DE102017222194A1

DE102017222194A1 - Wärmespeichermaterial

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Publication number: DE102017222194A1
Application number: DE102017222194.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2019-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmespeichermaterial, insbesondere ein exotherm chemisch abbindendes Wärmespeichermaterial mit hervorragender Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmespeichermaterial, insbesondere ein exotherm chemisch abbindendes Wärmespeichermaterial mit hervorragender Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit.
Allgemein bekannt sind keramische Wärmespeicher wie Schamotte aber auch mineralische Speichersteine wie Kalksandsteine. Diese Wärmespeicher speichern eingespeiste Wärme und geben die gespeicherte Wärme als Strahlungswärme ab. Weiterhin sind bei der solaren Heizungsunterstützung Wasser- bzw. Schichtwasserspeicher, die naturgemäß mit Wasser befüllt werden, bekannt. Diese Wärmespeicher wiederum geben die gespeicherte Wärme an die Umgebung oder an ein in dem Wärmespeicher zirkulierendes Wärmetauschermedium ab.
Die Wärmespeicher in handelsüblichen Kachelöfen sind allgemein als keramische Wärmespeicher ausgebildet, welche mit Schamotten als wesentlichem Wärmeträger arbeiten. Nachteile der üblicherweise verwendeten Schamotte sind der hohe Energiebedarf bei der Herstellung (Brandtemperaturen 1250-1500 °C - DIDIER 1997) und die vergleichsweise geringe Wärmekapazität von nur 1000 J/(kg*K).
Künstliche Kalksandsteine werden üblicherweise als Mauersteine angeboten. Im Bauwesen sind in der Regel diese künstlichen Kalksandsteine (KS) mit dem Begriff Kalksandstein gemeint. Bei den künstlichen Kalksandsteinen ist das Bindemittel ein durch eine spezielle Dampfhärtung erzeugtes Calciumsilikathydrat (CSH-Phasen). Die CSH-Phasen enthalten physikalisch gebundenes „Kristallwasser“. Dieses macht den Kalksandstein anfänglich zu einem günstigen und ökologischen Wärmespeicher. Diese Wärmespeicherung geht aber spätestens nach der ersten Heizperiode verloren, was auf einen Verlust des gesamten Kristallwassers bereits bei Temperaturen unter 200 °C hindeutet.
Die Wärmespeicher in handelsüblichen Wasser- bzw. Schichtwasserspeichern sind als Wasserspeicher ausgebildet, welche mit Wasser als wesentlichem Wärmeträger arbeiten. Nachteile der Verwendung von Wasser als Wärmeträger sind die vergleichsweise schnelle Wärmeabgabe und die maximale Arbeitstemperatur von 60 °C (begrenzt durch Verkalkung und Wärmeausdehnung).
Die Patentanmeldung DE 10 2013 213 832.6 beschreibt ein Wärmespeichermaterial, welches ein Metall-Hydroxid und ein Dispergiermittel, insbesondere Zitronensäure enthält. Nachteile der Verwendung von Zitronensäure als Dispergiermittel in einem Metall-Hydroxid-Wärmespeichermaterial sind die hohen Materialkosten, sowie die schädlich korrosive Wirkung der Zitronensäure auf die Steinfestigkeit des Materials. Des Weiteren führt der Zusatz von organischen Säuren in das Baumaterial zu einem hohen organischen Anteil des Materials, der zusätzliche Bauzulassungen/Zertifizierungen notwendig macht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein einfach, energieeffizient und ökologisch herstellbares chemisches Wärmespeichermaterial mit einer hohen Wärmekapazität, insbesondere mit einer Wärmekapazität von > 1000 J/(kg*K) bereitzustellen. Das Wärmespeichermaterial soll Wärme schnell aufnehmen und andererseits möglichst langsam abgeben und dabei eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Des Weiteren sollte das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial eine hohe Feuerbeständigkeit besitzen, so dass das Material hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und vereinfachtes Heizsystem für verschiedene Anwendungen wie Gebäudeheizungen bereitzustellen.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit einem neuen Wärmespeichermaterial gelöst. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Wärmespeichermaterial umfassend

i) ein Metall-Hydroxid und
ii) ein Bindemittel, vorzugsweise ein hydraulisches Bindemittel und/oder
iii) zusätzliches Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃.

Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial weist vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf Wärmeaufnahme, Wärmespeicherung und Wärmeabgabe sowie Wärmebeständigkeit im erforderlichen Temperaturbereich auf.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial weist insbesondere vorteilhafterweise eine hohe Wärmekapazität, insbesondere eine Wärmekapazität von > 1300 J/(kg*K) auf. Durch die hohe Wärmekapazität kann in dem erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial eine große Wärmemenge gespeichert werden. Insbesondere kann mehr Wärme als von herkömmlichen Schamotten gespeichert werden. Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial eignet sich somit hervorragend als Wärmereservoir. Durch die hohe Wärmekapazität weist das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial zudem eine langsame Wärmeabgabe auf. Die Wärmeabgabe erfolgt insbesondere langsamer als bei herkömmlichen Schamottsteinen.
Weiterhin weist das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial eine hohe Wärmeleitzahl von insbesondere > 1,3 W/(m*K) auf, wodurch eine hohe Wärmeleitfähigkeit gegeben ist. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit der hohen Wärmekapazität nimmt das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial in der Aufheizphase Wärme sehr schnell auf. Dadurch weist das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial die vorteilhafte Eigenschaftskombination von schneller Wärmeaufnahme, hoher Wärmespeicherung und langsamer Wärmeabgabe auf.
Weiterhin weist das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial eine hohe Hitzebeständigkeit auf. So können sowohl nicht direkt im Brennraum befindliche, nur der Wärmespeicherung dienende Bauteile (Endtemperatur < 350 °C) als auch höheren Temperaturen (600 - 900 °C) ausgesetzte, im Feuerraum befindliche Bauteile aus dem erfindungsgemäßen Material hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial weist insbesondere eine Rohdichte von 1,8 bis 2,0 kg/m³ und/oder eine hohe Druckfestigkeit von 10 bis 20 N/mm² auf.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial kann bei Verwendung in Kaminöfen somit sowohl als wärmespeichernde Ofenummantelung als auch als Feuerfeststein im Brennraum, beispielsweise als Prallplatte eingesetzt werden.
Weiterhin kann auch die Wasserbefüllung von handelsüblichen Wasser- bzw. Schichtwasserspeichern durch das neue Wärmespeichermaterial ersetzt werden um diese als Pufferspeicher zu nutzen.
Bei dem in dem erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial enthaltenen Metall-Hydroxid handelt es sich vorzugsweise um ein Erdalkalimetall-Hydroxid, insbesondere um Magnesium-Hydroxid, Calcium-Hydroxid oder Barium-Hydroxid. Besonders gute Ergebnisse werden bei Verwendung von Magnesium-Hydroxid, insbesondere Mg(OH)₂, und besonders bevorzugt von Brucit, erhalten. Vorzugsweise wird als Metall-Hydroxid ausschließlich Brucit eingesetzt.
Das im erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial enthaltene Metall-Hydroxid weist vorzugsweise eine feinkörnige Sieblinien-Rezeptur auf. Die Sieblinie gibt die Kornzusammensetzung der Korngruppen des Metall-Hydroxids an.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesium-Hydroxid und insbesondere Brucit, mit einer Korngrößengruppe 0-3 mm eingesetzt. Dieses Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesium-Hydroxid insbesondere Brucit, mit einer Korngrößengruppe 0-3 mm wird hierin auch als Metall-Hydroxid mit feinkörniger Sieblinie bezeichnet. Erfindungsgemäß weist ein Metall-Hydroxid mit feinkörniger Sieblinie eine Korngruppenzusammensetzung mit mindestens 80 M.-% (Masse-%), vorzugweise mindestens 85 M.-%, noch mehr bevorzugt mindestens 90 M.-%, weiterhin bevorzugt mindestens 95 M.-% und am meisten bevorzugt mindestens 98 M.-% an Material mit einer Korngröße von > 0 mm bis < 3 mm auf, bezogen auf die Gesamtmenge an Metall-Hydroxid dieser Sieblinie. Es sind nicht mehr als 20 M.-%, vorzugsweise nicht mehr als 10 M.-%, besonders bevorzugt nicht mehr als 5 M.-% und am meisten bevorzugt nicht mehr als 2 M.-% Überkorn enthalten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesium-Hydroxid insbesondere Brucit, mit einer Korngrößengruppe 3-6 mm eingesetzt. Dieses Metall-Hydroxid, insbesondere Brucit, mit einer Korngrößengruppe 3-6 mm wird hierin auch als Metall-Hydroxid mit grobkörniger Sieblinie bezeichnet. Erfindungsgemäß weist ein Metall-Hydroxid mit grobkörniger Sieblinie eine Korngruppenzusammensetzung mit mindestens 80 M.-%, vorzugweise mindestens 85 M.-%, noch mehr bevorzugt mindestens 90 M.-%, weiterhin bevorzugt mindestens 95 M.-% und am meisten bevorzugt mindestens 98 M.-% an Material mit einer Korngröße von ≥ 3 mm bis ≤ 6 mm auf, bezogen auf die Gesamtmenge an Metall-Hydroxid dieser Sieblinie. Es sind nicht mehr als 10 M.-%, vorzugsweise nicht mehr als 5 M.-%, besonders bevorzugt nicht mehr als 2,5 M.-% und am meisten bevorzugt nicht mehr als 1 M.-% Überkorn bzw. Unterkorn enthalten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial ein Metall-Hydroxid, insbesondere Mg(OH)₂ und besonders bevorzugt Brucit, welches ausschließlich eine feinkörnige Sieblinie (100% Korngrößengruppe 0-3 mm) aufweist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein Metall-Hydroxid mit feinkörniger Sieblinie mit einem Metall-Hydroxid mit grobkörniger Sieblinie kombiniert werden. Besonders bevorzugt kann ein Metall-Hydroxid mit feinkörniger Sieblinie (Korngrößengruppe 0-3 mm) mit bis zu 40 M.-%, insbesondere mit bis zu 50 M.-%, besonders bevorzugt mit bis zu 60 M.-%, weiterhin bevorzugt mit bis zu 65 M.-% und am meisten bevorzugt mit bis zu 70 M.-% Metall-Hydroxid mit grobkörniger Sieblinie (Korngrößengruppe 3-6 mm) kombiniert werden. In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform besteht das im erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial enthaltene Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesium-Hydroxid und insbesondere Brucit aus einer Kombination aus 60-70 M.-% Metall-Hydroxid mit einer Korngrößengruppe 3-6 mm und 30-40 M.-% Metall-Hydroxid mit einer Korngrößengruppe 0-3 mm.
Der Anteil an Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesium-Hydroxid und insbesondere Brucit im erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial beträgt vorzugsweise wenigstens 56 Gew.-%, mehr bevorzugt wenigstens 66 Gew.-% und noch mehr bevorzugt wenigstens 70 Gew.-% und bis zu 99 Gew.-%, insbesondere bis zu 95 Gew.-%, bevorzugt bis zu 90 Gew.-%, mehr bevorzugt bis zu 85 Gew.-% und am meisten bevorzugt bis zu 80 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Nass-Gesamtgewicht des Wärmespeichermaterials.
