DE2934321A1

DE2934321A1 - Latentwaermespeicher

Info

Publication number: DE2934321A1
Application number: DE19792934321
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Friedrich-Karl 5060 Bergisch Gladbach Boese
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1979-08-24
Filing date: 1979-08-24
Publication date: 1981-06-11

Description

ι:

INTERATOM 24.404.2

Internationale Atomreaktorbau GmbH D-5O6O Bergisch Gladbach 1

Latentwärmespeicher

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmespeicher nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs insbesondere für hohe Temperaturen bzw._ZUr Speicherung von Sonnenenergie. Die Wärmespeicherung durch Ausnutzung des Phasenübergangs fest/flüssig läßt gegenüber der üblichen Speicherung fühlbarer Wärme einen wesentlich geringeren Raumbedarf und damit in mehrfacher Hinsicht geringere Kosten erwarten. Nachteile dieser Wärmespeicher sind einerseits, daß sich an kalten Flächen feste Ablagerungen bilden, die den weiteren Wärmeübergang verschlechtern. Andererseits belastet ein erstarrter Block des Wärmespeichermediums den Behälter und die in ihm enthaltenen Bauteile durch unterschiedliche Wärmeausdehnung. Außerdem sind viele Latentwärmespeichermedien chemisch aggressiv und neigen nach längerer Betriebs zeit zur Zersetzung und Entmischung.

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Mechanische Vorrichtungen, die das Wärmespeichermedium durchmischen und seine festen Ablagerungen auf Wärmetauscherflächen entfernen sollen, sind störanfällig, aufwendig und verbrauchen Energie.

In der deutschen Offenlegungsschrift 26 07 168.1 wird ein Latentwärmespeicher beschrieben, in dem ein Natriumsalz als Wärmespeichermedium mit einem paraffinhaltigen Öl als Wärmetransportmedium in direktem Koatakt steht. Einige der bereits erwähnten Probleme eines Latentwärmespeichers werden dort eingehend dargestellt. Die vorgeschlagenen Wärmespeicher- bzw. Transportmedien sollen sich unter dem Einfluß der Schwerkraft wieder voneinander trennen. Ein Nachteil dieser Anordnung ist aber, daß das im direkten Kontakt mit dem Wärmespeichermedium stehende Wärmetransportmedium unmittelbar benutzt wird, um die Speicherwärme zu einem außerhalb des Behälters angeordneten Wärmeverbraucher zu transportieren. Bei längerer Betriebszeit läßt sich aber nicht vermeiden, daß kleine Anteile des Wärmespeichermediums mit dem Wärmetransportmedium aus dem Behälter heraus zu kälteren Anlageteilen transportiert werden und dort de;n Wärmeübergang verschlechtern oder sogar Verstopfungen verursachen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese und die weiter oben bereits erwähnten Nachteile zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Wärmespeicher nach dem ersten Anspruch vorgeschlagen. Der geschlossene Behälter enthält im wesentlichen ein Wärmespeichermedium, das bei Abkühlung erstarrt und dabei die in ihm enthaltene Kristalisations- oder Schmelzwärme abgibt.

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Außerdem enthält dieser Behälter ein Wärmetransportmedium, das aufyrund der unterschiedlichen spezifischen Gewichte vom Wärmespeichermedium getrennt ist und das bei den üblichen Betriebstemperaturen nicht erstarrt. Selbstverständlich sollen diese beiden Medien im wesentlichen nicht ineinander lösbar sein und auch nicht chemisch miteinander reagieren. Im Normalfall ist das Wärmetransportmedium leichter als das Wärmespeichermedium, sammelt sich demgemäß überwiegend . im oberen Bereich des Behälters und verhindert dort den direkten Kontakt des Wärmespeichermediums mit den oberen Wärmetauschern. Das in diesen Wärmetauschern zirkulierende Wärmetransportmedium ist durch eine feste, im allgemeinen metallische Wand vom Wärmetransportmedium innerhalb des Behälter betrennt und kann daher nicht durch das Wärmespeichermedium verunreinigt werden. Im unteren Bereich des Behälters können weitere Wärmetauscher angeordnet sein, die ebenfalls durch eine feste Wand vom Inneren des Behälters getrennt sind, aber nur zur Beheizung des Behälters, also zum Beladen mit Wärme dienen. Da die Temperatur dieses unteren Wärmetauschers beim Beladen höher ist, als die Temperatur des Wärmespeichermediums, wird das Wärmespeichermedium in der Nähe des Wärmetauschers aufgeschmolzen, so daß hier keine schädlichen und den Wärmeübergang verschlechternden Ablagerungen entstehen können. Selbstverständlich kann man auch einen Teil der Wärme über den im oberen Bereich des Behälters angeordneten Wärmetauscher einkoppeln. Das Entladen des Wärmespeichers oder das Auskoppeln der Wärme aus dem Behälter erfolgt zweckmäßigerweise nur über den oberen Wärmetauscher, der aus dem ständig flüssigen Wärmetransportmedium Wärme aufnimmt und diese zu einem Verbraucher transportiert. Das am Wärmetauscher abgekühlte Wärme-

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transportmedium fließt abwärt? bis zur Grenzschicht mit dem Wärmespeichermedium, wärmt sich dort auf und fließt durch Naturkonvektion wieder aufwärts zum Wärmetauscher.

