DE202011002156U1

DE202011002156U1 - Latentwärmespeicher

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Publication number: DE202011002156U1
Application number: DE202011002156U
Authority: DE
Original assignee: Promat GmbH
Current assignee: Promat GmbH
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: EP2671038A1; WO2012104060A1; EP2671038B1

Abstract

Latentwärmespeicher-Körper umfassend einen zumindest teilweise offenporigen porösen Träger aus einem silikatischen Material das ein Calciumsilikat enthält, insbesondere ein Calciumsilikathydrat, und ein hieran gebundenes Latentwärmespeicher-Material, insbesondere ein Phasenumwandlungs-Material (PCM), wobei sich das Latentwärmespeicher-Material zumindest teilweise in den Poren des Trägers befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher-Körper umfassend einen zumindest teilweise offenporigen porösen Träger aus einem silikatischen Material das ein Calciumsilikat enthält, insbesondere ein Calciumsilikathydrat, und ein hieran gebundenes Latentwärmespeicher-Material, insbesondere ein Phasenumwandlungs-Material. Die Erfindung ist zudem auf einen Latentwärmespeicher gerichtet, welcher wenigstens einen vorgenannten Latentwärmespeicher-Körper umfasst.
Bei der Latentwärmespeicherung macht man sich den Effekt zunutze, dass die bei einer Zustandsänderung eines Stoffs aufgenommene beziehungsweise abgegebene thermische Energie wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität, also ohne die Zustandsänderung, speichern können. Zu diesem Zweck werden Latentwärmespeicher-Materialien verwendet, deren latente Reaktionswärme, Schmelzwärme, Lösungswärme oder auch Adsorptionswärme in oben genannter Weise genutzt wird, um thermische Energie zu speichern. Weitere wichtige Voraussetzungen für die technische Verwertbarkeit solcher Latentwärmespeicher-Materialien bestehen darin, dass die entsprechende Reaktion vollkommen reversibel sein muss und die Materialien zudem ihre Funktionalität auch über viele Wiederholungszyklen aufrecht erhalten müssen.
Bislang werden solche Phasenumwandlungs-Materialien oder auch Latentwärmespeicher-Materialien, bei denen reversible chemische Prozessen zum Einsatz kommen, in Latentwärmespeichern als Speichermedium eingesetzt. Derartige Latentwärmespeicher sind beispielsweise aus der DE 43 33 829 bekannt, bei der Wärmeenergie über einen Solarkollektor gewonnen und über einen Wärmeträger zu einem Speichermedium transportiert wird. Dort wird die eingebrachte Wärmeenergie in Form von Adsorptions- und Desorptionsenergie auf das Speichermedium übertragen bzw. aus diesem rückgewonnen. Als Speichermaterialien werden Molekularsiebe vorgeschlagen, an denen Wasserdampf ad- bzw. desorbiert wird.
Aus der DE 35 32 093 ist weiterhin ein thermochemischer Wärmespeicher bekannt, bei dem mittels Adsorptions und Desorptionsprozessen von Wasser oder Ammoniak an Zeolith oder Silicagel Wärmeenergie gespeichert bzw. abgerufen werden kann. Bei beiden zuvor genannten Vorrichtungen befinden sich die Adsorptions- bzw. Desorptionsmedien in einem Reaktionsbehälter, in dem sie mittels eines Wärmetauschers erhitzt werden können, um den adsorbierten Stoff, d. h. Wasser oder Ammoniak abzuspalten, wodurch der thermochemische Wärmespeicher geladen wird. Die desorbierte Substanz wird anschließend aus dem Reaktionsbehälter entfernt. Um die gespeicherte Wärmeenergie zurück zu gewinnen, wird der desorbierte Stoff, also das Wasser bzw. der Ammoniak wieder mit dem im Reaktionsbehälter befindlichen Feststoff in Kontakt gebracht, wodurch Adsorptionswärme frei wird, die dann über den Wärmetauscher an einen Verbraucher, beispielsweise eine Heizung oder einen Warmwasseraufbereiter, abgegeben wird.
Schließlich ist in der EP 1 975 219 ein thermochemischer Wärmetauscher sowie ein Heizsystem mit einem solchen Wärmespeicher beschrieben, bei dem in einem Reaktionsraum Magnesiumamid bereitgestellt wird, das durch Eintrag von Wärmeenergie über einen Wärmetauscher in einer chemischen Reaktion Ammoniakgas unter Bildung von Magnesiumnitrid freisetzt, wobei der Wärmespeicher geladen wird. Das gebildete Ammoniakgas wird mittels einer Pumpe bzw. eines Verdichters in einen Fluidspeicher überführt, wo es unter Druck verflüssigt werden kann. Zum Entladen des Wärmespeichers wird das Ammoniakgas wieder in den Reaktionsraum überführt, wo es mit dem Magnesiumnitrid in einer exothermen Reaktion zu Magnesiumamid reagiert, wobei die Reaktionswärme über den Wärmetauscher an einen Verbraucher abgegeben werden kann. Als Energiequelle zum Laden des Wärmespeichers dient beispielsweise ein Solarkollektor oder die Wärme eines Abgasstroms in einem Kraftfahrzeug.
