DE102010046482A1

DE102010046482A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102010046482A1
Application number: DE102010046482A
Authority: DE
Inventors: Dr. Golbs Andreas; Stefan Weber
Original assignee: RAWEMA COUNTERTRADE HANDELSGESELLSCHAFT MBH
Current assignee: RAWEMA COUNTERTRADE HANDELSGESELLSCHAFT MBH
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium, wobei das Latentwärmespeichermedium wenigstens ein Mittel aufweist, durch das die Entmischung des Latentwärmespeichermediums verhindert oder verringert wird und/oder durch das die Stabilität des Latentwärmespeichermediums erhöht wird, wobei es sich bei dem Mittel um eine die Viskosität des Latentwärmespeichermediums erhöhende Substanz handelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium sowie ein Behältnis mit einem derartigen Latentwärmespeichermedium.
Die effektive Nutzung von Solarthermie setzt die Lösung der zeitlichen Diskrepanz zwischen Angebot, das heißt Wärmeeintrag und Nachfrage, das heißt Wärmeverbrauch voraus. Dies kann über effiziente Speichersysteme gelöst werden, die Wärme über einen längeren Zeitraum speichern können. In den letzten Jahren wurden verstärkt Anstrengungen übernommen, um die Entwicklung von Latentwärmespeichern voranzutreiben. Derartige Latentwärmespeichermedien vermögen Wärme nicht nur in Form von sensibler Wärme, sondern insbesondere auch in Form von latenter Wärme zu speichern, das heißt von Wärme, die bei einem Phasenübergang frei wird. Der Begriff „sensible Wärme” soll den Wärmegehalt bezeichnen, der abrufbar ist, ohne dass es zu einem Phasenwechsel kommt.
Ein wesentliches Problem von derartigen Speichermaterialien ist deren Langzeitstabilität. So kann es dazu kommen, dass über viele Schmelz- und Erstarrungszyklen eines kristallisationsfähigen Latentwärmespeichermediums eine Entmischung eintreten kann, in deren Folge eine Änderung, insbesondere eine Verringerung der Schmelzenthalpie eintreten kann und andererseits die Anfälligkeit zur Spontankristallisation erhöht wird, die unerwünscht ist, da in diesem Fall Wärme freigegeben wird, ohne dass sie benötigt wird.
Als Latentwärmespeichermaterial ist beispielsweise Natriumacetat-Trihydrat bekannt. Dieses Material hat eine hohe Schmelzenthalpie und einen relativ geringen Preis. Ursache für die fehlende bzw. mangelhafte Langzeitstabilität von Natriumacetat-Trihydrat (NaCH₃COO-3H₂O) ist ein semikongruentes Schmelzverhalten. Dies ist gekennzeichnet durch das vorliegen eines peritektischen Punktes.
Wird festes Natriumacetat-Trihydrat erwärmt, so kommt es beim Erreichen des peritektischen Punktes von etwa 57°C zu einer Verschiebung des stöchiometrischen Verhältnisses von 60,29% Natriumacetat (NaCH₃COO) und 39,71% Wasser (3H₂O) in der festen Verbindung auf etwa 58% Natriumacetat und 42% H₂O in der flüssigen Verbindung.
Es bildet sich zeitweise eine ungebundene Menge wasserfreies Natriumacetat.
Bei weiterer Erhöhung der Temperatur ändert sich das stöchiometrische Verhältnis der Flüssigkeit unter Auflösung des festen, wasserfreien Natriumacetates in dem wieder frei werdenden Wasser.
Bei einer Temperatur von 68°C entspricht die Zusammensetzung wieder dem ursprünglichen stöchiometrischen Verhältnis.