In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere soweit das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial ein Bindemittel und zugesetztes Eisenoxid enthält, beträgt der Anteil an Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesium-Hydroxid und insbesondere Brucit im erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial von 66 Gew.-% bis 85 Gew.-% und insbesondere von 70 Gew.-% bis 80 Gew.-%, jeweils bezogen auf das abgebundene Trocken-Gesamtgewicht des Wärmespeichermaterials.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, insbesondere wenn das Wärmespeichermaterial unter Ausübung von erhöhtem Druck, beispielsweise von einem Druck > 10 bar in einen Extruder oder durch Strangpressen hergestellt wird, beträgt der Anteil an Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesium-Hydroxid und insbesondere Brucit von 90 Gew.-% bis 99 Gew.-%, bevorzugt von 95 Gew.-% bis 98 Gew.-%, bezogen auf das abgebundene Trocken-Gesamtgewicht des Wärmespeichermaterials.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial enthält weiterhin ein Bindemittel. Als im erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial enthaltenes Bindemittel wird vorzugsweise ein hydraulisches Bindemittel eingesetzt. Vorzugsweise wird als Bindemittel ein Zement, insbesondere ein Zement CEM I, II, III, IV und/oder V (CEM I-V), ein Tonerdezement (TZ) oder ein Tonerdeschmelzzement (TSZ) verwendet. Die fünf Hauptzementarten CEM I bis V bezeichnen gemäß DIN EN 197-1 Portlandzemente (CEM I), Portlandkompositzemente (CEM II), Hochofenzemente (CEM III), Puzzolanzemente (CEM IV) sowie Kompositzemente (CEM V). Erfindungsgemäß kann das Wärmespeichermaterial auch einen hydraulischen Kalk, insbesondere einen natürlichen hydraulischen Kalk NHL 1, 2, 3, 4 und/oder 5 umfassen (siehe DIN EN 459-1). Besonders bevorzugt wird als Bindemittel ein Zement CEM I, II, III, IV und/oder V (CEM I-V) eingesetzt.
Der Anteil an Bindemittel, bevorzugt hydraulischem Bindemittel und insbesondere Zement CEM I-V im erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial beträgt vorzugsweise mindestens 1 Gew.-%, mehr bevorzugt mindestens 5 Gew.-%, noch mehr bevorzugt mindestens 10 Gew.-% und am meisten bevorzugt mindestens 14 Gew.-% und bis zu 45 Gew.-%, bevorzugt bis zu 35 Gew.-% und am meisten bevorzugt bis zu 24 Gew.-%.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial 14 Gew.-% bis 24 Gew.-% Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht des Wärmespeichermaterials.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform, insbesondere soweit die Herstellung des Wärmespeichermaterials unter erhöhtem Druck von > 10 bar, beispielsweise in einem Extruder oder unter Strangpressen erfolgt, ist kein zusätzliches Bindemittel, insbesondere kein hydraulisches Bindemittel enthalten oder der Anteil an Bindemittel beträgt nur 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 2 Gew.-% bis 5 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Wärmespeichermaterials.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials wird neben dem Metall-Hydroxid und gegebenenfalls dem Bindemittel vorzugsweise zusätzlich Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃ zugegeben. Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass durch Zugabe von Eisenoxid, insbesondere von Fe₂O₃, ein Wärmespeichermaterial mit hoher Feuerbeständigkeit erhalten werden kann. Insbesondere kann ein solches Material Temperaturen von 600 °C bis 900 °C ausgesetzt werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Eisen(III)-Oxid, Fe₂O₃, in Form von Eisenoxidrot. Ein besonders geeignetes Fe₂O₃ ist beispielsweise das Eisenoxid Bayferrox^® in der Farbe Rot (LANXESS Inorganic Pigments).
Das in dem erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial enthaltene Metall-Hydroxid kann selbst bereits eine geringe Menge, z.B. bis zu 0,35 Gew.-%, Eisenoxid umfassen. Das erfindungsgemäß besonders bevorzugt als Metall-Hydroxid eingesetzte Brucit kann zum Beispiel typischerweise bis zu 0,35 Gew.-% an Fe₂O₃ enthalten. Weiterhin kann das in dem erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial enthaltene Bindemittel, z.B. Zement CEM I-V, TSZ, MS oder NHL 1-5, ebenfalls eine geringe Menge Eisenoxid als Verunreinigung enthalten. Portlandzement z.B. kann 2 bis zu 5 Gew.-% Fe₂O₃ enthalten.
Die hierin angegebenen Mengen an „zusätzlichem Eisenoxid“ beziehen sich auf das dem Wärmespeichermaterial zusätzlich zugegebene Eisenoxid, d.h. Eisenoxid, das zusätzlich zu dem in den anderen Bestandteilen des Wärmespeichermaterials, insbesondere im Metall-Hydroxid und/oder im Bindemittel, bereits enthaltenen Eisenoxid, zugegeben wird.
Die hierin enthaltenen Angaben zur „Gesamtmenge an Eisenoxid“ beziehen sich auf das gesamte im erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial enthaltene Eisenoxid unabhängig von der Herkunft, also um die Gesamtmenge an Eisenoxid gebildet durch „zusätzliches Eisenoxid“ und Eisenoxid welches in anderen Bestandteilen des Wärmespeichermaterials, beispielsweise in Metall-Hydroxid und/oder im Bindemittel als Nebenbestandteil enthalten war.
Vorzugsweise enthält das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial eine Menge an „zusätzlichem Eisenoxid“, insbesondere Fe₂O₃, d.h. an Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃, zusätzlich zu gegebenenfalls im Metall-Hydroxid und/oder im Bindemittel als Nebenbestandteile enthaltenen Eisenoxid von mindestens 0,1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,35 Gew.-%, noch mehr bevorzugt mindestens 0,5 Gew.-%, weiterhin bevorzugt mindestens 1,0 Gew.-%, insbesondere mindestens 1,15 Gew.-%, noch weiter bevorzugt mindestens 1,5 Gew.-%, noch mehr bevorzugt mindestens 2 Gew.-% und am meisten bevorzugt mindestens 2,5 Gew.-% und vorzugsweise bis zu 5 Gew.-%, insbesondere bis zu 4 Gew.-% und besonders bevorzugt bis zu 3 Gew.-%.
In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial eine Menge an zusätzlich zugesetztem Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃, d.h. an Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃, zusätzlich zu gegebenenfalls im Metall-Hydroxid (0,35%) und/oder im Bindemittel (2-5%) als Nebenbestandteile enthaltenen Eisenoxid. Zugesetzt werden mindestens 1,00 Gew.-%, und am meisten bevorzugt mindestens 1,15 Gew.-% Eisenoxid.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial enthält vorzugsweise weiterhin Wasser, insbesondere in Form von im Brucit enthaltenem „KristallWasser“. Der Anteil an gebundenem Wasser im Wärmespeichermaterial beträgt insbesondere von 0 bis 7 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 6 Gew.-% und am meisten bevorzugt 2 bis 5 Gew.-%.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Wärmespeichermaterial umfassend

