DE2717933A1

DE2717933A1 - Latentwaermespeicher

Info

Publication number: DE2717933A1
Application number: DE19772717933
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Molt
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1977-04-22
Filing date: 1977-04-22
Publication date: 1978-10-26
Also published as: GB1596883A; IT1156956B; FR2388241A1; JPS53132844A; SE7804253L; IT7867814A0

Description

DORNIER SYSTEM GMBH
7990 Friedrichshafen

Reg. S 284

Latentwärmespeicher

Die Erfindung befaßt sich mit einem Latentwärmespeicher mit einem aus Salzlösungen oder Salzmischungen bestehenden Phasenwechselmaterial als Speichermedium.

Phasenwechselmaterialien, wie sie in Latentwärmespeichern zur Anwendung kommen, sind zahlreich bekannt. Als Speichermediun werden dazu Salzlösungen, Salzmischungen und kristalline organische niedermolekulare Substanzen verwendet.

Zum Beispiel ist aus der DT-OS 25 17 920 ein Latentwärmespeicher bekannt, bei dem das Speichermedium aus dem System Kaliumfluorid (KF)-Wasser (l"L0) mit Kaliumfluoridgehalten zwischen 44 und 48 Gewichtsprozenten oder vorzugsweise aus dem bei 18,5 C kongruent schmelzenden Kaliumfluoridhydrat (KF«4HL0) besteht. Zur Erleichterung des Auskristallierens von Kaliumfluoridhydrat (KF.4H_0) sind dem Eutektikum gleiche oder chemisch verwandte, möglichst isomorphe Verbindungen als Impfkeime, sowie Gerüstsubstanzen wie Gelatine, Kieselsäure, Monmorillonit, Polysaccharide, Pektine u. a. Polymere beigegeben. Ein anderer Latentwärmespeicher ist in der DT-OS 25 17 921 beschrieben.

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Hier enthält ein allseitig geschlossener Behälter als Speichermedium einen zur Unterkühlung neigenden Stoff, wobei im Behälter ein Wärmetauscher und eine zum Umwälzen des Speichermediums im flüssigen Zustand geeignete Pumpe angeordnet sind. Als Speichermedium sind Salzhydrate vorgesehen, wobei vorzugsweise das bereits erwähnte System Kaliumfluorid - Wasser mit Kaliumfluoridgehalten zwischen 44 und 48 Gewichtsprozenten dient. Als Variante eines Speichermediums ist als Beispiel fUr ein geeignetes Salzhydrat Na« SO.· 1OKLO) angegeben. Ferner ist aus der DT-OS 25 23 273 die Verwendung von kristallinen, vernetzten Kunstharzen als Speichermedium in Latentwärmespeichern bekannt, wobei insbesondere Epoxidharze verwendet werden. Als besondere Vorzugsform ist darin die Verwendung von Epoxidharzen, Polyurethanharzen, Polyesterharzen oder Gemischen dieser Kunstharze dargestellt.

Nachteil ist bei derartigen als Phasenwechselmaterial verwendeten Speichermedien die für spezielle Anwendungsgebiete zu geringe Schmelztemperatur und Schmelzwärme, sowie Speicherkapazität bei zu großer Masse. Dazu kommt, daß sich nach mehreren Phasenwechseln oder bei Temperaturüberhöhung das Phasenwechselmaterial zersetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Phasenwechselmaterial als Speichermedium zu schaffen, das eine Schmelztemperatur zwischen 180 C und 190 C besitzt und bei dem die Schmelzwärme der bisher bekannten Phasenwechselmaterialien von 200 Joule/g wesentlich Überschritten wird. Das Phasenwechselmaterial sollte gegen

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Phasenwechsel und Temperaturüberhöhung unempfindlich sein,d. h., es sollte sich dabei nicht zersetzen.

Erfindungsgemäß sind zur Lösung dieser Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und die der ihm folgenden Unteransprüche vorgesehen.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß die neuen Phasenwechselmaterialien eine hohe Schmelztemperatur bzw. einen hohen Schmelzpunkt verbunden mit einer ebenso hohen Schmelzwärme besitzen. Diese Phasenwechselmaterialien sind durch die nachstehenden Werte de-

finiert:	Schmelzpunkt V^c	Schmelzwärme Joule/g	Dichte₃ D g/cm
Phasenwechsel- •naterial	185	440	1, 43
Borsäure (H₃BO₃)

Eutektisches Gemisch Lithiumnitrat und Lithiumhydroxid 60 Gew.* LiNO₃+ 40 Gew.* LiOH

183 410 2.0

Die geringfügige niedere Schmelzwärme des eutektischen Gemisches gegenüber der Borsäure wird durch die höhere Dichte des Gemisches ausgeglichen. Bei beiden Stoffen liegt beim Übergang von der festen in die flüssige Phase die Volumenzunahme unter 10 %, wobei sie eine homogene Schmelze bilden und bei Abkühlung kristallin erstarren. Bei der Borsäure ist zu beachten, daß am Schmelzpunkt ein Wasserdampfdruck von 4 bar

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herrscht, woraus resultiert, daß der Latentwärmespeicher vakuumdicht und als Uberdruckbehälter ausgebildet sein muss. Wegen der hohen Aggression der Schmelze, insbesondere von Borsäure gegen Kupfer oder Aluminium muss das Behältnis aus dagegen beständigen Materialien (z. B. V2A, V4A Stählen o. ä.) bestehen.

