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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Wärmeseichermedium auf der Basis Natriunhydroxid/Wasser.
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Wärmespeichersysteme, bei denen die Schmelzenthalpie eines Stoffes
ausgenutzt wird, sind z.B. aus Energy Research, Vol. 1, S. 351-363 -(1977) sowie
Ashrae Journal, September 1974, S. 38-44, bekannt. Die Verwendung von Natriumhydroxid.Monohydrat
als Wärmespeichermedium ist aus der CH-PS 363 130 bekannt.
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Wärmespeichermedien der vorgenannten Art müssen insbesondere die folgenden
Anforderungen erfüllen: 1. Die Energiedichte muß erheblich über der von Wasserspeichern
liegen; 2. die Speichertemperatur soll weitgehend konstant sein, d.h. die Temperaturdifferenz
zwischen Lade- und Entladevorgang muß möglichst gering sein; 3. die physikalischen
Eigenschaften des Speichermediums sollen keine besonderen Anforderungen an die Behälterkonstruktion
stellen; 4. Lade- und Entladevorgang müssen beliebig oft wiederholbar sein.
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Eine Auswahl von Wärmespeichermedien allein aufgrund thermodynamischer
Daten führt nicht ohne weiteres zum Erfolg, weil bei diesen Systemen in der Regel
starke Unterkühlungserscheinungen der Schmelze auftreten, bevor die Kristallisation
eintritt. Derartige Erscheinungen sind jedoch bei Wärmespeichermedien der hier genannten
Art unerwünscht, weil sie die Effizienz der Energiespeicherung mindern.
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Mittel zur Vcrhinderung bzw. mindestens zur Vermindcrunq der Unterkühlung
sind bereits bekannt. Am wirksamsten ist der Zusatz von Stoffen, die ähnliche Gittereigenschaften
aufweisen wie das Wärmespeichermedium, in diesem aber unlöslich sind und darüber
hinaus einen höheren Schmelzpunkt als das Wärmespeichermedium aufweisen. Allerdings
ist nicht jeder Stoff, der auf ein betrachtetes Speichermedium die vorstehenc genannten
Merkmale erfüllen kann, auch geeignet, bei diesem die Unterkühlung wirksam zu verhindern.
Deshalb ist es auch nicht möglich, rechnerisch auf der Basis von thermodynamischer
und kristallographischen Tabellenwerken geeignete Kombinationen von Medium und Keimbildner
auszuwählen.
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Die Erfindung ist auf ein Wärmespeichermedium der eingangs genannten
Art gerichtet, mit dem sich die Unterkühlungserscheinungen der Schmelze in wirksamer
Weise unterdrücken bzw. vermindern lassen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Wärmespeichermedium gelöst, das aus 60
- 80 Gew.-B Natriumhydroxid sowie 20 - 31 Gew.-% Wasser besteht.
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Überraschenderweise wurde nämlich gefunden, daß das Wärmespeichermedium
der Erfindung lediglich während der ersten Zyklen eine starke Unterkühlungserscheinung
aufweist; diese geht später auf maximal 30C zurück.
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Als besonders vorteilhaft hat sich ein Wärmespeichermedium der Erfindung
erwiesen, das zu 70 - 74 Gew.-% aus Natriumhydroxid sowie zu 26 - 30 Gew.-% aus
Wasser besteht. Die angegebene Untergrenze von 70 Gew.-% Natriumhydroxid ist dadurch
bedingt, daß der Rückgang der Unterkühlungserscheinungen während der ersten Zyklen
bei Natriumhydroxid-Gehalten von 70 Gew.-* und darüber besonders stark ausgeprägt
ist. Andererseits kann es bei Natriumhydroxid-Gehalten
von mehr
als 74 Gew.-9 dnzu kommcn, daß nicht mehr die gesamte fest( Phase' gelöst wird.
Auch ist zu berücksichtigen, daß eine starke Abweichung der Zusammensetzung von
Schmelz- und Fcstkörpr nicht vorteilhaft ist.
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Zudem sprechen wirtschaftliche Gesichtspunkte gegen einen noch höheren
Natriumhydroxidanteil.
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Besonders vorteilhaft läßt sich das Wärmespeichermedium der Erfindung
in Wärmespeichersystemen einsetzen, die mit Zwischenwärmeübertragungs-medien arbeiten.
Als Ubertragungsmedium dient dabei im allgemeinen ein in dem Speichermedium unlöslicher,
flüssiger und inerter Stoff, der ein niedrigeret spezifisches Gewicht als das Speichermedium
aufweist. Als Übertragungsmedium kommen bevorzugt Kohlenwasserstoffe in Frage.
