DE19756006A1 - Thermal energy storage with phase change - Google Patents

Thermal energy storage with phase change

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Arndt Buschmann
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    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
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    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Abstract

The latent energy storage medium is introduced directly into the medium to be tempered (2), which flows around it. An Independent claim is included for the thermal storage unit. It contains a storage medium as a layer of pellets, or as composites. This medium (1) is restrained (4) suitably on all sides.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Speichern von thermischer Energie in Phasenwechselmedien durch das Zusammenwirken von pelletförmigen Speicherschicht- bzw. -ver­ bundelementen und Energie und/oder Stoffspeichern, die direkt von dem zu temperierenden Medium durchströmt werden.The invention relates to a method and a device for storing of thermal energy in phase change media through the Interaction of pellet-shaped storage layer or ver bundle elements and energy and / or material stores directly from the to be flowed through to the medium to be tempered.

Aus Gründen des rationellen Energie- und Ressourceneinsatzes gilt es heutzutage, Latentwärmespeicher einzusetzen, die entweder eine höhere Energiemenge im gleichen Stoffvolumen oder eine identische Energiemenge in einem bedeutend geringeren Stoffvolumen als herkömmliche Speicher speichern. Einer allgemeinen Verbreitung dieser Latentwärmespeicher steht bisher der komplizierte Aufbau, die hohen Kosten und das Fehlen einer kostengünstigen Nachrüstbarkeit bestehender Speicher entgegen.It applies because of the rational use of energy and resources Nowadays, latent heat storage systems are used, which are either higher Amount of energy in the same volume of substance or an identical amount of energy in a significantly lower volume of material than conventional storage to save. A general spread of this latent heat storage stands so far the complicated structure, the high costs and the lack of one inexpensive retrofittability of existing storage.

Der Stand der Technik hierzu ist, daß Latentwärmespeicher zur Aufnahme thermischer Energien in einem Phasenwechselmedium, entsprechend dem Patent DE 27 41 829, als separate Einheiten realisiert werden. Hierbei schwimmt das Latentspeichermedium in Form von kunststoffumhüllten Paraffinteilchen in einem separaten Wärmespeicher-, Transportmedium, welches sich in einem, durch Wärmetauscher von dem zu temperierenden Medium getrennten, Behälter oder Kreislauf befindet. Desweiteren ist aus DE 33 38 009 die Verwendung von ummantelten Phasenwechselmedien als Verbundwerkstoff zur Energiespeicherung in Baumaterialien und Mauerwerkskonstruktionen bekannt.The prior art for this is that latent heat storage for receiving thermal Energies in a phase change medium, according to patent DE 27 41 829, can be realized as separate units. Here it floats Latent storage medium in the form of plastic - coated paraffin particles in a separate heat storage and transport medium, which is in a separated from the medium to be tempered by heat exchangers, Container or circuit. Furthermore, from DE 33 38 009 Use of coated phase change media as a composite for energy storage in building materials and masonry structures known.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Schaffen einer technischen Lösung, die die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile, wie eine größere Trägheit bei der Aufnahme und Abgabe der im Phasenwechsel gespeicherten Energie, den hohen finanziellen Aufwand für den Latentwärmespeicher und die schlechte Nachrüstbarkeit bestehender Speicher überwindet.The object of the invention is therefore to create a technical Solution that the disadvantages arising from the prior art, such as a greater sluggishness in taking up and releasing the phase change stored energy, the high financial expenditure for the Latent heat storage and the poor upgradeability of existing ones Memory overcomes.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Danach ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß ein geeignetes Latentspeichermedium direkt in den Durchflußspeicher des zu temperierenden Mediums eingebracht und durch entsprechende Rückhaltevorrichtungen in dem dafür vorgesehenen Bereich fixiert wird. Als Latentspeichermedium, welches sich unter den geforderten Einsatzbedingungen bei direktem Kontakt mit Brauch/Trinkwasser eignet, bieten sich kunststoffumhüllte Paraffinpellets an. Hierbei wird eine elastische Kunststoffhülle verwendet, welche der Volumenänderung des Paraffins bei Phasenumwandlung ermüdungsfrei nachgibt und chemisch neutral gegenüber Paraffin und dem zu temperierenden Medium ist. Durch das Bestreben der unter Vorspannung auf das Paraffin aufgebrachten Kunststoffhülle, eine Form mit kleinstmöglicher Oberfläche einzunehmen, wird das Paraffin, auch im flüssigem Zustand, in einer kugelähnlichen Form gehalten. Hierzu ist es notwendig, daß die Kunststoffhülle eine derartige Festigkeit aufweist, daß der durch das verflüssigte Paraffin erzeugte Innendruck die von außen wirkenden Kräfte kompensieren kann. Diese kugelähnliche Form ermöglicht einen weitestgehend ungehinderten Durchfluß des zu temperierenden Mediums und den erforderlichen Energieaustausch.The task is essentially according to the invention characteristic features of claims 1 and 5 solved. Thereafter, the method is characterized in that a suitable Latent storage medium directly in the flow memory of the  tempering medium introduced and by appropriate Restraint devices is fixed in the designated area. As a latent storage medium, which is among the required Conditions of use in direct contact with custom / drinking water, plastic-coated paraffin pellets are ideal. Here is a elastic plastic sleeve used, which the volume change of the Paraffins yields fatigue-free and chemically during phase change is neutral towards paraffin and the medium to be tempered. By the aspiration of the pre-stressed paraffin Plastic cover to take a shape with the smallest possible surface, the paraffin, even in the liquid state, is in a spherical shape held. For this purpose, it is necessary that the plastic casing be such Strength has that that produced by the liquefied paraffin Internal pressure can compensate for external forces. This spherical shape allows a largely unhindered Flow of the medium to be tempered and the required Energy exchange.

