DE2517920C2 - Latentwärmespeichermittel und dessen Verwendung - Google Patents

Latentwärmespeichermittel und dessen Verwendung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermittel mit einem Salznydrat als Speichermedium. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Latentwärmespeichermittfls in einer Vorrichtung zur Kühlung von Wohnungen.
Latentwärmespeicher können durch Schmelzen des Speichermediums reversibel Wärme aufnehmen. CHe so gespeicherte Wärme kann dann sowohl zu Kühl- als auch zu Heizzwecken bereitgestellt werden. So ist z. B. aus der DE-AS 19 53 604 ein Latentwärmespeicher bekannt bei dem das Speichermedium in Kunststoffbehälter eingeschlossen ist, die zum Durchtritt eines Wärmetauschermediums mit Zwischenräumen voneinander angeordnet sind.
Ein bekannter Vorzug der Latentwärmespeicher gegenüber Speichern, die durch Temperaturerhöhung fühlbare Wärme aufnehmen (wie z. B. Wasser-, Steinoder 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, S. 38-44).
Ein bekannter Nachteil bisher beschriebener Latentwärmespeichermittel mit einem Salzhydrat als Speichermedium ist darin begründet, daß die Hydrate eine geringe Neigung zur Keimbildung und eine kleine Kristallisationsgeschwindigkeit aufweisen, wodurch Unterkühlung auftritt, (Lh. beim Abkühlen unter den Schmelzpunkt erfolgt keine Verfestigung des Speichermediums und damit auch keine Abgabe der Schmelzenthalpie. Die Konsequenz ist die, daß ein solches Speichermedium 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 im Speichermedium nicht lösen, die aber durch ihre Struktur und Oberflächenbeschaffenheit die Keimbildungszahl stark erhöhen (Epitaxie). Wegen der geringen Kristallisationsgeschwindigkeit müssen diese Keime allerdings im Speichermedium fein dispers verteilt sein, was dadurch erreicht wird, daß dessen gesamte Masse durch einen Zusatz von organischen (z.B. Gelatine) oder anorganischen (z.B. Wasserglas) kolloidal verteilten Gerüstsubstanzen zu einem Gel ver festigt wird (DE-OS 19 28 694) oder von einer porösen Gerüstsubstanz aufgesaugt wird (DE-OS 19 37 804).
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 Latentwärmespeichermittel liegen über 30°C (Telkes a.a.O.; DE-OS 19 28 694). Für Kühlzwecke wurde auch schon ein Gemisch aus Natriumsulfat, Kochsalz, Borax und Wasser beschrieben, welches sich zwischen 10 und 200C verfestigen soll (DE-OS 19 66 720). 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. Das gilt auch für die bekannten Wasser-,
Stein- und Erdspeicher.
Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, Energie zu Heiz- und Kühlzwecken für längere Zeit d. h. auch vom Sommer zum Winter, bei oder möglichst nahe bei Umgebungstemperatur zu speichern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Latentwärmespeichermittel der eingangs erwähnten Art gelöst bei dem das Speichermedium aus dem System Kaliumfluorid-Wasser mit Kaliumfluoridgehalten zwischen 44 und 48 Gew.-% besteht
Vorzugsweise besteht das Speichermedium aus dem
bei 18,5"C 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 H2O 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 222 kj/kg und 331 kJ/Liter. Die Dichte bei 20° C ist 1,49 g/cm3. Die sehr große Schmelzwärme und die günstig gelegenen Schmelztem peraturen (Keller- oder Erdreichtemperatur) machen diese Verbindung zu einem hervorragenden Speichermedium, da — anders als bei allen anderen Speichermedien — eine aufwendige Isolation entfällt und mögliche Wärmeverluste auch bei Speicherung über ein ganzes
Jahr minimal sind.
