DE3521548A1

DE3521548A1 - Latentwaermespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden stoffen

Info

Publication number: DE3521548A1
Application number: DE19853521548
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. DDR 1017 Berlin Ahrens; Hans-Heinz Prof. Dr. Emons; Rüdiger Dr. Naumann; Thomas Dipl.-Ing. DDR 1106 Berlin Noack; Udo Dr. DDR 7500 Cottbus Seltmann; Wolfgang Dr. DDR 9200 Freiberg Voigt
Original assignee: Bauakademie der DDR
Current assignee: Bauakademie der DDR
Priority date: 1984-08-09
Filing date: 1985-06-15
Publication date: 1986-02-20
Also published as: AT391555B; BG48415A1; SE8503748D0; CH669206A5; CS497385A1; HU204299B; JPH0438998B2; SE8503748L; SE463623B; JPS6152588A; DD236862A3; ATA180885A; HUT42174A

Description

Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden
Stoffen Anwendungsgebiet der Erfindung Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen stellen wirkungsvolle Systeme zur Entlastung oder Ergänzung konventioneller Energieerzeugersysteme und zum Ausgleich zeitlicher Schwankungen zwischen Energieanfall und Energiebedarf dar.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher ist deshalb vorzugsweise für die Anpassung von Wärmeverbrauchssystemen an die durch die Energiequellen diktierten Wärmenutzungsbedingungen, d,h. den zeitlichen Ausgleich zwischen Wärmeanfall und Wärmebedarf, sowie zur Akkumulation von Wärme vorgesehen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Konventionelle Wärmespeicher arbeiten vornehmlich auf der Basis fühlbarer bzw. sensibler Wärme.
Da die Wärmekapazität aller dafür verwendeten Speichermaterialien wie Wasser, Öl, Steine, Gußeisen, Magnesit, Erdreich u.ä nur gering ist, führt der Einsatz solcher Speichersysteme, insbesondere bei der Akkumulation großer Wärmemengen, zu übergroßen Speichervolumina und zu unökonomischen Aufwandsverhältnissen0 Aus praktischer Sicht besitzen die konventionellen Speichersysteme folgende wesentliche Nachteile: Das Laden oder Entladen des Speichers ist mit einer Erhöhung oder Erniedrigung der Speichertemperatur verbunden, die ein stetes - in der Praxis sehr nachteiliges -Gleiten der Speichertemperatur und der Viärmeübertragungsleistungen beim Laden und Entladen des Speichers und einen erhöhten Aufwand an einzusetzender Regelungstechnik nach sicht zieht.
- Aufgrund der bei den Speichermaterialien allgemein vorhandenen niedrigen spezifischen Wärmekapazitäten ist das Masse/Leistungsverhältnis im Vergleich mit dem nachfolgend beschriebenen Latentwärmespeicher sehr ungünstig.
- Die Speicherung großer Wärmemengen ist an große Speichervolumina gebunden, die technisch häufig nicht oder nur aufwendig realisierbar sind (Bau von zusätzlichen Umhausungen) oder die Rostenverhältnisse sehr nachteilig beeinflussenO Zur Reduzierung der Speichervolumina auf technisch beherrschbare Größenordnungen müssen große Temperaturdifferenzen zwischen Lade- und Entladezustand zugelassen und die dabei notwendige Erhöhung der ljadetemperatur über die erforderliche Vorlauft emp eratur des Wärmeverbrauchssystems sowie die Vernichtung der energetischen Qualität der Wärmequelle (Exergiegehalt) in auf genommen werden.
- Bei der Verwendung von Wasser, als dem am häufigsten genutzten Speichermaterial, wird die Speicherung großer Energiemengen besonders dann problematisch, wenn die für die technische Nutzung erforderliche Speichertemperatur an der oberen Temperaturgrenze des Wassers (drucklos bei ca. 90 °C), wie z.B für Heizungsanlagen 90/70 °C, liegt. Eine Erhöhung der Speicherfähigkeit durch Erhöhung der Wassertemperatur ist drucklos nicht möglich und führt zu einem erheblichen technischen und apparativen Mehraufwand, der die ohnehin nachteiligen Kostenverhältnisse noch zusätzlich verschlechtert.
Eine Möglichkeit zur Überwindung dieser Nachteile bieten Speicher, die weniger auf der Basis fühlbarer Wärmen, sondern mehr auf der Basis latenter Wärmen, wie Schmelz- und Erstarrungswärmen, Verdampfungs- und Kodensationswärmen, Reaktionswärmen, Hydratisationswärmen, Lösungswärmen, Kristallisationswärmen uä. arbeiten.
Speicher dieser Art werden in der Literatur als "Latentwärmespeicher" bezeichnet.
Diese Speicher haben gegenüber konventionellen Speichern folgende Vorteile: - Beim Laden und Entladen bleibt die Speichertemperatur während der Viärmeaufnahme oder Wärmeabgabe in einem engen Bereich konstant.
- Die Wärmeübertragungsleistungen bleiben - in Abhängigkeit von der jeweiligen technischen Lösung - ebenfalls in einem engen Bereich konstant.
- Im Vergleich mit konventionellen Speichern ist das Wärmeaufnahmevermögen je nach verwendetem Speichermaterial und je nach der Breite des Gesamttemperaturbereiches, innerhalb welchem sich die Wärmeaufnalllne und Wärmeabgabe vollzieht, zwischen 2 und 40 mal größer.
Die augenscheinlichsten Verbesserungen stellen insbesondere solche Latentwärmespeicher dar, die auf der Grundlage von Schmelz- und Erstarrungswärmen arbeiten.
Pür solche Speicher gibt es eine Reihe von Lösungen, welche im wesentlichen die mit schmelzbaren Materialien einhergehenden und bekannten wärmephysikalischen und physikalischchemischen Probleme beseitigen.
Hierzu gehören DE 26 48 678, DD 154 125, DE-OS 1928 694, DE-OS 25 23 234, DE-OS 25 17 920 und DE-OS 25 17 921 sowie lEP C 09 K/24 36 19, die Verbesserungen hinsichtlich der stofflichen Aufbereitung der Speichermaterialien, der Unterbindung von Unterkühlungen, Stratifilcationen u.ä. erbracht haben.
Noch nicht gelöst ist folgendes Problem: Die Neigung verschiedener nicht zersetzend schmelzender, z.B. kongruent und eutektisch schmelzender Materialien, zu Verwachsungen der bei der Erstarrung entstehenden Kristalle zu großvolumigen Agglomeraten, welche sowohl beim Wärmeeinals auch beim Wärmeaustrag zu stark verringerten Wärmeübertragungsleistungen sowie zur Verkrustung, Undurchlässigkeit für die Schmelze, zu thermischen Spannungen und überhöhten Drücken im Speicherinneren führen.
