DE3038723A1 - Waermespeichermasse fuer regenerativen waermeaustausch - Google Patents

Description

"Wärmespeichermasse für regenerativen Wärmeaustausch"

Die Erfindung betrifft eine Wärmespeichermasse für regenerativen Wärmeaustausch zwischen fluiden Medien.

Die bisher bekannten Wärmespeicher- bzw. -Übertragungsmassen für Regeneratoren sind vorwiegend homogene oder mikroheterogene Feststoffe. Als Materialien werden Metalle, ihre Legierungen, keramische Massen und Sinterwerkstoffe eingesetzt. Im Hinblick auf die für Wärmespeichermassen wesentlichen physikalischen,chemischen und verfahrenstechnischen Eigenschaften, wie spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit, Korrosionsfestigkeit, chemische Passivität und problemlose Reinigungsmöglichkeit ,müssen bei den bekannten Massen häufig einschneidende Kompromisse gemacht werden.

So haben diese bekannten Massen eine relativ geringe Wärmekapazität, so. daß hohe Leistungen den Einsatz grosser Massen erfordern. Grundsätzlich besteht zur Erhöhung der Wärmekapazität die Möglichkeit, Materialien mit hoher Wärmespeicherfähigkeit mit den oben genannten Ma-

terialicn zu umschließen, wie es ζ. B. bei den sogenannten Latentwärmespeichern bekannt ist. Bei Benutzung von Paraffinen, Salzhydraten usw. ist allerdings aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe der Wärmeübergang erheblich verschlechtert. Bei Ausnutzung der . Schmelzwärme von Metallen, wie z. B. Natrium, ist eine komplizierte und mit hohem apparativem Aufwand verbundene Technologie erforderlich.

Bei den Wärmespeichern auf Metallbasis ergeben sich häufig Korrosionsprobleme? weicht man aus diesem Grunde auf beschichtete, z. B. emaillierte, Metalle oder keramische Werkstoffe aus, muß man den Nachteil der geringeren Wärmeleitfähigkeit in Kauf nehmen. Die bekannten Massen neigen z. B. beim Einsatz in staubhaltigen und aggressiven Gasen, insbesondere in der Nähe oder bei Überschreiten des Taupunktes, häufig zu Verkrustungen, die die Effektivität und auch die Standzeit erheblich beeinträchtigen können. .

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine wärmeübertragende Speichermasse zu schaffen, die gegenüber den bekannten Massen eine höhere Wärmekapazität und eine höhere Korrosionsbeständxgkeit besitzt und sich aufgrund ihrer Oberflächeneigenschaften ohne großen apparativen Aufwand reinigen läßt., . so daß ein problemloser und intensiver Wärmeaustausch ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmespeichermasse aus zwei verschiedenen Materialien hergestellt wird, wobei diese Materialien aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften jeweils zur Optimierung der verschiedenen genannten Eigenschaften der Wärmespeichermassen beitragen; so wird als Material eine Substanz oder ein Substanzgemisch ausgewählt, das eine hohe Wärme-

kapazität besitzt und/oder im interessierenden Temperaturbereich eine oder mehrere Phasenumwandlungen durchmacht und/oder bei dem eine reversible chemische Reaktion stattfindet. Das Material (2) dagegen dient als Gerüst- und Trägersubstanz und wird im Hinblick auf optimale mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenbeschaffenheit ausgewählt. Durch Einlagerung eines oder mehrerer weiterer Stoffe können jeweils eine oder mehrere dieser Eigenschaften weiter verbessert werden.