Der Einsatz von Paraffin als Phasenwechselspeichermedium hat neben seinem günstigen Preis und seiner im Arbeitstemperaturbereich des Speichers festlegbaren Phasenwechseltemperatur auch noch den Vorteil der chemischen Neutralität und Ungiftigkeit.The use of paraffin as a phase change storage medium also has its reasonable price and its in the working temperature range of Storage-definable phase change temperature also has the advantage of chemical neutrality and non-toxicity.

Die bisher aufgeführten Eigenschaften des Latentspeichermediums ermöglichen es, dieses direkt in einen Speicher einzubringen der zum Temperieren des Brauch/Trinkwassers von diesem durchflossenen wird. Somit kann die über Heizungs- und Solaranlage mittels Wärmetauscher zugeführte Energie, die derzeit nicht benötigt wird, weitestgehend im Latentspeichermedium für die spätere Verwendung zwischengespeichert werden. Bei der Brauch-/Trinkwasserentnahme durchströmt dieses, auf dem Weg vom Kaltwasserzufluß zum Warmwasserauslaß, den Bereich des Latentwärmespeichermediums, wobei dieses seine gespeicherte Energie an das zu erwärmende Brauch/Trinkwasser abgibt.The properties of the latent storage medium listed so far make it possible to insert this directly into a memory which is used for Tempering the custom / drinking water through which it flows. Thus, the heating and solar system using a heat exchanger supplied energy, which is currently not required, largely in the Latent storage medium cached for later use become. When drinking water / drinking water flows through this, on the Away from the cold water inlet to the hot water outlet, the area of the Latent heat storage medium, this being its stored energy releases the warmth to be heated / drinking water.

