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Diese Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermodul und einen Latentwärmespeicher, der dieses Modul verwendet.
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Ein Latentwärmespeichermodul enthält ein Latentwärmespeichermaterial oder auch Phasenwechselmaterial (phase change material, PCM), das in der Lage ist, Wärme in Form eines Phasenübergangs zu speichern. Hierbei werden bevorzugt Fest-Flüssig- bzw. Fest-Fest-Phasenübergänge verwendet.
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Diese Latentwärmespeichermaterialien arbeiten mit dem Effekt, dass bei einem Phasenübergang zugeführte Wärme zunächst für den Phasenübergang verwendet wird, sodass die Temperatur konstant bleibt, bis der Phasenübergang vollständig abgeschlossen ist, auch wenn weiter Wärme zugeführt wird. Um die Wärme zurückzugewinnen, wird beim Absinken der Umgebungstemperatur das Latentwärmespeichermaterial wärme an die Umgebung abgegeben und dabei seine Temperatur zunächst beibehalten, bis der Phasenübergang in die umgekehrte Richtung abgeschlossen ist. Auf diese Art lassen sich relativ große Wärmemengen sicher und für lange Zeit speichern. Durch die geeignete Wahl des Materials und damit der Temperatur des Phasenübergangs sind Latentwärmespeichermaterialien in einer Vielzahl von Anwendungen denkbar.
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Beispiele von Latentwärmespeichermaterialien und ihrer Verwendung zur Herstellung von Latentwärmespeichern sind in der
DE 1 0250 249 A1 gezeigt.
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Bei dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, das Latentwärmespeichermaterial in Form granulierter Teilchen entweder als Schüttung, als verpresste homogene Mischung oder als ein im Spritzgussverfahren hergestellter plattenförmiger Körper zu verwenden.
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Weiter Latentwärmespeichermaterialien sind in der
DE 10 2010 007 497 A1 offenbart, die als Faser- oder Folienartige Formkörper verarbeitet werden können.
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Das Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. zeigt am 6. September 2011 ein neuentwickeltes PCM-Granulat als ein latentes Speichermedium, dessen Eigenschaften geeignet sind, um verschieden Zielmärkte der Temperaturspeicherung und -pufferung zu bedienen. Durch den Einsatz dieses Materials soll auch eine stärkere Nutzung erneuerbarer Energien, die intensivere Abwärmenutzung oder die Wirkungsgraderhöhung von Kraft-wärme-Kopplungsanlagen in verbessertem Umfang möglich werden. Das Material ist ein PCM-Speichermaterial auf Basis eines Paraffin-Polymer-Compounds. Die PCM Speichergranulate können zu Pulvern unterschiedlicher Korngrößen vermahlen, zu Folien und Platten extrudiert oder gepresst sowie zu Spritzguss- oder Faserartikeln in definierten Schmelzbereichen von ca. 6–80°C verarbeitet werden.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 20 2004 006 502 U1 ein Latentwärmespeicher bekannt, bei dem eine modulare Bauweise ermöglicht wird. Hierzu wird ein modulares Register aus U-förmigen Rohren gebildet, das modular erweiterbar ist, und wobei die Zwischenräume mit einem paraffingetränkten Granulat in Schüttung aufgefüllt werden.
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Problematisch an dem Einsatz von diesem PCM in Schüttung oder als isolierter plattenförmiger Körper ist, dass durch das Erweichen beim Phasenübergang die Formstabilität nicht erhalten bleibt und es zu Verklebungen und Kompaktierungen kommt. Ein Klumpen aus PCM kann seine gespeicherte Wärme nur langsam und unvollständig abgeben, da PCM generell schlecht Wärme leitet.
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Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, einen verbesserten Latentwärmespeichermodul, einen Latentwärmespeicher und ein zugehöriges Herstellungsverfahren bereitzustellen, die in der Lage sind, in einfacher Weise hergestellt, sicher betrieben zu werden, und einen effektiven Wärmeaustausch ermöglichen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Latentwärmespeichermodul nach Anspruch 1 durch ein Latentwärmespeicher nach Anspruch 6, sowie ein Verfahren nach Anspruch 9. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß wird das PCM oder Latentwärmespeichermaterial an einen Kunststoffrahmen gespritzt, der ebenfalls durch ein Spritzgußverfahren hergestellt sein kann. Dieser Rahmen verleiht dem Latentwärmespeichermodul seine Formstabilität, so dass auch hier wiederholten Phasenübergängen und Durchströmung mit einem Fluid die Grundform erhalten bleibt. So kann effektiv die gesamte gespeicherte Wärme abgegeben werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren im Detail erläutert.
