CZ20003351A3 - Salt mixtures for storage of heat energy in the form of phase change heat and their use - Google Patents

Abstract

Temární směsi solí k uchování tepelné energie ve formě tepla fázové přeměny zejména v systémech vozidlových motorů nebo pro ohřívání užitkové vody a pro topné systémy obsahují dusičnany lithia, draslíku nebo sodíku a hexahydrát dusičnanu hořečnatého.Dark salt mixtures to preserve heat energy in the form of heat phase transformations especially in vehicle engine systems or for heating domestic water and for heating systems lithium, potassium or sodium nitrates and nitrate hexahydrate of magnesium.

Description

Oblast techniky veTechnical field in

Vynález se týká formě tepla fázové směsí solí k uchovávání přeměny a jejich použití tepelné energieThe invention relates to the form of heat by a phase mixture of salts for storing the conversion and to the use of thermal energy

Dosavadni___stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V technických procesech je často třeba vyhnout se tepelným špičkám nebo tepelným deficitům. Za tímto účelem se běžně používá výměníků tepla. Výměníky tepla obsahují teplosměnná media, která přenášejí teplo 2 jednoho místa nebo media do druhého. K rozptýlení tepelených špiček se používá například emise tepla přes výměník tepla do vzduchu. Toto teplo už však není schopno kompenzovat tepelné deficity. Tento problém se řeší použitím systémů ukládání tepla.In technical processes, heat peaks or heat deficits are often to be avoided. Heat exchangers are commonly used for this purpose. The heat exchangers contain heat transfer media that transfer heat 2 from one location or media to another. For example, heat dissipation through the heat exchanger into the air is used to dissipate the heat peaks. However, this heat is no longer able to compensate for heat deficits. This problem is solved by the use of heat storage systems.

Příklady takových vhodných medií jsou voda nebo systém kameny/beton k ukládání vnímaného (“citelného) tepla nebo materiály měnící fá2e (phase change materials PCMs), jako jsou soli, hydráty solí nebo jejich směsi k ukládání tepla ve formě tepla tání (1atentního“ tepla).Examples of such suitable media are water or a stone / concrete system for storing perceived heat or phase change materials PCMs such as salts, hydrates of salts or mixtures thereof for storing heat in the form of melting heat ).

Je známo, že tavení látky, tedy přeměna z pevné do tekuté fáze, zahrnuje spotřebu tedy absorpci tepla, které, pokud tekutý stav trvá, je uloženo v latentní formě a toto latentní teplo se opět uvolňuje při tuhnutí, tedy při přechodu z tekuté do pevné fáze.It is known that the melting of a substance, i.e. a solid-to-liquid phase conversion, involves the consumption of heat absorption, which, if the liquid state persists, is stored in a latent form and this latent heat is released again upon solidification, i.e. phase.

Základním požadavkem k nabití systému ukládání tepla je vyšší teplota, které lze dosáhnout během vybíjení, jelikož • · • · 9 · · · • · 9 9 9 · · ··«··· · · · · · · • · · 9 9 transport/proudění tepla vyžaduje rozdíl teplot. Kvalita tepla 2ávisí na teplotě, při které je dosažitelné: čím vyšší je teplota, tím rozmanitější je použití, do kterého může být teplo vneseno. Z toho důvodu je žádoucí, aby teplota během ukládání tepla poklesla co nejméně.The basic requirement for charging the heat storage system is the higher temperature that can be reached during discharge as 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 heat transfer / flow requires a temperature difference. The quality of the heat 2 depends on the temperature at which it is achievable: the higher the temperature, the more diverse the application into which heat can be introduced. For this reason, it is desirable that the temperature decrease as little as possible during heat storage.

V případě ukládání vnímaného tepla (například ohřevem vody) je vnášení tepla spojeno s postupným zahříváním úložného materiálu (a naopak při vybíjení), zatímco latentní teplo je ukládáno a uvolňováno při teplotě tání PCM. Ukládání latentního tepla má proto oproti ukládání vnímaného tepla tu přednost, že teplotní ztráta je omezená na ztrátu během transportu ze zásobního systému a do zásobního systému.In the case of perceived heat storage (for example by heating water), the introduction of heat is associated with the gradual heating of the storage material (and vice versa when discharging), while latent heat is stored and released at the PCM melting point. The latent heat storage therefore has the advantage over the perceived heat storage that the heat loss is limited to the loss during transport from and to the storage system.

