DE2846988A1 - Waerme- bzw. kaeltespeicher - Google Patents

Waerme- bzw. kaeltespeicher

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DE2846988A1 DE19782846988 DE2846988A DE2846988A1 DE 2846988 A1 DE2846988 A1 DE 2846988A1 DE 19782846988 DE19782846988 DE 19782846988 DE 2846988 A DE2846988 A DE 2846988A DE 2846988 A1 DE2846988 A1 DE 2846988A1
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Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, Steindamm 94, 2000 Hamburg 1
-«Γ PHD 78-145
Wärme- bzw. Kältespeicher
Die Erfindung betrifft einen Wärme- bzw. Kältespeicher mit einem Behälter, der mit Wasser oder einem eutektischen Gemisch aus Wasser und einem Salzhydrat als Speichermedium gefüllt und mit Wärmeaustauschflächen versehen ist.
Zur Speicherung latenter Wärme wird die Enthalpieänderung ausgenutzt, die mit dem Phasenübergang eines Speichermediums von fest nach flüssig und umgekehrt verbunden ist. Mit dem Phasenübergang geht aber fast bei allen Speichermedien auch eine Volumenänderung einher, die zu erheblichen Schwierigkeiten führt, weil die Wärmeaustauscher- und Behälterwände dadurch mechanisch stark belastet werden und der thermische Kontakt gestört wird.
Bei den meisten Speichermedien, z.B. bei den Salzhydraten, nimmt das Volumen beim Übergang von der festen in die flüssige Phase zu. In diesem Falle kann das Problem dadurch gelöst werden, daß das Speichermedium in flachen Speicherbehältern mit gewellten, relativ dünnen Metall- oder Kunststoff wänden untergebracht wird. Solche plattenförmigen Speicherbehälter (Speicherplatten) können in sehr einfacher Weise zu beliebig großen Blöcken (Speicherblöcken) gestapelt werden. Der Wärmeaustausch kann sowohl durch einen inneren Wärmeaustauscher als auch über die Oberfläche der Speicherplatten erfolgen. Durch das Wellenprofil
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# PHD 78-145
sind die Wände der Platten flexibel, haben aber gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität und minimalen Materialbedarf. Die Speicherplatten dürfen allerdings nur horizontal oder leicht geneigt gelagert werden, damit die Ausdehnung des Speichermediums sich gleichmäßig über die gesamte Platte verteilt.
Während diese Maßnahme für die meisten Speichermedien ausreicht, ergibt sich bei der Verwendung von Wasser und eutektischen Mischungen von Wasser mit Salzhydraten eine weitere gravierende Schwierigkeit. Diese zu Kühlzwecken dienenden Speichermedien dehnen sich nämlich beim Verfestigen um mehrere Vol.% aus, z.B. Wasser um 8 %. Da gleichzeitig die Abkühlung und das Auskristallisieren des Speichermediums nie gleichmäßig über die ganze Speicherplatte erfolgt, findet das Verfestigen ungleichmäßig in lokalen Kristallisationsbereichen statt. Dadurch kommt es hin und wieder vor, daß Wasser, welches in solchen Kristallbereichen eingeschlossen wird, bei weiterer Verfestigung und Volumenzunahme durch kleine Risse oder Kanäle im Kristallgefüge örtlich mit sehr hohem Druck gegen die Plattenwand gedrückt wird und hier unter weiterer Volumenzunahme kristallisiert. Diese lokale Druck- und Volumenzunahme führt dann zu örtlichen Aufblähungen und schließlich zur Zerstörung der Plattenwände.
Ein Kältespeicher mit einem eutektischen Gemisch aus Wasser und einem Salz oder Salzhydrat als Speichermedium ist aus der DE-OS 27- 05 894 bekannt. Als an sich aus der Literatur bekannte eutektische Gemische aus Wasser und Salzhydraten werden darin 64 g MgSO^ · 7H2O pro 100 g Wasser (F.P. -5,20C) oder 84 g MgCl2 · 6H2O pro 100 g Wasser (F,P. -330C) oder 143 g CaCl2 · 6H2O pro 100 g Wasser (F.P. -55°C) genannt (F.P. = Schmelzpunkt). Probleme, die sich aus der oben erwähnten Volumenänderung ergeben, werden darin nicht angesprochen.