FUr den Betrieb eines Latentwärmespeichers wird außer diesem Speicher selbst noch ein Wärmetauscher benötigt, der die von einer Wärmequelle erzeugte Wärme (z. B. Abgaswärme eines Kfz) zum Latentwärmespeicher und von diesem zu einer Wärmesenke überträgt. Dabei kann der Wärmetauscher fUr die Wärmezu- und -abfuhr identisch sein, was beispielsweise beim Wärmetausch dadurch geschieht, daß sich Wärmequelle und Wärmesenke in direktem Kontakt mit der Behälterwand des Latentwärmespeichers befinden. Der Wärmeübergang ist dabei weder schalt- noch regelbar.

Eine vorteilhafte Anwendung der Kombination eines derartigen Latentwärmespeichers und Wärmetauschers ist z. B. die Nutzung der Abgaswärme von Brennkraftmaschinen (z. B. Motoren von Kfz) zum Vorwärmen es Kühlwassers und Kraftstoffes. Der Vorteil ist hier, daß der Latentwärmespeicher während der Fahrt durch die heißen Abgase des Motors aufgeladen und die Wärme über einen längeren Zeitraum gespeichert wird. Bei abgestelltem Motor kann dann die Entladung des Latentwärmespeichers zur Vorwärmung des Kühlwassers (Vermeidung von Kaltstarts), des Kraftstoffes (Verbesserung von Vergasung und Verbrennung) und des Fahrgast-

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raumes verwendet werden. Außer eines sehr geringen Bedarfes an elektrischer Energie aus der Batterie des Fahrzeuges zum Antrieb eines Gebläses und einer Umwälzpumpe ist keinerlei zusätzliche Energie notwendig und es entstehen keinerlei umweltschädliche Abgase. Durch die Vorwärmung des Kraftstoffes und der damit verbundenen wesentlich besseren Vergasung und Verbrennung des Kraftstoffgemisches geht sowohl ein höherer Wirkungsgrad des Motors als auch eine geringere Schadstoffemission einher. Da z. B. die Vorwärmtemperatur für Kraftstoffe für Vergasermotoren 200 C wegen der Gefahr des „crackens" nicht überschritten werden darf, ist die mit den neuen als Speichermedium verwendeten Phasenwechselmaterialien Borsäure (H_BO«) und 60 Gew. % Lithiumnitrat (LiNO ) + 40 Gew. % Lithiumhydroxid (LiOH) erzielte Temperatur zwischen 180 C und 190 C optimal. Dabei können die starken Schwankungen der Abgastemperatur durch Verwendung einer derartigen Kombination von Latentwärmespeicher und Wärmetauscher vom Auspuff zum Vergaser geglättet werden, so daß die kritische Temperatur von 200°C nicht überschritten wird.

Für eine derartige Anwendung ist daher ein Latentwärmespeicher geeignet, dessen Arbeitstemperatur (Schmelztemperatur) weit genug unter der Abgastemperatur liegt, um eine ausreichend schnelle Aufladung zu gewährleisten. Die mittlere Abgastemperatur von Kfz-Motoren ist abhängig von Fahrgeschwindigkeit, Drehzahl des Motors, Dauer seines Betriebes, der Außentemperatur u. a. und liegt bei Dieselmotoren wesentlich tiefer als bei Vergasermotoren. Dabei sind Temperaturen zwischen 300 C

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und 800°C möglich.

Die Wahl eines Phasenwechselmaterials mit einer Arbeitstemperatur zwischen 180 C und 190 C ist für die beispielsweise angeführten Anforderungen ideal erfüllt. Sie gewährleistet eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke (Kuhlwasser, Kraftstoff, Luft) und Wärmequelle (Abgase vom Auspuff).

Ein mit diesem Phasenwechselmaterial bestückter Latentwärmespeicher ist als Temperaturausgleichselement für eine Kraftstoffvemebelung sehr geeignet, weil dabei die kritische Temperatur von 200 C nicht Überschritten wird.

Temperaturen von Über 200 C würden bei der Wärmeübertragung große Schwierigkeiten mit sich bringen, wenn der Wärmeleiter ein Wärmerohr ist und weil das bei den in Frage kommenden Wärmerohren darin enthaltene Fluid (z. B. Wasser) einen bei diesen Temperaturen zu hohen Dampfdruck besitzt.

Ausfuhrungsbeispiele sind nachfolgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die prinzipiellen Komponenten eines Latentwärmespeichers, Fig. 2 einen Latentwärmespeicher mit Wärmetauschern bzw. Wärmeleitern zur Kuhlwasservorwärmung.