Problematisch bei den zuvor genannten Methoden zur Latentwärmespeicherung ist es, dass hierbei in der Regel ein Wärmetauscherfluid zwingend erforderlich ist, mit welchem die Wärme zum Speichermedium hin- und wieder weggeführt werden kann. Dies hat nicht nur Wärmeverluste durch die Übertragung zur Folge, sondern verkompliziert den Aufbau erheblich. Gerade im Bereich der ökologischen Energierückgewinnung im Gebäudebereich ist eine dezentrale und weniger komplexe Möglichkeit zur Wärmespeicherung wünschenswert.
Zu diesem Zweck sind beispielsweise Baustoffplatten im Handel erhältlich, die mit einem Phasenumwandlungs-Material ausgerüstet sind. So ist es beispielsweise bekannt, ein von der BASF unter der Bezeichnung Micronal^® PCM angebotenes Latentwärmespeichermaterial in Gipsbauplatten zu verwenden. Bei Micronal^® PCM handelt es sich um kunststoffummantelte Wachs-Partikel, die zur Rohstoffmischung der Gipsbauplatten hinzuformuliert werden können. Zwar erhält man auf diese Weise eine Baustoffplatte mit Latentwärme-speichernden Eigenschaften, jedoch besteht ein Problem darin, dass die Menge an PCM-Material in der Gipsplatte stark limitiert ist. Die Micronal^® PCM Kunststoffkapseln wirken wie ein Füllstoff, wodurch wie bei jedem anderen Füllstoff auch die Platte brüchig wird, wenn der Füllstoffanteil gegenüber dem Bindemittel, also Gips, einen bestimmten Wert übersteigt. Daher ist letztlich die spezifische Wärmespeicherkapazität in J/kg solcher Gipsbauplatten nicht für alle Anwendungen auf dem gewünschten Niveau.
In der ebenfalls auf die BASF zurückgehenden DE 10 2004 049 341 A1 wird vorgeschlagen, den zuvor genannten verkapselten Latentwärmespeicher Micronal^® PCM in einen Polyurethanhartschaumstoff einzubetten. Dazu werden die Speicherpartikel der flüssigen Monomermischung zugesetzt und diese anschließend ausgeschäumt. Diese Lösung wird schon aufgrund der hochgradig krebserzeugenden Monomere von Polyurethanen, den Di-isocyanaten, nicht in jedem Falle als befriedigend empfunden. Zudem sind Polyurethan-basierte Platten nicht für Brandschutzzwecke geeignet sondern können im Brandfall sogar giftige Dämpfe freisetzen.
Ein anderer Ansatz wird in dem von DuPont unter der Bezeichnung „Energain” vertriebenen Platte verfolgt. Dabei wird ein Phasenumwandlungs-Material in Form einer Mischung eines Copolymers mit einem Paraffin als Plattenkern sandwichartig von zwei Aluminiumplatten eingeschlossen. Eine solche Platte kann zwar nach Herstellerangaben wie eine Gipskartonplatte zugeschnitten werden, jedoch müssen die Schnittkanten anschließend wieder mit speziellen Aluminium-Klebeband versiegelt werden, um ein Herausfließen des Phasenumwandlungs-Materials zu verhindern. Die Verarbeitbarkeit einer solchen Platte ist deshalb in der Praxis schwierig. Außerdem können an den Schnittkanten möglicherweise mit der Zeit Undichtigkeiten auftreten mit der Folge, dass ein Teil des Phasenumwandlungs-Materials herausfließt.
Aus der DE 100 07 848 A1 ist es weiterhin bekannt, ein Latentwärmespeichermedium in eine Matrix aus einem Metallschaum einzubetten. Zwar mag die Verwendung eines Metallschaums zu einer guten Wärmeleitung führen, jedoch wären solche Matrixsysteme für den Baubereich zu kostspielig und würden zudem zusätzliche Brandschutzvorkehrungen erfordern.
Schließlich wird in der EP 2 058 278 A2 offenbart, bestimmte Phasenumwandlungs-Materialien in einer Matrix aus expandiertem Graphit einzuschließen. Aus diesem Material können Granulate oder Platten hergestellt werden. Nachteilig bei diesem Material sind die hohen Materialkosten, die einer breiten Anwendung im Baubereich entgegen stehen. Zudem ist Graphit auch aus brandschutztechnischer Sicht nicht unbedenklich. Expandierter Graphit quillt bei Hitzeeinwirkung sehr stark auf, so dass daraus hergestellte Platten nicht formstabil bleiben.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand also darin, einen Latentwärmespeicher-Körper zur Verfügung zu stellen, der eine hohe spezifische Wärmespeicherkapazität aufweist. Zudem soll der Latentwärmespeicher-Körper bei einer Vielzahl von Lade- und Entladevorgängen eine nahezu unveränderte Speicherkapazität und außerdem gute Brandschutzeigenschaften besitzen. Schließlich soll der Latentwärmespeicher-Körper die Herstellung mechanisch stabiler und dauerhaft beständiger Formkörper ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Latentwärmespeicher-Körper umfassend einen zumindest teilweise offenporigen porösen Träger aus einem silikatischen Material das ein Calciumsilikat enthält, insbesondere ein Calciumsilikathydrat, und ein hieran gebundenes Latentwärmespeicher-Material, insbesondere ein Phasenumwandlungs-Material (PCM = phase-change-material), wobei sich das Latentwärmespeicher-Material zumindest teilweise in den Poren des Trägers befindet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich silikatische Träger mit einer großen Menge an Latentwärmespeicher-Material beziehungsweise Phasenumwandlungs-Materialien beladen lassen, so dass ein Großteil des Porenvolumens anschließend von diesem Material belegt ist. Daraus resultiert eine hohe spezifische Speicherkapazität, das heißt es kann mehr Energie (J) pro Masse (kg) des Formkörpers gespeichert werden.