Nachteilig ist die Tatsache, dass die Dichte des zeitweise entstehenden wasserfreien Natriumacetats höher ist als die der flüssigen Phase, was zur Folge hat, dass das Acetat absinkt und es folglich zu einer Entmischung kommt. In der Folge der Entmischung verringert sich zum einen die Schmelzenthalpie. Ein weiterer Nachteil ist die Anfälligkeit zur Spontankristallisation, das heißt zu einer Kristallisation, die nicht beabsichtigt ist. Dies hätte den Nachteil, dass durch die Kristallisation Wärme freigesetzt wird, die gegebenenfalls nicht benötigt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Latentwärmespeichermedium bereitzustellen, das eine geringere oder fehlende Tendenz zur Entmischung und/oder eine verbesserte Stabilität, insbesondere eine verbesserte Langzeitstabilität aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Latentwärmespeichermedium mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist vorgesehen, dass das Latentwärmespeichermedium wenigstens ein Mittel aufweist, durch das die Entmischung des Latentwärmespeichermediums verhindert oder verringert wird und/oder durch das die Stabilität des Latentwärmespeichermediums erhöht wird, wobei es sich bei dem Mittel um eine die Viskosität des Latentwärmespeichermediums erhöhende Substanz handelt. Durch das Mittel ist somit die Viskosität des Latentwärmespeichermediums höher als bei dessen Abwesenheit. Durch die Erhöhung der Viskosität kommt es in einer solchen Mischung nicht mehr oder nur noch in geringerem Umfang zum Absetzen des Acetats bzw. des Trihydrates, wodurch die oben beschriebenen Nachteile verringert oder verhindert werden können.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass es sich bei der Substanz um Carboxymethylcellulose oder ein Derivat von Carboxymethylcellulose handelt oder dass die Substanz Carboxymethylcellulose oder ein Derivat von Carboxymethylcellulose umfasst.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Latentwärmespeichermedium kristallisationsfähig ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Latentwärmespeichermedium ein Salzhydrat, vorzugsweise ein semikongruent schmelzendes Salzhydrat aufweist.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Natriumacetat-Trihydrat oder dessen Lösung, vorzugsweise dessen wässriger Lösung.
Denkbar ist somit der Einsatz eines Latentwärmespeichermediums, das aus Natriumacetat-Trihydrat oder dessen Lösung und Carboxymethylcellulose oder einem Derivat besteht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anteil der die Viskosität erhöhenden Substanz, insbesondere der Carboxymethylcellulose oder deren Derivat, im Latentwärmespeichermedium im Bereich von 0,1% bis 15%, vorzugsweise in einem Bereich von 0,3% bis 10% und besonders bevorzugt im Bereich von 1,5% bis 3% liegt.
Dabei kann es sich um Volumenprozent oder auch um Gewichtsprozent handeln.
Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren ein Behältnis mit wenigstens einem Raum, der zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums dient oder mit einem solchen Raum zumindest teilweise gefüllt ist, wobei es sich bei dem Latentwärmespeichermedium um ein Latentwärmespeichermedium gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 handelt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Raum Trennmittel aufweist, die den Raum in Teilräume unterteilen, wobei das Latentwärmespeichermedium zumindest teilweise in diesen Teilräumen vorliegt. Es findet somit eine Volumen- bzw. Massesegmentierung des Raumes und damit auch des Latentwärmespeichermediums statt, wodurch dem Problem der Entmischung weiter entgegengewirkt wird. Die Stabilität des Latentwärmespeichermediums wird dementsprechend erhöht.
Besonders bevorzugt ist es somit, wenn das Latentwärmespeichermedium in einem derartigen Behältnis zur Verwendung kommt, in dem eine Separation vorzugsweise des gesamten Volumens in Teilvolumina vorliegt.
Die Trennmittel können als Platten oder dergleichen, vorzugsweise als ebene oder gekrümmte Platten ausgeführt sein, wobei es vorzugsweise vorgesehen ist, dass wenigstens ein Rand der Platte relativ zu Plattenebene gebogen oder abgewinkelt ausgeführt ist. Dieser Rand kann als Abstandshalter der Platten voneinander dienen.
Die Trennmittel können derart ausgeführt sein, dass zumindest abschnittsweise ein Spalt zwischen dem oder den Trennmitteln und der Wandung des Behälters verbleibt, dass also die Trennmittel keine vollständige Abtrennung einzelner Teilräume vornehmen. In diesem Spalt bzw. in dem Bereich zwischen dem Trennmittel und der Wandung des Behälters kann wie auch zwischen den Trennmitteln das Latentwärmespeichermedium vorliegen. So ist es möglich, durch einen geeigneten Auslösemechanismus eine Kristallisation des gesamten Latentwärmespeichermediums zu bewirken und nicht nur eines Teils, der etwa zwischen zwei oder mehreren Trennmitteln vorliegt.