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Hierbei zeigen:
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1 eine Explosionsansicht eines Teil des Latentwärmespeichers einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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2a, 2b Querschnittansichten des Latentwärmespeichers aus 1;
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3 eine Detailansicht des Latentwärmespeichers aus 1;
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4 eine Explosionsansicht eines Latentwärmespeichermoduls mit einem Trägerrahmen und dem zugehörigen Latentwärmespeichermaterial;
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5 eine Detailansicht des Trägerrahmens einer bevorzugten Ausführungsform;
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6 eine Teilschnittansicht des Stapels von dem Trägerrahmen aus 3 und Latentwärmespeichermaterials in einem erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher.
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Im Folgenden wird der Heizbetrieb, also die Abgabe von Wärme aus dem Latentwärmespeichermodul an das Fluid als Nutzfall beschrieben. Aber auch die umgekehrte Anwendung als Kühl- oder Klimaanlage ist möglich, wobei dann der Nutzfall die Aufnahme von Wärme aus dem Fluid an das Latentwärmespeichermaterial der Nutzfall ist.
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1 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers. Dieser Latentwärmespeicher umfasst ein Zuführungsrohr 1, in das mehrere Latentwärmespeichermodule 3, jeweils mit einem Trägerrahmen 5 und einer Scheibe 7 aus Latentwärmespeichermaterial aufgenommen sind.
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Das Trägerrad 5 wird mit einem Spritzgußverfahren beispielsweise aus einem Thermoplast hergestellt. Ein Beispiel eines Trägerrads 5 ist detailliert in 5 gezeigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Trägerrad 5 kreisrund mit einer mittleren rohrförmigen Achse 9 und einer Mehrzahl radial verlaufender Speichen 11, die die Achse 9 mit einem Kranz 13 verbinden. An den Speichen 11 sind mehrere Vorsprünge 15 auf einer Seite ausgebildet, die als Abstandshalter dienen, sodass ein Zwischenabstand zwischen aufeinanderfolgenden Modulen hergestellt werden kann, wenn diese Module aufeinander gestapelt sind.
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Wie bei einer leicht modifizierten Ausführungsform in 4 gezeigt ist, können darüber hinaus auch an der zentralen Achse 9 Vorsprünge 17 als Verdrehsicherung ausgebildet sein.
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Wie es in den 3 und 6 gezeigt ist, werden derartige Latentwärmespeichermodule 7 übereinander gestapelt und in dem Zuführungsrohr 1 aufgenommen. In dem Stapel wird aufgrund der Abstandshalter zwischen den einzelnen Modulen ein Zwischenabstand verbleiben, durch den ein Fluid durchströmen kann.
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Erfindungsgemäß sind darüber hinaus in den Scheiben aus Latentwärmespeichermaterial 7 Durchgangslöcher 19 ausgebildet, durch die ein Fluid strömen kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 4 gezeigt ist, sind 164 derartige Löcher mit etwa 3 mm Durchmesser in einem Raster so angeordnet, dass eine gleichmäßige Durchströmung des Latentwärmespeichermaterials möglich ist, wobei im Bereich der Auflage der Speichen 11 des Trägers keine Löcher 19 ausgebildet sind.
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In der Mitte der Scheibe aus Latentwärmespeichermaterial 2 ist ein zentrales Loch mit größerem Durchmesser ausgebildet, in das die mittlere Achse 9 des Trägerrahmens 5 eingreift. Wie in den Schnittansichten aus 2a und 2b zu sehen ist, sind auf diese Art die Durchgangslöcher 19 der verschiedenen Module zueinander ausgerichtet, sodass der gesamte Latentwärmespeicher leicht von einem Fluid durchströmt werden kann.
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Als Alternative zu den Löchern 19 ist es möglich, wärmeleitentde Elemente, z. B. metallische Spiralfedern, anzubringen. Diese werden in die Spritzgussform eingesetzt, bevor das Latentwärmespeichermaterial umspritzt wird. Die Enden der Spiralfedern können aus dem Modul in den Zwischenabstand in den nächsten Modul hineinragen.
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Obwohl dies bevorzugt ist, ist weder die kreisförmige Ausführung der Scheiben aus Latentwärmespeichermaterial noch das gegebene Raster für die Löcher 19 oder Spiralfedern zwingend vorgegeben. Durch die Spritzgusstechnik, die bei der Herstellung zur Anwendung kommt, ist eine Vielzahl von Formen und Querschnitten möglich.