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
es 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
S 3 ■.■■*"■■ ; *
$ ein Speicher mit dem erfindungsgemäßen Speichermit- 7. Das Pumpen der Salzschmelze zum Wärmetrans-
ίί tel mit kalter Nachtluft aufgeladen werden, es bedarf port über größere Höhenunterschiede (z. B, Dach-
U also nur eines Ventilators. Zur Kühlung, Heizung und kollektor-Kellerspeicher) erfordert wenig Energie,
κ1 Heißwasserbereitung kann es zweckmäßig sein, den da wegein der relativ niedrigen Temperatun wie Κ Speicher mit einer Wärmepumpe arbeiten zu lassen. 5. auch wegen der Dampfdruckerniedrigung durch
j Es kann in manchen Fällen zweckmäßig sein, in dem das Hydrat, der Wasserdampfdruck bei 1000C nur
i erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermittel Impf- 167 hPa beträgt (Wasser 1013 hPa), so daß eine
jP keime anzubringen, um das Auskristallisieren des Spei- kommunizierende Steig-Fall-Leitung selbst bei
?S chermediums zu erleichtern. Als Impfkeimsubstarizen 100°G noch über 8 m Höhe möglich ist Außerdem
ψ kommen z. B. gleiche oder chemisch verwandte, mög- io besitzt Kaliumfluoridtetrahydrat eine relativ genn-
ff liehst isomorphe Verbindungen oder auch oberflächen- ge Viskosität (nur wenig höher als Wasser).
H aktive Stoffe in Frage, die sich unter den gegebenen
i Bedingungen im Speichermedium nicht oder nur teil- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich eine 1 weise lösen. Kühlvorrichtung, die in trockenen, warmen Gegenden J! Ferner kann es vorteilhaft sein, dem Latentwärme- is zur Kühlung von Wohnungen geeignet ist, ist in der 1 Speichermittel eine oder mehrere organische oder anor- Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher bell ganische Gerüstsubstanzen hinzuzufügen. Als Gerüst- schrieben. Es zeigt
1§ substanzen kommen z. B. Gelatine, Kieselsäure, Mont- F i g, 1 ein seitliches Schnittbild der Kühlvorrichtung
Ij morillonit, Polysaccharide, Pektine und Polymere in in Rückansicht bei Nachtbetrieb,
i Frage, die im Latentwärmespeichermittel kolloidal ver- 20 F i g. 2 ein seitliches Schnittbild der Kühlvorrichtung
H teilt sind. gemäß E ig. I in Vorderansicht bei Tageibetrieb,
|f Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung Gesteht Fig.3 ein Schnittbild der Kühlvorrichtung gemäß
ig darin, daß das Latentwärmespeichermittel in einer Vor- F i g. 1 in Frontansicht, an eine Außenwand eines Hau-
P richtung zur Kühlung von Wohnungen verwendet wird, ses angeschlossen, und
§ wobei sich das Latentwärmespeichermittel in mehreren 25 Fig.4 ein Schnittbild der Kühlvorrichtung gemäß
p Kunststoffbehältern mit Zwischenräumen zum Wärme- F i g. 2 in Frontansicht, wie in F i g. 3 an eine Außenwand
ft austausch mit Luft befindet eines Hauses angeschlossen.
§ Die Vorteile des erfindungsgemäßen Latentwärme- Gemäß.F i g. 1 und 2 ist ein Latentwärmespeichermit-
Is Speichermittels lassen sich zusammengefaßt wie folgt tel 1 in mehreren Kunststoffbehältern 2 eingeschlossen.
It darstellen: 30 In Zwischenräumen 3 zwischen den Behältern 2 wird
% mittels eines Ventilators 4 kühle bzw. warme Luft in
'■ * 1. Die latente Speicherkapazität pro Volumeneinheit Richtung der Pfeile bewegt; durchgezogene Pfeile be-
' ist extrem hoch, sje entspricht etwa der doppelten deuten Warmluft, gestrichelte Pfeile Kaltluft Der
Kapazität eines Warmwasserspeichers, da die Raum, in dem sich die Kunststoffbehälter 2 befinden, ist
K Speichertemperatur statt 900C nur 45°C beträgt 35 durch eine Trennwand 5 in einen oberen und einen unte-
f' Dabei sind Volumen und Mehraufwand für Isoia- ren Raum aufgeteilt Die Trennwand 5 weist einen Ver-
fci tion zur Kompensation der größeren Wärmeverlu- bindungsspalt 6 zwischen dem oberen und dem unteren
ϊί ste des Wasserspeichers noch nicht berücksichtigt Raumteil auf. 7 und 8 sind Lüftungsklappen.