Die Trennmittel können stapelförmig angeordnet sein. Der Abstand zwischen zwei Trennmitteln kann im Bereich zwischen 1 mm und 30 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 2 mm und 20 mm und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 5 mm und 10 mm liegen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Latentwärmespeichermedium in dem Wärmetauscher derart vorliegt, dass dem Latentwärmespeichermedium Wärme zugeführt werden kann und/oder aus dem Latentwärmespeichermedium abgeführt werden kann.
So ist es beispielsweise denkbar, dass das Behältnis mit einer Solaranlage oder mit einer sonstigen Wärmequelle in Verbindung steht und die dort produzierte Wärme bzw. Energie in das Behältnis bzw. in dem darin vorliegenden Wärmespeichermedium gespeichert werden kann. Wird Wärme benötigt, etwa im Winter in Heizperioden, ist es denkbar, die in dem Latentwärmespeichermedium enthaltene Wärme abzuführen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in dem Behältnis zum Zwecke des Wärmeaustausches bzw. des Wärmeeintrages und/oder der Wärmeabfuhr ein oder mehrere Rohre verlaufen.
Diese Rohre können in Längsrichtung des Behältnisses angeordnet sein oder auch anderweitig, beispielsweise spiralförmig in dem Behältnis verlaufen.
Die Trennmittel erstrecken sich vorzugsweise in einem Winkel, vorzugsweise in einem rechten Winkel zu dem oder den Rohren.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eines, mehrere oder alle der Rohre durch Ausnehmungen wenigstens eines, vorzugsweise mehrerer oder aller der Trennmittel verlaufen oder mit einem, mehreren oder allen Trennmitteln in Verbindung stehen. Die Trennmittel dienen in diesem Fall somit als Wärmeübertragerplatten, die den Wärmeeintrag in das Latentwärmespeichermedium erhöhen bzw. die Wärmeabfuhr aus dem Latentwärmespeichermedium verbessern.
Wie ausgeführt, kann das Behältnis mit wenigstens einer Energiequelle, insbesondere mit wenigstens einer Solaranlage oder mit einem Brenner oder dergleichen und/oder mit wenigstens einem Verbraucher, insbesondere mit wenigstens einer Heizung oder wenigstens einem Warmwassersystem in Verbindung stehen oder verbindbar sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren ein Wärmespeichersystem mit wenigstens einem Behältnis nach einem der Ansprüche 7 bis 15, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Wärmespeichersystem wenigstens eine Wärmequelle, insbesondere wenigstens eine Solaranlage oder einen Brenner und/oder wenigstens einen Verbraucher, insbesondere wenigstens eine Heizung oder ein Warmwassersystem, umfaßt, die mit dem in dem Behältnis befindlichen Medium derart unmittelbar oder mittelbar in Verbindung steht, dass Wärme von der Wärmequelle an das Latentwärmespeichermedium und/oder von dem Latentwärmespeichermedium an den Verbraucher übertragbar ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren ein Gebäude oder mobile eine Einheit, wie Wohnwagen, Kfz oder dergleichen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gebäude oder die mobile Einheit wenigstens einen Behältnis nach einem der Ansprüche 7 bis 15 oder wenigstens ein Wärmespeichersystem nach Anspruch 16 aufweist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1: eine Prinzipskizze des Wärmetauschers bzw. Behälters gemäß der vorliegenden Erfindung,
2: eine perspektivische Darstellung eines Stapels von durch Wärmetauscherrohre durchsetzten Wärmetauscherplatten und
3: eine Seitenansicht der Stapelanordnung gemäß 3.
1 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Wärmetauschers bzw. Behälters. Über einen Zulauf 13 des Elementes 10 gelangt beispielsweise der Vorlauf der Wärmequelle, beispielsweise einer Solaranlage in den Wärmetauscher. Der Zulauf 13 steht mit der Kammer 15 in Verbindung, in die Rohre 21' münden. Diese Rohre 21' bilden somit einen Teil des Fluidkreislaufes der Wärmequelle und werden im Betrieb von einem vergleichsweise warmen Wärmeträgermedium durchströmt. Mit dem Bezugszeichen 14 ist ein weiterer Zulauf gekennzeichnet und zwar der Vorlauf eines Heizkreises. Durch diesen Zulauf 14 strömt vergleichsweise kaltes Wärmeträgermedium zu dem Wärmetauscher und zwar mittels des Umlenkelementes 10. Der Zulauf 14 steht mit der Kammer 16 in Verbindung, die eine Mehrzahl von Rohren 21'' mündet, die von dem Wärmeträgermedium eines Heizungskreislaufes durchströmt werden.
