DE102018004153A1 - Material für einen Latent- Wärmespeicher - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Latent- Wärmespeichermaterial, das die Wärme aus der Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums in Kombination mit der, aus der Ausnutzung der Enthalpie reversibler chemischer Reaktionen erzeugter Wärme speichert und wieder abgibt, wobei, wobei ein schmelzbarer Feststoff, vorzugsweise ein Paraffin oder ein Paraffin- Pflanzenöl -Wachs-Gemisch, das je nach Temperaturniveau einstellbar ist, mit fein gemahlener Aktivkohle, vorzugsweise in den Korngrößen von 0 bis 1mm gemischt und zur Aufnahme der Energie aus dem Phasenwechsel und der Energie aus der reversiblen chemische Reaktion geschmolzen wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Latent- Wärmespeichermaterial, das die Wärme aus der Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums in Kombination mit der, aus der Ausnutzung der Enthalpie reversibler chemischer Reaktionen erzeugter Wärme speichert und wieder abgibt.
- Ein Latent-Wärmespeicher ist eine Einrichtung, die thermische Energie verborgen, verlustarm, mit vielen Wiederholzyklen und über lange Zeit speichern kann. Man nutzt dazu sogenannte Phasenwechselmaterialien (phase change materials, PCM), deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität (ohne den Phasenumwandlungseffekt) speichern können. Beispiele sind Wärmekissen, Kühlakkus oder mit Paraffin gefüllte Speicherelemente in den Tanks von solarthermischen Anlagen. Latent- Wärmespeicher funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Das dabei am häufigsten genutzte Prinzip ist die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig und umgekehrt (Erstarren-Schmelzen).Beim Aufladen des Inhalts kommerzieller Latent- Wärmespeicher werden meist spezielle Salze oder Paraffine als Speichermedium geschmolzen, die dabei sehr viel Wärmeenergie (Schmelzwärme) aufnehmen, wie z. B. Dikaliuinhydiogenphosphat-Hexahydrat. Das Entladen findet als Erstarren statt, wobei das Speichermedium die zuvor aufgenommene große Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung abgibt. Für technische Anwendungen als Latent-Wärmespeicher ist eine Unterkühlung der Schmelze in der Regel unerwünscht. Daher müssen dem Material geeignete Keimbildner zugesetzt werden, die eine Kristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur bewirken.
- Die
DE 10 2010 047 149 B4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Latent-Wärmespeichermaterialien (PCM) beinhaltenden Baumaterialien, wobei ein Paraffin als PCM den Baumaterialien in Kombination mit einem weiteren organischen Material in Form von Polyethylenglykol beigemischt und/oder durch Imprägnieren zugefügt wird, wobei der Anteil des Paraffins bezogen auf die Kombination mit Polyethylenglykol bei 40 bis 99 Gew.-% liegt und es sich bei dem Baustoffmaterial um Gips, Gips(bau)platten oder Beton handelt. - Die
