DE2517921A1 - Latentwaermespeicher - Google Patents

Latentwaermespeicher

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DE2517921A1 DE19752517921 DE2517921A DE2517921A1 DE 2517921 A1 DE2517921 A1 DE 2517921A1 DE 19752517921 DE19752517921 DE 19752517921 DE 2517921 A DE2517921 A DE 2517921A DE 2517921 A1 DE2517921 A1 DE 2517921A1
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Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, 2000 Hamburg 1, Steindamm 94
Latentwärmespeicher
Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher, der reversibel durch Schmelzen eines Speichermediums Wärme aufnehmen kann. Die so gespeicherte Wärme kann dann sowohl zu Kühl- als auch zu Heizzwecken bereitgestellt werden.
Ein bekannter Vorzug der Latentwärmespeicher gegenüber Speichern, lie durch Temperaturerhöhung fühlbare Wärme aufnehmen (wie z.B.
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PHD 75-061
Wasser-, Stein- oder Erdspeicher), besteht darin, daß die Wärme bei konstanter, dem Verwendungszweck optimal angepaßter Temperatur aufgenommen bzw. abgegeben wird. Außerdem besitzen Latentwärmespeicher im allgemeinen eine höhere Speicherkapazität pro Volumen- und Gewichtseinheit, was vor allem für das System Wasser/Eis und einige Salzhydrate zutrifft (M. Telkes, ASHRAE Journal 16, (Sept. 1974) 38-44).
Ein bekannter Nachteil bisher beschriebener Latentwärmespeicher, in denen Salzyhdrate als Speichermedium dienen, ist darin begründet, daß die Hydrate eine geringe Neigung zur Keimbildung und eine kleine Kristallisationsgeschwindigkeit aufweisen, wodurch Unterkühlung auftritt, d.h. beim Abkühlen unter den Schmelzpunkt erfolgt keine Verfestigung des Speichermediums und damit auch keine Abgabe der Schmelzenthalpie. Die Konsequenz ist die, daß ein solches Latentspeichermedium selbst bei viel niedrigerer Temperatur als dem Schmelzpunkt nicht oder nur so langsam kristallisiert, daß die Schmelzwärme nicht genutzt v/erden kann.
Es ist ferner bekannt, daß zur Lösung dieses Problems Zusätze von keimbildenden Substanzen (Impfkristalle) dienen können, die sich in der Speichermasse nicht lösen, die aber durch ihre Struktur und Oberflächenbeschaffenheit die Keimbildungszahl stark erhöhen (Epitaxie). Wegen der geringen Kristallisationsgeschwindigkeit müssen diese Keime allerdings in der Speichermasse fein dispers verteilt sein, was man dadurch erreicht, daß die gesamte
Masse durch einen Zusatz von organischen (z.B. Gelatine) oder anorganischen (z.B. Wasserglas) kolloidal verteilten Gerüstsubstanzen zu einem Gel verfestigt wird (DT-OS 1 928 69-4) oder von einer porösen Gerüstsubstanz aufgesaugt wird (DT-OS 1 937 804).
Ein entscheidender Nachteil ist der, daß solche Gele relativ schnell altern und die Gerüststrukturen besonders bei wiederholtem Temperaturwechsel zerfallen. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit solcher Gele sehr niedrig und zur Auf- und Entladung ist ein relativ großer, die gesamte Speichermasse durchdringender Wärmeaustauscher erforderlich. Bei größeren Speichern, z.B. mit Wärmepumpenbetrieb, ist hierzu ein zusätzliches Wärmetransportsystem nötig mit zweimaligem Wärmeaustausch und entsprechender Reduzierung des Wirkungsgrades.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Latentwärmespeicher zu schaffen, der es gestattet, auf einfache Weise und mit kleinen Aus taus eher flächen Wärme in das Speichermedium einzubringen und aus dem Speichermedium zu entnehmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Latentwärmespeicher der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein allseitig geschlossener Behälter als Speichermedium einen Stoff enthält, der zur Unterkühlung neig^ und daß in dem Behälter ein Wärmeaustauscher und eine zum Umwälzen des Speichermediums im flüssigen Zustand geeignete Pumpe angeordnet sind.
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Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, gerade die scheinbar nachteilige Tendenz der Speichermedien zur Unterkühlung auszunützen, um auf einfache Weise den Speicher aufzuladen und zu entladen, ohne daß Gerüstsubstanzen oder eine Dispersion von Impfkeimen erforderlich wäre.
Als Speichermedium kommen alle diejenigen Stoffe infrage, die reversibel durch Schmelzen Wärme aufnehmen können und zur Unterkühlung neigen.
Insbesondere eignen sich Salzhydrate, vorzugsweise das System Kaliumfluorid-Wasser mit Kaliumfluoridgehalten zwischen 44 und 48 Gew.%. Ein anderes Beispiel für ein geeignetes Salzhydrat ist Na2SO4 -10H2O.