Das untere Umlenkelement gemäß 1 ist vorzugsweise identisch aufgebaut zu dem oberen Umlenkelement 10. Die dortigen Bezugszeichen 13 und 14 kennzeichnen einerseits den Anschlußbereich, durch den der Rücklauf der Wärmequelle, das heißt beispielsweise der Rücklauf des Solarkreises aus dem Element 10 abströmt. Das Bezugszeichen 14 kennzeichnet den Ablauf, durch den der Rücklauf des Heizkreises aus dem Element 10 abströmt.
Der Wärmetauscher bzw. das Behältnis kann nun dazu dienen, ein darin befindliches Latentwärmespeichermedium, insbesondere ein kristallisationsfähiges Medium dahingehend zu nutzen, das dieses als Langzeitwärmespeicher verwendet werden kann. Soll Wärme aus dem Latentwärmespeichermedium abgeführt werden, wird der Zulauf 14, das heißt der Vorlauf des Heizkreises durch ein Ventil oder dergleichen freigeschaltet, wodurch ein Medium, insbesondere Wasser oder mit Zusätzen versehenes Wasser in die Vorlaufkammer 16 einströmt, die Rohre 21 durchströmt und dabei erwärmt wird. Das erwärmte Medium gelangt dann in die untere Kammer 16 und dann über den Port 14 als Rücklauf in den Heizkreis.
Auf diese Weise kann – sofern vorhanden – zunächst die sensible Wärme des Latentwärmespeichermediums genutzt werden. Steht diese nicht zur Verfügung, wird die Latentwärme genutzt, die bei der Kristallisation des Latentwärmespeichermediums frei wird. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine unterkühlte Schmelze, vorzugsweise um eine unterkühlte Salzschmelze.
Steht demgegenüber genug Wärme von einer Wärmequelle, wie beispielsweise einer Solaranlage zur Verfügung, wird der Vorlauf des Solarkreises freigeschaltet, das heißt über ein Ventil oder dergleichen der Zulauf 13 der oberen Kammer geöffnet, wodurch vergleichsweise warmes Wärmeträgermedium, wie beispielsweise Wasser durch die Rohre 21' gelangt und die Wärme in das in dem Behälter befindliche Wärmeträgermedium eingetragen wird. Auf diese Weise kühlt sich das durch die Rohre 21' strömende Medium ab. Es gelangt dann in die untere Kammer 15 des unteren Umlenkelementes und bildet somit den Rücklauf des Solarkreises bzw. einer sonstigen Wärmequelle, wie beispielsweise einem Brenner. Über den geöffneten Ablauf 13 strömt das abgekühlte Medium sodann zurück in den Solarkreis.
Die Wärmeträgerplatten 24 dienen zur Optimierung des Wärmeübergangs innerhalb des Behältnisses bzw. innerhalb des Wärmetauschers. Die Anordnung gemäß 1 kann innerhalb einem Behältnis angeordnet sein, in dem sich ein oder mehrere Latentwärmespeichermedien befinden, die in dem Raum zwischen Behälterwandung (nicht dargestellt) und den Rohren 21 sowie zwischen den Platten 24 angeordnet ist/sind.
Wie dies bereits in 1 angedeutet ist, befinden sich eine Mehrzahl von Platten 24 übereinander in dem Behälter 20.
1 zeigt die Behälterwandung nicht, sondern nur die Umlenkelemente mit den Kammern 15, 16 sowie die Rohre 21 und die Wärmetauscherplatten 24. Die Behälterwandung kann sich zwischen den Umlenkelementen erstrecken und einen Raum definieren, in dem sich einerseits die Rohre 21 mit dem Platten 24 und andererseits das Latentwärmespeichermedium befindet, dass die Rohre 21 und die Platten 24 zumindest teilweise umgibt.