K umožnění optimalizovat ukládání tepla k příslušnému účelu, je nutné mít vhodné ukládací materiály, které nejenom že mají správnou teplotu tání, ale vyhovují mnoha jiným kritériím. Jako tato kritéria se uvádí maximální entalpie tavení a tepelná kapacita, nízký tlak par, chemická a fyzická stabilita, vysoká odolnost proti korozi, reprodukovatelná přeměna fází, shodné tavící chování, malé podchlazení, malá objemová změna, vysoká vodivost tepla, přijatelnost z toxikologického hlediska, recyk1ovate1nost a nízká cena (J. Schróder, Energy Research str. 103 až 109, 1981). Proto je známo jen málo technicky využitelných ukládacích materiálů. Pro většinu teplot nejsou dosud k disposici vhodné materiály.In order to optimize heat storage for a particular purpose, it is necessary to have suitable storage materials that not only have the correct melting point but meet many other criteria. These criteria include maximum melting enthalpy and heat capacity, low vapor pressure, chemical and physical stability, high corrosion resistance, reproducible phase conversion, consistent melting behavior, low subcooling, low volume change, high heat conductivity, toxicological acceptability, recyclability and low cost (J. Schroder, Energy Research, pp. 103-109, 1981). Therefore, only a few technically usable storage materials are known. Materials are not yet available for most temperatures.

Jako ukládacích materiálů pro přesně definované teploty je možno použít specifických směsí solí.Specific salt mixtures can be used as storage materials for precisely defined temperatures.

Americký patentový spis číslo 5 728 316 popisuje směsi solí na bázi dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného k ukládání a využití tepelné energie: tyto směsi s teplotou tání 75,6 C se ideálně hodí k využití systémů ukládajících latentní teplo pro použití v motorových vozidlech.U.S. Patent No. 5,728,316 discloses mixtures of salts based on magnesium nitrate and lithium nitrate for storing and utilizing thermal energy: these mixtures having a melting point of 75.6 ° C are ideally suited to use latent heat storage systems for use in motor vehicles.

• ··• ··

9 ··· ·«·· · ♦ · ♦9 ··· · «·· · ♦ · ♦

9 9 9 9 9 9 9 9 9 · ···· · · · ··· · · ·· · • · ·· 9 9 9 9 99 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

999 9 99 99 99 99999 99 99 99 99

V automobilním průmyslu se motory trvale stále vylepšují. Spolu se snižováním spotřeby paliva a emisí škodlivých látek se dále optimalizuji spalovací teploty motorů.In the automotive industry, engines are constantly improving. Combined with reducing fuel consumption and pollutant emissions, engine combustion temperatures are further optimized.

Úkolem vynálezu je vyvinout ukládací media se zlepšenými vlastnostmi pro různé teploty.It is an object of the present invention to provide storage media with improved properties for various temperatures.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Podstatou vynálezu je ternární směs solí složení odpovídajícímu vztahu IThe present invention is based on a ternary mixture of salts of formula I

ANO₃ + LiN0₃ + Mg( N0₃)₂.6H3O, (I) kde znamená A draslík nebo sodík, pro ukládání tepelné energie ve formě tepla fázové přeměny.YES ₃ + LiNO ₃ + Mg (NO ₃ ) ₂ .6H ₃ O, (I) where A is potassium or sodium, to store thermal energy in the form of phase conversion heat.

Směsi solí je použito v systémech ukládání latentního tepla.Salt mixtures are used in latent heat storage systems.

Vynález objasňují, nijak však neomezují následující příklady praktického provedení.The invention is illustrated by the following examples.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Zjistilo se, še směsi obsahující dusičnan lithný, dusičnan sodný a hexahydrát dusičnanu hořečnatého v definovaném poa měru jsou účinnými ukládacími medii pro teploty 65 až 69 C, zejména 66 až 68 C. Při hmotnostním složení 8 až 14 %, zejména 10 až 12 % dusičnanu lithného, 4 až 10 %, zejména 6 až 8 % dusičnanu sodného a 78 až 86 %, zejména 80 až 84 % hexahydrátu dusičnanu hořečnatého má směs solí teplotu tání přibližně 67 aIt has been found that mixtures containing lithium nitrate, sodium nitrate and magnesium nitrate hexahydrate in a defined ratio are effective storage media for temperatures of 65 to 69 ° C, in particular 66 to 68 ° C. lithium, 4 to 10%, especially 6 to 8% sodium nitrate and 78 to 86%, especially 80 to 84% magnesium nitrate hexahydrate have a salt mixture melting point of about 67 and

c.C.