Zudem hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass selbst bei hohen Beladungen mit Latentwärmespeicher-Material dieses bei Überschreiten dessen Schmelzpunkts dennoch nicht aus dem silikatischen Material heraus fließt. Es wird vermutet, dass hierfür eine besondere Porenstruktur und daraus abgeleitete besonders ausgeprägte Kapillarkräfte innerhalb des silikatischen Materials verantwortlich sind.
Unter einem silikatischen Material wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein solches Material verstanden, bei dem die Bestandteile CaO und SiO₂ die Gesamteigenschaften wesentlich mitbestimmen. Dies ist vor allem bei einem solchen Material der Fall, das wenigstens 35 Gew.-% SiO₂ enthält, insbesondere wenigstens 40 Gew.-%. Der Gehalt an CaO eines solchen Materials liegt beispielsweise bei wenigstens 25 Gew.-%, insbesondere bei bis zu 50 Gew.-% CaO.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher-Körper kann beispielsweise in partikulärer Form vorliegen oder auch als Formkörper. Im erstgenannten Fall ist es besonders bevorzugt, wenn der Träger als Granulat vorliegt. Die Beladung mit dem Latentwärmespeicher-Material erfolgt zweckmäßigerweise so, dass die einzelnen Partikel des Trägers nicht miteinander verkleben, um die Schüttfähigkeit der partikulären Latentwärmespeicher-Körper zu erhalten.
Zur Herstellung eines Latentwärmespeicher-Formkörpers können verschiedene Methoden zum Einsatz kommen. Zweckmäßigerweise erfolgt die Herstellung über einen Autoklavierprozess, insbesondere in einem Rühr- oder Horizontalautoklaven. Die Formgebung kann beispielsweise über einen Gießprozess oder Verpressen erfolgen. Zur weiteren Verbesserung des Zusammenhalts kann vor der Formgebung oder dem Autoklavieren noch ein Bindemittel zugesetzt werden.
Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Formkörpers bestehen grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten. Bei der ersten Möglichkeit wird ein silikatische Träger in partikulärer Form zunächst zur gewünschten Gestalt des Formkörpers verpresst beziehungsweise gegossen und anschließend autoklaviert. In einem darauffolgenden Schritt wird der auf diese Weise hergestellte Formkörper mit dem Latentwärmespeicher-Material beladen.
Die andere Möglichkeit zur Herstellung eines Latentwärmespeicher-Formkörpers besteht darin, in einem ersten Schritt den silikatischen Träger in partikulärer Form mit dem Latentwärmespeicher-Material zu beladen und erst anschließend zum Formkörper zu verarbeiten.
Von den über die vorgenannten Prozesse hergestellten Formkörpern sind silikatische Dämmstoffplatten auf Basis von Calciumsilicat besonders bevorzugt, weil solche Materialien die Herstellung hochporöser Träger erlaubt, welche die Aufnahme großer Mengen an Latentwärmespeicher-Material ermöglichen und auch für ein geringes spezifisches Gewicht sorgen. Außerdem besitzen solche Platten auch eine ausgezeichnete mechanische Stabilität. Zudem sind solche Platten unbrennbar und bis in hohe Temperaturbereiche stabil, so dass auch brandschutztechnische Bedürfnisse mit derartigen Formkörpern erfüllt werden können.
Es liegt ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Körpers in Granulatform zunächst ein Latentwärmespeicher-Formkörper wie zuvor beschrieben hergestellt und anschließend granuliert wird.
Erfindungsgemäße Formkörper können zwei unterschiedliche Porentypen besitzen, nämlich diejenigen, die von dem porösen partikulären silikatischen Träger stammen und solche, die durch die Formgebung des Formkörpers gebildet werden, also beispielsweise durch das Verpressen der silikatischen Partikel. Diese besondere Porenstruktur wirkt sich positiv auf das Aufnahmevermögen für Latentwärmespeicher-Material, die mechanische Stabilität sowie das spezifische Gewicht solcher Formkörper aus.