2 zeigt eine stapelförmige perspektivische Ansicht der Wärmeübertragerplatten 24. Die Platten 24 selbst bestehen aus einer ebenen Oberfläche 25, die in zwei Randbereichen Abkantungen 26 und 27 aufweist, so dass sich insgesamt ein im Querschnitt U-förmiges Profil ergibt, dessen Schenkel nach unten ragen.
Wie dies aus 2 hervorgeht, ist nun eine Vielzahl solcher Platten 24 übereinander angeordnet, wobei die Platten bzw. die Plattenflächen 25 voneinander beabstandet sind. Die Schenkel 26 und 27 können als Abstandshalter dienen. Ein bevorzugter Abstand der Oberflächen 25 benachbarter Platten 24 beträgt beispielsweise 5 bis 10 mm, das heißt der Abstand der jeweiligen Flächen 25 benachbarter Wärmetauscherplatten 24 kann in diesem Bereich liegen.
Wie dies weiter aus 2 hervorgeht, sind die Platten 24 mit Bohrungen 24' versehen, durch die sich die einzelnen Rohre 21 hindurch erstrecken. Dies gilt selbstverständlich nicht nur für die oberste der dargestellten Wärmetauscherplatten, sondern für alle Platten des Stapels.
In 2 sind entsprechend der Anordnung gemäß 1 mit dem Bezugszeichen 21' die Rohre gekennzeichnet, die mit dem Wärmequellenkreislauf, beispielsweise mit einem Solarkreislauf in Verbindung stehen. Mit dem Bezugszeichen 21'' sind die Rohre gekennzeichnet, die mit einem Verbraucherkreislauf, beispielsweise mit einem Heizkreislauf in Verbindung stehen.
Wie dies aus 2 hervorgeht, können die Rohre abwechselnd angeordnet sein. Des weiteren ergibt sich aus 2, dass nicht alle Bohrungen 24' der Platten 24 belegt sein müssen. Die Anzahl der Rohre und damit die Belegung der Ausnehmungen 24' richtet sich nach dem Bedarf des Wärmeeintrags bzw. der Wärmeentnahme in den bzw. aus den Hybrid-Röhren-Plattenwärmetauscher.
2 zeigt eine Anordnung mit zwei Fluidkreisläufen. Von der Erfindung ist jedoch auch der Fall umfaßt, das mehr als zwei Fluidkreisläufe vorgesehen sind und mit dem Wärmetauscher derart in Verbindung stehen, dass Wärme abgegeben und/oder aufgenommen werden kann.
3 zeigt eine Seitenansicht der stapelförmigen Anordnung von Wärmetauscherplatten 24 gemäß 2.
Wie dies weiter aus 2 hervorgeht, sind die Platten 24 nicht einfach übereinander gestapelt, sondern haben jeweils eine zueinander versetzte Orientierung, so dass jede Platte gegenüber der darunter bzw. darüber liegenden Platte um ein bestimmtes Maß gedreht ist, so dass sich insgesamt der Eindruck einer spiralförmigen Anordnung ergibt.
Wie dies aus 2 und 3 hervorgeht, liegen die Platten so aufeinander, dass die unteren Ränder der Schenkel 26, 27 auf der Oberfläche 25 der darunter liegenden Platte aufliegt. Auf diese Weise wird der Abstand der Ebenen 25 zueinander eingestellt.
Grundsätzlich sind selbstverständlich auch andere Mittel zur Wahl eines bestimmten Abstandes zwischen den Platten 24 denkbar.
Der Behälter bzw. der Wärmetauscher können nun mehrfach angeordnet sein oder auch nur einfach vorgesehen sein, je nach Bedarf der zu speichernden bzw. abzurufenden Wärmemenge. Insoweit nehmen wir Bezug auf die DE 10 2009 012 318 A1 , deren Offenbarungsgehalt vollständig zum Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird.
Im folgenden werden einige vorteilhafte Merkmale der vorliegenden Erfindung dargestellt, die jedoch keinen beschränkenden Charakter aufweisen.
Vorzugsweise sind die Wärmetauscherrohre abwechselnd aufgereiht und werden durch Wärmetauscherplatten miteinander verkoppelt.