H 2. Die Schmelztemperatur ist gleich oder wenig ab- In den F i g. 3 und 4 haben die Pfeile und die Bezugs-
% weichend von der Umgebungstemperatur (z. B. 40 zeichen die gleiche Bedeutung wie zuvor. Mit 9 ist ein
'% Unterhaus, Keller oder Erdreich). Dadurch treten Inneiwaum des Hauses angedeutet; 10 bezeichnet die
E geringe Wärmeverluste auf und es ist weiiig Isoia- Hauswand.
: tionsaufwand erforderlich; z. B. ist mit einer 2 bis Im Nachtbetrieb (F i g. 1 und 3) arbeitet die Kühlvor-6 cm dicken Kunststoffschaumumhüllung eine ra- richtung wie folgt: Bei 11 wird kühle Außenluft über tionelle Speicherung vom Sommer zum Winter 45 einen Teil der Lüftungsklappen 8 vom Ventilator 4 anmöglich, gesaugt und in die Zwischenräume 3 des Speichers ge-
3. Im Gegensatz zu Eis und anderen bekannten Salz- leitet wo sie Wärme aufnimmt. Die erwärmte Luft wird hydraten tritt beim Gefrieren keine Volumenaus- über einen anderen Teil der Lüftungsklappen 8 bei 12 dehnung und auch ktäne merkliche Volumenver- wieder ins Freie abgegeben. Die Lüftungsklappen 7, die minderung auf. Außerdem tritt kein Phasenwechsel 50 in den tagsüber zu kühlenden Raum führen, sind geim festen Zustand mit Volumenänderung auf. Dies schlossen.
ist einer der wesentlichsten Vorzüge überhaupt da Beim Tagesbetrieb (F i g. 2 und 4) sind die ins Freie
hierdurch die Probleme der thermisch-mechani- ftthTeiu'eri Lüftungsklappen 8 geschlossen und die in
sehen Belastung der Gefäße und Leitungen entfai- den Raum führenden Lüftungsklappen 7 geöffnet War-
len und die einfache Speicherung erst möglich wird. 55 me Innenluft wird v*äi Ventilator 4 durch die Zwischen
4. Das Speichermedium ist chemisch stabil, nicht räume 3 geleitet wo sie sich abkühlt und anschließend in brennbar und greift als Gefäßmatefialien ge- den zu kühlenden Innenraum 9 strömt.
K bräuchliche Kunststoffe wie auch Aluminium und
h: Kupfer unter Speicherbedingungen nicht an. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
|i 5. Sei Benutzung von Wärmepumpen wird ein hoher 60 ~
M Wirkungsgrad erzielt, da die Temperatürdifferenz
I zu einer mittleren Speichertemperatur sowohl für
|| Kühlung als auch für Heizung relativ klein ist
f· 6. Der Wirkungsgrad bei Benutzung von Sbnnenkol-
p lektoren ist sehr hoch, da Speicher- und damit 65
fj Rücklauftemperatur konstant und relativ niedrig
% sind. Einfache Kollektoren mit schwarzer Absor-
?■: herfläche sind ausreichend.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Latentwärmespeichermittel mit einem Salzhydrat als Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium aus dem System Kaliumfluorid-Wasser mit Kaliumfluoridgehalten zwischen 44 und 48 Gew.-% besteht
2. Latentwärmespeichermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium aus dem bei 18,5° C kongruent schmelzenden KF-4H2O besteht
3. Latentwärmespeichermittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es Impfkeime enthält
4. Latentwärmespeichermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Zusatz von organischen oder anorganischen kolloidal verteilten Gerüstsubstanzen aufweist
5. Verv^ndung des Latentwärmespeichermittels nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer Vorrichtung zur Kühlung von Wohnungen, wobei sich das Latentwärmespeichermittel (1) in mehreren Kunststoffbehältern (2) mit Zwischenräumen (3) zum Wärmeaustausch mit Luft befindet
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