SE414504B - Sett och anordning vid lagring och uttag av verme genom smeltning och kristallisation av en eller flera kemiska foreningar - Google Patents

Description

7907021-5 tilltalande karakteristik. Salthydrater är emellertid inte enkomponentsystem, vilket medför risk för bildning av oönskade faser varigenom reversibiliteten i smältnings-/kristallisa- tionsomvandlingarna kan gå förlorad med försämrad vännelag- ringskapacitet som följd. Reversibiliteten sammanhänger oftast med huruvida materialet smälter kongruent eller in- kongruent. Vid inkongruent smältning uppträder samtidigt två fasta faser av olika täthet och den fasseparation som däri- * genom kan inträffa leder som regel till att en fullständig ra kristallisationsomvandling ej kan äga rum. Flera metoder har använts för att förhindra eller upphäva denna typ av fassepa- ration. Effektiv omblandning är en metod genom vilken systemen kan fås att arbeta reversibelt. Även vid kongruent smältande flerkomponentsystem kan samma pro- blem uppstâ. Koncentrationsgradienter kan nämligen uppstå i smältan och resultera i en koncentrationsökning av saltet i botten av lagret med risk för bildning av oönskade faser.

Koncentrationsgradienterna kan upphävas genom lämplig utform- ning av värmeväxlarna på så sätt att en självkonvektiv om- blandning åstadkommas i systemet. I en del tillämpningar vore det dock önskvärt med annan typ av omblandning. , Värmeeffekten vid laddning och uttag av energi i ett smältvär- ' melager bestäms av smält- respektive kristallisationshastig- heten, vilka genom lämplig dimensionering av värmeväxlare of- tast kan göras helt beroende av värmetransporten till och från lagret. Under smältningen begränsas transporten av värme huvudsakligen av konvektion i den flytande fasen och blir där- igenom effektivare än under kristallisationen där värmetrans- porten i allmänhet försvåras genom att värmeväxlarun hela ti- den täcks av den bildade fasta fasen. För att nå god hastighet på värmeöverföringen vid värmeuttag fordras därför antingen att värmeväxlarytan är mycket stor eller att den kan hållas fri från saltkristaller. Det enklaste sättet att åstadkomma stora värmeväxlarytor är att kapsla in lagringsmediet i mindre -~~ 7907021-5 Kapslingsmaterialet kan då själv utgöra värmeväxlare. Metoden är dock kostsam och därför mindre lämpad för stora enheter som avpassats för lagring av vännc under en lång tidsperiod.

Ett annat sätt att sörja för stor värmeväxlaryta är att till- lämpa principen direkt värmeväxling vätska/vätska och som vär- meöverföringsmedium använda en vätska som inte är blandbar med lagringsmediet men ändå bringas i intim kontakt med det senare.

Principen tillämpades redan 1957 av Etherington ;1,_ (T L Etherington: "Heating, Piping and Air Conditioning", p 147, dec 1957.) Han använde som värmeöverföringsmedium en lätt mineralolja som i despergerad form pumpades in från bot- ten av ett värmelager bestående av en vattenlösning av dinatriumvätefosfat. Samtidigt som han erhöll en stor värme- växlaryta åstadkom han också på detta sätt en effektiv om- blandning i lagringsmediet. Senare försök med även andra sal- ter har visat att metodens fördelar är många men att rundpump- ningen av olja kan vara förenad med problem. Således finns risk för att cirkulationen kan blockeras av växande salt- kristaller eller att oljan emulgerar och därigenom ger upphov till att saltlösningen kommer att transporteras runt i det yttre systemet. En principiell nackdel med metoden är att vär- meväxlingen kräver betydande temperaturfall pga att pump- hastigheten av oljan ej kan sättas alltför hög. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att för värmeväxling till ett smältvärmelagringssystem tillhandahålla en metod som kräver små temperaturdifferanser och samtidigt tillåter enkel reglering av effektuttag.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att för lagring av värme möjliggöra användning av inkongruent smältande salter genom att tillse att jämvikt upprätthålles genom effektiv om- blandning i saltsystemet. För vissa tillämpningar är ombland- _79ovo21-s ning nödvändig även för kongruent smältande system. Enligt uppfinningen åstadkommes detta genom ett sätt och en anord- ning;-som uppvisar de i patentkraven angivna kännetecknen.

