DE2744468B2

DE2744468B2 - Vorrichtung zum Messen und gegebenenfalls Regeln des Ladungsgrades von Latentwärmespeichern

Info

Publication number: DE2744468B2
Application number: DE2744468A
Authority: DE
Inventors: Faramarz Dipl.-Phys. Dr. Mahdjuri; Johann Dipl.-Chem. Dr. Schroeder
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1977-10-03
Filing date: 1977-10-03
Publication date: 1979-10-04
Also published as: DE2744468C3; DE2744468A1

Description

Zusammensetzung

Schmelzpunkt

LiClO₃-3 H₂O
KF -4 H₂O
Na₂HPO₄-12H₂O
CaCl₂ AII₂O

+ 8,0⁰C
+ 18,5^CC
+35,2⁰C
+29,0⁰C

-9,6 %
-0,5 %
-4,3 %
-7,3 %

IO

15

20

25

JO

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen und gegebenenfalls Regeln des Ladungsgrades von Latentwärmespeichern, die aus einem Speicherbehälter bestehen, der ein Speichermaterial enthält.

Latentwärmespeicher zeichnen sich gegenüber Speichern fühlbarer Wärme dadurch aus, daß die thermische Energie bei einer konstanten, dem jeweiligen Verwendungszweck optimal angepaßten Temperatur gespeichert werden kann. Dieser Vorteil schließt aber die Schwierigkeit ein, daß die Temperatur des Speichermaterials nicht zur Indikation des Ladungsgrades herangezogen werden kann.

Da Wärmespeicher praktisch immer in einem System integriert sind (z. B. in einem Heizsystem mit Wärmepumpe, Sonnenkollektor oder Fernwärme als Energiequelle), wird zur Steuerung und Regelung des Systems eine Information über den Ladungsgrad des Speichers benötigt.

Zur Speicherung latenter Wärme ist vor allem der Phasenübergang des Schmelzens und Erstarrens einer Substanz von Interesse, weil die Schmelzwärme vieler Stoffe relativ groß ist und die Änderung des Volumens, z. B. gegenüber dem Verdampfen, relativ gering ist. So schrumpft beim Erstarren das Volumen von z. B. einigen Salzhydraten um etwa 0,5 bis 10%, wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht:

