedium nicht verunreinigen und/oder nur äußerst geringfügig in der Zusammensetzung verändern. Somit werden die Eigenschaften des Wärmespeichermediums auch über einer langen Einsatzdauer mit gegebenenfalls hunderten und tausenden von Initiierungen einer Kristallisation des Wärmespeichermediums nicht unzulässig verändert, so dass die Funktion dauerhaft gewährleistet bleibt. Andererseits ist damit auch gewährleistet, dass die Kristallisation des Wärmespeichermediums zuverlässig initiiert wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Kristallisationskeim-Material ein Salzhydrat, insbesondere Natriumacetat-Trihydrat, Dinatriumhydrogenphosphat-Dodecahydrat oder Dinatriumcarbonat-Decahydrat.
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Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher zur Speicherung von Wärme in einem Wärmespeichermedium, insbesondere in einem Salzhydrat wie Natriumacetat-Trihydrat, Dinatriumhydrogenphosphat-Dodecahydrat oder Dinatriumcarbonat-Decahydrat, mit einem Speicherbehälter, wobei das Wärmespeichermedium zumindest zeitweise in flüssig-unterkühlter Form im Speicherbehälter vorliegt, ist gekennzeichnet durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Initiierung einer Kristallisation des Wärmespeichermediums zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Initiierung der Kristallisation des Wärmespeichermediums. Ein solcher Latentwärmespeicher kann vorteilhafterweise in ein Heizungssystem integriert werden, beispielsweise zur Bereitstellung von Raumwärme, Trinkwarmwasser oder Prozesswärme in stationären Anwendungen (zum Beispiel Gebäudetechnik) oder in mobilen Anwendungen (zum Beispiel Automobiltechnik).
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Das erfindungsgemäße Wärmespeichermedium zur Befüllung eines Speicherbehälters eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers und Speicherung von Wärme, umfassend das Salzhydrat Natriumacetat-Trihydrat, wobei das Natriumacetat-Trihydrat zumindest zeitweise in flüssig-unterkühlter Form vorliegt und dessen Kristallisation in einem erfindungsgemäßen Verfahren mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung initiiert wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Natriumacetat-Trihydrat einen Zusatz von mindestens 3,8 Gewichtsprozent Wasser, bevorzugt von mindestens 5 Gewichtsprozent Wasser, aufweist. Durch diesen Wasserüberschuss ist sichergestellt, dass das zusätzliche Natriumacetat-Trihydrat, das dem Wärmespeichermedium in Form der Kristallisationskeime zugeführt wird, die Zusammensetzung des Natriumacetat-Trihydrat im Wärmespeicher nicht so verändert, dass der Wasserüberschuss im Wärmespeichermedium unter 3,8 Gew.% fällt. Damit ist gewährleistet, dass die in das Wärmespeichermedium eingebrachten Kristallisationskeime das Wärmespeichermedium nur äußerst geringfügig in der Zusammensetzung verändern. Somit werden die Eigenschaften des Wärmespeichermediums auch über einer langen Einsatzdauer mit gegebenenfalls hunderten und tausenden von Initiierungen einer Kristallisation des Wärmespeichermediums nicht unzulässig verändert, so dass die Funktion des Wärmespeichermediums dauerhaft gewährleistet bleibt. Dies gilt, solange die Menge des im Wärmespeicher vorhandenen Natriumacetat-Trihydrats die Gesamtmenge des über der Gesamtnutzungsdauer aus der Vorrichtung freigesetzten Natriumacetat-Trihydrats um den Faktor 100 000 oder noch vorteilhafter um den Faktor 500 000 übertrifft.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigt
- 1 einen Speicherbehälter eines Latentwärmespeichers mit einer Vorrichtung zur Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums,
- 2 einen Speicherbehälter eines Latentwärmespeichers mit einer Vorrichtung zur Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums,
- 3 eine Vorrichtung zur Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums,
- 4 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.