Enligt uppfinningen tillsättes till smältvärmelagringsmediet ett ämne som vid kristallisationen upptar värme från lagrings- mediet genom att förångas. Detta vänne avges därefter ggnóm kondensation av ångan. Ämnet återföres sedan i kondenserad form till lagringsmediet. Ämnet skall ha ringa löslighet i värmelagringsmediet och dess kondenserade fas ha en täthet som är lika med eller överstiger tätheten hos den flytande fasen av värmelagringsmediet. Gasfasen skall väsentligen bestå av det tillsatta ämnets ånga varvid kokning och därigenom om- blandning åstadkommes i lagringsmediet. Bland lämpliga värme- lagringsmedier och ämnen kan t ex nämnas olika kombinationer av salhydrater och halogenerade kolväten såsomt kalcium; kloridhexahydrat (CaCl2'6H2O) och trifluortrikloretan (FreonRll3, FrigenRll3, F ll3); kalciumkloridhexahydrat och bromklordifluormetan (C BrClF2, Frigenk l2 B 1) ; glaubersalt och oktafluorcyklobutan KC4F8) m fl. ~ Värmelagringsmediet och ämnet bringas i direkt kontakt med varandra i ett slutet system som innefattar ett ångutrymme och utrymme för den fasta/flytande fasen. När ämnet förângas övergår det till ångutrymmet och omrörningseffekten uppnås i lagringsmediets flytande fas. När värme uttages från systemet bringas ångan att kondensera, vilket kan ske mot ångutrymmets väggar eller i en kondensor som placeras i ângutrymmet. Ång- utrymmer kan ha godtycklig utformning och även omfatta en ledning genom vilken ånga transporteras till en kondensor eller dylikt belägen på avstånd från lagringsmediet. Kondensat kan på motsvarande sätt återföras till lagringsmediet genom en separat ledning. Värme kan tillföras systemet genom dess väggar eller genom en värmeväxlare som placeras i lagrings- mediet. t. '7907021-5 Enligt en utföringsform av uppfinningen komprimeras ångan innan den kondenseras varigenom värme kan uttagas vid en hög- re temperatur än den som råder i värmelagringsmediet. Detta kan utföras genom att en gaskompressor placeras i en gasled- ning som förbinder värmelagringsmediet med kondensorn och en separat returledning innehållande en strypventil används för återföring av kondensatet till värmelagringsmediet.

Utformningen av värmeöverföringen på det sätt som beskrivits 1* av bl a Etherington (se ovan) grundar sig på principen värme- växling vätska/vätska varvid värme upptas genom en temperatur- förhöjning hos värmeöverföringsmediet. Till skillnad härifrån grundar sig föreliggande uppfinning på principen värmeväxling vätska/vätska/ånga varvid värme upptas genom att värmeöver- föringesmediet förångas, dvs en kombination av vätska/vätska värmeväxlare och en gas/vätska värmeväxlare. Värme binds i värmeöverföringsmediet i form av ângbildningsvärme varigenom endast mycket små temperaturdifferenser krävs. Omblandning och reglering av effektuttag åstadkommes i det första fallet ak- tivt genom rundpumpning av olja eller dylikt. Enligt förelig- gande uppfinning kan detta åstadkommas helt passivt.

Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslut- ning till bifogade figurer av vilka fig 1 visar en första utföringsform av uppfinningen, fig 2 visar en andra utföringsform och fig 3 visar en utföringsform med kompressor.

I följande beskrivning exemplifieras uppfinningen med värmelag- ringsmediet kalciumkloridhexahydrat (CaCl2'6H2O) till vilket ämnet trifluortrikloretan (FreonRll3, FrigenRll3, F ll3) till- sättes. Det valda exemplet inskränker på intet sätt uppfin- ningens allmängiltighet. Smältvärmesystemet kalciumkloridhexa- hydrat finns utförligt beskrivet i Document D l2:l978 från Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm (Carlsson - _79o7o21-s Stymne - Wettermark: Storage of low-temperature heat in salt- hydrate melts - calciumcflfloride hexahydrate), vilket härmed införes i beskrivningen som referens.