i) ein Metall-Hydroxid und
ii) ein Bindemittel, insbesondere ein hydraulisches Bindemittel.

Noch mehr bevorzugt besteht das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial aus Metall-Hydroxid, insbesondere Magnesiumhydroxid, und vorzugsweise Brucit, sowie einem Bindemittel, insbesondere einem hydraulischen Bindemittel, vorzugsweise einem CEM I-V Zement sowie gegebenenfalls Wasser.
Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass bereits aus diesen Bestandteilen Wärmespeichermaterialien mit hervorragenden Eigenschaften erhalten werden können.
Auch in dieser Ausführungsform ist das verwendete Metall-Hydroxid vorzugsweise ein Magnesiumhydroxid mit feinkörniger Sieblinie (Kerngrößengruppe 0-3 mm).
Weiterhin bevorzugt ist in dieser Ausführungsform auch die Verwendung einer Kombination eines Magnesiumhydroxids mit feinkörniger Sieblinie (Kerngrößengruppe 0-3 mm) und eines Magnesiumhydroxids mit grobkörniger Sieblinie (Kerngrößengruppe 3-6 mm), wobei vorzugsweise 30-40% feinkörnige Sieblinie mit 60-70% grobkörnige Sieblinie kombiniert werden.
In dieser Ausführungsform beträgt der Anteil an Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesiumhydroxid und insbesondere Brucit im erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial vorzugsweise von 66 Gew.-% bis 85 Gew.-% und insbesondere von 70 Gew.-% bis 80 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Wärmespeichermaterials.
Der Anteil an Bindemittel, bevorzugt hydraulischem Bindemittel und insbesondere Zement CEM I-V beträgt in dieser Ausführungsform vorzugsweise von 14 Gew.-% bis 24 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Wärmespeichermaterials. Als weiterer Bestandteil ist üblicherweise noch Wasser enthalten.
Ein solches Wärmespeichermaterial wird vorzugsweise bei Temperaturen bis 350 °C eingesetzt und weist eine Wärmekapazität von 1,3 bis 1,5 J/(kg*K), eine Rohdichte von 1,8 bis 2,0 kg/m³ und eine Druckfestigkeit von 10 bis 20 N/mm² auf. Soweit das Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesiumhydroxid und insbesondere Brucit ausschließlich eine feinkörnige Sieblinie (100% Korngrößengruppe 0-3 mm) aufweist, wird ein Wärmespeichermaterial mit einer Wärmeleitzahl von 1,3 bis 1,5 W/(m*K) erhalten. Soweit als Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesiumhydroxid und insbesondere Brucit ein Material umfassend eine Kombination aus feinkörniger Sieblinie und grobkörniger Sieblinie verwendet wird, kann die Wärmeleitzahl nochmals gesteigert werden und Werte bis zu 2,2 W/(m*K) erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Wärmespeichermaterial umfassend

i) ein Metall-Hydroxid und
ii) ein Bindemittel, insbesondere ein hydraulisches Bindemittel und
iii) zusätzliches Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃.

Noch mehr bevorzugt besteht das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial aus Metall-Hydroxid, insbesondere Magnesiumhydroxid, und vorzugsweise Brucit, sowie einem Bindemittel, insbesondere einem hydraulischen Bindemittel, vorzugsweise einem CEM I-V Zement und zusätzlichem Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃, sowie gegebenenfalls Wasser.
In dieser Ausführungsform beträgt der Anteil an Metall-Hydroxid, bevorzugt Magnesiumhydroxid und insbesondere Brucit im erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial vorzugsweise von 66 Gew.-% bis 85 Gew.-% und insbesondere von 70 Gew.-% bis 80 Gew.-%. Der Anteil an Bindemittel, vorzugsweise hydraulischem Bindemittel und insbesondere Zement CEM I-V beträgt vorzugsweise 14 Gew.-% bis 24 Gew.-%. Der Anteil an Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃ im Wärmespeichermaterial beträgt, ausgedrückt als Gesamtmenge an Eisenoxid vorzugsweise mindestens 1,0 Gew.-%, bevorzugt mindestens 1,35 Gew.-%, mehr bevorzugt mindestens 1,50 Gew.-%, mehr bevorzugt mindestens 1,70 Gew.-% und am meisten bevorzugt mindestens 2,0 Gew.-%, noch weiter bevorzugt mindestens 2,15 Gew.-% und insbesondere mindestens 2,50 Gew.-% und vorzugsweise bis zu 5 Gew.-%, insbesondere bis zu 4 Gew.-% und besonders bevorzugt bis zu 3 Gew.-%.
Ausgedrückt als „zusätzliches Eisenoxid“ enthält das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial in dieser Ausführungsform vorzugsweise mindestens 0,1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,35 Gew.-%, noch mehr bevorzugt mindestens 1,0 Gew.-% und am meisten bevorzugt mindestens 1,15 Gew.-% zusätzliches Eisenoxid und bis zu 5 Gew.-%, insbesondere bis zu 4 Gew.-%, und bevorzugt bis zu 3 Gew.-% zusätzliches Eisenoxid.
Weiterhin kann auch in dieser Ausführungsform das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial Wasser enthalten.
Es wurde festgestellt, dass durch die Zugabe von Eisenoxid und insbesondere von Eisen(III)oxid die Wärmebeständigkeit des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials weiter verbessert werden kann. Durch die Zugabe von Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)oxid wird insbesondere eine Wärmebeständigkeit bis in einen Temperaturbereich von 600 °C bis 900 °C erreicht.
Für Ausführungsformen, welche Eisenoxid, insbesondere Eisen(III)oxid enthalten, wird vorzugsweise das Metall-Hydroxid, vorzugsweise Magnesiumhydroxid und insbesondere Brucit mit feinkörniger Sieblinie (100% Sieblinie 0-3 mm) eingesetzt.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Wärmespeichermaterial umfassend

i) ein Metall-Hydroxid und
ii) Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃.