Volumenänderung Δ ν von einigen Salzhydraten und
Eutektika beim Phasenübergang

60 Zusammensetzung

Schmelzpunkt

NaF/H₂0

MgSO₄/H₂O

NH₄HCO₃/H₂O

3,5°C
3,9°C
3,8°C

+8,3 %
+5,3 %
+4,6 %

Aus der DE-OS 18 09 088 ist ein Speicher zur Bevorratung von Wärme in fühlbarer Form (spezifische Wärme) bekannt Als Wärmespeichermedium dient dabei eine Flüssigkeit, die gleichzeitig auch als zirkulierendes Wärmetransportmedium fungiert. Der Ladungsgrad dieses Speichers ist durch die Temperatur des Speichermediums bestimmt Es werden darum Temperaturfühler zur Indikation des Ladungsgrades und zur Regelung der Aufheizung benutzt Im Hinblick auf den bekannten Effekt der thermischen Ausdehnung von Flüssigkeiten wird in der Offenlegungsschrift zwar die Möglichkeit zur Beobachtung der Niveauänderung durch ein Schauglas in einem Ausdehnungsgefäß erwähnt Der Effekt, der in diesem Falle ein zweites Maß für den Ladungsgrad ist, wird aber nicht zur Indikation und Regelung des Ladungsgrades herangezogen. Er wäre hierzu auch weniger geeignet, da die Volumenänderung relativ gering ist Sie liegt in der Größenordnung von 1 · 10~³ pro Grad und ist nur etwa um den Faktor 4 bis 10 größer als die Ausdehnung der Speichergefäße, die also noch als Korrektur zu berücksichtigen wäre. Da, wie in der Offenlegungsschrift dargelegt wird, der Speicher fühlbarer Wärme eine Temperaturschichtung hat, liefert die Indikation der Volumenänderung nur einen ungefähren Mittelwert des Ladungsgrades über dem ganzen Speicher. Die Wärmekapazität der Flüssigkeit ist nämlich temperaturabhängig; es sind folglich die Mengen und Temperaturverhältnisse innerhalb der Schichtungen von Einfluß auf den Ladungsgrad und die Gesamtausdehnung; beide sind aber nicht bekannt. Es wird also z. B. durch das Volumen nicht angezeigt, welchen tatsächlichen Ladungsgrad die oberen, wärmeren Schichten haben, die ja eigentlich entladen, d. h. genutzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Ladungsgrad von Latentwärmespeichern auf einfache Weise zu messen und gegebenenfalls zu regeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Speicherbehälter zusätzlich zum Speichermaterial eine Flüssigkeit enthält, die über den gesamten Betriebstemperatui bereich des Speichers flüssig bleibt und einen Dampfdruck < 1 bar hat, und daß der Speicherbehälter Einrichtungen zur Messung des Flüssigkeitsniveaus aufweist, die gegebenenfalls mit Einrichtungen zum Regeln der Wärmezu- und -ableitung zum Wärmespeicher verbunden sind.

Gegenstand der Erfindung ist es also, die zuvor erwähnte relativ kleine Volumenänderung beim Phasenübergang auszunutzen, um eine integrale Indikation über den Wärmeinhalt und damit den Ladungsgrad eines Speichers zu erhalten und zur Steuerung und Regelung heranzuziehen.

Es ist hierzu erforderlich, daß zu dem Speichermaterial noch eine Flüssigkeit in den Speicherbehälter gegeben wird, die über den gesamten Temperatur,¹-,. reich, in dem der Speicher betrieben wird, flüssig bleib, und einen Dampfdruck S1 bar hat, so daß sie den schrumpfenden Speichermaterial überall folgt und alle im Behälter entstehenden Hohlräume ohne Gasein-

Schlüsse ausfüllt. Beispiele für derartige Flüssigkeiten sind Siliconöle und Parafinöle.

Vorzugsweise weist die zusätzliche Flüssigkeit kein Reaktions- und Lösungsvermögen in bezug auf das Speichermaterial auf. Es ist aber aich möglich, zusätzliche Flüssigkeiten zu verwenden, die mit dem Speichermaterial reagieren oder dieses lösen, wie z. B. Salzhydrate als Speichermaterial und Wasser als zusätzliche Flüssigkeit In diesem Falle wird das Speichermaterial, wie es in der Patentanmeldung P 27 20 1883 vorgeschlagen worden ist, durch geschmeidige bewegliche Trennwände (z. B. Kunststoffolien) eingeschlossen und von der umgebenden Kontaktflüssigkeit getrennt Da die Flüssigkeit gleichzeitig im Sinne der genannten Patentanmeldung als thermisches Kontaktmedium fungieren kann, sollte sie außerdem auch eine möglichst gute Wärmeleitfähigkeit besitzen.

Zweckmäßigerweise hat die zusätzliche Flüssigkeit e'n niedrigeres spezifisches Gewicht als das Speichermaterial und befindet sich das Flüssigk»itsniveau in einem verengten oberen Teil des Speicherbehälters.

Die Niveauänderung der Kontaktflüssigkeit ist proportional der Menge geschmolzenen Speichermaterials und ist damit auch ein direktes, integrales Maß für den Inhalt an latenter Wärme (Schmelzwärme) im Speicher.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung, bei der die Niveauänderung durch einen Schwimmer angezeigt wird, und

F i g. 2 eine Vorrichtung, bei der die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit zur Füllstandsmessung ausgenutzt wird.