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1 zeigt einen Speicherbehälter 10 eines Latentwärmespeichers mit einer Vorrichtung 20 zur Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums 40, insbesondere eines Salzhydrats wie Natriumacetat-Trihydrat, Dinatriumhydrogenphosphat-Dodecahydrat oder Dinatriumcarbonat-Decahydrat. Der Speicherbehälter 10 kann beispielsweise ein zylindrischer oder kastenförmiger Behälter sein. Eine Erwärmung und/oder Kühlung des Wärmespeichermediums 40 kann mittels in einem Inneren des Speicherbehälters 10 integrierter und/oder außen am Speicherbehälter 10 angeordneter Wärmetauscher (nicht dargestellt) erfolgen. Das Wärmespeichermedium 40 ist dazu vorgesehen, während einer Nutzungsdauer des Latentwärmespeichers im Speicherbehälter 10 zu verbleiben. Die Vorrichtung 20 zur Initiierung einer Kristallisation ist auf einer im Betrieb oberen Wandung 11 des Speicherbehälters 10 angeordnet. Die Vorrichtung 20 ist mittels eines Flansches 12 am Speicherbehälter 10 fixiert. Die Speicherwandung 11 ist an dieser Stelle so beschaffen, dass von der Vorrichtung 20 bereitgestellte Kristallisationskeime 30 in den Speicherbehälter 10 eintreten und mit dem Wärmespeichermedium 40 in Kontakt gebracht werden können. Beispielsweise weist die Speicherwandung 11 eine entsprechende Öffnung 13 auf. Im Ausführungsbeispiel nach 1 weist die Vorrichtung 20 eine Bereitstellungseinrichtung 21 mit einer kammerartig ausgebildeten Aufnahmeeinrichtung 22 sowie eine darin aufgenommene Entnahmeeinrichtung 23 auf. Die Aufnahmeeinrichtung 22 weist zwei schwenkbare Verschließeinrichtungen 24, 25, je eine an der dem Speicherbehälter 10 zugewandten Seite sowie an der einer Außenumgebung 50 zugewandten Seite, auf. Die untere, dem Speicherbehälter 10 zugewandte Verschließeinrichtung 24 ist geschlossen, wodurch die räumliche Verbindung zwischen dem Inneren des Speicherbehälters 10 und dem Inneren der Aufnahmeeinrichtung 22 verschlossen, insbesondere gasdicht und/oder dampfdicht und/oder wärmeisolierend verschlossen ist, so dass keine Feuchtigkeit und/oder keine Wärme aus dem Speicherbehälter 10 entweichen kann. Die obere, der Außenumgebung 50 zugewandte Verschließeinrichtung 25 ist offen, wodurch die räumliche Verbindung zwischen dem Innerem der Aufnahmeeinrichtung 22 und der Außenumgebung 50 offen ist, so dass beispielsweise Feuchtigkeit aus der Aufnahmeeinrichtung 22 in die Außenumgebung 50 entweichen kann. In dieser Position der Speichereinrichtung 26 in der Aufnahmeeinrichtung 22 kann die Bereitstellungseinrichtung 21 auf Basis von an der Speichereinrichtung 26 gespeichertem Kristallisationskeim-Material 31 Kristallisationskeime 30 bereitstellen, insbesondere trocknen, insbesondere durch belüften und/oder erwärmen des Kristallisationskeim-Materials an der Speichereinrichtung.
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Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist die obere, der Außenumgebung 50 zugewandte Verschließeinrichtung 25 geschlossen, so dass keine Feuchtigkeit aus dem Speicherbehälter 10 und/oder der Aufnahmeeinrichtung 22 in die Außenumgebung 50 entweichen kann. Die untere, dem Speicherbehälter 10 zugewandte Verschließeinrichtung 24 ist offen, wodurch die räumliche Verbindung zwischen dem Inneren des Speicherbehälters 10 und dem Inneren der Aufnahmeeinrichtung 22 offen ist. Die Speichereinrichtung 26 der Entnahmeeinrichtung 23 ist mittels der Stelleinrichtung 27 aus der Aufnahmeeinrichtung 22 herausbewegt und in den Speicherbehälter 10 hineinbewegt, insbesondere ist die Speichereinrichtung 26 auf die Oberfläche des flüssig-unterkühlten Wärmespeichermediums 40 vorbewegt. In dieser Position kann die Speichereinrichtung 26 Kristallisationskeim-Material 31 aus dem flüssig-unterkühlten Wärmespeichermedium 40 entnehmen und speichern. Ferner kann die Speichereinrichtung 26, wenn sie bereits über einen Kristallisationskeim 30 verfügt, in dieser vorbewegten Position einen Kristallisationskeim 30 in das flüssig-unterkühlte Wärmespeichermedium 40 einbringen, also beispielsweise das Wärmespeichermedium 40 mit dem Keim 30 kontaktieren, insbesondere berühren, und so die Kristallisation des Wärmespeichermediums 40 auslösen.