Es wurde festgestellt, dass bei Anlegen von erhöhtem Druck, insbesondere einem Druck von > 10 bar ein Wärmespeichermaterial aus Metall-Hydroxid, vorzugsweise Magnesiumhydroxid und insbesondere Brucit sowie Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃ gebildet werden kann. Das Eisenoxid wirkt dabei als Kristallisator und Binder-Ersatz, sodass insbesondere ein weiteres Bindemittel, wie beispielsweise ein hydraulisches Bindemittel nicht bzw. nur ggf. zum Erreichen der sog. „Grünfestigkeit“ erforderlich ist. Nach Trocknung weist ein solches Wärmespeichermaterial vorteilhafterweise nur noch einen minimalen Wasseranteil von < 1 Gew.-%, bevorzugt < 0,5 Gew.-% auf. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung eines solchen Wärmespeichermaterials bestehend aus Metall-Hydroxid und Eisenoxid in Extrudern oder durch Strangpressen.
Das Wärmespeichermaterial gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise kein Dispergiermittel, insbesondere keine organische Säure. Besonders bevorzugt ist ein Wärmespeichermaterial, welches keine Zitronensäure, keine Weinsäure, keine Apfelsäure und/oder keine Ascorbinsäure umfasst. Am meisten bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Material keine Zitronensäure, insbesondere kein Zitronensäure-Monohydrat.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial zeichnet sich dadurch aus, dass seine Wärmekapazität oberhalb der üblichen Wärmekapazität von Schamott- und Kalksandsteinen (maximal 1000 J/(kg*K)) liegt. Insbesondere beträgt die Wärmekapazität des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials vorzugsweise bis zu 1600 J/(kg*K) und besonders bevorzugt 1200-1600 J/(kg*K), und am meisten bevorzugt 1300-1500 J/(kg*K).
Durch die höhere Wärmekapazität des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials kann vorteilhafterweise gegenüber Schamott und/oder Kalksandsteinen deutlich mehr Wärme im Material gespeichert werden.
Das Material weist darüber hinaus vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe im erforderlichen Temperaturbereich auf. Insbesondere zeichnet sich das neue Wärmespeichermaterial dadurch aus, dass es eine gegenüber Schamott- und Kalksandsteinen (0,50 W/m*K) deutlich gesteigerte Wärmeleitfähigkeit von bis zu 2,2 W/m*K und vorzugsweise von 1 bis 2 W/m*K, am meisten bevorzugt von 1,3 bis 1,5 W/m*K aufweist.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial weist zudem vorteilhafterweise ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wärmekapazität und entsprechender Wärmeleitfähigkeit auf. Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial weist vorteilhafterweise bei einer Materialtemperatur von 100°C eine Wärmekapazität von 1,3-1,5 J/(g*K) und eine Wärmeleitfähigkeit von 1,3-1,5 W/(m*K) auf. Im Gegensatz dazu weist bei entsprechenden Bedingungen ein handelsüblicher Schamott HBO+ eine Wärmekapazität von 0,7 J/(g*K) und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,5 W/(m*K) auf. Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial zeigt daher im Gegensatz zu Schamott ein optimales Verhältnis von hoher Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. So kann das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial erheblich mehr Wärme schneller aufnehmen, sie aber dennoch langsamer abgeben als Schamott. Es wurde in diesem Zusammenhang festgestellt, dass bei identischen Versuchsparametern das erfindungsgemäße Material eine um ca. 20-30% verlängerte Wärme-Entladungsphase gegenüber handelsüblichen Schamott und Kalksandsteinen zeigt.
Dies führt zu einer deutlich effizienteren Speicherung der Wärme im Material und gewährleistet somit eine lang anhaltende Abgabe der Wärme.
Weiterhin zeichnet sich das neue Material durch eine hohe Feuerbeständigkeit aus, so dass das Material auch höheren Temperaturen von bis zu 600° - 900°C ausgesetzt werden kann. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft wenn im Feuerraum befindliche Bauteile, wie z.B. Prallplatten oder Zyklone, aus dem erfindungsgemäßen Material hergestellt werden. Insbesondere weist das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial eine hohe Feuerbeständigkeit auf, wenn dem Material Eisenoxid (Fe₂O₃), insbesondere 1 bis 3 Gew.-%, insbesondere 1,15 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% als zusätzliches Eisenoxid zugegeben wird. Zur Herstellung eines feuerbeständigen Wärmespeichermaterials wird zudem vorzugsweise ein Metall-Hydroxid, insbesondere Brucit, mit feinkörniger Sieblinie (Korngrößengruppe 0-3 mm) verwendet.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Materials mit erhöhter Steinfestigkeit wird vorzugsweise als im Wärmespeichermaterial enthaltenes Bindemittel Zement CEM I-V verwendet. Insbesondere liegt die Steinfestigkeit des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials bei > 10 N/mm², vorzugsweise > 20 N/mm² und besonders bevorzugt bei bis zu 25 N/mm².
Erfindungsgemäß lässt sich das Produkt als fließfähiges oder auch als hydraulisch gebundenes Wärmespeichermaterial einsetzen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein härtbares Material bereitgestellt, das z.B. in Schalungen und/oder in hydraulischen Strangpressen und Extrudern zu selbstaushärtenden Wärmespeicher-Steinen geformt werden kann. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind ein geringer Energiebedarf bei der Herstellung, ein einfacher, ökologischer Herstellungsprozess, verringerte Produktionskosten sowie die höhere Effizienz bei der Wärmespeicherung (erhöhte Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit bereits ab 20°C).
Zur Bildung des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials können die einzelnen Bestandteile einfach zusammengegeben und angerührt werden.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial ist insbesondere ein exotherm, chemisch abbindendes Wärmespeichermaterial. Ein abgebundenes Wärmespeichermaterial kann somit auf einfache Weise durch Zusammengeben der Ausgangsmaterialien und gegebenenfalls Wasser und Aushärten des Materials erhalten werden. Ein Sintern oder Brennen, wie es beispielsweise zur Herstellung von keramischen Wärmespeichern wie Schamotten erforderlich ist, muss nicht durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial zeichnet sich somit dadurch aus, dass zu seiner Herstellung kein Energieaufwand nötig ist, sondern das Produkt lediglich durch einfache chemische Umsetzung hergestellt werden kann. Im Gegensatz zur Herstellung von allgemein bekannten künstlichen Kalksandsteinen entfallen vorteilhafterweise bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials z.B. die zum Löschen des Kalks benötigten Reaktoren, sowie die zur Härtung des Kalks notwendigen Autoklaven.
Zur Bereitstellung eines erdfeuchten bis plastischen Wärmespeichermaterials wird vorzugsweise Anmachwasser, Metall-Hydroxid, insbesondere Magnesiumhydroxid (Brucit) sowie Bindemittel, insbesondere ein hydraulisches Bindemittel, und gegebenenfalls Eisenoxid (Fe₂O₃) vermischt. Vorzugsweise werden zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials 56 Gew.-% bis 90 Gew.-%, insbesondere 60 Gew.-% bis 85 Gew.-% und noch mehr bevorzugt 66 Gew.-% bis 80 Gew.-% Metall-Hydroxid, insbesondere Magnesium-Hydroxid, 1 Gew.-% bis 30 Gew.-%, insbesondere 14 Gew.-% bis 24 Gew.-% hydraulischer Binder, insbesondere CEM I-V Zement, und 1 bis 3 Gew.-%, insbesondere 1,15 bis 2,5 Gew.-% zusätzliches Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃ und 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, insbesondere 5 Gew.-% bis 17 Gew.-% Anmachwasser eingesetzt. Die Gewichtsangaben beziehen sich dabei jeweils auf das Gesamtgewicht des angemachten Nassgemisches.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials umfassend die Schritte

a) Bereitstellen eines Metall-Hydroxids,
b) Bereitstellen eines Bindemittels,
c) Vermischen des Metall-Hydroxids und des Bindemittels in Wasser und
d) Aushärten lassen des Wärmespeichermaterials.

In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials umfassend

a) Bereitstellen eines Metall-Hydroxids,
b) Bereitstellen eines Bindemittels,
c) Vermischen des Metall-Hydroxids und des Bindemittels in Wasser unter Zugabe von zusätzlichem Eisenoxid und
d) Aushärten lassen der Mischung.