DE 20 2007 013 140 U1 betrifft Erfindung für ein Latent- Wärmespeichermedium, wobei das Latent- Wärmespeichermedium wenigstens aus zwei Latent-Wärmespeicherkomponenten besteht, die in einem Betriebstemperaturbereich des Latent- Wärmespeichermediums jeweils einen Phasenübergang aufweisen, wobei wenigstens eine Latent- Wärmespeicherkomponente zumindest ein Latent-Wärmespeicherelement aufweist, das beim Phasenübergang formstabil bleibt. Die Latent- Wärmespeicherkomponenten weisen ähnliche, vorzugsweise identische Phasenübergangstemperaturen bzw. ähnliche, vorzugsweise sich überlappende Phasenübergangstemperaturbereiche auf, wobei die erste Latent-Wärmespeicherkomponente, beispielsweise ein Polymer, bevorzugt Polyethylen zumindest abschnittsweise einen fest-fest Phasenübergang und die zweite Latent-Wärmespeicherkomponente, beispielsweise ein Paraffin zumindest abschnittsweise einen fest-flüssig Phasenübergang aufweist. - Eine Paraffin/Wasser-Emulsion als Kälteträger und Speichermedium wird in der
DE 20 2009 018 635 U1 offenbart, wobei die Emulsion, die mindestens eine in mindestens einer kontinuierlichen Phase dispergierte innere Phase aufweist und die innere Phase mindestens ein Tensid sowie mindestens einen Keimbildner und die kontinuierliche Phase mindestens ein Thixotropierungsmittel enthält. - Die
DE 102 00 318 A1 beschreibt den Einsatz von paraffinhaltigen Pulvern als PCM in Polymercompositen für Kühlvorrichtungen. Die Polymercomposite, geeignet als Matrix für Phasenwechselmaterialien (PCMs) zur Speicherung von Wärme, besteht aus einer Silica-Matrix in welcher die PCMs eingebettet sind und gegebenenfalls Additive und/oder Hilfsstoffe, wobei in die Polymercomposite Paraffine als PCMs in eine Silica-Matrix eingebettet werden. - Ein Latent-Wärmespeicher wird in der
DE 295 12 743 U1 beschrieben, bei dem das Latent-Wärmespeichermaterial durch Einkapselung oder Anlagerung derart separiert oder an Trägermaterial angelagert ist, wobei das Latent-Wärmespeichermaterial in Form einer Schüttung angeordnet ist, so dass es im geladenen wie ungeladenen Zustand von dem Wärmetransportmittel durchströmbar ist. Das Speichermaterial besteht im Einzelnen aus einem Trägermaterial wie Silikon oder Aktivkohle in Form von einzelnen Körnchen, an welchem das Latent-Wärmespeichermaterial, bevorzugt Paraffin, angelagert ist. Somit ist eine Lösung des Latent-Wärmespeichermaterials in einem Wärmeübertransportmittel wie beispielsweise Wasser nicht gegeben. - Die
EP 1 455 155 B1 ein Phasenwechselmaterial (PCM. Phase Change Material)-Element zur latenten Wärmespeicherung, bei dem das Phasenwechselmaterial innerhalb einer Umhüllung angeordnet ist, wobei innerhalb der Umhüllung ein Geflecht und/oder ein Profil aus wärmeleitendem Material angeordnet ist. Das wärmeleitende Material ist ein Metall und das wärmeleitende Profil ist ein Aluminium-Strangpressprofil. Die Umhüllung besteht aus mindestens einem zwei- oder mehrschichtigen Material in Form einer Folie, wobei eine Schicht aus einem hochelastischen Material und mindestens eine weitere Schicht aus einem flammfesten oder nicht-brennbaren Material besteht. Das Phasenwechselmaterial ist ein Salz, ein Salzhydrat, ein Gemisch von Salzen und/oder Salzhydraten und/oder ein organisches Material, vorzugsweise Paraffin und ein Gemisch von Magnesium- und Lithiumnitrat. - Die Erfindung gemäß
EP 2 937 320 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sorptions-Wärmespeichers durch Mischen eines porösen Adsorptionsmittels mit zumindest einem Salz, wodurch das poröse Adsorptionsmittel mit dem zumindest einem Salz beladen und mit zumindest einem Hydrophobierungsmittel hydrophobiert wird. Das partikelförmige, poröse Adsorptionsmittel ist insbesondere durch zumindest einen Zeolith gebildet. Es sind aber auch andere poröse Adsorptionsmittel verwendbar, insbesondere anorganische Adsorptionsmittel, wie