DE2517920A1

DE2517920A1 - Latentwaermespeicher

Info

Publication number: DE2517920A1
Application number: DE19752517920
Authority: DE
Inventors: Johann Dr Rer Nat Schroeder
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-04-23
Filing date: 1975-04-23
Publication date: 1976-11-04
Also published as: NL7604124A; DE2517920C2; FR2308677A1; US4104185A; NL175191C; JPS5648546B2; FR2308677B1; JPS51130051A; GB1543336A

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, 2000 Hamburg 1, Steindamm 94

Latentwärmespeicher

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher mit einem Salzhydrat als Speichermedium.

Latentwärmespeicher können reversibel durch Schmelzen des Speichermediums Wärme aufnehmen. Die so gespeicherte Wärme kann dann sowohl zu Kühl- als auch zu Heizzwecken bereitgestellt werden.

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Ein bekannter Vorzug der Latentwärmespeicher gegenüber Speichern, die durch Temperaturerhöhung fühlbare Wärme aufnehmen (wie z.B. Wasser-, Stein- oder Erdspeicher), besteht darin, daß die Wärme bei konstanter, dem Verwendungszweck optimal angepaßter Temperatur aufgenommen bzw. abgegeben wird. Außerdem besitzen Latentwärmespeicher im allgemeinen eine höhere Speicherkapazität pro Volumen- und Gewichtseinheit, was vor allem für das System Wasser/Eis und einige Salzhydrate zutrifft (M. Telkes, ASHRAE Journal 16, (Sept. 1974) 38-44).

Ein bekannter Nachteil bisher beschriebener Salzhydratspeicher ist darin begründet, daß die Hydrate eine geringe Neigung zur Keimbildung und eine kleine Kristallisationsgeschwindigkeit aufweisen, wodurch Unterkühlung auftritt, d.h. beim Abkühlen unter den Schmelzpunkt erfolgt keine Verfestigung des Speichermediums und damit auch keine Abgabe der Schinelzenthalpie. Die Konsequenz ist die, daß ein solches Latentspeichermedium selbst bei viel niedrigerer Temperatur als dem Schmelzpunkt nicht oder nur so langsam kristallisiert, daß die Schmelzwärme nicht genutzt werden kann.

Es ist ferner bekannt, daß zur Lösung dieses Problems Zusätze von keimbildenden Substanzen (Impfkristalle) dienen können, die sich in der Speichermasse nicht lösen, die aber durch ihre Struktur und Oberflächenbeschaffenheit die Keimbildungszahl. stark erhöhen (Epitaxie). Wegen der geringen Kristallisationsgeschwindigkeit müssen diese Keime allerdings in der Speicher-

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masse fein dispers verteilt sein, was man dadurch erreicht, daß die gesamte Masse durch einen Zusatz von organischen (z.B. Gelatine) oder anorganischen (z.B. Y/asserglas) kolloidal verteilten Gerüstsubstanzen zu einem Gel verfestigt wird (DT-OS 1 928 694) oder von einer porösen Gerüstsubstanz aufgesaugt wird (DT-OS 1 937 804).

Ein entscheidender Nachteil ist der, daß der Schmelzvorgang von Eis wie auch von den meisten Hydraten mit einer Volumenänderung verbunden ist. Das Volumen nimmt aber hier im Gegensatz zu der weit größeren Zahl von Stoffen mit sinkender Temperatur und Verfestigung zu. Dies führt zu dem schwierigen Problem, daß die Speicherbehälter gedehnt und schließlich gesprengt werden können. Es müssen also entsprechend elastische Wandmaterialien und flexible Konstruktionen verwendet werden, die kompliziert und teuer sind.

Die Speichertemperaturen der meisten bisher zu Heizzwecken vorgeschlagenen Latentwärmespeicher liegen über 30⁰C (Telkes a.a.O.; DT-OS 1 928 694). Für Kühlzwecke wurde auch schon ein Gemisch aus Natriumsulfat, Kochsalz, Borax und Wasser beschrieben, welches sich zwischen 10 und 20⁰C verfestigen soll (DT-OS 1 966 720), Dieses Gemisch hat den Nachteil, daß es sich entmischt. Es bedarf daher für den reversiblen Betrieb auf jeden Fall einer zusätzlichen Gerüstsubstanz. Außerdem ist Borax relativ teuer. Es ist ferner in beiden Fällen eine dem Temperaturniveau und der erforderlichen Speicherzeit entsprechende Isolation erforderlich.