In einer weiteren Ausführungsform besteht das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial aus Metall-Hydroxid, insbesondere Magnesiumhydroxid, und vorzugsweise Brucit, sowie Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃ als Kristallisator und Binder-Ersatz, und nach Trocknung einem nur noch minimalen Wasseranteil < 1%, wenn die Herstellung des Wärmespeichermaterials in Extrudern oder Strangpressen unter erhöhtem Druck (> 10 bar) erfolgt.
Wenn die Herstellung des Wärmespeichermaterials in Extrudern oder Strangpressen unter erhöhtem Druck (> 10 bar) erfolgt, kann hier auf ein weiteres Bindemittel, wie z.B. Zement CEM I-V verzichtet werden. In dieser weiteren Ausführungsform besteht das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial aus Metall-Hydroxid, insbesondere Magnesiumhydroxid, und vorzugsweise Brucit, sowie Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃ als Kristallisator und Binder-Ersatz, und nach Trocknung einem nur noch minimalen Wasseranteil < 1%.
Die Erfindung betrifft deshalb auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials umfassend

a) Bereitstellen eines Metall-Hydroxids und
b) Bereitstellen eines Eisenhydroxids,
c) Vermischen der Bestandteile Metall-Hydroxid und Bindemittel,
d) Formen der Mischung unter erhöhtem Druck von > 10 bar, beispielsweise in Extrudern oder Strangpressen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein härtbares Wärmespeichermaterial ausgehend von einem Metall-Hydroxid, insbesondere Brucit, gegebenenfalls Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃, unter Zugabe eines hydraulischen Bindemittels (CEM I-V) hergestellt, zum Beispiel:

5 bis 17 Gew.-% Anmachwasser,
1 bis 3 Gew.-% zusätzliches Fe₂O₃,
56 bis 80 Gew.-% Magnesium-Hydroxid,
14 bis 24 Gew.-% hydraulischer Binder,

Durch die Mengenverhältnisse wird sichergestellt, dass kein überflüssiges (später ungebundenes und deshalb verdunstendes bzw. sich ausdehnendes Wasser) zugesetzt wird, weil dies die endgültige Rohdichte/Wärmekapazität und Aushärtung/Festigkeit herabsetzen würde und in geschlossenen Speichern zu Ausdehnungsproblemen führen könnte.
Das Endprodukt ist dadurch gekennzeichnet, dass es vorzugsweise umfasst

0 bis 7 Gew.-% gebundenes Wasser,
1 bis 3 Gew.-% zusätzliches Fe₂O₃,
66 bis 85 Gew.-% Magnesium-Hydroxid,
14 bis 24 Gew.-% hydraulischer Binder,

Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial kann zur Speicherung von Wärme aber auch zur baulichen Reduzierung von Feinstaub in einem Ofen oder Kamin verwendet werden. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial in aushärtbarer, bevorzugt in selbstaushärtender Form als Wärmespeicherstein geformt und als Ersatz für bisher zur Wärmespeicherung eingesetzte Schamottesteine oder Kalksandsteine verwendet. Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials als wärmespeichernde Ofenummantelung oder als Feuerfeststein im Brennraum oder als Prallplatte.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials in Additiv-Heizkaminen (AHK), in Nachheizkasten (NHK), sowie in Nachheizmodulen (NHM). Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung des Wärmespeichermaterials zur Speicherung von Wärme in elektrischen Nacht- oder Raumspeicherung-Heizungen (NSH/RSH).
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial kann z.B. in Additiv-HeizKaminen (AHK) verwendet werden. In einem AHK strömt aus einem Ofen eingeleitetes Abgas ausschließlich von unten nach oben. Ein AHK besteht aus EcoMag-Kaminsteinen in konventioneller Ausführung, d.h. in Form eines üblichen Kaminsteines, z.B. 4 Steine zu je 250mm Höhe übereinander. Er ist ausgestattet mit einem Ofenrohranschluss und einer Putzöffnung (beides unten) und einer obenliegenden Anschlussbuchse zur Verbindung mit dem bestehenden Hauskamin. Der Höhenausgleich zur Erreichung der erforderlichen Anschlusshöhe zum Ofen wird über einen oder mehrere Sockelsteine hergestellt. Einbauten im AHK sind optional, d.h. nicht notwendig. Additiv-Heiz-Kamine können bei bestehenden Feuerstätten in Richtung Kamin additiv vorgeschaltet werden um überschüssige Wärme aus den Abgasen zu speichern. Damit kann die Abgastemperatur z.B. von 350°C auf 250°C gesenkt und zur Raumbeheizung genutzt werden. Damit werden die hohen Abgastemperaturen von Feuerstätten aufgefangen, und aufgrund der Effizienzerhöhung der Brennstoffverbrauch und damit auch der Schadstoffausstoß um ca. 25% gesenkt. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials, das gegenüber Schamott- und Kalksandsteinen deutlich höhere und effizientere Wärmeaufnahme- und Wärmespeichereigenschaften besitzt, kann in einem AHK auf komplizierte Rauchzüge und außerhalb der Feuerstätten unzulässige Fallstrecken (Nachheizkasten) verzichtet werden. Ein mit einem AHK, welcher das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial umfasst, nachgerüsteter Ofen wird vorzugsweise zum Kombi-Ofen, d.h. er vereinigt die schnelle Raumerwärmung des Konvektions-Ofens mit der lang anhaltenden Strahlungswärme des Grund-Ofens.
In einem Nachheizkasten, welcher nach einem Ofen und vor dem Kamin angeordnet ist, strömt das aus dem Ofen eingeleitete Abgas von oben nach unten, um die Aufnahme einer großen Wärmemenge aus dem Abgas in das Wärmespeichermaterial zu ermöglichen. Aufgrund der hohen Wärmekapazität und der hohen Wärmeleitzahl des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials ist eine effektive Ausnutzung der Wärme im Abgas möglich.
In einem platzsparend auf die Ofen-Brennkammer aufgesetzten Nachheizmodul (NHM) wird der Abgasstrom durch die Prallplatte bereits tangential beschleunigt und wird dann in den integrierten, sich nach oben verjüngenden, „Zyklonen“ erneut beschleunigt und verwirbelt. Nachfolgend durchlaufen die Abgase, anders als bei einem Nachheizkasten (NHK), mehrfach vertikal und horizontal umgelenkt, das mit Steinen aus dem Wärmespeichermaterial befüllte Nachheizmodul (NHM), wo sie noch mehr Wärme und Feinstaub abgeben.
Zudem können aus dem erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial vorzugsweise feuerfeste Bauteile, die im Feuerraum selbst eingesetzt werden, z.B. im Feuerraum befindliche Prallplatten und Zyklone, hergestellt werden. Diese Bauteile sind zeitweise einem Temperaturbereich von 600°C-900°C ausgesetzt. Das für die Herstellung von feuerfesten Bauteilen verwendete Wärmespeichermaterial enthält vorzugsweise Binder, Eisenoxid und Magnesium-Hydroxid mit feiner Sieblinie (0-3mm).
Zyklone können sehr einfach industriell, auch als „vereinfachte Zyklone“ bei denen die Verwirbelung durch senkrechte Stege anstatt der Schraubenform erreicht wird, produziert werden. Sie erzeugen eine ausreichende Verwirbelung und haben dank der Kegel-Verjüngung ebenfalls einen signifikanten Beschleunigungseffekt, der durch die entstehende Fliehkraft zur Agglomeration (= Verklumpung des Feinstaubs durch Turbulierung bei gleichmäßig hohen Temperaturen von 600-900°C) der Staubteilchen an der Wandung führt. Mit dem erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial hergestellte Zyklone sind wartungsfrei, weil der anhaftende Staub ohne Behinderung zurück in den Brennraum fällt und eine Verstopfung somit ausgeschlossen ist. Die Rauchgase und Staubpartikel werden auch durch die sog. Prallplatte bereits vor dem Durchgang durch die Zyklone tangential beschleunigt. Die Dicke der Prallplatte und die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterials ermöglichen eine signifikante Speicherung und Nivellierung der Abgaswärme.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial kann aber auch in plastischer bis erdfeuchter Form, insbesondere als Ersatz für Wasser in herkömmliche Wasserspeicher eingebracht werden, wo es exotherm abbindet. Somit betrifft die vorliegende Erfindung weiterhin die Verwendung des Wärmespeichermaterials zur Speicherung von Wärme in einem mit dem Material befüllten Wasser- bzw. Schichtwasserspeicher, gegebenenfalls in Kombination mit einem Kaminofen oder auch in einer Fussboden- oder Wandflächenheizung bestehend aus handelsüblichen Fußboden Heizelementen, die in dem Material eingebettet sind und sowohl elektrisch als auch solarthermisch beheizt werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Wärmespeicherplatten oder Wärmespeicherformsteine sowie Prallplatten und Zyklone, die aus dem erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial gebildet sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer Mischung umfassend Metall-Hydroxid, insbesondere Brucit, und ein Bindemittel, insbesondere Zement CEM I-V, sowie vorzugsweise Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃, und gegebenenfalls Wasser als Wärmespeichermaterial.
Weiterhin soll die Erfindung durch die nachfolgenden Figuren und Beispiele erläutert werden.
1a zeigt einen Heizofen, in dem sowohl das Hypokaustensystem (dunkelgrün), wie auch die im Brennraum feuerfeste Prallplatte (rot) aus dem erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial gebildet sind. 1a zeigt zudem wie der Abgasstrom aus der Brennkammer durch die Prallplatte tangential beschleunigt und in den, sich nach oben verjüngenden Zyklonen, die in der Prallplatte ausgebildet sind, nochmals beschleunigt und verwirbelt wird. Nachfolgend durchlaufen die Abgase den mit dem Wärmespeichermaterial der Erfindung befüllten Nachheizkasten (NHK), wobei Wärme an die Formsteine abgegeben und der in den Abgasen enthaltene Feinstaub reduziert wird.
1b zeigt ein auf die Ofen-Brennkammer aufgesetztes Nachheizmodul (NHM). Der Abgasstrom (grün) wird durch die Prallplatte (rot) bereits tangential beschleunigt und wird in den integrierten, sich nach oben verjüngenden, „Zyklonen“ erneut beschleunigt und verwirbelt. Nachfolgend durchlaufen die Abgase mehrfach vertikal (blau) und horizontal (weiss) umgelenkt, das mit Steinen aus dem Wärmespeichermaterial befüllte Nachheizmodul (NHM), wo sie noch mehr Wärme und Feinstaub abgeben.
2 zeigt eine Aufnahme einer Prallplatte eines Heizofens die ohne Zyklone (2a) bzw. mit Zyklonen (2b) ausgebildet ist. 2c zeigt ferner eine Detailansicht eines schraubenförmigen Zyklons für eine Prallplatte, die mit dem erfindungsgemäßen Material hergestellt wurde. 2d zeigt vereinfachte „Zyklone“ bei denen die Verwirbelung durch senkrechte Stege anstatt der Schraubenform erreicht wird. Die mit dem erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterial hergestellten Prallplatten und Zyklone befinden sich im Feuerraum eines Heizofens und können hohen Temperaturen von 600°C bis 900°C ausgesetzt werden. Durch die Prallplatte und die Zyklone wird die Abgasführung im Brennraum optimiert und die Abgasverweildauer verlängert.
3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anwendung des Wärmespeichermaterials in einem Komplettsystem bestehend aus einem mit dem Wärmespeichermaterial befüllten Pufferspeicher (grün) und elektrisch beheizten RSH-Raumspeichern (grün). In Warmwasserspeichern (i.d.R. 60°C) ist neben der Beladung aus Feststoffspeichern (300°C aus zwischengespeichertem Überlaststrom) auch die direkte Speicherung von Solarthermie möglich. Beides ist hier parallel im Warmwasserspeicher ebenso wie im vorgeschalteten Pufferspeicher vorgesehen. PVT-Hybridkollektoren (Photovoltaik/Flüssigkeit) erzeugen Strom und Warmwasser. Ein heute üblicherweise mit Wasser gefüllter Wärmespeicher kann, begrenzt durch Verkalkung (>60°C) und Wärmeausdehnung im Speicher, maximal auf 60°C erhitzt werden. Die Maximaltemperatur des Wärmespeichermaterials liegt über 300°C, d.h. es kann die volle Temperaturspanne bis zur Verdampfungs- bzw. Rückkühlungstemperatur eines Solar-Kollektors (>180°C) speichern. Ohne Sonneneinstrahlung kann der Pufferpeicher mind. 3 Tage ersatzweise zur Beladung des WW-Speichers benutzt werden, wodurch sich die Anschaffung bereits innerhalb von 6 Jahren amortisiert. Bisher amortisiert sich solare WW-Bereitung erst nach 18 Jahren.
Überlaststrom aus der integrierten PV-Anlage - ebenso wie von aussen angelieferter Netz-Überlaststrom - kann in Form von Wärme im Pufferspeicher und in den RSH-Raumheizern - beide bestückt mit dem Wärmespeichermaterial - gespeichert werden. Dazu werden Flächenheizungsmodule in den Speichern eingegossen. Die gespeicherte Wärme kann zeitversetzt auch an WW-Heizkörper, Fussbodenheizungen und die Brauchwasserversorgung abgegeben werden. Intelligente Regler erkennen wann günstiger Überlaststrom anliegt und heizen dann die Speicher aus dem Wärmespeichermaterial auch tagsüber auf.
Beispiele
Beispiel 1:
Ein erfindungsgemäßes Wärmespeichermaterial wurde durch einfaches Zusammengeben und Anrühren der Bestandteil erhalten. Das fertige Material enthält: 66 bis 85 Gew.-% Magnesiumhydroxid (Korngröße 0-3 mm), 14 bis 24 Gew.-% hydraulischer Binder (CEM I-V), 1 bis 3 Gew.-% zusätzliches Fe₂O₃ und 0-7 Gew.-% gebundenes Wasser, jeweils bezogen auf das Trocken-Gesamtgewicht des fertigen Produkts.
Beispiel 2:
In den letzten Jahren wurden zunehmend gesinterte Feolit-Steine für Nacht- oder Raumspeicherheizungen (NSH/RSH) verwendet. Das in Feolit-Speichersteinen enthaltene Chromatit (Cr(III)-oxid) wandelt sich infolge der Temperatureinwirkung (bis zu 900°C) während der Betriebsphase nach und nach zu Chromat (Chrom(VI)-oxid) um. Je nach Rezeptur kommt es zu unterschiedlich hohen Chromat-Belastungen (Chrom(VI)-oxid). Chrom(VI)-oxid ist wasserlöslich, gesundheitsschädlich, nachgewiesen krebserregend und umweltgefährdend.
Das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial aus Beispiel 1 sowie ein üblicherweise in Nachtspeicheröfen verwendetes Feolit wurden in Nachtspeicheröfen (Radiatoren = RSH) getestet, die abwechselnd 1 Stunde lang aufgeheizt und 5 Stunden lang ausgekühlt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial eine Wärmekapazität von 1400 J/(kg*K) bei einer Materialdichte von 1,8-2,0 kg/l aufweist. Feolit hingegen weist eine Wärmekapazität von 900 J/(kg*K) bei einer Materialdichte von 4,0-4,2 kg/l auf. Folglich zeigt das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial, obwohl es ein deutlich leichteres Material ist (Feolit ist doppelt so schwer), eine verbesserte Wärmekapazität. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Wärmespeichermaterial ökologisch, schadstofffrei, weitestgehend chromatfrei (kein krebserregendes Chrom(VI)-oxid) und auch deutlich preisgünstiger als Feolit.
Beispiel 3
Es wurden die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials aus Beispiel 1 und eines Schamott HBO+ Materials bei einer Materialtemperatur von 20 bis 100 °C gemessen. Die Wärmekapazität des Wärmspeichermaterials aus Beispiel 1 betrug 1400 J/(kg*K) und die Wärmeleitfähigkeit 1,4 W/(m*K). Im Gegensatz dazu betrug die Wärmekapazität von Schamott HBO+ erst ab 100°C 700 J/(kg*K) und die Wärmeleitfähigkeit 0,5 W/(m*K).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013213832 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 197-1 [0024]
DIN EN 459-1 [0024]