z.B. Silikagele, Alumosilikate, Schichtsilikate, mesoporöse Silikate (MCM), Aktivkohle, metallorganische Adsorptionsmittel (MOF). Das partikuläre Adsorptionsmittel weist vorzugsweise eine maximale Korngröße von 5 mm, insbesondere eine Korngröße zwischen 0,1 mm bis 5 mm, auf, wenn es mit dem Hydrophobierungsmittel versetzt wird. Die maximale Korngröße ist dabei definiert als der Durchmesser der das Partikel gerade einschließenden Hüllkugel. Insbesondere kann das Adsorptionsmittel eine Korngrößen-Verteilung aufweisen. Mögliche Korngrößen Verteilungen sind z.B.: 15 µm (d50), 50 µm (d50), 100 µm (d50), 0 mm bis 0,2 mm, 0,2 mm bis 1,0 mm, 1,0 mm bis 2,5 mm. 2,5 mm bis 5,0mm, sowie Kombinationen daraus. Weiter ist bevorzugt, wenn das partikuläre Adsorptionsmittel mikroporös (Porengröße kleiner 0,2mm) oder mesoporös (Porengröße 0,5 nm bis 50 nm) oder makroporös (Porengröße größer 50 nm) entsprechend der IUPAC Nomenklatur ist, Besonders bevorzugt ist das partikuläre Adsorptionsmittel mikroporös bzw. mesoporös mit einem Porendurchmesser von bis zu 50 nm. Durch den Einsatz von einem Adsorptionsmittel mit Poren in dieser Größenordnung kann die Wasseraufnahmefähigkeit des Adsorptionsmittels durch Erhöhung der wirksamen Oberfläche erreicht werden. Das Porenvolumen der Adsorptionsmittel-Partikeln kann dabei zwischen 0,05 cm3/g und 2 cm3/g betragen. Die Porenoberfläche kann zwischen 100 cm3/g und 4000 cm3/g betragen. - Die im Stand der Technik Latent- Wärmespeichermittel funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Das dabei am häufigsten genutzte Prinzip ist die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig und umgekehrt (Erstarren-Schmelzen). Beim Aufladen des Inhalts dieser Latent- Wärmespeicher werden meist spezielle Salze oder Paraffine als Speichermedium geschmolzen, die dabei sehr viel Wärmeenergie (Schmelzwärme) aufnehmen, wie z. B. Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat. Das Entladen findet als Erstarren statt, wobei das Speichermedium die zuvor aufgenommene große Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung abgibt. In diesem Latent- Wärmespeicher wirkt ein zweiter Effekt neben dem Effekt des Erstarrens/Schmelzens. Dieser zweite Effekt der Wärmespeicherung wird auf das Adsorbieren und Desorbieren des Paraffins oder eines der anderen Inhaltsstoffe des Gemisches an der Aktivkohleoberfläche auch durch Chemisorption zurückgeführt.
- Die im Stand der Technik beschrieben Lösungen für Sorptions-Wärmespeicher verwenden die durch Mischen eines porösen Adsorptionsmittels, hier u.a. Aktivkohle mit zumindest einem Salz, wodurch das poröse Adsorptionsmittel mit dem zumindest einem Salz beladen und mit zumindest einem Hydrophobierungsmittel hydrophobiert wird. Hier wirkt die mit einem beladenen Salz und hydrophobierter Aktivkohle nur zur Speicherung der Wärme auf dem Prinzip der Sorption und nicht auf dem Prinzip der Ausnutzung der Enthalpie des Phasenwechsels eines PCM.
- Aufgabe der Erfindung ist eine Wärmespeichermedium zu schaffen, das die Ausnutzung der Enthalpie des Phasenwechsels eines Speichermediums (PCM) mit der reversibler chemischer Reaktionen mit den auf Adsorptions- und Desorptionsprozess beruhenden Wärmeübergang bei der Wärmespeicherung zu kombinieren und durch einen guten Wärmeleiter zu beschleunigen, so dass eine größere Energiemenge und die Wärme schneller aufgenommen oder abgeben werden kann.
- Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Latent- Wärmespeichermittel gelöst ,das die Energie aus der Ausnutzung der Enthalpie des Phasenwechsels eines Speichermediums (PCM) mit der Energie aus reversibler chemischer Reaktionen mit den auf Adsorptions- und Desorptionsprozess beruhenden Wärmeübergang speichert oder abgibt, wobei ein schmelzbarer Feststoff, vorzugsweise ein Paraffin oder ein Paraffin- Pflanzenöl -Wachs-Gemisch, das je nach Temperaturniveau einstellbar ist, mit fein gemahlener Aktivkohle, vorzugsweise in den Korngrößen von 0 bis 1mm gemischt und zur Aufnahme der Energie aus dem Phasenwechsel und der Energie aus der reversiblen chemische Reaktion geschmolzen wird. Beim Erstarren dieses Gemisches wird dann die gespeicherte Energie wieder abgegeben. In diesem Latent- Wärmespeichermedium wirkt der Effekt latenter Wärmespeicherung neben dem Effekt des Erstarrens Schmelzens. Dieser Effekt des Erstarrens des Schmelzens wird auf das Adsorbieren und Desorbieren des Paraffins an der Aktivkohleoberfläche auch durch Chemisorption zurückgeführt.
- In einer Auslegung der Erfindung beträgt die Aktivkohle 5 bis 100% des Massenanteils des schmelzbaren Feststoffes, insbesondere 20 bis 50%.
- In einer weiteren Auslegung der Erfindung wird das Paraffin-Aktivkohle-Gemisch unter Druck (bis zu 150 bar) gesetzt und so kann nochmals die dreifache Wärmemenge gegenüber der Wärmemenge aus Anspruch 1 aufgenommen werden, so dass insgesamt 3-8 mal die Wärmemenge, die pure Paraffine aufnehmen können, aufgenommen werden kann.
- Weiterhin kann die aufgenommene Wärmemenge reversibel, teilweise unter Druckentspannung, wieder abgegeben werden.
- Gleiche Effekte erzielt man mit organischen Salzen und anderen festen schmelzbaren Stoffen, wie Pflanzenölen- und -fetten, Wachsen, Paraffinen und Paraffingemischen.
- In einer weiteren Ausprägung der Erfindung wurde gefunden, dass bei Zusatz von Palmöl und/oder Camaubawachs zum Paraffin-Aktivkohle-Gemisch der Effekt nochmal gesteigert werden konnte, um etwa das doppelte zum einfachen Paraffin-Aktivkohle-Gemisch.
- Außerdem ist es über diese Gemische möglich, Wärme bei unterschiedlichen Temperaturniveaus zu speichern, da die Gemische unterschiedliche Schmelzbereiche haben und so Wärme von verschiedenen Temperaturniveaus genutzt werden kann.
- Des Weiteren können anstelle von Aktivkohle, Zeolithe, Bentonite, Kieselgele, Kieselgur,und lonentauschermaterialien verwendet werden, also alles was über adsorptive Eigenschaften und große innere Oberflächen verfügt.
- Letztere insbesondere in Verbindung mit schmelzbaren langkettigen geladenen Substanzen, wie Wachse, Tenside, Fettsäuren und Emulgatoren.
- Überraschender Weise zeigt sich nun aber ein ganz anderes Verhalten des Paraffins im Gemisch mit der Aktivkohle, als bei aus Paraffin bestehenden herkömmlichen Latent- Wärmespeichermedien.
- Beim Erhitzen konnte wesentlich mehr, mindestens bis zu zwei Mal mehr Energie hineingegeben werden, ohne dass sich die Temperatur der Paraffinschmelze veränderte. Auch das Abkühlen der Schmelze und das Erstarren dauern wesentlich länger, als das Abkühlen der Schmelze mit Paraffin ohne Aktivkohlezusatz.
- Die durch diese Effekte aufgenommen und abgegeben zusätzlichen Wärmemengen sind enorm. Dies zeigt sich auch dadurch, dass bei Erwärmen der Schmelze, der Kern in der Temperatur abnimmt, was daraufhin deutet, dass die Aktivkohle große Mengen Paraffin adsorbieren kann.
- Mit diesem zusätzlichen Phasenübergang steht nun auf gleichem Raum eine wesentlich größere Wärmespeicherkapazität zur Verfügung. Diese ist abhängig von der Oberfläche der Aktivkohle und deren relative Menge zum Paraffin.