Von entscheidender Bedeutung für die Lösung der gestellten Aufgabe ist der räumliche Aufbau der aus den Materialien (1) und (2) bestehenden Wärmespeichermasse. Das Trägermaterial (2) hat erfindungsgemäß eine z. B. schaumstoff- oder wabenartige Struktur, d. h. das Trägermaterialumschließt eine größere Anzahl diskreter oder auch miteinander in Verbindung stehender Hohlräume. Diese Hohlräume werden ganz oder teilweise mit dem vorwiegend wärmespeichernden Material (1) gefüllt. Im Falle einer schwammartigen Struktur werden die Hohlräume nach außen durch eine Beschichtung mit dem Trägermaterial (2) oder einem anderen Material abgeschlossen. Wird als Wärmespeichermaterial (1) z. B. ein Latentspeichermaterial gewählt und die erfindungsgemäße Wärmespeichermasse im Rotor eines Ljungstromwarmeaustauschers eingesetzt, so ergeben sich einige wesentliche Vorteile gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik. Zum einen verringert sich die Masse des Rotors bei gleichbleibender Wärmeübertragungsleistung erheblich (vgl. nachfolgendes Berechnungsbeispiel) , zum anderen sorgt das Latentspeichermaterial für ein nahezu konstantes Temperaturniveau im gesamten Wärmetauscher. Die aufgrund der üblicherweise auftretenden Temperaturechwankungen stattfindenden Wärmedehnungseffekte mit den daraus resultierenden Dichtungsproblemen werden so weitgehend vermieden.

Verschiedene mögliche Ausfuhrungsformen dieser neuartigen Wärmespeichermasse zeigen die Figuren.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Wärmespeichermasse, wobei die im Trägermaterial (2) enthaltenen und mit Speichermaterial (1) gefüllten Hohlräume unterschiedlicher Form voneinander getrennt sind.

Fig. 2 zeigt eine schaumstoffartige Anordnung der Hohlräume, die zumindest teilweise miteinander in Verbindung stehen.

Fig. 3 zeigt Beispiele von möglichen regelmäßigen Strukturen der Wärmespeichermasse.

Fig. 4 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen u. 5 der Wärmespeichermasse als gewellte Platte z. B. für den Einsatz in einem Ljungströmwärmetauscher bzw. als Hohlkugel für einen Wirbelschichtwärmetauscher.

Berechnungsbeispiel:

Vergleich eines konventionellen Rotationswärmetauschers aus Stahl mit einem Rotationswarmetauscher mit zwei Arten der erfindungsgemäßen Wärmespeichermasse.

Auslegungsdaten: .. , -

Gasströme: V= 95o ooo m /h (i.N.f.)

Heißgastemperatur, Eintritt: t__, = 13o ⁰C

^H1 _o *t « 37 °C , Austritt: t„_o = 9 3 C

HZ "

Kaltgas temperatur, Eintritt: t_T_₁ = 43 ⁰C

&t = 37 ⁰C Austritt: t„- - 8o ⁰C

Dichte des Gases: $ = 1,3 kg/m³ (i.N.f.) Spezifische Wärme des Gases: C =1 kJ/kg Wärmestrom: Q = V . $ . C . &t =45 695 MJ/h

J?

Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors: η =1,5 Upm a) Rotorspeichermasse aus Stahl:

Mittlere Temperaturdifferenz des Rotors zwischen Heiß- und Kaltgasseite: At_n = t_nu - t_., = Io ⁰C (vgl. Fi

K JKM KK

Spezifische Wärme von Stahl: o,5 kJ/kg * K Masse des Rotors:

m. = ,· _m lol 544 kg

1 oo.n . C ./^T P ^K

b) Rotorspeichermasse aus einer erfindungsgemäßen Wärmespeichermasse, bestehend aus 4o Gew.% eines Fluorkunststoffes (Material 2) und 6o Gew.% einer Flüssigkeit (Material 1).

Mittlere Temperaturdifferenz des Rotors zwischen Heiß- und Kaltgasseite ^T₀ = Io ⁰C (vgl. Fig. 6).

Spezifische Wärme des Kunststoffes: C „. = 1,1 kJ/kg . K

ρκ.

" " der Flüssigkeit: C „ = 2,2 kJ/kg . K

P*

Mittlere spezifische Wärme der Gesamtmasse: C = o,4*C ., + o,6'C „ = 1,16 kJ/kg . K ρ ρκ pt

Masse des Rotors: ,-

m₂ = = 28 848 kg

6o . η . C_p . At_R

c) Rotorspeichermasse aus einer erfindungsgemäßen Wärmespeichermasse, bestehend aus 4o Gew.% eines Fluorkunststoffes (Material 2) und 6o Gew.% einer Latent-Speichermasse (Material 1).

Für die Latentspeichermasse wird ein Phasenübergang fest-flüssig mit einer spezifischen Schmelzwärme von AH„ = 2oo kJ/kg angenommen.