Für die Kugelgröße wird ein Optimum gewählt, welches durch die Rohranschlüsse der nachzurüstenden Durchflußspeicher einerseits und durch ein günstiges Verhältnis zwischen Paraffin- und Hüllenvolumen andererseits eingegrenzt ist. Bei neuen Latentwärmespeichern nach diesem Verfahren spielt die Öffnungsweite der Rohranschlüsse für die Kugelgröße keine Rolle, allerdings wird bei zu großem Kugelvolumen das thermische Verhalten des Latentwärmespeichers immer träger.An optimum is chosen for the ball size, which is determined by the Pipe connections of the flow memory to be retrofitted on the one hand and due to a favorable ratio between paraffin and envelope volume on the other hand is limited. With new latent heat storage after this Process plays the opening width of the pipe connections for the ball size no role, but if the ball volume is too large, the thermal Behavior of the latent heat storage always sluggish.

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Warmwasserspeicher hat ein Latentwärmespeicher eine günstigere Lade- und Entladekurve. In contrast to a conventional hot water tank has a Latent heat storage a cheaper charging and discharging curve.  

Diese werden bei der erfindungsgemäßen Verwendung von geschichteten Latentwärme Speichermaterialien mit, entsprechend dem Temperaturschichtverlauf des Speichers abgestufter Phasenwechseltemperatur, noch entscheidend verbessert. Das Abwandern des Latentspeichermediums, aus dem dafür vorgesehenen Bereich, in den Wasserkreislauf wird durch das Einbauen von Sieben/Körben verhindert.These are layered when using the invention Using latent heat storage materials, according to the Temperature layer course of the storage graded Phase change temperature, still significantly improved. The migration of the latent storage medium from the intended one Area into the water cycle by installing Sieving / baskets prevented.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Fig. 1 zeigt die Nachrüstung eines schon installierten Durchflußspeichers (3), in welchem das zu temperierende Medium (2), nachträglich teilweise durch ein Latentspeichermedium (1), entsprechend dem vorgenannten Verfahren ersetzt wurde. In dem Kaltwasserzufluß (6) und den Warm­ wasserabfluß (7) wird jeweils ein Sieb (4) installiert, welches ein Abwandern des Latentspeichermediums (1) über den Brauch-/Trink­ wasserkreislauf verhindern. Das Latentspeichermedium (1) besteht in diesem Beispiel aus Paraffin mit einer einheitlichen Phasenwechsel­ temperatur, da in diesem Fall keine schichtweise Anordnung möglich ist. Fig. 1 shows the retrofitting of an already installed flow storage device ( 3 ), in which the medium ( 2 ) to be tempered was subsequently replaced partly by a latent storage medium ( 1 ) according to the aforementioned method. In the cold water inflow ( 6 ) and the warm water drain ( 7 ), a sieve ( 4 ) is installed, which prevent migration of the latent storage medium ( 1 ) via the water / drinking water circuit. The latent storage medium ( 1 ) consists in this example of paraffin with a uniform phase change temperature, since in this case no layer-by-layer arrangement is possible.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Fig. 2 zeigt einen Latentwärmedurchflußspeicher (3) mit mehreren, dem Temperaturschichtverlauf des Speichers angepaßten, Latentspeicherschichten mit unterschiedlicher Phasenwechseltemperatur. Diese Latentwärmespeicherschichten werden durch Siebe (4) in ihrem Bereich fixiert. Dieses Verfahren ist jedoch nur beim Neubau von Speichern möglich, bietet dafür aber auch eine bessere Speicherkennlinie als der Speicher nach Fig. 1. Fig. 2 shows a latent heat flow memory ( 3 ) with several, the temperature layer profile of the memory adapted, latent storage layers with different phase change temperature. These latent heat storage layers are fixed in their area by sieves ( 4 ). However, this method is only possible when building new stores, but also offers a better storage characteristic than the store according to FIG. 1.