Die erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Formkörper zeichnen sich also durch eine sehr große mechanische Stabilität aus, welche insbesondere derjenigen von Gipsplatten mit einformulierten verkapselten Phasenumwandlungs-Materialien weit überlegen ist. Dies gilt vor allem für diejenigen Formkörper, welche bereits vor dem Beladen mit dem Latentwärmespeicher-Material dem Formgebungsprozess unterzogen werden. Ein Grund hierfür wird darin gesehen, dass der poröse Formkörper von sich aus bereits eine hohe mechanische Stabilität besitzt und das Latentwärmespeicher-Material lediglich die Hohlräume dieses Formkörpers ausfüllt, also die Stabilität folglich kaum beeinflussen kann. Bei Verwendung von Phasenumwandlungs-Materialien sind die erfindungsgemäßen Formkörper aufgrund ihrer besseren Stabilität weitaus weniger anfällig gegenüber den mit der Phasenumwandlung einhergehenden ständigen Volumenänderungen. Viele bisher bekannte Materialien werden hingegen durch die häufigen Kontraktionen und Expansionen des Phasenumwandlungs-Materials mit der Zeit brüchig.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Körper besteht in ihrer Brandfestigkeit. Zwar büßt der Träger beziehungsweise der Formkörper durch das Auffüllen der Poren, also durch die Verdrängung der ursprünglich hierin enthaltenen Luft, einen Teil seiner thermischen Isolationswirkung ein. Jedoch ist das silikatische Material grundsätzlich sehr temperaturbeständig und zudem ein schlechter Wärmeleiter, so dass immer noch gute Brandschutzeigenschaften erzielt werden.
Als Latentwärmespeicher-Materialien kommen prinzipiell sämtliche Stoffe in Frage, die über einen reversiblen Prozess Energie aufnehmen und wieder abgeben können. Dies sind vor allem Phasenumwandlungs-Materialien, also solche Materialien, die eine Änderung des Aggregatzustandes durchlaufen, wobei der Phasenübergang fest/flüssig im Rahmen dieser Erfindung besonders geeignet ist. Aber auch andere Phasenübergänge wie flüssig/gasförmig oder fest/gasförmig sind prinzipiell anwendwar.
Weitere einsetzbare Latentwärmespeicher-Materialien können solche mit reversiblen Adsorptions- und Desorptionprozessen sein. Ebenfalls geeignet sind Materialien mit reversibler Ein- und Auslagerung eines Stoffs im Kristallgitter eines Feststoffs, wie beispielsweise diejenige von Kristallwasser in Calcium- oder Kupfersulfat. Zudem können auch Stoffsysteme mit einer reversiblen chemischen Reaktion verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher-Formkörper kann beispielsweise in Plattenform vorliegen oder entsprechend zugeschnitten und im Baubereich als innere Wandverkleidung verwendet werden. Diese Platten können zudem auch übertapeziert oder angestrichen werden, so dass sie nicht unmittelbar sichtbar sind. Tagsüber nehmen diese Platten dann über Fenster einfallendes Sonnenlicht in Form von Wärme latent auf, so dass eine übermäßige Raumerwärmung verhindert wird. Nimmt die Raumtemperatur nachts ab, so wird die aufgenommene Energie wieder in Form von Wärme an den Raum abgegeben, so dass sich der Raum weniger stark abkühlt als ohne diese Platten.
In hierzu analoger Weise können in partikulärer Form vorliegende Latentwärmespeicher-Körper verwendet werden, mit denen zum Beispiel Hohlräume beliebiger Geometrien ausgefüllt werden können.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Träger Poren aufweist. Diese Poren können beispielsweise vom silikatischen Material stammen, wenn ein bereits von sich aus poröses silikatisches Material verwendet wird, wie beispielsweise Blähton, Fällungskieselsäure oder bestimmte Calciumsilikate. Andererseits können sich die Poren im Träger auch bei dessen Herstellung bilden, wie beispielsweise beim Abbinden einer Gasbetonmischung, die in an sich bekannter Weise aus Zement, Wasser sowie Aluminiumspänen hergestellt werden kann. Auch eine Kombination dieser Möglichkeiten kann vorliegen, wenn ein Formkörper, wie bereits oben erörtert, beispielsweise über ein Verpressen von porösen silikatischen Partikeln hergestellt wird.
Erfindungsgemäß können eine Vielzahl silikatischer Materialien verwendet werden. So kann das silikatische Material aus Calciumsilikat und/oder Calciumsilikathydrat bestehen oder auch weitere Silikate enthalten, wie Zeolithe, Calcium-Aluminium-Silicate, Tone, insbesondere Blähtone, Xonotlit, Tobermorit, CSH-Phasen, Wollastonit, Bentonite, Kyanit, Feldspat, Schichtsilikate, Glimmer, Fällungskieselsäuren, pyrogene Kieselsäuren, Zemente, Porenbeton, Kalksandstein-Granulate, Diatomeen, Kieselgur oder Mischungen von diesen.
Im Rahmen dieser Erfindung verwendbare Fällungskieselsäuren sind beispielsweise diejenigen, wie sie in der DE 601 21 998 T2 offenbart sind.