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Das gleiche gilt natürlich für alternativ zu Latentwärmespeichern "bekannte Wasser-, Stein- oder Erdspeicher.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Energie zu Heiz- und Kühlzwecken für längere Zeit, d.h. auch vom Sommer zum Vnter, bei oder möglichst nahe bei Umgebungstemperatur zu speichern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Latentwärmespeicher der eingangs erwähnten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Speichermedium aus dem System Kaliumfluorid-Wasser mit Kaliumfluoridgehalten zwischen 44 und 48 Gew.% besteht. Vorzugsweise besteht das Speichermedium aus dem bei 18,5⁰C schmelzenden KF · 4H₂O.

Wasser bildet mit 44,7 Gew.% KF ein kongruent schmelzendes Hydrat mit einem Schmelzpunkt von 18,5°C. Diese Verbindung bildet mit HpO und 47,7 Gew.% KF ein Eutektikum mit einem Schmelzpunkt von 17,7°C. Im Bereich zwischen 44,7 bis 47,7 Gew.% KF beträgt die Schmelzwärme 53 kcal/kg und 79 kcal/Liter. Die Dichte bei 20⁰C ist 1,49 g/cm³.

Die sehr große Schmelzwänne und die günstig gelegenen Schmelztemperaturen (Keller- oder Erdreichtemperatur) machen diese Substanz zu einem hervorragenden Speichermedium, da gegenüber allen anderen Speichermedien eine aufwendige Isolation entfällt und mögliche Wärmeverluste auch bei Speicherung über das ganze Jahr minimal sind.

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Das erfindungsgemäße Speichermedium ist ein Abfallprodukt der Phosphatindustrie (in Westeuropa etwa 200 000 t/Jahr), es ist also sehr billig und in großen Mengen verfügbar. Es ist nicht korrosiv gegen Kunststoffe sowie Aluminium und Kupfer. Bei Zusatz von Kristallisationskeimen tritt keine Unterkühlung auf. Auch gibt es keine Phasenumwandlung im festen Zustand, die die Speicherbehälter sprengen würde. Zur Kühlung kann der erfindungsgemäße Speicher mit kalter Nachtluft aufgeladen werden, es bedarf also nur eines Ventilators. Zur Kühlung, Heizung und Heißwasserbereitung kann es zweckmäßig sein, den erfindungsgemäßen Speicher mit einer Wärmepumpe arbeiten zu lassen.

Es kann in manchen Fällen zweckmäßig sein, in dem erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher Impfkeime anzubringen, um das Auskristallisieren des KF·4HpO zu erleichtern. Als Impfkeimsubstanzen kommen z.B. gleiche oder chemisch verwandte, möglichst isomorphe Verbindungen oder auch oberflächenaktive Stoffe infrage, die sich unter den gegebenen Bedingungen im Speichermedium nicht oder nur teilweise lösen. Ferner kann es vorteilhaft sein, dem KF*4HpO eine oder mehrere Gerüstsubstanzen hinzuzufügen. Als Gerüstsubstanzen kommen z.B. Gelatine, Kieselsäure, Mon=femorillonit, Polysaccharide, Pektine und viele andere Polymere infrage. Eine v/eitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speichers besteht darin, daß das Speichermedium in in mehrere kleinere Räume aufgegliederten Kunststoffbehältern mit Zwischenräumen zum Wärmeaustausch untergebracht ist.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Speichermediums KF/HpO lassen sich zusammengefaßt wie folgt darstellen:

1. Extrem hohe latente Speicherkapazität pro Volumeneinheit, die etwa der doppelten Kapazität eines Warmwasserspeichers ( T 90 -> 45⁰C ) entspricht, Volumen und Mehraufwand für Isolation zur Kompensation der größeren Wärmeverluste des Wasserspeichers noch nicht berücksichtigt.

2. Schmelztemperatur gleich oder wenig abweichend von der Umgebungstemperatur (z.B. Unterhaus, Keller oder Erdreich). Dadurch geringe Wärmeverluste und wenig Isolationsaufwand; z.B. mit-2 bis 6 cm Kunststoffschaum ist rationelle Speicherung von Sommer auf V/int er möglich.

3. Im Gegensatz zu Eis und anderen bekannten Salzhydraten tritt beim Gefrieren keine Volumenausdehnung und auch keine merkliche Volumenverminderung auf. Außerdem tritt kein Phasenwechsel im festen Zustand mit Volumenänderung auf. Dies ist einer der wesentlichsten Vorzüge überhaupt, da hierdurch die Probleme der thermisch-mechanischen Belastung der Gefäße und Leitungen entfallen und die einfache Speicherung erst möglich wird.