Die im zweiten Anspruch vorgeschlagene Maßnahme gestattet es, die Anforderungen an die Dichtigkeit der Wärmetauscherflächen stark herabzusetzen. Wenn man innerhalb der Wärmetauscher einen etwas höheren Druck einstellt als im Behälter, können sich kleinere Undichtigkeiten nicht negativ auswirken.

Die im dritten Anspruch vorgeschlagene Maßnahme unterdrückt eine chemische Ersetzung des Wärmespeichermediums. Wenn das Wärmespeichermedium aus zwei chemisch miteinander verbundenen Komponenten besteht und die eine dieser Kompnenten außerdem als Wärmetransportmedium im Behälter im Überschuß vorhanden ist, wird bei einer eventuellen Zersetzung die freiwerdende Komponente erneut gebunden.

Der vierte Anspruch nennt eine bevorzugte Ausgestaltung des eben Erwähnten. Insbesondere die Alkalimetalle haben niedrige Schmelzpunkte, während ihre Halogenide sehr unterschiedliche Schmelzpunkte haben. Beispielsweise schmilzt NaJ bei 661 C während NaF dagegen bei 993°C schmilzt. Daher lassen sich für zahlreiche unterschiedliche Anwendungsfälle geeignete Wärmespeichermedien angeben,insbesondere durch Auswahl geeigneter Eutectica.

Die im fünften Anspruch vorgeschlagene Anordnung ist besonders geeignet, wenn der Wärmespeicher schnell be- bzw. entladen werden soll. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung ist bei völlig getrennten Wärmetauschern, da^ß gleichzeitig oder als übergang vom einen

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zum anderen Betriebszustand im unteren Bereich beladen und im oberen Bereicli entladen werden kann.

Die im sechsten Anspruch vorgeschlagene Anordnung soll vermeiden, daß sich im unteren Bereich des Behälters, wenn dieser im wesentlichen mit dem erstarrten Speichermedium gefüllt ist, ein unzulässig großer Druck aufbaut. Die in den Behälter eintretende Rohrleitung als Zufuhr für heißes Transportmedium schmilzt zunächst das Speichermedium in ihrer unmittelbarer Nähe auf und bildet daher im Speichermedium einen Kanal von unten nach oben, der für einen Druckausgleich sorgt.

Die im siebten Anspruch vorgeschlagene Anordnung ist nur für solche Wärmespeicher geeignet, die eine pro Zeiteinheit geringe Wärmeeinkoppelung erwarten lassen. In diesem Fall kann man den Wärmetauscher im unteren. Bereich des Behälter einsparen. Im oberen Bereich des Behälters entsteht innerhalb des flüssigen Wärmetransportmediums ein schwacher Naturumlauf, der bei längerer Einwirkung ebenfalls in gewünschter Weise das Wärmespeichermedium erwärmt.

Die im achten Anspruch vorgeschlagene Anordnung bewirkt gegenüber der vorherbeschriebenen Anordnung einen eindeutigen und kräftigen Naturumlauf, wobei im Bereich des Wärmetauschers aufgrund der Naturkonvektion eine Aufwärtsströmung und in dem anderen Bereich, in dem kein Wärmetauscher angeordnet ist, eine Abwärtsströmung entsteht.

Die Figuren 1 und 2 zeigen als mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Wärmespeicherbehälter.

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Figur 1 zeigt den Zustand am Anfang der Beladuny Fiyur 2 zeigt den Zustand am Anfang der Entladung

In den Figuren 1 und 2 enthält der Behälter 1 im wesentlichen ein Wärmespeichermedium 2, das bei entsprechender Erwärmung von der festen in die flüssige Phase übergeht. Das restliche Volumen des Behälters xst mit einem ständig flüssigen Wärmetransportmedium 3 gefüllt, das im Vergleich mit dem Wärmespeichermedium ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist. Im unteren Bereich enthält der Behälter 1 eine Anzahl von Wärmetauscherrohren 4 und im oberen Bereich eine Anzahl von Wärmetauscher-rohren 5, die beide unabhängig von einander mit einem flüssigen Warmetransportmedium 6 beschickt werden können. Der Behälter 1 ist von der Isolierung 7 umgeben und ist an seinem oberen Ende mit einem Druckausgleichsbehälter 8 über eine Rohrleitung 9 verbunden, der zum Teil mit dem Wärmetransportmedium 3 und zum Teil mit einem Gas 10 gefüllt ist. Damit wird vermieden, daß die bei Temperaturänderungen unvermeidlichen Volumenänderungen zu einem unzulässigen Druckanstieg im Behälter führen.