Porenbeton kann alleine oder als Mischungsbestandteil verwendet werden, beispielsweise in Kombination aus etwa 75 bis 98 Gew.-% Porenbeton und 2 bis 25 Gew.-% Bentonit. Solche und ähnliche Zusammensetzungen sind beispielsweise aus der DE 20 2008 013 262 U1 zur Verwendung als Katzenstreu bekannt und können in der vorliegenden Erfindung als silikatisches Material verwendet werden.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Körpers weisen wenigstens 90% der Poren des Trägers beziehungsweise des Formkörpers eine Porengröße von weniger als 10 μm auf, insbesondere 1 μm oder weniger. Es hat sich herausgestellt, dass es von Vorteil ist, wenn der Großteil der verfügbaren Poren eine geringe Größe und/oder einen hohen Verwindungsgrad aufweist, da in diesem Fall das Latentwärmespeicher-Material vermutlich wegen der höheren Kapillarkräfte besser in die Poren aufgenommen und auch besser darin festgehalten wird. Ein Herausfließen des Latentwärmespeicher-Materials nach Überschreiten von dessen Schmelzpunkt kann so wirksam vermieden werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Körpers beträgt der mittlere Porenradius 50 bis 1000 nm, insbesondere bis zu 100 bis 900 nm. Bevorzugt liegt der mittlere Porenradius zwischen 200 und 800 nm, besonders bevorzugt zwischen 300 und 700 nm. Poren dieser Größe sind besonders vorteilhaft, weil diese zum einen ein großes Porenvolumen pro Pore sicherstellen und gleichzeitig ausreichende Kapillaraktivität besitzen, um aufgenommenes Latentwärmespeicher-Material in den. Poren zu halten, selbst wenn dieses in flüssiger Form vorliegt.
Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn das silikatische Material eine spezifische Oberfläche von 10 bis 70 m²/g aufweist, bevorzugt 15 bis 60 m²/g, besonders bevorzugt 20 bis 50 m²/g. Die spezifische Oberfläche kann in an sich bekannter Weise über BET-Methoden ermittelt werden.
In bevorzugter Weise wird für den erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Körper ein Träger beziehungsweise ein Formkörper gewählt, dessen Porenvolumen wenigstens 70 Vol.-% beträgt, insbesondere wenigstens 80 Vol.-%. Ein besonders bevorzugter Träger beziehungsweise Formkörper zeichnet sich durch ein noch höheres Porenvolumen aus, wie beispielsweise wenigstens 85 Vol.-% oder gar wenigstens 90 Vol.-%. Das Porenvolumen lässt sich über an sich bekannte Methoden bestimmen wie BET-Methoden über Quecksilberporosimetrie und das Wasseraufnahmevermögen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Latentwärmespeicher-Material an den porösen Träger beziehungsweise den Formkörper gebunden ist. Dies kann auf verschiedene Weise realisiert werden, wobei sich als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, wenn das Latentwärmespeicher-Material unmittelbar mit dem silikatischen Material in Kontakt steht. Mit anderen Worten wird bei einer solchen Ausführungsform kein verkapseltes Latentwärmespeicher-Material eingesetzt, so dass die gesamte in den Träger beziehungsweise den Formkörper aufgenommene Substanz Latentwärmespeicher-Material sein kann, was sich steigernd auf die Wärmekapazität des Latentwärmespeicher-Körpers auswirkt.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Körpers besitzt der Träger beziehungsweise der Formkörper ein spezifisches Gewicht von bis zu 0,5 g/cm³, insbesondere bis zu 0,3 g/cm³, vorzugsweise bis zu 0,2 g/cm³. Auf diese Weise kann das spezifische Gewicht des Latentwärmespeicher-Körpers insgesamt reduziert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere ein solcher Träger beziehungsweise der Formkörper eingesetzt werden, bei dem wenigstens 70% der gesamten Poren offene Poren sind, vorzugsweise wenigstens 80%, weiter bevorzugt wenigstens 90% oder gar wenigstens 95%. Ganz besonders bevorzugte Träger beziehungsweise der Formkörper zeichnen sich dadurch aus, dass nahezu alle Poren offene Poren sind. Unter offenen Poren werden solche Poren verstanden, die in irgendeiner Weise in Fluidverbindung mit der Oberfläche des Trägers beziehungsweise des Formkörpers stehen.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Körpers füllt das Latentwärmespeicher-Material im Mittel wenigstens 50% des Porenvolumens des Trägers beziehungsweise des Formkörpers aus, insbesondere wenigstens 60%. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Latentwärmespeicher-Material einen möglichst großen Anteil des verfügbaren Porenvolumens ausfüllt. Dies sind beispielsweise wenigstens 70% des Porenvolumens, vorteilhafterweise wenigstens 80% oder gar wenigstens 90%. Es ist sogar möglich, dass nahezu das gesamte Porenvolumen des Trägers beziehungsweise des Formkörpers mit dem Latentwärmespeicher-Material ausgefüllt ist.
Was die Auswahl der erfindungsgemäß einsetzbaren Latentwärmespeicher-Materialien angeht, so sind diesbezüglich nahezu keine Grenzen gesetzt, sofern das Latentwärmespeicher-Material nicht mit dem silikatischen Material irreversibel reagiert.