Die thermische Steuerung erfolgt gemäß der DE 10 2009 012 318 A1 vorzugsweise über Ventilgruppen, die von einer Steuereinheit gesteuert werden können. Wie ausgeführt, können eine Vielzahl solcher Wärmespeicher vorgesehen sein, die ebenfalls entsprechend der DE 10 2009 012 318 A1 miteinander verschaltet werden können. Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem kann somit auch eine entsprechende Mehrzahl von Wärmetauschern umfassen.
Vorzugsweise wird ein Wärmetauscher aus wenigstens einem Hybrid-Röhren-Wärmetauscher mit zwei unabhängigen und getrennten Hydraulikkreisläufen gebildet. Der Wärmetauscher ist über ein geschlossenes System vorzugsweise mit einem Salzhydrat befüllt.
Der Wärmetauscher ist als Röhrenwärmetauscher mit Wärmetauscherplatten ausgeführt, wobei ein Teil der Wärmetauscherröhren hydraulisch direkt mit einem Kreislauf und der zweite Teil direkt mit einem anderen Kreislauf verbunden sind. Der Abstand der Wärmetauscherplatten, die wenigstens zwei, vorzugsweise mehrere oder alle der Rohre miteinander verbindet ist so zu bemessen, dass er optimale thermische Übergänge aus den einzelnen Salzschichten bzw. Schichten des Latentwärmespeichers ermöglicht.
Die Trennung der Hydraulikkreisläufe erfolgt über die dargestellten Wärmetauscherkammern am Boden und am Kopf des Wärmetauschers. Beide Kammern koppeln den Vorlauf oder Rücklauf der beiden hydraulischen Kreisläufe getrennt aus. Auch mehr als zwei Kreisläufe sind grundsätzlich denkbar und von der Erfindung mit umfasst.
Nicht dargestellte Ventilgruppen können in die jeweiligen Kammern bzw. Elemente mit integriert werden, so dass eine hydraulische Ansteuerung des Gesamtsystems möglich ist.
Der dargestellte Hybrid-Röhren-Wärmetauscher weist die Vorteile auf, dass eine hydraulische Entkopplung des Solarkreislaufes und eines sonstigen Wärmeträgerkreislaufes hinsichtlich Frostschutzmittel möglich ist, dass eine getrennte und simultane Betriebsweise, das heißt ein getrenntes Be- und Entladen, ein gleichzeitiges Be- und Entladen des Latentwärmespeichermediums, ein alternatives Beladen über den Solar- oder Heizkreislauf möglich ist. Somit ist auch denkbar, über den Heizkreislauf eine Beladung, das heißt einen Wärmeeintrag in das Wärmespeichermedium durchzuführen.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Restwärmenutzung unterhalb von 35°C zur Vorwärmung des Wärmeübertragungsmediums zum schnelleren Erreichen des optimalen Arbeitspunktes im Solarkreislaufs und bei der Warmwasserbereitstellung.
Als weiterer Vorteil ist die latente Zwischenspeicherung von nicht nutzbaren solaren Wärmeerträgen unterhalb des Arbeitspunktes zu nennen und die Verringerung von Rückkühlverlusten durch Trägheit in der Gesamtsteuerung unter Beibehaltung der solaren Kennlinie.
Insgesamt ergibt sich ein kompaktes Design und eine drucktechnische Beherrschbarkeit.
Wie ausgeführt, kann die Anzahl und der Innen- und/oder Außendurchmesser der Rohre je nach Bedarf, das heißt je nach der geforderten Be- und Entladeleistung optimiert werden. Die zu den jeweiligen Fluidkreisläufen gehörenden Rohre können in regelmäßigen Abständen oder auch unregelmäßig abwechselnd oder auch nicht abwechselnd voneinander angeordnet werden.
Als besonders vorteilhaftes Latentwärmespeichermedium wird Natriumacetat-Trihydrat bzw. eine Natriumacetat-Trihydratlösung verwendet. Dieses Material hat eine hohe Schmelzenthalpie und einen relativ geringen Preis. Die Langzeitstabilität wird durch die erfindungsgemäßen Wärmeträgerplatten verbessert, die den gesamten Raum oder einen Teil des Raumes des Wärmetauschers 20 bzw. des Behältnisses 20 in Teilräume unterteilt, so dass eine Separierung des Wärmeträgermediums erfolgt. Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, wenn das Natriumacetat-Trihydrat bzw. dessen wässrige Lösung mit Carboxymethylcellulose vermischt wird. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung der Viskosität, wodurch ein Absetzen von Anhydrid verhindert oder zumindest eingeschränkt wird.
