AT391555B

AT391555B - Latentwaermespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden stoffen

Info

Publication number: AT391555B
Application number: AT0180885A
Authority: AT
Inventors: Wolfgang Dr Ing Ahrens; Thomas Dipl Ing Noack; Ruediger Dr Naumann; Hans-Heinz Dr Emons; Wolfgang Dr Voigt; Udo Dr Seltmann
Original assignee: Bauakademie Ddr
Priority date: 1984-08-09
Filing date: 1985-06-18
Publication date: 1990-10-25
Also published as: BG48415A1; JPS6152588A; HU204299B; JPH0438998B2; CH669206A5; SE8503748D0; SE8503748L; CS497385A1; SE463623B; ATA180885A; DD236862A3; HUT42174A; DE3521548A1

Description

Nr. 391 555

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen mit einer aktiven und zu vermischenden Speicherfüllung in einem Speicherbehälter.

Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen stellen wirkungsvolle Systeme zur Entlastung oder Ergänzung konventioneller Energieerzeugersysteme und zum Ausgleich zeitlicher Schwankungen 5 zwischen Energieanfall und Energiebedarf dar. Der vorliegende Latentwärmespeicher soll 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 werden.

Konventionelle Wärmespeicher arbeiten vornehmlich auf der Basis fühlbarer bzw. sensibler Wärme. Da die 10 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 Aufwandsverhältnissen. Aus praktischer Sicht besitzen die konventionellen Speichersysteme folgende wesentliche Nachteile: - Das Laden oder Entladen des Speichers ist mit einer Erhöhung oder Erniedrigung der Speichertemperatur 15 verbunden, die ein stetes - in der Praxis sehr nachteiliges - Gleiten der Speichertemperatur und der Wärmeübertragungsleistungen 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 20 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 Kostenverhältnisse sehr nachteilig beeinflussen. - Zur Reduzierung der Speichervolumina auf technisch beherrschbare Größenordnungen müssen große 25 Temperaturdifferenzen zwischen Lade- und Entladezustand zugelassen und die dabei notwendige Erhöhung der

Ladetemperatur über die erforderliche Vorlauftemperatur des Wärmeverbrauchssystems sowie die Vernichtung der energetischen Qualität der Wärmequelle (Exergiegehalt) in Kauf genommen werden. - Bei der Verwendung von Wasser, als dem am häufigsten genutzten Speicheimaterial, wird die Speicherung großer Energiemengen besonders dann problematisch, wenn die für die technische Nutzung erforderliche 30 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 35 Wärmen, sondern mehr auf der Basis latenter Wärmen, wie Schmelz- und Erstarrungswärmen, Verdampfungs- und

Kondensationswärmen, Reaktionswärmen, Hydratisationswärmen, Lösungswärmen, Kristallisationswärmen u. ä. arbeiten.

Speicher dieser Art werden in da- Literatur als 'Latentwärmespeicher" bezeichnet

Diese Speicher haben gegenüber konventionellen Speichern folgende Vorteile: 40 - Beim Laden und Entladen bleibt die Speichertemperatur während der Wärmeaufnahme oder Wärmeabgabe in einem engen Bereich konstant - Die Wärmeübertragungsleistungen bleiben - in Abhängigkeit von der jeweiligen tecnnischen Lösung -ebenfalls in einem engen Bereich konstant - Im Vergleich mit konventionellen Speichern ist das Wärmeaufnahmevermögen je nach verwendetem 45 Speichermaterial und je nach der Breite des Gesamttemperaturbereiches, innerhalb welchem sich die Wärmeaufnahme 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. Für solche Speicher gibt es eine Reihe von Lösungen, welche im wesentlichen die mit schmelzbaren 50 Materialien einhergehenden und bekannten wärmephysikalischen und physikalisch-chemischen Probleme beseitigen.

Hierzu gehören DE-OS 26 48 678, DD-PS 154 125, DE-OS 1928 694, DE-OS 25 23 234, DE-OS 25 17 920 und DE-OS 25 17 921, die Verbesserungen hinsichtlich der stofflichen Aufbereitung der Speichermaterialien, der Unterbindung von Unterkühlungen, Stratifikationen u. ä. erbracht haben. 55 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 Wärmeein- als auch beim Wärmeaustrag zu stark verringerten Wärmeübertragungsleistungen sowie zur Verkrustung, Undurchlässigkeit für die Schmelze, zu thermischen Spannungen und überhöhten 60 Drücken im Speicherinneren fuhren. -2-

Nr. 391 555

Darüber hinaus ist aus der Literatur bekannt, daß durch Zugabe von Fluor enthaltenden oberflächenaktiven Stoffen die Größe der bei der Erstarrung von inkongruent schmelzendem Glaubersalz (Na2SC>4.10 H20) entstehenden Kristalle vermindert werden kann. Ein entsprechendes Patent liegt mit US 4267 879 vor. Konkrete Lösungen für die Verringerung der Kristallgröße von nicht zersetzend (z. B. kongruent) schmelzenden Latentspeichermaterialien sind dagegen nicht bekannt. Die Übertragung auf kongruent schmelzende Materialien, wie z. B. Na2S . 5 H20 haben zu keinem Erfolg geführt.

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.

Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen, wie z. B. kongruent und eutektisch schmelzenden Stoffen, neigen dazu, bei der Erstarrung Kristalle zu bilden, die sich zu großvolumigen Agglomeraten zusammenschließen. Diese bilden die Ursache für geringe Wärmeein- und -austragsleistungen sowie thermische Spannungen im Speicherinneren. Zur Unterbindung dieser Nachteile wird erfindungsgemäß bei dem eingangs erwähnten Latentwärmespeicher vorgeschlagen, daß die aktive Speicherfüllung mindestens drei Stoffsysteme, vorzugsweise vier Stoffsysteme enthält, wobei - das erste Stoffsystem aus einem oder mehreren Wärmespeicherstoffen besteht, welche eutektisch oder kongruent schmelzen, beim Schmelzen keine Zersetzungserscheinungen aufweisen, eine homogene Schmelze bilden und deren Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 50 bis 95 Vol.% beträgt, - das zweite Stoffsystem aus einem Wärmetransportmittel besteht, welches das erste Stoffsystem nicht zu lösen vermag, dessen Dichte größer ist als die Dichte der schmelzflüssigen Phase des ersten Stoffsystems, dessen Dampfdruck wesentlich größer ist als der Dampfdruck des ersten Stoffsystems, dessen Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 3 - 50 Vol.% beträgt, - das dritte Stoffsystem aus einem oder mehreren oberflächenaktiven Stoffen besteht und deren Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0,01 - 5 Vol.% beträgt und - das vierte Stoffsystem aus einem oder mehreren Keimbildnem besteht, deren Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0-20 Vol.% beträgt, wobei der Anteil = 0 ist, falls das Stoffsystem nicht unterkühlt.

Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher soll in seiner aktiven Speicherfüllung mit Bezug auf eine Zeichnung (Fig. 1) näher vorgestellt werden:

Stoffsystem (I): Mg(NOß)2.6 H20 und MgCl2.6 H20 als eutektisches Gemisch mit 70 Vol% Chlorbrommethan CH2ClBr mit 28 Vol% Cordesin W mit 1 Vol% Aktivkohle mit 1 Vol%

Stoffsystem (Π): Stoffsystem (ΙΠ): Stoffsystem (IV):

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 (Π) in einem Hohlraum (5) umgeben ist.

Die Wärmezufuhr «folgt über den von der Speicherfüllung (2) umschlossenen Wärmeübertrager (3), der Wärmeentzug über den vom Wärmetransportmitteldampf umgebenen Wärmeübertrager (4). Wärmezufuhr und Wärmeentzug laufen unter dreifachem Phasenwechsel ab.

Bei einer Wärmezufuhr oberhalb der Schmelztemperatur wird das Stoffsystem (II) verdampf. 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 Schmelzwärme aufgenommen.

Beim Wärmeentzug unterhalb der Schmelztemperatur wird wiederum Material des Stoffsystems (II) verdampft, in diesem Falle bei einem niedrigeren Druck als bei der Wärmezufuhr. Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird dem Speichermaterial (Stoffsystem (I)) entzogen, welches dabei erstarrt

Der Dampf des Stoffsystems (II) wird am Wärmeübertrager (4) kondensiert und die frei werdende Kondensationswärme vom Wärmeübertrager (4) aufgenommen.

Die Wärmeübertragung läuft in beiden Fällen unter intensiver Blasenbildung mit starker Durchmischung der Speichelfüllung ab, wodurch sich eine über das gesamte Speichermaterial gleichmäßig verteilte Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe ausbildet Dieser an sich bekannter 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. -3-

Claims

Nr. 391 555 Das Stoffsystem (IV) ist erforderlich, um beim Wärmeaustrag die Kristallbildung auszulösen und Unterkühlungen zu vermeiden. PATENTANSPRUCH Latentwärmespeicher mit nicht zersetzend schmelzenden Stoffen mit einer aktiven und zu vermischenden Speicherfüllung in einem Speicherbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Speicherfüllung mindestens drei Stoffsysteme (I, Π und ΠΙ) vorzugsweise vier Stoffsysteme (I, Π, ΠΙ, IV) enthält, wobei • das erste Stoffsystem (I) aus einem oder mehreren Wärmespeicherstoffen besteht, welche eutektisch oder kongruent schmelzen, beim Schmelzen keine Zersetzungserscheinungen aufweisen, eine homogene Schmelze bilden und deren Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 50 bis 95 Vol % beträgt, - das zweite Stoffsystem (Π) aus einem Wärmetransportmittel besteht, welches das erste Stoffsystem (I) nicht zu lösen vermag, dessen Dichte (pjj) größer ist als die Dichte (pj) der schmelzflüssigen Phasen des ersten Stoffsystems (I), dessen Dampfdruck (ppu) wesentlich größer ist als der Dampfdruck (pDj) des ersten Stoffsystems 00, dessen Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 3 bis 50 Vol % beträgt, - das dritte Stoffsystem (ΙΠ) aus einem oder mehreren oberflächenaktiven Stoffen besteht und deren Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0,01 bis 5 Vol % beträgt und - das vierte Stoffsystem (IV) aus einem oder mehreren Keimbildnem besteht, deren Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0 bis 20 Vol % beträgt, wobei der Anteil = 0 ist, falls das Stoffsystem nicht unterkühlt. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -4-