Die erfindungsgemäß einsetzbaren Latentwärmespeicher-Materialien sind beispielsweise ausgewählt aus Wachsen, Kohlenwasserstoffen mit mehr als 10 Kohlenstoffatomen, insbesondere Paraffinen, Natriumacetat-Trihydrat, Magnesiumsulfat-Heptahyd rat, Calciumchlorid-Hexahydrat, Kupfersulfat-Pentahydrat, Kupfersulfat-Monohydrat, oder Mischungen von diesen.
Bevorzugt werden Phasenumwandlungs-Materialien eingesetzt, die sich durch eine Phasenumwandlungstemperatur fest/flüssig im Temperaturbereich von –20°C bis +100°C auszeichnen, insbesondere von +10°C bis +70°C, weiter bevorzugt von +15°C bis +35°C. Für bautechnische Anwendungen eignen sich vor allem solche Phasenumwandlungs-Materialien, deren Umwandlungstemperatur im Bereich der Raumtemperatur liegen, also beispielsweise bei 25°C +/– 10°C, vorzugsweise 25°C +/– 5°C. Paraffine sind für diese Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur besonders geeignete Vertreter.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher-Körper auf verschieden Arten hergestellt werden. Eine bevorzugte Ausführung besteht in einem Latentwärmespeicher-Körper der durch Inkontaktbringen des silikatischen Trägers beziehungsweise des Formkörpers mit dem Latentwärmespeicher-Material in flüssiger Form erhältlich ist oder hergestellt wurde. Ein solcher Latentwärmespeicher-Körper ist deshalb bevorzugt, weil flüssiges Latentwärmespeicher-Material besser in die Porenstruktur des Trägers beziehungsweise des Formkörpers eindringen kann und dadurch eine höhere Beladung erzielt wird.
Die flüssige Form des Latentwärmespeicher-Materials beziehungsweise des Phasenumwandlungs-Materials kann beispielsweise eine Schmelze des jeweiligen Materials oder auch eine Lösung in einem Lösungsmittel sein. Bei der Verwendung eines Lösungsmittels muss dieses nach der Imprägnierung des Trägers beziehungsweise des Formkörpers wieder entfernt werden.
Bei Wachsen, Kohlenwasserstoffen mit mehr als 10 Kohlenstoffatomen, Paraffinen und Natriumacetat-Trihydrat handelt es sich um Phasenumwandlungs-Materialien, die eine Aggregatzustandsänderung fest/flüssig durchlaufen, die Energie also als Schmelzenthalpie aufnehmen beziehungsweise wieder abgeben. Diese Stoffe sind besonders bevorzugt, weil deren Zustandsänderung bei gemäßigten Temperaturen abläuft, das heißt in der Regel unterhalb von 100°C. Dadurch lassen sich diese Materialien auch leicht an den Träger binden, indem diese Stoffe aufgeschmolzen werden und der Träger beziehungsweise der Formkörper beispielsweise in die Schmelze getaucht wird. Aber es ist auch grundsätzlich möglich, die zuvor genannten Stoffe in einem Lösungsmittel aufzulösen, den Träger mit der Lösung zu imprägnieren und anschließend das Lösungsmittel zu entfernen, beispielsweise über verdampfen, gewünschtenfalls bei Unterdruck.
Paraffine schmelzen je nach Mischung bei beispielsweise 20, 25 oder 30°C, Natriumacetat-Trihydrat bei etwa 58°C. Häufig ist es in diesem Zuge zweckmäßig, das entsprechende Phasenumwandlungs-Material nicht nur bis zu dessen Schmelzpunkt zu erwärmen sondern gegebenenfalls wenigstens 10 oder 20°C darüber, um die Viskosität der Schmelze zu reduzieren und damit ein leichteres Eindringen in die Poren zu ermöglichen. Außerdem kann dadurch sicher gestellt werden, dass das Phasenumwandlungs-Material nicht unmittelbar an der Oberfläche des Trägers beziehungsweise des Formkörpers erstarrt und dadurch den Zutritt zu tiefer liegenden Poren erschwert. Zur Vermeidung dessen ist es zudem möglich den Träger beziehungsweise den Formkörper vor der Imprägnierung ebenfalls auf eine Temperatur zu erwärmen die oberhalb des Schmelzpunkts des verwendeten Phasenumwandlungs-Materials liegt.