In den Figuren sind der Speicherbehälter bzw. die Behälterwände mit 1 und das Speichermaterial mit 2 bezeichnet. Gemäß Fig. 1 ist das Speichermaterial in Kunststoffolie verpackt; zwischen den einzelnen Speichermaterialpaketen 2 sind Wärmeaustauscher 3 angeordnet. Die Kontaktflüssigkeit, die im Falle der F i g. 2 elektrisch leitend ist, ist mit 4 bezeichnet

Die Meß- und Regelvorrichtung gemäß der Erfindung

befindet sich bei den Figuren in einem verengten oberen Teil 5 des Speicherbehäliers 1. Darin sind das obere bzw.

s das untere Niveau der Kontaktflüssigkeit mit 6 bzw. 7 bezeichnet

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, kann die Niveauänderung durch einen Schwimmer· 8 angezeigt und direkt auch zur Schaltung eines Steuer- und Regelvorganges, z. B. zum

ίο Schließen oder öffnen eines Ventils in einem mit Flüssigkeitskreislauf betriebenen Wärmetransportsystem benutzt werden. Hierzu dienen eine Skala 9 und elektrische Schalter 1OA und iOB zur Steuerung (mit Zeiger zur Skala 9). Die Niveauänderung kann aber auch indirekt, z. B. mit Potentiometer oder kapazitivem Wegaufnehmer, indiziert werden. Anstatt durch Schwimmer kann die Indikation und Regelung auch über gebräuchliche Druckschalter erfolgen. Durch Einfärben der Flüssigkeit kann mit einer Lichtschleuse gearbeitet werden.

Ablauf der Regelvorgänge: Ist der Speicher voll aufgeladen, so bricht der Kontakt beim Schalter 10Λ ab und der Aufladevorgang wird somit unterbrochen. Ist der Speicher entleert (z. B. auf 5%), so wird der Schalter lOfl geschlossen und damit das Signal für die Aufladung gegeben. Bei dazwischenliegenden Siellungen des Schwimmers 8 befinde! sich der Speicher in normaler Be- bzw. Entladung.

Besitzt die Flüssigkeit, wie bei der Vorrichtung nach Fig. 2, eine elektrische Leitfähigkeit, z. B. durch Auflösung von Salz in Wasser, so kann auch durch die veränderliche Eintauchtiefe einer Tauchelektrode 11, z. B. eines Metallstabes, und die damit verbundene Änderung des elektrischen Widerstandes eine kontinu-

J5 ierliche Indikation des Beladungsgrades und eine Systemsteuerung erfolgen. Die Gegenelektrode 12 zur Tauchelektrode ist zweckmäßigerweise an der Behälterwand angebracht. Beide Elektroden sind über eine Stromquelle mit einem Widerstands-Meßgerät 13 mit

■»ο elektronischer Steuerung verbunden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen und gegebenenfalls Regeln des Ladungsgrades von Latentwärmespeichern, die aus einem Speicherbehälter bestehen, der ein Speichermaterial enthält, dadurchgekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (1) zusätzlich zum Speichermaterial (2) eine Flüssigkeit (4) enthält, die über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Speichers flüssig bleibt und einen Dampfdruck < 1 bar hat, und daß der Speicherbehälter Einrichtungen zur Messung des Flüssigkeitsniveaus aufweist, die gegebenenfalls mit Einrichtungen zum Regeln der Wärmezu- und -ableitung zum Wärmespeicher verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Flüssigkeit (4) kein Reaktions- und Lösungsvermögen in bezug auf das Speichermaterial (2) aufweist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Flüssigkeit (4) durch geschmeidige bewegliche Trennwände vom Speichermaterial (2) getrennt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Flüssigkeit (4) ein niedrigeres spezifisches Gewicht als das Speichermaterial (2) hat und daß sich das Flüssigkeitsniveau (6, 7) in einem verengten oberen Teil (5) des Speicherbehälters (1) befindet.