Darüber hinaus ist aus der Literatur bekannt, daß durch Zugabe von Flour enthaltenden oberflächenaktiven Stoffen die Größe der bei der Erstarrung von inkongruent schmelzendem Glaubersalz (Na2S04 . 10 H20) entstehenden Kristalle vermindert werden kanne Ein entsprechendes Patent liegt mit US 4267 879 vor.
Konkrete Lösungen für die Verringerung der Kristallgröße von nicht zersetzend (z.Bc kongruent) schmelzenden Latentspeichermaterialien sind dagegen nicht bekannt.
Die Übertragung auf kongruent schmelzende Materialien, wie z.B. Na2S . 5 H20 haben zu keinem Erfolg geführt.
Ziel der Erfindung Es ist das Ziel der Erfindung, einen Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen zu entwickeln, bei welchem ohne Anwendung mechanischer Mittel die Entstehung großvolumiger Agglomerate, Verkrustungen und Undurchlässigkeiten verhindert und gleichzeitig große Wärmeein- und Wärmeaustragsleistungen ermöglicht werden.
Darlegung des Wesens der Erfindung Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen, wie z.B. kongruent und eutektisch schmelzenden Stoffen, neigen dazu, bei der Erstarrung Kristalle zu bilden, diD sich zu großvolumigen Agglomeraten zusammenschließen. Diese bilden die Ursache für geringe Wärme ein und -austragsleistangen sowie thermische Spannungen im Speicherinneren.
Die Unterbindung dieser Nachteile erfolgt erfindungsgemäß durch eine aktive Speicherfüllung, welche aus 4 Stoffen besteht.
Stoffsystem I Bestehend aus einem oder mehreren Stoffen, die aufgrund ihrer Schmelzwärme (oder allgemein Umwandlungswärme) und ihrer spezifischen Wärmekapazität Wärmespeichereigenschaf ten aufweisen, nicht zersetzend schmelzen und als Wärmespeichermaterial einsetzbar sind.
Der Anteil des Stoffsystems I am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung beträgt erfindungsgemäß 50 bis 95 Vol%.
Stoffsystem II Bestehend aus einem oder aus mehreren Komponenten zusammengesetzten flüssigen Wärmetransportmedium, in dem das Stoffsystem 1 nicht oder nur bedingt lösbar ist. Dabei erfüllen die Dichte des Stoffsystems II ( SII) und die Dichte der schmelzflüssigen Phase des Stoffsystems 1 (8 I) erfindung gemäß die Bedingung #I # #II, z.B. 0,8 #I, wobei der Dampfdruck des Stoffsystems 1 (PDI) und der Dampfdruck des Stoffsystems II (PDII) erfindungsgemäß der Bedingung PDI Lc; PDII genügen. Der Anteil des Stoffsystems II beträgt am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Speichers 3 bis 50 Vol%.
Stoffsystem III Bestehend aus einem oder mehreren oberflächenaktiven Stoffein. Der Anteil des Stoffsystems III am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Latentwärmespeichers beträgt 0,01 bis 5 Vol%. Das Stoffsystem III hat die Aufgabe, beim Erstarren des Stoffsystems I kleine Kristalle zu bilden und Verwachsungen und/oder Verkrustungen zu verhindern.
Stoffsystem IV Bestehend aus einem oder mehreren Keimbildern, die aufgrund ihrer Gitterstruktur den Keimbildungsvorgang bewirken oder heterogene Keimbildung auslösen.
Erfindungsgemäß beträgt der Anteil des Stoffsystems IV am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Latentwäxmespeichers 0 bis 20 Vol%.
Falls das Stoffsystem I nicht oder nur geringfügig unterkühlt, entfällt der Anteil des Stoffsystems IV an der aktiven Speicherfüllung0 Ausführungsbeispiel Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher soll in seiner aktiven Speicherfüllung mit Bezug auf eine Zeichnung (Fig. 1) naher vorgestellt werden: Stoffsystem I: Mg(NO3)2 . 6H2O und MgCl2 . 6H2O als eutektisches Gemisch mit 70 Vol% Stoffsystem II: Chlorbrommethan CH2ClBr mit 28 Vol% Stoffsystem III: Cordesin W mit 1 VolX Stoffsystem IV: Aktivkohle mit 1 Vol% Die 4 Stoffsysteme sind eingefüllt in einen dichten und wärmeisolierten Behälter 1, in Form einer Mischung als aktive Speicherfüllung 2.
Innerhalb des Behälters 1 ist ein Wärmeübertrager 3 so angeordnet, daß er von der Speicherfüllung 2 vollkommen bedeckt ist, Ein weiterer Wärmeübertrager 4 ist so angeordnet, daß er nur vom Dampf des Stoffsystems II in einem Hohlraum 5 umgeben ist.
Die Wärmezufuhr erfolgt über den von der Speicherfüllung 2 umschlossenen Wärmeübertrager 3, der Wärme entzug über den vom Wärmetransportmitteldampf umgebenen Wärmeübertrager 4.
Wärme zufuhr und Wärme entzug laufen unter dreifachem Phasenechsel ab.
Bei einer Wärmezufuhr oberhalb der Schmelztemperatur wird das Stoffsystem II verdampft. Beim Zusammentreffen mit noch nicht geschmolzenem Material des Stoffsystems I wird dieses kondensiert und das Stoffsystem I geschmolzen. Die vom Stoffsystem II abgegebene Kondensationswärme wird vom Stoffsystem I als Scliraelzwärme aufgenommen.
Beim Wärmeentzug unterhalb der Schmelztemperatur wird wiederum Material des Stoffsystems II verdampft, in diesem Falle bei einem niedrigeren Druck als bei der Wärme zufuhr.
Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird dem Speihermaterial (Stoffsystem I) entzogen, welches dabei erstarre, Der Dampf des Stoffsystems II wird am Wärmeübertrager 4 kondensiert und die frei werdende Kondensationswärme vom Wärmeübertrager 4 auf genommen.
Die Wärmeübertragung läuft in beiden Fällen unter intensiver Blasenbildung mit starker Durchmischung der Speicherfüllung ab, wodurch sich eine über das gesamte Speichermaterial gleichmäßig verteilte Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe ausbildet Dieser an sich bekannte Prozeß läuft bei nicht zersetzend schmelzenden Stoffen bei Abwesenheit des Stoffsystems III unter Bildung großvolumiger Agglomerate, Verwachsungen und Verkrustungen ab.
Durch Zugabe des Stoffsystems III werden diese vermieden Es entstehen je nach Intensität der Blasenbildung und Menge des Stoffsystems III kleinvolumige Kristalle, die eine lockere und durchlässige Schüttung im Speicherinneren bilden.
Das Stoffsystem IV ist erforderlich, um beim Wärmeaustrag die Kristallbildung auszulösen und Unterkühlungen zu vermeiden.

