DE2846988A1 - Waerme- bzw. kaeltespeicher - Google Patents
Waerme- bzw. kaeltespeicherInfo
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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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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 | l· 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)
- PHILIPS PATENTVERVALTUNG OMPh, Steindamm 94, 2000 Hamburg 1y PHD 78-145Patentansprüchei\ 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. Wärme- bzw. Kältespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium 3 bis 5 Vol.96 des (zweiten) Wasser-Salzhydrat-Eutektikums enthält.
- 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.030019/0320INSPECTED
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