CaCl2'6H20 smälter vid 29.7OC och har ett smältvärme lika med 170 J/g. Saltet är inkongruent smältande eftersom ett tetra- hydrat (CaCl2'4H2O) är termodynamiskt stabilt inom ett tempera- turintervall av 2°C över hexahydratets smältpunkt. Inträffar tetrahydratbildning i ett system som saknar anordning för ef- fektiv omblandning minskar successivt värmelagringskapaciteten till följd av tetrahydratets låga upplösningshastighet och uppkommen fasseparation.

Undertryckning och eliminering av tetrahydratbildning kan gö- ras genom tillsats av Ca(OH)2 och SrCl2'6H2O. I en del till- lämpningar uppstår dock koncentrationsgradienter i smältan med tetrahydratbildning som följd. Genom föreliggande uppfinning åstadkommes omblandning och eliminering av koncentrations- gradienterna i smältan.

En smälta av CaCl2'6H2O har en täthet av 1.51 g/ml vid 30°C och den fasta fasen en täthet av 1.71 g/ml.

Trifluortrikloretan är vid 30°C en vätska med ett ångtryck av 0.55 bar. Ångbildningsvärmet är lika med l52 J/g. Ämnet är rin- ga lösligt i saltlösningar och'vätskan har en täthet vid 30°C lika med l.55 g/ml. ' Figur l visar ett slutet system bestående av en behållare l som inrymmer ett värmelager 2, 3, 4 och ett ângutrymme 5. En övre värmeväxlare eller kondensor 6 för värmeuttag är belägen i ångutrymmet. En undre värmeväxlare 7 för värmeintag är belägen i värmelagret. En gasledning 8 leder från ångutrymmer via en pump 9 till behållarens botten och utmynnar i värme- lagret. Genom nämnda ledning cirkuleras icke kondenserande 7907021 -5 gaser från ångutrymmer genom värmelagret. Härigenom säker- ställes att hela kondensorn kan utnyttjas effektivt för kon- densation av ånga samtidigt som en viss omrörning i värmelag- ret erhålles. Behållaren l är lämpligen omgiven av ett värme- isolerande material (ej visat i fig). I värmelagret före- ligger följande faser skiktade ovanför varandra efter minskan- de täthet: fast fas CaCl 'GH O 2, flytande Frigen ll3 3, 2 2 smälta av CaCl2'6H 0 4. 2 Vid värmeuttag kommer Frigenånga att kondensera i kondensorn t 6 och genom trycksänkning därvid orsaka kokning av frigen i värmelagret. Värmetransporten som helhet kräver således små temperaturdifferenser och är dessutom självreglerande. I vär- melagret âstadkommes även en effektiv omblandning. Vid intag och lagring av värme i systemet genom smältning av CaCl2'6H2O tillföres värme genom värmeväklaren 7,anbringad i botten av lagret varvid kokande frigen åstadkommer om- blandning och förbättrad värmeöverföring i systemet.

Vid försök som utfördes i en anläggning enligt figur l satsades 50 kg CaCl2'6H20 och 2 l FrigenRll3 i behållaren 1. Värme till- fördes för lagring genom att varmt vatten fördes genom värme- växlaren 7 tills allt CaCl2'6H2O hade smält. Värme uttogs där- efter ur systemet genom att kallt vatten fördes genom konden- sorn 6 med konstant flöde. Vattnets temperaturhöjning upp- mättes. Systemets arbetstemperatur var 30°C. Temperaturen hos ingående vatten var betydligt under 30°C och flödet valdes så att även utgående vatten från kondensorn var under 30oC.

Systemet fick således avge full effekt. Det visade sig härvid att värme kunde tas ut med en konstant full effekt under ca 80 % av tiden för kristallisationsförloppet.

Försöket upprepades varvid värme togs ut enbart genom kylning av behållarens väggar och ej av ångutrymmet. Uteffekten sjönk då under hela kristallisationsförloppet. ?9o7o21-à Figur 2 visar en anordning där det primära ändamålet är att åstadkomma omblandning i värmelagringsmediet. Lagringsmediet 2, 4 och ämnet 3 är inkapslade i slutna mindre behållare l, t ex i form av rör i vilka plats har lämnats för ett ångutrym- me 5. Värmeväxlingen utföres vid både uttag och tillförsel av värme från utsidan av behållaren l. Anordningen kan t ex an; vändas i regenerativa värmeväxlare, där ett antal behållare utgör värmeväxlarens värmelager och omväxlande omspolas av ett varmt respektive kallt medium.