Bei der Herstellung kann in der Weise verfahren werden, dass der Träger beziehungsweise der Formkörper in das flüssige Latentwärmespeicher-Material getaucht oder der Träger beziehungsweise der Formkörper mit diesem eingestrichen eingesprüht oder begossen wird. Um die Saugfähigkeit des Trägers beziehungsweise des Formkörpers und damit sein Aufnahmevermögen weiter zu erhöhen kann dieser zuvor getrocknet werden, um eventuell absorbiertes oder adsorbiertes Wasser zu entfernen. Außerdem kann das Inkontaktbringen mit dem flüssigen Latentwärmespeicher-Material bei Unterdruck erfolgen, sodass ein Teil der in den Poren befindlichen Luft bereits entfernt ist und nicht erst vom flüssigen Latentwärmespeicher-Material verdrängt werden muss.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher-Formkörper kann grundsätzlich jede mögliche äußere Gestalt besitzen. So kann er in Form eines Zylinders, eines Bogens, eines Rings oder einer Platte vorliegen, insbesondere in Form einer porösen silikatischen Dämmstoffplatte, aber ebenfalls auch als Granulat. Diese Formen können alternativ dadurch erzeugt werden, dass ein partikulärer silikatischer Träger zunächst in die gewünschte Form gebracht und anschließend mit dem Latentwärmespeicher-Material beladen wird, oder dadurch, dass der partikuläre silikatische Träger zunächst mit dem Latentwärmespeicher-Material beladen und dann erst in die gewünschte Form gebracht wird.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Köpers weist dieser eine Ummantelung auf. Die Ummantelung kann zum Schutz vor äußeren Einflüssen dienen. Beispielsweise kann ein mit Natriumacetat-Trihydrat beladener Träger beziehungsweise Formkörper gegenüber von außen eindringendes Wasser geschützt werden, das einen Teil des gut wasserlöslichen Natriumacetat-Trihydrat herauswaschen könnte. Ein mit einer entsprechenden wasserundurchlässigen Umhüllung versehener Träger kann beispielsweise in ein Becken mit Wasser als Wärmetauscherfluid gesetzt werden, um so als thermischer Energiespeicher einer Latentwärmespeichervorrichtung zu fungieren.
Eine weitere Funktion der Ummantelung kann darin bestehen, gasförmige oder verdampfbare Reaktionsprodukte reversibler Reaktionen verfügbar zu halten, indem die Ummantelung deren Abdiffusion verhindert.
Das Material der Ummantelung wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit vom Einsatzzweck gewählt. So kann die Ummantelung eine Folie sein, insbesondere eine Metall- und/oder Kunststofffolie, vorzugsweise eine Kunststoff-Schrumpffolie. Solche Ummantelungen lassen sich leicht herstellen und aufbringen. Zudem erfüllen sie für die meisten Zwecke die notwendigen Anforderungen. Alternativ oder zusätzlich kann der Latentwärmespeicher-Köper auch mit einer undurchlässigen Schicht, beispielsweise in Form eines Anstrichs, überzogen sein, die das unerwünschte Eindringen oder Abdiffundieren von Stoffen verhindert.
Bei der Verwendung einer Ummantelung, die eine Kunststofffolie beinhaltet, kann diese ein Polymer umfassen, das ausgewählt ist aus Polyolefinen, insbesondere Polyethylen oder Polypropylen, Polyamiden, Acrylaten, Polyvinylchlorid, Polyurethanen, Polyestern, Siliconen oder Mischungen von diesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher, der wenigstens einen erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher-Körper umfasst. Unter einem Latentwärmespeicher wird eine Vorrichtung verstanden, bei der mit Hilfe eines Wärmetauscherfluids, im einfachsten Fall Wasser, Wärme von einer thermischen Energiequelle zu einem Wärmespeicher transportiert wird beziehungsweise im Bedarfsfalle wieder in entgegen gesetzter Richtung.
Bei einem solchen Speicher kann es sich im einfachsten. Fall um einen abgeschlossenen und vorzugsweise thermisch isolierten Behälter handeln, der mit dem Wärmetauscherfluid gefüllt ist und in dem wenigstens ein erfindungsgemäßer Latentwärmespeicher-Körper angeordnet ist. So kann beispielsweise eine Vielzahl von als Platten ausgestaltete Latentwärmespeicher-Formkörper oder entsprechende Granulate mit einer Kunststofffolien-Ummantelung in dem Behälter vorgesehen sein. Das Wärmetauscherfluid steht in Strömungsverbindung mit wenigstens einem Wärmetauscher, um dem System Energie zuzuführen oder zu entnehmen.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erörtert.
Beispiel 1:
Eine Platte (Formkörper) mit einer Rohdichte von 250 kg/m³ aus mikroporösem Calciumsilikat (46 Gew.-% CaO, 44 Gew.-% SiO₂, 10 Gew.-% GV, d. h. Glühverlust) mit einer offenen Porosität von 90,1% und einem mittleren Porenradius von 500 nm wurde mit einer Natriumacetat-Schmelze als Phasenumwandlungs-Material getränkt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Durch Ermittlung der Veränderung des spezifischen Gewichts wurde ein Füllungsgrad mit 85% bezogen auf die Gesamtzahl der verfügbaren offenen Poren (d. h. 90,1%) ermittelt.
Der auf diese Weise hergestellte Formkörper wurde anschließend 500 Phasenwechseln fest/flüssig unterzogen, ohne dass Strukturveränderungen an der Platte, wie beispielsweise Risse oder dergleichen, feststellbar waren. Zugleich wurde über diese Prüfungszyklen hinweg keine Verminderung der Wärmespeicherungsfähigkeit festgestellt, die konstant bei etwa 314 MJ/m³ des Latentwärmespeicher-Formkörpers betrug.