4-, Das Material ist chemisch stabil, nicht brennbar und greift als Gefäßmaterialien gebräuchliche Kunststoffe wie auch Aluminium und Kupfer unter Speicherbedingungen nicht an.

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5. Hoher Wirkungsgrad bei Benutzung von Wärmepumpen, da die Temperaturdifferenz zu einer mittleren Speiehertemperatur sowohl für Kühlung wie Heizung relativ klein ist.

6. Wirkungsgrad "bei Benutzung von Sonnenkollektoren sehr hoch, da Speicher- und damit Rücklauftemperatur konstant und relativ niedrig. Einfache Kollektoren mit schwarzer Absorberflache sind ausreichend.

7. Das Pumpen der Salzschmelze zum Wärmetransport über größere Höhenunterschiede (z.B. Dachkollektor-Kellerspeicher) erfordert wenig Energie, da wegen der relativ niedrigen Temperatur, wie auch wegen der Dampfdruckerniedrigung durch das Hydrat, der Wasserdampfdruck bei 10O⁰C nur 125 Torr beträgt. (Wasser 760 Torr), so daß eine kommunizierende Steig-Pall-Leitung selbst bei 100⁰C noch über 8 m Höhe möglich ist. Außerdem besitzt das Kaliumfluoridhydrat eine relativ geringe Viskosität (nur wenig höher als Wasser).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich ein Kältespeicher, der in trockenen, warmen Gegenden zur Kühlung von Wohnungen geeignet ist, ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

3fig. 1 einen Wärmespeicher in Seitenansicht bei Nachtbetrieb,

Fig. 2 den Wärmespeicher gemäß Fig. 1 in Seitenansicht bei

Tagesbetrieb,
Fig. 3 den Wärmespeicher gemäß Fig. 1 in Frontansicht, an

eine Außenwand eines Hauses angeschlossen, und Fig. 4 den Wärmespeicher gemäß Fig. 2 in Frontansicht, ^n eine Außenwand eines Hauses angeschlossen.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Speichermedium 1 in mehreren Kunststoffbehältern 2 eingeschlossen. In den Zwischenräumen 3 zwischen den Behältern 2 wird mittels eines Ventilators 4 kühle bzw. warme Luft in Richtung der Pfeile bewegt; durchgezogene Pfeile bedeuten Warmluft, gestrichelte Pfeile Kaltluft.

In den Fig. 3 und 4 haben die Pfeile die gleiche Bedeutung wie zuvor. Mit 5 ist ein Innenraum des Hauses angedeutet, 6 bezeichnet die Hauswand. 7 und 8 sind Lüftungsklappen.

Im Nachtbetrieb (Fig. 1 und 3) arbeitet die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung wie folgt: Bei 9 wird kühle Außenluft über einen Teil der Lüftungsklappen 8 vom Ventilator 4 angesaugt und in die Zwischenräume 3 des Speichers geleitet, wo sie Wärme aufnimmt. Die erwärmte Luft wird über einen anderen Teil der Lüftungsklappen 8 bei 10 wieder ins Freie abgegeben. Die Lüftungsklappen 7, die in den tagsüber zu kühlenden Raum führen, sind geschlossen.

Beim Tagesbetrieb (Fig. 2 und 4) sind die ins Freie führenden

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Lüftungsklappen 8 geschlossen und die in den Raum führenden Lüftungsklappen 7 geöffnet. Warme Innenluft wird vom Ventilator 4 durch die Zwischenräume 3 geleitet, wo sie sich abkühlt und anschließend in den zu kühlenden Raum 5 strömt.

Patentansprüche:

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Claims

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Patentansprüche;

(Λ. ■' Latentwärmespeicher mit einem Salzhydrat als Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (1) aus dem System Kaliumfluorid - Wasser mit Kaliumfluoridgehalten zwischen 44 und 48 Gew.$ besteht.
2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (1) aus dem bei 18,5 C kongruent schmelzenden KF.4Hp⁰ besteht.
3. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (1) Impfkeime enthält.
4. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (1) G-erüstsubstanzen enthält.
5. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß sich das Speichermedium (1) in in mehrere kleinere Räume aufgegliederten Kunststoff behältern (2) mit Zwischenräumen (3) zum Wärmeaustausch befindet.

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6. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Wärmeaustauscher versehen ist, der Teil einer Wärmepumpe ist.
7. Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Sonnenkollektoren verbunden ist.

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