BezugszeichenlisteReference list

11

Latentspeichermedium
Latent storage medium

22nd

zu temperierendes Medium
medium to be tempered

33rd

Durchflußspeicher
Flow storage

44th

Rückhalteeinrichtungen
Restraint devices

55

Strömungsrichtung
Flow direction

66

Kaltwasserzufluß
Cold water inflow

77

Warmwasserabfluß
Hot water drain

88th

Wärmetauscher
Heat exchanger

99

Latentspeicherbereich
Latent storage area

Claims (8)

1. Verfahren zur Speicherung thermischer Energie im Arbeitstemperaturbereich des Speichers, bei dem der Phasenwechsel von pelletförmigen Speicherschicht- bzw. -ver­ bundelementen, als Latentspeichermedium genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Latentspeichermedium direkt in das zu temperierende Medium einge­ bracht und von diesem umströmt wird.1. A method for storing thermal energy in the working temperature range of the memory, in which the phase change of pellet-shaped storage layer or -ver bund elements, is used as a latent storage medium, characterized in that the latent storage medium is brought directly into the medium to be tempered and flows around it . 2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Latent­ speichermedium in einen Durchflußspeicher eingebracht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the latent storage medium is introduced into a flow memory. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das beim losen Einbringen des Latentspeichermediums, welches auf Grund der geringeren Artdichte als das zu temperierende Medium den oberen Teil des Durchflußspeichers ausfüllt, ein Latentspeichermedium mit einheitlicher Pha­ senwechseltemperatur verwendet wird.3. Process according to claims 1 and 2, characterized in that for that with the loose insertion of the latent storage medium, which due to the lower density than the medium to be tempered the upper part of the Flow memory fills, a latent storage medium with a uniform Pha temperature is used. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pha­ senwechselmedien mit unterschiedlicher Phasenwechseltemperatur ent­ sprechend den Temperaturschichtverlauf des Durchflußspeichers, in definier­ ten Schichten angeordnet werden.4. The method according to claims 1 and 2, characterized in that Pha media with different phase change temperatures speaking the temperature layer course of the flow storage, in defin th layers can be arranged. 5. Vorrichtung zur Durchführung der Energiespeicherung in Phasenwech­ selmedien, bestehend aus einem Latentwärmespeicher, in dem zur Speicherung thermischer Energie, im Phasenwechsel des Speichermediums, pelletförmige Speicherschicht- bzw. -verbundprodukte als Latentspeichermedium verwendet werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Latentwärmespeicher als Durchflußspeicher für das zu temperierende Medium (2) ausgebildet ist und
daß der für das Latentspeichermedium (1) vorgesehene Bereich allseits durch, für das eingesetzte Latentspeichermedium (1) geeignete Rückhalteeinrichtun­ gen (4) begrenzt wird. 5. Device for carrying out the energy storage in phase change media, consisting of a latent heat store in which pellet-shaped storage layer or composite products are used as latent storage medium for storing thermal energy, in the phase change of the storage medium.
characterized,
that the latent heat storage is designed as a flow storage for the medium to be tempered ( 2 ) and
that provided for the latent storage medium (1) is bounded on all sides by area, for the used latent storage medium (1) suitable Rückhalteeinrichtun gene (4). 6. Vorrichtung nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Latentspeichermedium (1) gefüllte Bereich (9), aufgrund der Form und Beschaffenheit des Latentspeichermediums (1), von dem zu temperierenden Medium (2) durchströmt werden kann.6. The device according to claim 5, characterized in that the area ( 9 ) filled with the latent storage medium ( 1 ), due to the shape and nature of the latent storage medium ( 1 ), can be flowed through by the medium to be tempered ( 2 ). 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im Flußweg des zu temperierenden Mediums (2) liegenden Rückhalteeinrich­ tungen (4) von diesem durchströmt werden können.7. Device according to claims 5 and 6, characterized in that in the flow path of the medium to be tempered ( 2 ) lying Retaining lines ( 4 ) can be flowed through by this. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anordnung von mehr als zwei quer zur Strömungsrichtung (5) lie­ gende Rückhalteeinrichtungen (4), Latentspeicherbereiche (9) mit unterschied­ licher Phasenwechseltemperatur fixiert werden.8. Device according to claims 5 to 7, characterized in that by the arrangement of more than two transverse to the flow direction ( 5 ) lying retaining devices ( 4 ), latent storage areas ( 9 ) are fixed with different phase change temperature.
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