Beispiel 2:
Zur Herstellung eines Latentwärmespeicher-Granulats wird ein leichtes Kalksandsteingranulat (Porenbeton) mit einer Schüttdichte von 200 kg/m³ und einer Körnung von 0,5 bis 5 mm mit aufgeschmolzenem Paraffin getränkt und unter den Schmelzpunkt des Paraffins abgekühlt. Der Füllungsgrad mit Paraffin wurde zu 70% ermittelt.
Eine Messung der Wärmespeicherfähigkeit dieses Granulats ergab etwa 115 MJ/m³ an latenter Wärme. Dieses Speichervermögen beträgt also etwa ein Drittel derjenigen Kapazität einer Platte gemäß Beispiel 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4333829 [0003]
DE 3532093 [0004]
EP 1975219 [0005]
DE 102004049341 A1 [0008]
DE 10007848 A1 [0010]
EP 2058278 A2 [0011]
DE 60121998 T2 [0032]
DE 202008013262 U1 [0033]

Claims

Latentwärmespeicher-Körper umfassend einen zumindest teilweise offenporigen porösen Träger aus einem silikatischen Material das ein Calciumsilikat enthält, insbesondere ein Calciumsilikathydrat, und ein hieran gebundenes Latentwärmespeicher-Material, insbesondere ein Phasenumwandlungs-Material (PCM), wobei sich das Latentwärmespeicher-Material zumindest teilweise in den Poren des Trägers befindet.
Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger in partikulärer Form vorliegt, insbesondere als Granulat.
Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper als Formkörper vorliegt, insbesondere als durch Verpressen des Trägers in partikulärer Form hergestellter Formkörper.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das silikatische Material wenigstens 25 Gew.-% CaO enthält, insbesondere bis zu 50 Gew.-%.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das silikatische Material aus Calciumsilikat und/oder Calciumsilikathydrat besteht oder weitere Silikate enthält, die insbesondere ausgewählt sind aus Aluminiumsilikaten, insbesondere Zeolithen, Calcium-Aluminium-Silicaten, Tonen, insbesondere Blähtonen, Xonotlit, Tobermorit, CSH-Phasen, Wollastonit, Bentonite, Kyanit, Feldspat, Schichtsilikaten, Glimmer, Fällungskieselsäuren, pyrogene Kieselsäuren, Zementen, Porenbeton, Kalksandstein-Granulate, Diatomeen, Kieselgur oder Mischungen von diesen.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das silikatische Material eine spezifische Oberfläche von 10 bis 70 m²/g aufweist, insbesondere 15 bis 60 m²/g.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeicher-Material unmittelbar mit dem silikatischen Material in Kontakt steht.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeicher-Material im Mittel wenigstens 50% des Porenvolumens des Trägers beziehungsweise des Formkörpers ausfüllt, insbesondere wenigstens 60%.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeicher-Material ein Phasenumwandlungs-Material ist, dessen Phasenumwandlungstemperatur fest/flüssig im Temperaturbereich von –20°C bis +100°C liegt, insbesondere von +10°C bis +70°C.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeicher-Material ausgewählt ist aus Wachsen, Kohlenwasserstoffen mit mehr als 10 Kohlenstoffatomen, insbesondere Paraffinen, Natriumacetat-Trihydrat, Magnesiumsulfat-Heptahydrat, Calciumchlorid-Hexahydrat, Kupfersulfat-Pentahydrat, Kupfersulfat-Monohydrat, oder Mischungen von diesen.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 90% der Poren des Trägers beziehungsweise des Formkörpers eine Porengröße von weniger als 10 μm aufweisen, insbesondere 1 μm oder weniger.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Porenradius der Poren des Trägers beziehungsweise des Formkörpers 50 bis 1000 nm beträgt, insbesondere 100 bis zu 900 nm.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger beziehungsweise der Formkörper ein Porenvolumen von wenigstens 70 Vol.-% aufweist, insbesondere wenigstens 80 Vol.-%.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 70% der Poren des Trägers beziehungsweise des Formkörpers offene Poren sind, insbesondere wenigstens 80%.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger beziehungsweise der Formkörper ein spezifisches Gewicht von bis zu 0,5 g/cm³ aufweist, insbesondere bis zu 0,3 g/cm³, vorzugsweise bis zu 0,2 g/cm³.
Körper nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper in Form eines Zylinders, eines Bogens, eines Rings oder einer Platte vorliegt, insbesondere in Form einer porösen silikatischen Dämmstoffplatte.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper durch Inkontaktbringen des Trägers beziehungsweise des Formkörpers mit dem Latentwärmespeicher-Material in flüssiger Form erhältlich oder hergestellt ist.
Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine Ummantelung aufweist.
Körper nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung eine Folie ist, insbesondere eine Metall- und/oder Kunststofffolie, vorzugsweise eine Kunststoff-Schrumpffolie.
Körper nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolie ein Polymer umfasst, das ausgewählt ist aus Polyolefinen, insbesondere Polyethylen oder Polypropylen, Polyamiden, Acrylaten, Polyvinylchlorid, Polyurethanen, Polyestern, Siliconen oder Mischungen von diesen.
Latentwärmespeicher, umfassend wenigstens einen Latentwärmespeicher-Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 20.