In Figur 1 wird der Behälter 1 nur im unteren Bereich durch den Wärmetauscher 4 beheizt. Dabei schmilzt zunächst das Wärmespeichermedium 3 in der Nähe der Wärmetauscherrohre, das flüssige Wärmespeichermedium 2 steigt nach oben und bildet eine Naturkonvektion, die von unten nach oben fortschreitend immer mehr von dem festen Wärmespeichermedium 2 zum Schmelzen bringt. Wenn kleinere oder größere Teile des festen Wärmespeichermediums nach unten absinken und mit dem Wärmetauscher 4 in Berührung kommen, wird dadurch der Wärmeübergang nicht verschlechtert, weil diese Teile in der Nähe der heißen Rohrwand schnell auf ge- ;.

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schmolzen werden und im übrigen aufgrund ihrer geringen Temperatur einen besonders guten Wärmeübergang erwarten lassen.

In Figur 2 ist das Wärmespeichermedium 2 im wesentlichen geschmolzen. Durch den Wärmetauscher 5 wird ein Wärmetransportmedium 6 hindurchgeleitet, das sich an dem ständig flüssigen Wärmetransportmedium schnell aufwärmt. Dieses bildet wiederum innerhalb des Behälters eine Naturkonvektion, wobei die kältere Flüssigkeit bis auf die Grenzschicht zwischen Wärmetransportmedium 3 und Wärmespeichermedium 2 absinkt, sich dort wieder aufwärmt und nach oben steigt, um seine Wärme erneut an den Wärmetauscher 5 abzugeben. Die an der Grenzschicht abgekühlten Teile des Wärmespeichermediums sinken aufgrund ihres im kalten Zustand höheren spezifischen Gewichtes nach unten und treiben dadurch andere, wärmere und noch flüssige Teile des Wärmespeichermediums 2 nach oben. Die Durch-Mischung im Wärmespeicher aufgrund der auf- und absteigenden Teile begünstigt den Wärmeübergang vom Wärmespeicher- zum Transportmedium.

In der folgenden Tabelle werden einige Flüssigmetallverbindungen zusammengestellt:

Material Dichte ₃ Schmelzpunkt

(in g/cm bei O-ⁿ *-)

0°C)

Na Cl 2,17 803

KCl 1,99 770

LiCl 2,07 606

NaF 2,56 99 3

LiF 2,64 842

NaJ 3,66 661

NaBr 3,20 755

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Als unterer Wärmetauscher 4 kann zweckmäßigerweise auch die Behälterwand benutzt werden. Damit werden dort Beschädigungen de-r Wärmetauscherrohre durch unterschiedliche Ausdehnung des festen Speichermediums vermieden.

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Claims

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Internationale Atomreaktorbau GmbH D-5O6O Bergisch Gladbach T

Latentwärmespeicher Ansprüche

M. Latentwärmespeicher mit einem Behälter für ein Wärmespexchermedium mit Phasenübergang fest/flüssig; der Behälter enthält im Betrieb ein flüssiges Wärmetransportmedium im direkten Kontakt,mit dem Wärmespeicher medi um;

Wärmespeicher- und Wärmetransportmedium haben unterschiedliche spezifische Gewichte;
diese¹" Wärmespeicher hat folgende Merkmale :

a) Im unteren und/oder oberen Bereich des Behälters (1) sind Wärmetauscher (4/5) angeordnet.
2. Wärmespeicher nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen :

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a) Das Wärmetransportiiiedium (3) im Behälter (1) ist gleich dem Wärmetransportmedium (6) innerhalb der Wärmetauscher (4) und/oder (5).
3. Wärmespeicher nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen :

a) Das Wärmespeichermedium (2) ist eine chemische Verbindung des Wärmetransportmediums (3)'.
4. Wärmespeicher nach Anspruch 3 mit folgenden Merkmalen :

a) Das Warmetransportmedium (3) ist ein flüssiges Metall;

b) das Wärmespeichermedium (2) ist ein Halogenid dieses Metalls.
5. Wärmespeicher nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:

a) Der Wärmetauscher (4) im unteren Bereich des Behälters (1) dient zum Einkoppeln der Wärme in den Speicher;

b) Der Wärmetauscher (5) im oberen Bereich dient zum Auskoppeln der Wärme aus dem Speicher.
6. Wärmespeicher nach Anspruch 5 mit folgenden Merkmalen :

a) Die Rohrleitung (11) als Zufuhr für heißes Transportmedium (3) zum Wärmetauscher (4) ver-

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lüuft von oben durch das Wärmespeichermedium (2).
7. Wärmespeicher nach Anspruch 1 für eine pro Zeiteinheit geringe Wärmeeinkoppelung mit folgenden Merkmalen :

a) Der Behälter (1) hat nur im oberen Bereich Wärmetauscher (5) zum Ein- und Auskoppeln der Wärme.
8. Wärmespeicher nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen :

a) Der Wärmetauscher (5) ist in Bezug auf den waagerechten Behälterquerschnitt unsymmetrisch angeordnet.

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