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Die Löcher 19 können entweder beim Spritzen gleich ausgebildet werden, oder später durch Bohrungen in das Material eingebracht werden.
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Bevorzugt wird das Latentwärmespeichermaterial als Zwei-Komponentenmaterial, mit einem Paraffin und einem weiteren Bestandteil, der die Spritzgießfähigkeit herstellt, ausgeführt.
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Die einzelnen Module werden in Abhängigkeit von der Größe und der Geometrie des gewählten Speichergehäuses, das bei den gezeigten Ausführungsformen eine Rohrkartusche ist, aneinandergereiht und in dem Gehäuse angeordnet. Danach wird das Gehäuse mit Zugängen und Abgängen für ein Fluid, beispielsweise Luft oder Wasser, versehen und verschlossen.
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Wird nun dieses Fluid mit einer vorgegebenen Temperatur, beispielsweise 76°C, zugeführt, so wird das Wärmespeichermodul zunächst erwärmt, bis seine Temperatur die Phasenübergangstemperatur erreicht. Bei der Phasenübergangstemperatur wandelt sich das Latentwärmespeichermaterial aus einer ersten festen, vorzugsweise kristallinen Phase, in eine zweite amorphe bevorzugt hochviskose und daher formstabile Phase um. Hierbei wird eine beachtliche Menge Energie benötigt, um das Kristallgitter aufzubrechen, um den Phasenübergang in die amorphe Phase zu bewerkstelligen. Nachdem der Phasenübergang vollständig durchgeführt ist, steigt die Temperatur in dem Latentwärmespeicher wieder an.
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Zur Rückgewinnung der Wärme kann der Latentwärmespeicher mit einem Fluid beaufschlagt werden, dessen Temperatur unter der Phasenübergangstemperatur liegt. Dies wird dazu führen, dass das Latentwärmespeichermaterial aus der amorphen hochviskosen Phase wieder zurück in die kristalline Phase übergeht, wobei eine beachtliche Menge Energie durch den Übergang in die kristalline Phase frei wird. Diese Energie wird in Form von wärme an das Fluid abgegeben, das sich erwärmt. Nachdem das Latentwärmespeichermaterial durchgehend in die kristalline Phase übergegangen ist, wird die Temperatur des Latentwärmespeichermaterials absinken.
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Die erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher lassen sich in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen. Beispielsweise ist es bei der Speicherung von Wärme in industriellen Fertigungsprozessen möglich, zwei erfindungsgemäße Latentwärmespeicher parallel anzuordnen, wobei einer dieser Latentwärmespeicher mit einem warmen Fluid aus der Abwärme eines Fertigungsprozesses beaufschlagt wird, bis der Phasenübergang in die amorphe hochviskose Phase abgeschlossen ist. Zur gleichen Zeit wird der zweite parallel vorgesehene Latentwärmespeicher mit einem kalten Fluid beaufschlagt, sodass der Übergang aus der amorphen Hoch-Temperaturphase in die kristalline Nieder-Temperaturphase vollzogen wird, wobei Wärme an das Fluid abgegeben wird. Zu gegebener Zeit, kann dann über geeignete Ventile umgeschaltet werden, sodass der vorher mit dem Hoch-Temperaturfluid versorgte Latentwärmespeicher nun mit dem Nieder-Temperaturfluid beaufschlagt wird. Auf diese Art lässt sich ein effektiver Wärmetauscher bilden, mit dem es möglich ist, die Abwärme eines industriellen Fertigungsprozesses für andere Zwecke, beispielsweise Heizung oder Warmwasseraufbereitung, zu verwenden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 6 gezeigt ist, ist die mittlere Achse 9 eines jeden Trägers 5 leicht konisch ausgebildet und hat eine erweiterte Stufe zur Aufnahme des konisch verjüngten Abschnitts einer anderen Achse des darunterliegenden Trägers. Auf diese Art ist leicht ein stabiles Stapeln der Module möglich.
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Obwohl die Erfindung anhand eines Beispiels beschrieben wurde, ist sie auf dieses nicht beschränkt. Verschiedene Modifikationen und Abwandlungen sind innerhalb des Rahmens der beiliegenden Ansprüche möglich. Insbesondere ist weder die Form noch die genaue Abmessung der einzelnen Bauteile ausschlaggebend. Die Erfindung ermöglicht das Herstellen durch Spritzgießverfahren in einer Vielzahl von verschiedenen Formen und Größen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10250249 A1 [0004]
- DE 102010007497 A1 [0006]
- DE 202004006502 U1 [0008]