Claims

Wärmespeichermaterial umfassend i.) ein Metallhydroxid und ii.) ein Bindemittel, insbesondere ein hydraulisches Bindemittel und/oder iii.) zusätzliches Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃.
Wärmespeichermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens 1,0 Gew.-% zusätzliches Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃, bezogen auf das Gesamtgewicht des Wärmespeichermaterials umfasst.
Wärmespeichermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es als Metallhydroxid Magnesium-Hydroxid, insbesondere Mg(OH)₂, und besonders bevorzugt Brucit, umfasst.
Wärmespeichermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallhydroxid eine Korngrößengruppe 0-3 mm aufweist.
Wärmespeichermaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallhydroxid eine Kombination von 30-40% Korngrößengruppe 0-3 mm und 60-70% Korngrößengruppe 3-6 mm aufweist.
Wärmespeichermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Bindemittel einen Zement, insbesondere einen Zement CEM I, II, III, IV oder V, einen Tonerdezement (TZ) oder einen Tonerdeschmelzzement (TSZ), oder einen hydraulischen Kalk, insbesondere einen natürlichen hydraulischen Kalk NHL 1, 2, 3, 4 oder 5 umfasst.
Wärmespeichermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin Wasser umfasst.
Wärmespeichermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es kein Dispergiermittel, insbesondere keine organische Säure umfasst.
Wärmespeichermaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es keine Zitronensäure, Weinsäure, Äpfelsäure oder Ascorbinsäure umfasst.
Wärmespeichermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass es aus i.) Metallhydroxid, ii.) Bindemittel, und/oder iii.) Eisenoxid und gegebenenfalls Wasser besteht.
Wärmespeichermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 66 bis 85 Gew.-% Metall-Hydroxid, insbesondere Magnesium-Hydroxid, 14 bis 24 Gew.-% Bindemittel, insbesondere CEM I-V Zement, 0 bis 7 Gew.-% gebundenes Wasser und 1 bis 3 Gew.-%, insbesondere 1,15 bis 2,5 Gew.-% zusätzliches Fe₂O₃ umfasst.
Wärmespeichermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Wärmekapazität von 1000 bis 1600 J/(kg·K) und vorzugsweise von 1300 bis 1500 J/(kg·K) aufweist.
Wärmespeichermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Wärmeleitfähigkeit von 1 bis 2,2 W/(m*K) und vorzugsweise von 1,3 bis 1,5 W/(m*K) aufweist.
Verwendung eines Wärmespeichermaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Additiv-Heiz-Kamin (AHK), in einem Nachheizkasten (NHK), in einem Nachheizmodul (NHM) und/oder in einer elektrischen Nacht- oder Raumspeicherheizung (NSH/RSH).
Verwendung eines Wärmespeichermaterials nach einem der Ansprüche 1-13 in einem Wasser- bzw. Schichtwasserspeicher, in einem Kaminofen oder auch in einer Fussboden- oder Wandflächenheizung.
Wärmespeicherplatte, Wärmespeicherformstein, Prallplatte oder Zyklon, die aus dem Wärmespeichermaterial nach einem der Ansprüche 1-13 gebildet sind.
Verwendung einer Mischung umfassend Metall-Hydroxid, insbesondere Brucit, und Bindemittel, insbesondere CEM I-V, gegebenenfalls Eisenoxid, insbesondere Fe₂O₃, und gegebenenfalls Wasser als Wärmespeichermaterial.