S překvapením se zjistilo, že hmotnostní složení 11 % dusičnanu lithného, 7% dusičnanu sodného a 82 % hexahydrátu du-Surprisingly, it was found that the weight composition of 11% lithium nitrate, 7% sodium nitrate, and 82% hexahydrate dibasic

···· · · sičnanu horečnatého je ideálním ukládacím mediem pro teploty přibližně 67 C s vysokou entalpií tání.Magnesium stearate is an ideal storage medium for temperatures around 67 ° C with high enthalpy of melting.

Zjistilo se, že směsi obsahující dusičnan lithný, dusičnan sodný a hexahydrát dusičnanu horečnatého v definovaném poo měru jsou účinnými ukládacími medii pro teploty 50 až 54 C, oMixtures containing lithium nitrate, sodium nitrate and magnesium nitrate hexahydrate in a defined ratio have been found to be effective storage media for temperatures of 50 to 54 ° C.

zejména 51 až 53 C. Při hmotnostním složení 11 až 18 %, zejména 13 až 16 % dusičnanu lithného, 17 až 23 %, zejména 19 až 21 % dusičnanu sodného a 61 až 70 %, zejména 63 až 68 % hexahydrátu dusičnanu hořečnatého má směs solí teplotu tání přibli žně 52 C.in particular 51 to 53 C. With a weight composition of 11 to 18%, in particular 13 to 16% lithium nitrate, 17 to 23%, especially 19 to 21% sodium nitrate and 61 to 70%, especially 63 to 68% magnesium nitrate hexahydrate, the mixture the melting point of approximately 52 C.

S překvapením se zjistilo, že hmotnostní složení 14,9 % dusičnanu lithného, 20,3% dusičnanu draselného a 64,8% % hexahydrátu dusičnanu hořečnatého je ideálním ukládacím mediem pro teploty přibližně 52 C s vysokou entalpií tání.Surprisingly, it has been found that the weight composition of 14.9% lithium nitrate, 20.3% potassium nitrate and 64.8% magnesium nitrate hexahydrate is an ideal storage medium for temperatures of approximately 52 ° C with a high melting enthalpy.

Ke zlepšení krystal izačnich vlastností se mohou do směsí solí přidávat krysta1 izační zárodky, jako síran hořečnatý, oxid hořečnatý nebo hydroxid hořečnatý v hmotnostním množství 0,5 až 2 % .Crystallizing seeds such as magnesium sulfate, magnesium oxide or magnesium hydroxide may be added to the salt mixtures in an amount of 0.5 to 2% by weight to improve the crystallization properties.

Výhodné smě i podle vynálezu obsahují buď dusičnan sodíku nebo dusičnan draslíku. Vynález zahrnuje však také takové směsi, které obsahují jak dusičnan sodíku tak dusičnan draslíku.Preferred compositions of the invention comprise either sodium nitrate or potassium nitrate. However, the invention also encompasses such compositions comprising both sodium nitrate and potassium nitrate.

Vysoké entalpie tání znamenají, že například pro dané množství soli se absorbuje více tepla, nebolí více tepla je znovu získate1 né při teplotě fázové přeměny při použití směsí soli podle vynálezu. Pro dané množství potřebného tepla je tedy třeba menšího množství směsi solí, takže odpovídající systémy ukládání tepla mohou být konstruovány menší a lehčí.High enthalpy of melting means that, for example, more heat is absorbed for a given amount of salt, or more heat is recovered at the phase transition temperature using the salt mixtures of the invention. Thus, for a given amount of heat required, a smaller amount of salt mixture is required so that corresponding heat storage systems can be constructed smaller and lighter.

Směsí solí podle vynálezu je možno použít k ukládání tepla uvolňovaného motory vozidel. Teplo emitované během provozu může být ukládáno v latentní formě pomocí ukládacích materiálů.The salt mixture according to the invention can be used to store the heat released by vehicle engines. Heat emitted during operation can be stored in a latent form by means of storage materials.