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In Fig. 1 sind schematisch die zum Betrieb eines Latentwärmespeicher 1 notwendigen weiteren Komponenten in der Reihe ihrer Wirkungsrichtung dargestellt. Dem Latentwärmespeicher 1 wird durch einen Wärmetauscher bzw. Wärmeleiter 2 von einer Wärmequelle 3 Wärme zugeführt. Ist der Latentwärmespeicher 1 mit Wärme geladen,d. h., ist das darin enthaltene und als Speichermedium dienende Phasenwechselmaterial 4 vom festen in den flüssigen Aggregatzustand Übergegangen, so wird bei Bedarf diese darin gespeicherte Wärme Über einen weiteren Wärmetauscher bzw. Wärmeleiter 5 zu einer daran angeschlossenen Wärmesenke 6 hin Übertragen.

In Fig. 2 ist ein Latentwärmespeicher 1 mit Wärmetauscher und Wärmeleiter 2, 9 dargestellt, die die Wärme von der Wärmequelle 3 (Auspuff) zum im Behälter 7 befindlichen als Speichermedium dienenden Phasenwechselmaterial 4 (Borsäure H₀BO₀ oder Gemisch aus 60 Gew. % LiNO₀

•So O

+ 40 Gew. % LiOH) leiten und wobei das Phasenwechselmaterial 4 um ein oder mehrere in der Mitte des Behälters 7 angeordnete Wärmerohre 9 lagert. Außerdem ist das Phasenwechselmaterial 4 von weiteren als Wärmetauscher ausgebildeten und als solche wirkende von flüssigkeitsdurchströ'mten Röhren 10 mit daran angeordneten Blechen 11 durchsetzt. An den Stirnenden des Behälters 7 sind zur Kommunikation der darin angeordneten Röhren 10 Räume 12', 13' vorgesehen.

Tritt der Latentwärmespeicher 1 in Funktion, so wird durch den im heissen Abgasstrom 14 angeordneten Wärmetauscher 2 der Wärmequelle 3 (Auspuff) Wärme entzogen und durch das Wärmerohr 9 dem Phasenwechselmaterial

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4 zugeführt. Hierbei muss die Einbaulage des Latentwärmespeichers 1 zur Richtung der Schwerkraft 15 beachtet werden. Liegt z. B. bei einem Wärmerohr die Wärmequelle (Wärmezufuhr) unterhalb der Wärmesenke (Wärmeabfuhr), so Überträgt das Wärmerohr sehr große Wärmeengen (vergleichsweise zu einem entsprechenden Kupferstab etwa bis zu 10 mal mehr). Liegt dagegen die Wärmesenke unterhalb der Wärmequelle, so sperrt das Wärmerohr den Wärmestrom. Das Wärmerohr wirkt dabei wie eine Diode, wenn es in Richtung der Schwerkraft betrieben wird.

Damit wird beim Betrieb eines Motors dem Latentwärmespeicher 1 aus dem Abgas 14 zwar Wärme zugeführt, beim Stillstand desselben ist aber ein unbeabsichtigtes Entladen des Latentwärmespeichers 1 Über das Wärmerohr 9 nicht möglich. Zusätzliche Aggregate (z. B. elektromotorisch getriebene Pumpen) sind bei Verwendung von Wärmerohren demnach nicht erforderlich. Zur Wärmeabfuhr (in Richtung Wärmesenke 6, Fig.i) sind die Rohre 10 mit den daran angeordneten Blechen 11 vorgesehen. Zum Entladen des Latentwärmespeichers 1 wird die kalte Kühlflüssigkeit 8 durch diese Rohre 10 gepumpt, wobei es dem Phasenwechselmaterial 4 die darin gespeicherte Wärme entzieht und den Latentwärmespeicher 1 durch den KuhlflUssigkeitsablauf 13 heiß verläßt.

18. April 1977 809843/0436

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Claims

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DORNIER SYSTEM GMBH * ^w *

Friedrichshafen

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Patentansprüche ;

1.. Latentwärmespeicher mit einem aus Salzlösungen oder Salzmischungen bestehenden Phasenwechselmaterial als Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium ein Phasenwechselmaterial (4) ist, dessen Schmelztemperatur zwischen 180 C und 190 C liegt und eine Schmelzwärme zwischen 410 Joule/g und 440 Joule/g besitzt, wobei der Latentwärmespeicher (1) mit Wärmetauschern bzw. Wärmeleitern (2, 5) fUr die Wärmezu- und -abfuhr verbunden ist.

2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenwechselmaterial (4) Borsäure (HLBO..) ist.

3. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenwechselmaterial (4) ein eutektisches Gemisch ist und aus 60 Gewichtsprozenten Lithiumnitrat (LiNO.) und 40 Gewichtsprozenten Lithiumhydroxid (LiOH) besteht.

4. Latentwärmespeicher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher bzw. Wärmeleiter (2) fUr die Wärmezufuhr aus wenigstens einem Wärmerohr (9) besteht, wobei der Latentwärmespeicher (1) Über der Wärmequelle (3) angeordnet ist.

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5. Latentwärmespeicher nach den Ansprüchen 1 bis A₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher bzw. Wärmeleiter (5) fUr die Wärme-

abfuhr aus innerhalb des Latentwärmespeichers (1) angeordneten flUssigkeitsdurchströmten Röhren (1O) besteht.

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