- Dieses Gemisch kann eine wesentlich höhere Menge je Volumeneinheit an Wärme aufnehmen, als der schmelzbare Stoff allein. Die wesentlich höhere Menge beträgt dabei 50-500% mehr an Wärmeaufnahme.
- Die Erfindung wird nun an Hand eines Beispiels näher erläutert.
- Paraffin wird mittels Erwärmung geschmolzen und dieser Schmelze werden 50 % Masseanteile an feingemahlener Aktivkohle mit einer Korngröße von 0 bis 1mm zu gemischt, gleichmäßig im Paraffin verteilt und einem Behälter mit eingebauten Wärmetauscher zu geführt, wobei das Volumen des Behälters an die Volumenänderung des Gemisches aus Paraffin und Aktivkohle beim Phasenwechsels des Paraffins angepasst wird. Durch Abkühlung des Gemisches erstarrt dieses im Behälter. Über den im Behälter angeordneten Wärmetauscher wird dann die Wärme aus einer Quelle für eine Wärmeerzeugung, wie Solaranlage, zugeführt und durch Schmelzen des Gemisches aus Paraffin und Aktivkohle als Latent- Wärme im Speichermedium aufgenommen Durch Erstarren des Latent-Wärmespeichermittel kann dann über den Wärmetauscher die gespeicherte Latent-Wärme wieder abgeführt werden.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010047149 B4 [0003]
- DE 202007013140 U1 [0004]
- DE 202009018635 U1 [0005]
- DE 10200318 A1 [0006]
- DE 29512743 U1 [0007]
- EP 1455155 B1 [0008]
- EP 2937320 A1 [0009]
Claims (10)
- Latent- Wärmespeichermaterial das die Energie aus der Ausnutzung der Enthalpie des Phasenwechsels eines Speichermediums (PCM) mit der Energie aus reversibler chemischer Reaktionen mit den auf Adsorptions- und Desorptionsprozess beruhenden Wärmeübergang speichert oder abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein schmelzbarer Feststoff mit fein gemahlener Aktivkohle im Gemisch geschmolzen ist.
- Latent- Wärmespeichermaterial nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die fein gemahlene Aktivkohle eine Korngröße von 0 bis 1 mm aufweist. - Latent- Wärmespeichermaterial nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff auf der Basis von Paraffin oder ein Paraffin- Pflanzenöl - Wachs-Gemisch, das je nach Temperaturniveau einstellbar ist, besteht. - Latent- Wärmespeichermaterial nach
Anspruch 1 und3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanteil an Aktivkohle 5 bis 100% des Massenanteils des schmelzbaren Feststoffes beträgt. und besonders bevorzugt 20 bis 50% . - Latent- Wärmespeichermaterial nach
Anspruch 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanteil an Aktivkohle 20 bis 50% beträgt. - Latent- Wärmespeichermaterial nach
Anspruch 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Paraffin-Aktivkohle-Gemisch Palmöl und/oder Camaubawachs zugemischt sind. - Latent- Wärmespeichermaterial nach
Anspruch 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Paraffin-Aktivkohle-Gemisch unter Druck gesetzt wird. - Latent- Wärmespeichermaterial nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Paraffin-Aktivkohle-Gemisch unter einen Druck von bis zu 150 bar gesetzt wird. - Latent- Wärmespeichermaterial nach
Anspruch 1 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass die im Latent- Wärmespeichermaterial aufgenommene Wärmemenge reversibel abgegeben wird. - Latent- Wärmespeichermaterial nach
Anspruch 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass die im Latent- Wärmespeichermaterial aufgenommene Wärmemenge unter Druckentspannung reversibel abgegeben wird.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE102018004153.1A DE102018004153A1 (de) | 2018-05-23 | 2018-05-23 | Material für einen Latent- Wärmespeicher |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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-
2018
- 2018-05-23 DE DE102018004153.1A patent/DE102018004153A1/de not_active Withdrawn
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