• · · 9 · · • ··· ♦ · • · • * • ·• 9 · 9

Když se motor příště startuje, může být uložená energie využita k vytápění prostoru vozidla a k zahřátí motoru.The next time the engine starts, the stored energy can be used to heat the vehicle's space and warm the engine.

Podobně mohou být tyto směsi solí využity v systémech ukládání latentního tepla k ohřevu užitkové vody a pro topné systémy.Similarly, these salt mixtures can be used in latent heat storage systems for domestic hot water and heating systems.

Vynálezem jsou proto systémy ukládání tepla obsahující s1oučeni ny pod1e vzorce I.The invention therefore provides heat storage systems comprising compounds according to Formula I.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Směsi solí pro využití latentního tepla fázové přeměny pro zlepšení palivové bilance motorových vozidel.Mixtures of salts for the use of latent heat of phase conversion to improve the fuel balance of motor vehicles.

Claims (10)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Ternární směs solí, vyznačující se tím, že její složení odpovídá vztahu I1. A ternary salt mixture, characterized in that its composition corresponds to formula I AN0₃ + LiNO₃ + Mg(N0₃)2.6H₂0, (I) kde znamená A draslík nebo sodík, pro ukládání tepelné energie ve formě tepla fázové přeměny.ANO ₃ + LiNO ₃ + Mg (NO ₃ ) 2.6H ₂ O, (I) where A is potassium or sodium, to store thermal energy in the form of phase conversion heat. 2. Ternární směs solí podle nároku 1, kde A znamená sodík, vyznačující se tím, že obsahuje hmotnostně 10 až 12 % dusičnanu lithného, 6 až 8 % dusičnanu sodného a 80 až 84 % hexahydrátu dusičnanu hořečnatého.Ternary salt mixture according to claim 1, wherein A is sodium, characterized in that it contains 10 to 12% by weight of lithium nitrate, 6 to 8% of sodium nitrate and 80 to 84% of magnesium nitrate hexahydrate. 3. Ternární směs solí podle nároku 1, kde A znamená draslík,vyznačující se tím, že obsahuje hmotnostně 13 až 16 % dusičnanu lithného, 19 až 21 % dusičnanu draselného a 63 až 68 % hexahydrátu dusičnanu hořečnatého.A ternary salt mixture according to claim 1, wherein A is potassium, characterized in that it contains 13 to 16% by weight of lithium nitrate, 19 to 21% of potassium nitrate and 63 to 68% of magnesium nitrate hexahydrate. 4. Ternární směs solí podle nároku 1, vyznačuj ící se t í m , že obsahuje krystal izačni zárodky.4. The ternary salt mixture of claim 1, wherein said ternary salt mixture comprises seed crystals. 5. Ternární směs solí podle nároku 4, vyznačuj ící se t í m , že krystalizačními zárodky jsou síran hořečnatý, oxid hořečnatý nebo hydroxid hořečnatý.5. The ternary salt mixture of claim 4, wherein the crystallization seeds are magnesium sulfate, magnesium oxide or magnesium hydroxide. 6. Ternární směs solí podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že krystalizační zárodky jsou obsaženy v hmotnostním množství 0,5 až 2 %.Ternary salt mixture according to claim 4 or 5, characterized in that the crystallization seeds are present in an amount of 0.5 to 2% by weight. 7. Použití ternárních směsí solí podle nároku 1 až 6 jako ukládacího média v systémech ukládání latentního tepla.Use of ternary salt mixtures according to claims 1 to 6 as storage medium in latent heat storage systems. 8. Systém ukládání latentního tepla k ukládání a využívání uvolňovaného tepla, obsahující ternární směs solí podle nároku • · * • · « • ···· ·A latent heat storage system for storing and utilizing the released heat, comprising a ternary salt mixture according to claim 1. 9 99 9 999 9999 9 9 ·9 · 9 99 9 9 · ··· • 99 · ··· • 9 99 9999 99 9 9 9 · • · · · • · · · • 9 9 99 9 9 9 9 9 1 až 6.1 to 6. 9. Použití systému ukládání v systémech vozidlových motorů9. Use of storage system in vehicle engine systems 10. Použití systému ukládání k ohřívání užitkové vody a pro latentního tepla podle nároku 8 latentního tepla podle nároku 8 topné systémy.Use of a storage system for heating the service water and for latent heat according to claim 8 latent heat according to claim 8 heating systems.