Claims

Erfindungsanspruch 1. Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen mit einer aktiven und zu vermischenden Speicherfüllung in einem Speicherbehälter, gekennzeichnet dadurch, daß die aktive Speicherfüllung die vier Stoffsysteme I, II, III, IV enthält, wobei - das Stoffsystem I aus einem oder mehreren Stoffen besteht, die aufgrund ihrer Umwandlungswärme und ihrer spezifischen Wärmekapazität wärmespeichernde Eigenschaften besitzen, beim Schmelzen keine Zersetæungserscheinungen aufweisen, z.B. eutektisch oder kongru ent schmelzen, eine homogene Schmelze bilden, wie zBO die eutektische Mischung aus Mg(NO3)2 6 H2O und MgCl2 . 6H2O mit einem Anteil von 50 bis 95 Vol% am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung, - das Stoffsystem II aus einer oder mehreren Nompone-nten enthaltenden Flüssigkeit als Wärmetransportmittel besteht, die das Stoffsystem 1 nicht oder nur bedingt zu lösen vermag, die Dichte des Stoffsystems II (#TT) und die Dichte der schmelzflüssigen Phase des Stoffsystems I (#I) der Bedingung SI L QII genüge, der Dampfdruck des Stoffsystems 1 (PDI) und der Dampfdruck des Stoffsystems II (PDII) die Bedingung PDI # PDII erfüllt und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 3 bis 50 Vol% beträgt, - das Stoffsystem III aus einem oder mehreren oberflächenaktiven Stoffen besteht und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0,01 bis 5 Vol% beträgt, - das Stoffsystem IV aus einem oder mehreren Keimbildnern und sein Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0 bis 20 VolX beträgt.