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Es wurde gefunden, daß die Unterkühlung des Wärmespeichermediums der
Erfindung praktisch vollkommen vermieden werden kann, wenn man durch die Schmelze
das inerte Übertragungsmedium, z.B. einen Kohlenwasserstoff,in Form von kleinen
Tröpfchen perlen läßt. Das Durchperlen von Kohlenwasserstoffen als Zwischenwärmeträger
ist als solches aus Heating, Piping & Air Conditioning, Dezember 1957, S. 147
- 151, bekannt.
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Bei dem Wärmespeichermedium der Erfindung hat sich jedoch gezeigt,
daß an der Phasengrenze Kohlenwasserstoff/Schmelze sich bevorzugt Kristalle ansiedeln.
Diese werden mit den aufsteigenden Kohlenwasserstoffbläschen immer wieder nach oben
transportiert und wirken somit als Kristallisationskeime, die sich nicht wie in
anderen Systemen, z.B. Systemen mit Glaubersalz, am Boden eines Speicherbehälters
absetzen.
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Weitere Vorteile und Merkmale des Wärmespeichermediums der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen
wird. Es zeigen: Figur 1 ein Wärmespeicheraggregat in schematischer Darstellung;
Figur 2 ein anderes Wärmespeicheraggregat mit einem dazugehörigen Heizsystem.
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Das wärmespeicheraggregat gemäß Figur 1 bestcht aus einem Wärmeaustauscher
1, der an seinem unteren Endc über cincb Rohrleitung 2 mit einer Zärmequelle bzw.
dem Rücklauf eines Zentralheizungssystems und an seinem oberen Ende über eine Rohrleitung
3 mit dem Heizungssystem verbunden ist.
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Der Wärmeaustauscher 1 enthält eine Vielzahl von kugelförmigen Behältern
4, die ihrerseits das Wärmespeichermedium der Erfindung enthalten. Die Behälter
4 sind z.B.
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in einer kubisch dichtesten Kugelpackung gepackt. Die Raumerfüllung
beträgt dabei unabhängig vom Kugelradius 74%.
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Durch den Wärmeaustauscher 1 wird eine Wärmeträgerflüssigkeit gepumpt.
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Als Material für die Behälter 4 können zunächst für das Ubertragungsmedium
nicht-permeable Materialien verwendet werden. Dabei bietet der Einschluß des Wärmespeichersystems
der Erfindung im Behälter den Vorteil, daß sich die Wärmetauscherfläche durch die
Form der Behälter bestimmen läßt, z.B. bei Kuben durch den Radius. Weiterhin läßt
sich die Korrosionswirkung des Systems Natriumhydroxid/Wasser auf das Behältermaterial
beschränken. Bei derartigen, nicht-permeablen Behältern kann als Wärmeträgerflüssigkeit
Wasser verwendet werder wodurch ein direkter Anschluß an ein Zentralheizungssystem
möglich wird.
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Andererseits können die Behälter 4 auch aus einem für das Übertragungsmedium
permeablen Material bestehen; als Wärmeträgerflüssigkeiten müssen dann mit dem System
Natriumhydroxid/Wasser unmischbare Medien, z.B. Kohlenwasserstoffe, verwendet werden.
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Figur 2 zeigt ein sogenanntes dynamisches Wärmespeichersystem. Es
besteht im wesentlichen aus einem Wärmeaustauscherbehälter 5, der mit dem Wärmespeichermedium
6 und einer.
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Kohlenwasserstoff 7 gefüllt ist.
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Der Kohlenwasserstoff 7 wird zunächst über eine Rohrleituny 8 zu einem
Zentralheizungssystewm 9 geleitet, wo er einen Teil seines Wärmeenergieinhalts abgibt.
Uber eine Rohrleitung 10 wird der Kohlenwasserstoff dann zu einer Wärmequelle 11
geleitet, wo ihm bei Bedarf Wärme zugeführt wird. An dieser Stelle kann z.B. eine
Wärmepumpe installiert sein. Anschließend wird der Kohlenwasserstoff über eine Pumpe
12, eine Leitung 13, ein in den Behälter 5 bis in die Nähe des Behälterbodens ragendes
Rohr 14 und einen Düsenboden 15 in den Behälter 5 zurückgeleitet, wobei es durch
den Düsenboden zu feinen Tröpfchen verteilt wird, die in dem Wärmespeichermedium
nach oben steigen und dabei erwärmt werden oder Wärme abgeben. Eine genauere Erläuterung
eines dynamsichen Wärmespeichersystems der hier angesprochenen Art befindet sich
in der bereits genannten Literaturstelle Heating, Piping & Air Conditioning,
Dezember 1957.
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Es hat sich gezeigt, daß bei einer Anordnung gemäß Figur 2 im Wärmespeichermedium
der Erfindung praktisch überhaupt keine Unterkühlungserscheinungen auftreten.