Besonders vorteilhaft ist es also, wenn eine Kombination des genannten Latentwärmespeichermediums mit einem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher eingesetzt wird, der eine Volumen- und Massensegmentierung durch Wärmetauscherplatten zum Gegenstand hat.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, ein Latentwärmespeichermedium zu verwenden, das Natriumacetat-Trihydrat bzw. dessen Lösung enthält. Um das eingangs beschriebene Problem der Entmischung zu vermeiden bzw. zu verringern ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein die Viskosität der Natriumacetat-Trihydrat heraufsetzendes Medium zugegeben wird. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Carboxymethylcellulose. In Verbindung mit der in den Figuren dargestellten Volumensegmentierung des Behältnisses kann das Problem der Entmischung besonders vorteilhaft gelöst werden, das heißt es kann insgesamt ein langzeitstabiles Latentwärmespeichermedium, vorzugsweise bestehend aus einer Natriumacetat-Trihydrat-Lösung und Carboxymethylcellulose bereitstellt werden.
Carboxymethylcellulose lässt sich gut in Natriumacetat-Trihydrat lösen. Die Viskosität der Lösung erhöht sich durch den Zusatz von Carboxymethylcellulose ggf. sehr stark, was den Vorteil mit sich bringt, dass es nicht oder nur in untergeordnetem Ausmaß zum Absetzen von Anhydrid kommt.
Langzeitversuche haben ergeben, dass vorzugsweise ein Latentwärmespeichermaterial eingesetzt wird, das aus einem semikongruent schmelzenden Salzhydrat, z. B. Natriumacetat-Trihydrat mit einer Phasenübergangstemperatur im Bereich von 0 bis 100°C verwendet wird, welchem Carboxymethylcellulose beispielsweise in einem Anteil von 0,3 bis 10 Vol.-% oder Gew.-% zugesetzt wird.
Vorzugsweise ist eine Mischung einsetzbar, in der 1,5 % bis 3% (Vol- oder Gew.-%) Carboxymethylcellulose mit Natriumacetat-Trihydrat eingesetzt werden. Vorzugsweise wird dieses Latentwärmespeichermedium in Verbindung mit einem Hybridröhrenplattenwärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt, so dass insgesamt ein Gesamtsystem bereitgestellt wird, das hinsichtlich der thermischen Anforderung und der Spontankristallisationsneigung langzeitstabil ist.
Das genannte Latentwärmespeichermedium gemäß der vorliegenden Erfindung befindet sich in Teilräumen, die durch die Wärmetauscherplatten 24 voneinander getrennt sind. Wie dies aus 1 hervorgeht, führen die Wärmetauscherplatten 24 zu einer Volumensegmentierung des Behälterinnenraums und damit auch zu einer Massensegmentierung des Latentwärmespeichermediums, das in dem Raum angeordnet ist, der die Rohre 21 umgibt.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Wärmetauscheranordnung gemäß 1 sich über die gesamte Querschnittsfläche eines Behältnisses gemäß der vorliegenden Erfindung erstreckt. Von der Erfindung ist jedoch auch der Fall umfasst, dass die Wärmetauscheranordnung nur oder vor allem in einem zentralen Bereich, nur oder vor allem in einem Randbereich oder anderweitig ungleichmäßig verteilt ist. Die Wärmetauscherplatten 24 sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie eine vollständige Abtrennung einzelner Kompartimente des Behälters bewirken, so dass ein Abstand zwischen wenigstens Teilabschnitten der Wärmetauscherplatten 24 und der Innenseite der Behälterwandung besteht. Damit wird der Vorteil erreicht, dass beim Einsetzen der Kristallisation das gesamte in dem Behälter befindliche Kristallisationsmedium bzw. Latentwärmespeichermedium auskristallisiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009012318 A1 [0057, 0060, 0060]

Claims

Latentwärmespeichermedium, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermedium wenigstens ein Mittel aufweist, durch das die Entmischung des Latentwärmespeichermediums verhindert oder verringert wird und/oder durch das die Stabilität des Latentwärmespeichermediums erhöht wird, wobei es sich bei dem Mittel um eine die Viskosität des Latentwärmespeichermediums erhöhende Substanz handelt.
Latentwärmespeichermedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Substanz um Carboxymethylcellulose oder ein Derivat von Carboxymethylcellulose handelt oder dass die Substanz Carboxymethylcellulose oder ein Derivat von Carboxymethylcellulose umfasst.
Latentwärmespeichermedium, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermedium kristallisationsfähig ist und/oder dass die Phasenübergangstemperatur des Latentwärmespeichermediums in einem Bereich von 0 bis 100°C liegt.
Latentwärmespeichermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermedium ein Salzhydrat, vorzugsweise ein semikongruent schmelzendes Salzhydrat aufweist.
Latentwärmespeichermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermedium Natriumacetat-Trihydrat oder dessen Lösung, vorzugsweise dessen Lösung in Wasser aufweist.
Latentwärmespeichermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der die Viskosität erhöhenden Substanz, insbesondere der Carboxymethylcellulose oder deren Derivat, im Latentwärmespeichermedium im Bereich von 0,1% bis 15%, vorzugsweise in einem Bereich von 0,3% bis 10% und besonders bevorzugt im Bereich von 1,5% bis 3% liegt.
Behältnis mit wenigstens einem Raum, der zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums dient oder mit einem solchen Medium zumindest teilweise gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Latentwärmespeichermedium um ein Latentwärmespeichermedium gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 handelt.
Behältnis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Raum Trennmittel vorhanden sind, die den Raum in Teilräume unterteilen, wobei das Latentwärmespeichermedium zumindest teilweise in den Teilräumen vorliegt.
Behältnis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittel als Platten, vorzugsweise als ebene oder gekrümmte Platten ausgeführt sind, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass wenigstens ein Rand der Platte relativ zu Plattenebene gebogen oder abgewinkelt ausgeführt sein kann.
Behältnis nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittel derart ausgeführt sind, dass zumindest abschnittsweise ein Spalt zwischen dem oder den Trennmitteln und der Wandung des Behältnisses verbleibt.
Behältnis nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittel stapelförmig angeordnet sind und/oder dass wenigstens zwei der Trennmittel einen Abstand voneinander im Bereich zwischen 1 mm und 30 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 2 mm und 20 mm und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 5 mm und 10 mm aufweisen.
Behältnis nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis als Wärmetauscher ausgeführt ist, wobei das Latentwärmespeichermedium in dem Wärmetauscher derart vorliegt, dass dem Latentwärmespeichermedium Wärme zuführbar ist und/oder aus dem Latentwärmespeichermedium Wärme abführbar ist
Behältnis nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behältnis zum Zwecke des Wärmeaustausches eine oder mehrere Rohre verlaufen.
Behältnis nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eines, mehrere oder alle der Rohre durch Ausnehmungen wenigstens eines, vorzugsweise mehrerer oder aller der Trennmittel verlaufen oder mit einem, mehreren oder allen Trennmitteln in Verbindung stehen.
Behältnis nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis mit wenigstens einer Energiequelle, insbesondere mit einer Solaranlage oder mit einem Brenner, und/oder mit wenigstens einem Verbraucher, insbesondere mit einer Heizung oder einem Warmwassersystem in Verbindung stehen oder verbindbar sind.
Wärmespeichersystem mit wenigstens einem Behältnis nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichersystem wenigstens eine Wärmequelle, insbesondere wenigstens eine Solaranlage oder einen Brenner und/oder wenigstens einen Verbraucher, insbesondere wenigstens eine Heizung oder ein Warmwassersystem, umfaßt, die mit dem in dem Behältnis befindlichen Medium derart unmittelbar oder mittelbar in Verbindung steht, dass Wärme von der Wärmequelle an das Latentwärmespeichermedium und/oder von dem Latentwärmespeichermedium an den Verbraucher übertragbar ist.
Gebäude oder mobile Einheit, wie Wohnwagen, Kfz oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebäude oder die mobile Einheit wenigstens ein Behältnis nach einem der Ansprüche 7 bis 15 oder wenigstens ein Wärmespeichersystem nach Anspruch 16 aufweist.