In drei verschiedenen Ebenen des Rotors werden verschiedene Latentspeichermassen mit unterschiedlicher Schmelztemperatur benützt.
t_sl = Io5 ⁰C, t_s2 = 86 °C, t_s3 = 68 °C Mittlere Temperaturdifferenz des Rotors zwischen Heiß- und Kaltgasseite:

^&tr ^{= t}RHl " ^fcRKl ^{= t}RH2 " ^fcRK2 ⁼ ^Ε3 " ^Κ3 = ^{Χ C} (vgl. Fig. 7).

O U Ö O / L

Berücksichtigt wird ausschließlich die Wärmespeicherung durch den Phasenübergang des Speichermaterials (1) Hierfür wird angenommen, daß nur 80 % dieses Materials jeweils erstarren bzw. schmelzen; rt = 0,8

Masse des Rotors: aO

o, 6 . m₃ = —— = 3 173 kg

η . AH„ . h . 60

m₃ = 5289 kg '

Die Berechnungsbeispiele zeigen, daß durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmespeichermasse eine erhebliche Massenverminderung für den Rotor eines Rotationswärmetauschers erzielt werden kann. Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei einer Anwendung nach Beispiel c) (Fig. 7) noch durch den geringen mittleren Temperaturunterschied von ca. 1 ⁰C zwischen Heiß- und Kaltgasseite. Die sich daraus ergebende höhere Temperaturdifferenz zwischen dem Gas. und der Rotorspeichermasse ermöglicht bei gleichbleibender Leistung eine wesentliche Verringerung der benötigten Austauscheroberfläche, da die erforderliche Oberfläche F bei konstantem Wärmestrom der Temperaturdifferenz umgekehrt proportioniert ist. Eine Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen Gas und RotorSpeichermasse von 2o auf 25 ⁰C erniedrigt die erforderliche Oberfläche daher um 2o %.

ORIGINAL iNSPECTED

Claims (9)

1. L. & C. Steinmüller«Ömbk ·*«ζ2.^Γΐο &ummersbach, den 13. Ιο.198ο Postfach 1949/196Ο Pa 8ο18

   HGm 8οο8 Kl./Al.

   Schutzansprüche

   Θ Warmespeichermasse aus mindestens zwei verschiedenen Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeicherkapazität der Gesamtmasse vorwiegend auf der WärmeSpeicherkapazität des Materials (1) beruht, das in regelmäßig oder statistisch verteilte Hohlräume oder Poren des Trägermaterials (2) eingelagert ist.
2. 2. Wärmespeichermasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (2) aus einem hochtemperaturbeständigen Material, wie z. B. einer keramischen Masse oder einem Sintermaterial besteht.
3. 3. Wärmespeichermasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (2) aus einem beschichteten oder unbeschichteten Metall bzw. einer Legierung besteht.
4. 4. Wärmespeichermasse nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Trägermaterial (2) aus Kunststoff besteht, in den zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit und/oder zur Verbesserung der mechanischen und thermischen Stabilität Metall und/ oder Graphit und/oder ein anderer entsprechender Werkstoff eingelagert sein kann.

   JUOU / Z.
5. 5. Wärmespeichermasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Trägermaterial (2) umschlossenen Hohlräume oder Poren mit einem War- · mespeichermaterial (1) ganz oder teilweise ausgefüllt sind, dessen Wärmespeieherkapazität u. a. auf einer Phasenumwandlung und/oder einer chemischen

   Reaktion beruht. ;
6. 6. Wärmespeichermasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeichermaterial (1) aus einer Mischung mehrerer Komponenten besteht.
7. 7. Wärmespeichermasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch geken η zeichnet, daß die im Trägermaterial (2) enthaltenen Hohlräume ganz oder' teilweise mit verschiedenen Wärmespeichermaterialien (la, b, c,...) gefüllt sind.
8. 8. Wärmespeichermasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeichermasse in .Form von ganz oder teilweise gefüllten oder ungefüllten Hohlkörpern für die Wärmeübertragung Verwendung findet, wobei die Füllung sowohl aus dem Material (1) als auch aus einem anderen Material bestehen kann,
9. 9. Wärmespeichermasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeichermasse in

   stückiger Form, z. B. als Kugeln, Zylinder, Ellip- ..■

   soide o. ä. zur Wärmeübertragung Verwendung findet. -^!i