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Aus der US-PS 37 44 272 ist bekannt, daß das in einer Kühlvorrichtung verwendete eutektische Material NaCl· Na2SO^*10 H2O (F.P. 13°C) infolge seiner Ausdehnungscharakteristik keine Beschädigung seines Behälters durch Ausdehnen beim Verfestigen verursacht. Aus der US-PS 39 21 961 ist eine eutektische Kühllösung aus etwa 2 kg Wasser und etwa 500 g Kaliumchlorid bekannt, der etwa 1 bis 2 % (20 bis 40 g) Glycerin hinzugefügt werden, um die Probleme eu verringern, die durch das Ausdehnen beim Erstarren der Lösung verursacht werden.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, die Anwendung von relativ dünnen Behälterwänden auch bei Kältespeichern der eingangs genannten Art zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Speichermedium zusätzlich 1 bis-6 Vol.%, vorzugsweise 3 bis 5 Vol.%, eines (zweiten) Wasser-Salzhydrat-Eutektikums enthält, dessen Schmelzpunkt niedriger als der des reinen Speichermediums ist.
Überraschenderweise wird durch den erfindungsgemäßen Zusatz die Kristallisation und Volumenzunahme wesentlich gleichmäßiger über die gesamte Speicherplatte stabilisiert, und es treten auch nach vielen hundert Speicherzyklen keinerlei örtliche Aufblähungen der Plattenwände . mehr auf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt perspektivisch und im Schnitt ein flaches, mit einem Wärmeaustauschrohr 1 versehenes Wärmespeichergefäß, das mit Wasser oder einer eutektischen Mischung von Wasser mit Salzhydrat als Speichermedium 2 gefüllt ist und in dem sich zur Stabilisierung der Kristallisation zusätzlich 1 bis 6 Vol.% einer eutektischen Mischung von Wasser und Salzhydrat mit niedrigerem Schmelzpunkt befinden. Während ohne diesen Zusatz das Medium sich ungleichmäßig verfestigt, kristallisiert es mit Zusatz sehr gleichmäßig aus, und die Speicherplatte nimmt auch gleichmäßig über die ganze Fläche im Volumen zu. Örtliche Aufblähungen werden nicht mehr beobachtet.
In den experimentell untersuchten Fällen sind die Speicherplatten aus Kunststoff- oder Metallfolien mit Stärken von 0,05 bis 0,5 mm gefertigt. Die gewellten Wände 3 der
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Speicherplatten sind flexibel und folgen darum der beim Phasenübergang auftretenden Volumenänderung des Speichermediums 2, wodurch eine hohe Stabilität und gleichzeitig ein guter thermischer Kontakt zwischen Speichermedium 2 und Speicherwandung 3 aufrechterhalten werden. Die in diesem Beispiel beschriebenen Platten haben zwei relativ starre Seitenwände 4, damit sie auch in Längsrichtung selbsttragend sind und leicht zu größeren Speicherblöcken gestapelt werden können. Diese Wände können allerdings wegen ihrer geringen Flexibilität bei vielmaligem Verfestigen des Speichermediums langsam nach außen gedrückt werden. Obwohl bisher in den Experimenten - selbst nach vielen —-Speicherzyklen - keine kritische Ausbeulung, sondern nur eine leichte, gleichmäßige Wölbung beobachtet wurde, kann dieser nachteilige Effekt durch folgende einfache Maßnahme doch besser ganz vermieden werden:
Ein Streifen 5 aus Gummi oder einem anderen elastischen Stoff wird auf die Innenseite der Seitenwände geklebt oder geheftet. Die Ausdehnung des sich verfestigenden Speichermediums wird so aufgefangen und das Aufwölben der Seitenwände wird vollkommen vermieden.