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3 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 20 zur Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums 40 im Detail. Die Vorrichtung 20 umfasst eine Bereitstellungseinrichtung 21 zum Bereitstellen mindestens eines Kristallistionskeims 30. Die Bereitstellungseinrichtung 21 umfasst neben einer Aufnahmeeinrichtung 22 zur zumindest zeitweisen und/oder teilweisen Aufnahme einer Entnahmeeinrichtung 23 und zum Bevorraten von mindestens einem Kristallisationskeim 30 und Kristallisationskeim-Material 31 auch eine Erzeugungseinrichtung 28 zum Erzeugen des Kristallisationskeims 30 aus dem Kristallisationskeim-Material 31. Vorliegend umfasst die Erzeugungseinrichtung 28 eine Belüftungseinrichtung (hier als passive Belüftungseinrichtung ausgebildet von der Verschließeinrichtung 25) und eine Heizeinrichtung 29 zum Trocknen und/oder zumindest teilweisen Kristallisieren des Kristallisationskeim-Materials 31. Dabei bildet sich der Kristallisationskeim 30 an der Speichereinrichtung 26. Mittels mindestens eines von der Vorrichtung 20 ferner umfassten Betätigungselements (nicht dargestellt), beispielsweise ein manuell zu bedienendes Handrad oder ein Elektromotor, werden die Stelleinrichtung 27 zum Vorbewegen und Zurückbewegen der Speichereinrichtung sowie mindestens eine weitere Stelleinrichtung zum Öffnen und Schließen der Verschließeinrichtungen 24, 25 in Betrieb genommen.
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4 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm des Verfahrens. Das Verfahren zur Initiierung einer Kristallisation eines flüssig-unterkühlten Wärmespeichermediums 40 beginnt mit dem Schritt A Entnehmen von Kristallisationskeim-Material 31 aus dem Wärmespeichermedium 40. Dazu öffnet die untere Verschließeinrichtung 24 und bewegt sich die Speichereinrichtung 26 vor bis auf und/oder in das Wärmespeichermedium 40 (Schritt A1). Die Speichereinrichtung 26 nimmt Kristallisationskeim-Material 31 auf und speichert dieses in seiner Struktur (Schritt A2). Sodann bewegt sich die Speichereinrichtung 26 wieder zurück in die kammerartig ausgebildete Aufnahmeeinrichtung 22 und schließt die Verschließeinrichtung 24 (Schritt A3). Der Schritt B Bereitstellen öffnet die als Belüftungseinrichtung ausgebildete Verschließeinrichtung 25 und erwärmt die Heizreinrichtung 29; dies befördert die Erzeugung des Keims 30 aus dem Kristallisationskeim-Material 31 durch Trocknung (Schritt B1) und Kristallisierung (Schritt B2) an der Speichereinrichtung 26. Der mindestens eine Kristallisationskeim 30 wird nun an der Speichereinrichtung 26 in der Aufnahmeeinrichtung 22 bevorratet (Schritt B3), insbesondere bei geschlossener Verschließeinrichtung 25. Bei Vorliegen einer Wärmeanforderung W folgt der Schritt C Einbringen. Die Verschließeinrichtung 24 öffnet und die Speichereinrichtung 26 wird mittels der Stelleinrichtung 27 wieder vorbewegt und auf und/oder in das Wärmespeichermedium 40 aufgesetzt und/oder eingetaucht (Schritt C1). So kontaktiert, insbesondere berührt, der Keim 30 das Wärmespeichermedium 40 (Schritt C2) und löst damit die Kristallisierung des bis dahin flüssig-unterkühlt vorliegenden Wärmespeichermediums 40 aus. Optional speichert die Speichereinrichtung 26 bei dieser Gelegenheit gleich wieder neues Kristallisationskeim-Material 31 (Schritt C3). Danach wird die Speichereinrichtung 26 wieder in die Aufnahmeeinrichtung 22 zurückbewegt und die Verschließeinrichtung 24 geschlossen (Schritt C4). Der Schritt C bewirkt die Kristallisation D des Wärmespeichermediums 40, verbunden mit der Freisetzung der Kristallisationswärme, die mit geeigneten Mitteln, beispielsweise Wärmetauschern, zur Nutzung Q abgeführt wird. Das Verfahren zur Initiierung der Kristallisation ist abgeschlossen. Hieran kann sich ein neuerliches Aufschmelzen E des Wärmespeichermediums 40 und ein Abkühlen F hin zu einem flüssig-unterkühlten Zustand anschließen, beispielsweise verbunden mit einer weiteren Wärmenutzung Q. Bei Bedarf beginnt das Verfahren zur Initiierung einer Kristallisation eines Wärmespeichermediums 40 nun wieder von Neuem, entweder bei Schritt A Entnehmen, oder auch gleich bei Schritt B Bereitstellen (je nachdem ob beim vorangegangenen Schritt C Einbringen neues Kristallisationskeim-Material 31 gespeichert wurde oder nicht). Mindestens Teile dieses Ablaufs können automatisiert, beispielsweise zeitgesteuert oder messwertbasiert (zum Beispiel temperaturbasiert oder feuchtebasiert), ablaufen. Andere Teile des Ablaufs können auch manuell ausgelöst werden, wie zum Beispiel das Vorgeben eines Wärmebedarfs und/oder das Absenken der Speichereinheit zum Auslösen der Kristallisation des Wärmespeichermediums.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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