Figur 3 visar en utföringsform av uppfinningen där temperaturen i kondensorn 6 bringas till en nivå som överstiger den i vär- melagret genom att ångan komprimeras innan den leds till A I en- , in- kondensorn. Anordningen skiljer sig från utföringsformen ligt figur 2 genom att ångutrymmer 5 omfattar en ledning som förbinder värmelagret med kondensorn. I ledningen är placerad en gaskompressor ll, i vilken ångans tryck höjs innan den leds till kondensorn. En separat returledning l2 för den kondenserade ångan leder från kondensorn ner i värmelagret.

Returledningen innehåller en strypventil 13. Anordningen kan även förses med ett cirkulationssystem för icke kondenserande gaser på samma sätt som visas i utföringsformen enligt figur 2. 4"'

Claims (11)

7907021-5 PATENTKRAV

1. l. Sätt vid lagring och uttag av värme genom smältning och kristallisation av ett smältvärmelagringsmedium bestående av en eller flera kemiska föreningar k ä n n e t e c k n a t a v att i ett slutet system som innefattar ett ångutrymme (5) och utrymme för en fast/flytande fas bringas lagringsmediet (2, 4) i direkt kontakt med ett ämne (3) san har ringa löslighet i lag- ringsmediet och en densitet som är högre eller lika med densi- s teten för lagringsmediets flytande fas och som förmår uppta värme från lagringsmediet genom att förångas och därvid övergå till ångutrymmet (5) och att vid uttag av värme från systemet ångan bringas att kondensera och kondensatet att återgå till lagringsmediet.

2. Sätt enligt kravet l, k ä n n e t e c k n a t a v att ångan bringas kondensera i en kondensor (6).

3. Sätt enligt kravet 2, k ä n n e t e c k n a t a v att ångan transporteras till kondensorn (6) genom en ledning (10) samt att kondensatet âterföres till lagringsmediet genom en returledning (12).

4. Sätt enligt kravet 3, k ä n n e t e c k n a t a v att ångan komprimeras innan den bringas-att kondensera.

5. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k - n a t a v att i systemet befintliga icke kondenserande gaser bringas cirkulera genom lagringsmediet (2, 4).

6. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k - n a t a v att lagringsmediet huvudsakligen utgöres av kalciumkloridhexahydrat och ämnet huvudsakligen av trifluor- trikloretan eller bromklordifluormetan. j9ovo21-s -_: 10

7. Anordning för genomförande av sättet enligt kravet l, k ä n n e t e c k n a d a v ett slutet system innefattande ett ångutrymme (5) och utrymme för en fast/flytande fas inne- hållande ett smältvärmelagringsmedium (2, 4) samt ett ämne (3) som genom att förångas upptager värme från lagringsmediet vid dess'kristallisation och avger värme från systemet genom att kondenseras och vilket ämne har ringa löslighet i lagrings- mediet och vars densitet är högre eller lika med densiteten för lagringsmediets flytande fas. mfl

8. Anordning enligt kravet 7, k ä n n e t e c k n a d a v att en kondensor (6) är anordnad i systemet för uttag av värme genom kondensation av det förângade ämnet.

9. Anordning enligt kravet 8, k ä n n e t e c k n a d a v att ångutrymmet (5) omfattar en ledning (10) för transport av ånga till kondensorn (6) samt att en returledning (12) för kondensat är anordnad från kondensorn till lagringsmediet.

10. Anordning enligt kravet 9, k ä n n e t e c.k n a d a v' att en kompressor (ll) är anordnad i ledningen (10) för höjan- de av ångans tryck före kondensorn (6) samt att en strypventil (13) är anordnad i returledningen (12).

11. ll. Anordning enligt något av kraven 7-10, k ä n n e - t e c k n a d a v att en med pump (9) försedd ledning (8) förbinder ångutrymmer (5) med lagringsmediet och är anordnad att cirkulera icke kondenserande gaser genom lagringsmediet.