Beispiele für Speichermedien, die zu Kühlzwecken sehr gut geeignet sind, und zugehörige, wirksame Zusätze von eutektischen Mischungen mit niedrigem Schmelzpunkt sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
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Speicherraedium 5 Gew.?' F.P.[ 0C1 Zusatz von 1 bis 6 Vol.?i F.P. Γ 0Cl
H2O 5 Gew.? + 0 H2O + 3,92 Gew.? ί NaF - 3, 5
H2O 9 Gew.?i + 0 H2O 4- 9,5 Gew.? ί NH4HCO3 - 3, 9
H2O 9 Gew. ? + 0 H2O + 32,4 Gew.? 6 NaH2PO4 - 9, 9
H2O 16 Gew.? + 0 H2O + 19,6 Gew.? Ό NH4Cl -16, 0
H2O 16 Gew.? + 0 H2O 4- 22,4 Gew.? ί NaCl -21, 2
H2O + 32 Gew.? - 2, 1 H2O + 16,5 Gew.? £ KHCO3 - 5, 43
H2O + 19 Gew.? - 2, 1 HgO + 38,33 Gew.? i K3PO4 -24
H2O + 19 Gew.? - 2, 85 HgO + 32,4 Gew.? & Mg(NO3J2 -31, 9
H2O 4 36 Gew.? - 3, 9 HgO -t- 19,5 Gew. S >i NH4Cl -16
HgO 4 • 23 Gew.? - 5, 43 HgO 4 38,33 Gew. 5 £ K3PO4 -24
HgO 4 ■ 19 Gew.? - 7, 6 HgO 4 21,8 Gew. S ί KF -21, 5
H2O + ■ 39 Gew.? - 9, 9 H2O + 38,33 Gew. S <i K3PO4 -24
HgO 4 • 22 Gew.? -10, 7 H2O + 38,33 Gew.i ί K3PO4 -24
H2O 4 ■ 38 Gew.? -10, 7 H2O 4- 20,6 Gew.! £ MgCl2 -33, 6
H2O 4 •32 Gew.? -13 H2O 4 38,33 Gew.' & K3PO4 -24
H2O 4 - 30 Gew. 5 -14, 8 H2O + 21,8 Gew.' & KF -21, 5
H2O 4 F 42 Gew. 5 -16 HgO 4 21,2 Gew. % NaCl -21 2
HgO 4 η 32 Gew. 5 -18, 5 HgO 4- 20,6 Gew. % CaCl2 -49, 8
HgO 4 20 Gew. 5 -21, 2 HgO 4 30,2 Gew. Yo CaCl2 -49 8
H2O 4 h 30 Gew.! -24 HgO 4 20,6 Gew. % CaCl2 -49 8
H2O 4 -26 5 H2O 4- 56 Gew. % NaClO4 -32
H2O η -27 HgO + 32,4 Gew. % Mg(NO3J2 -31 ,9
H2O i -28 9 HgO 4 32,4 Gew. % Mg(NO3J2 -31 ,9
H2O ■> -31 ,9 H2O 4- 20,6 Gew. % CaCIg -49 ,8
H2O - -33 ,6 H2O 4 20,6 Gew. % CaCl2 -49 ,8
H2O - ,93 -49 ,8 H2O 4 51 Gew. % ZnCl2 -62
,93 ) Na2CO3
,66 ) Na2CO3
,5 ; KNO3
,5 5NH4HCO3
,5 '* KHCO3
,4 i KHF2
,34 ί NaH2PO4
,34 & KCl
,78 & KCl
,6 & K2HPO4
,5 i NH4HF2
,7 i NH4Cl
,4 (, (NH4J2SO4
,33 ί NaCl
,5 6K3PO4
,5 £ NH4F
,9 ιέ Al(NO3J3
,4 £ Ca(NO3J2
,6 i Mg(NO3J2
,2 £ MgCl2
£ CaCl2
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Leerseite

Claims (3)

  1. PHILIPS PATENTVERVALTUNG OMPh, Steindamm 94, 2000 Hamburg 1
    y PHD 78-145
    Patentansprüche
    i\ Wärme- bzw. Kältespeicher mit einem Behälter, eier mit Wasser oder einem, etitektischen Gemisch aus Wasser und einem Salzhydrat als Speichermedium gefüllt und mit Wärmeaustauschflächen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (2) zusätzlich 1 bis 6 Vol.% eines (zweiten) Wasser-Salzhydrat-Eutektikums enthält, dessen Schmelzpunkt niedriger als der des reinen Speichermediums ist.
  2. 2. Wärme- bzw. Kältespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium 3 bis 5 Vol.96 des (zweiten) Wasser-Salzhydrat-Eutektikums enthält.
  3. 3. Wärme- bzw. Kältespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Innenseiten der Seitenwände (4) des Behälters ein Streifen (5) aus einem elastischen Stoff angeordnet ist.
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    INSPECTED
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