Latente Wärme wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Speichers nach einer Weiterbildung der Erfindung reversibel gespeichert, indem zum Beladen das unterkühlbare Speichermedium an dem Wärmeaustauscher vorbeigeführt wird, dessen Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Speichermediums liegt. Zum Entladen liegt die Temperatur des Wärmeaustauschers unterhalb dieses Schmelzpunkts und wird so gehalten, daß keine oder nur eine sehr langsame Kristallisation stattfindet. Anschließend wird das unterkühlte und übersättigte Speichermedium derart über Kristallkeime oder schon vorhandenes festes Speichermedium geführt, daß sich der Übersättigungsanteil abscheidet. Beim Entladen gehen an dieser Stelle Kristalle in Lösung. Schließlich wird das resultierende flüssige Speichermedium wieder zum Wärmeaustauscher zurückgeführt.
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Ein Ausfuhrungs- und ein Anwendungsbeispiei der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher und Fig. 2 und 3 das Prinzip des Auflade- und Entladevorganges in einem Speichersystem mit Wärmepumpe zur Beheizung und Kühlung eines Wohnhauses, und zwar nach Fig. 2 im Sommer und nach Fig. 3 im Winter.
In Fig. 1 ist zugleich das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens skizziert. In einem Behälter 1 wird eine flüssige, d.h. aufgeladene Hydratschmelze 2 mittels einer Pumpe 3 in schneller Strömung über einen relativ kleinen Wärmeaustauscher (z.B. direkt über den Verdampfer einer Wärmepumpe, siehe hierzu auch Fig. 2 und 3) gepumpt, was durch Pfeile angedeutet ist. Die Schmelze 2 wird dabei auf eine Temperatur abgekühlt, die nur wenig, z.B. etwa 50C, unter dem Schmelzpunkt liegt und bei der die Keimbildung und Kristallisationsgeschwindigkeit noch so klein sind, daß keine feste Phase am Austauscher 4 abgeschieden wird. Am Boden des Speicherbehälters 1 oder auch an dessen Seitenwänden sind aber Kristalle 5 der Speichermasse in großer Menge und Oberfläche vorhanden, so daß hier die Unterkühlung und die Übersättigung der vorüberfließenden Schmelze unter Freigabe der Schmelzenthalpie aufgehoben werden. Bei völlig aufgeladenem,d.h. total aufgeschmolzenem Speichermedium kann die erste Kristallisation durch wenige Impfkeime auf dem Gefäßboden eingeleitet werden.
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Der Speicherbehälter 1 kann auch noch mit einer Vorrichtung zum Druck- und Niveauausgleich 6 versehen sein. Ferner kann der Behälter 1 noch Leitflächen 7 oder Leitrohre zur Strömungsführung enthalten.
Der Speicher darf allerdings nur so weit entladen werden, daß noch genug flüssige Phase zum Wärmeaustausch vorhanden ist, wozu aber Je nach Größe und Konstruktion nur ein sehr kleiner Anteil erforderlich ist (etwa 1 % oder weniger).
Sollten bei längerem Betrieb trotzdem Kristalle am Wärmeaustauscher aufwachsen, so kann dies auf sehr einfache Weise vermieden werden, indem der Austauscher 4 (z.B. eine Aluminiumplatte) mit einer dünnen, dichten Kunststoffolie überzogen wird, die von Zeit zu Zeit mit einer kleinen Pumpe oder einem kleinen Balg ein wenig aufgeblasen wird, wodurch die Kristalle abgelöst werden. Der gleiche Effekt kann auch sehr einfach dadurch erreicht werden, daß man in regelmäßigen Zeitabständen die Wärmepumpe kurzzeitig umgekehrt arbeiten läßt, wodurch die Kristalle abschmelzen. Das Abschmelzen der Kristalle kann auch durch elektrische Heizung oder durch intermittierende Umkehrung der Wärmepumpe bewerkstelligt werden.
In den Fig. 2 und 3 sind der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher mit 1, das zu versorgende Haus mit 8 und der Wärmeaustauscher Wärmepumpe/Luft mit 9 schematisch angedeutet. Die Pfeile haben folgende Bedeutung:
- 7 -6098 4-5/044 8
Dicke Pfeile = Luft
Dünne Pfeile = Medium der Wärmepumpe, z.B. Fluorchlorkohlenwasserstoffe
(Die Pfeile innerhalb des Behälters 1 haben dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1)
Die Bedeutung der verschiedenen Schraffuren und Strichelungen der Pfeile (heiß, warm, kühl, kalt) ergibt sich aus den nachfolgenden Erläuterungen.
Nach Fig. 2 (Sommerbetrieb) wird heiße oder warme Außenluft 10 und/oder warme Innenluft 11 von einem Ventilator 12 angesaugt. Das Verhältnis der Luftströme wird durch eine Klappe 13 geregelt. Die Luft gibt ihre Wärme im Austauscher 9 ab und strömt als kühle Luft 14 ins Haus und/oder als kalte oder kühle Luft 15 ins Freie. Das Verhältnis dieser Luftströme wird durch eine Klappe 16 geregelt.
Das kalte Medium der Wärmepumpe durchströmt den Wärmeaustauscher 9 bei niedrigem Druck, da es durch eine Drossel 17 entspannt wird(Pfeil 18). Es wird durch die Luft 10 und/oder 11 erwärmt und strömt (Pfeil 19) zu einem Kompressor 20. Durch Kompression erhitzt sich das Medium (Pfeil 21). Im Behälter 1 gibt das komprimierte heiße Medium seine Wärme teilweise ab und strömt unter Umgehung der Drossel 22 zur Drossel 17 (Pfeile 23 und 24), wo es erneut entspannt wird.
Nach Fig. 3 (Winterbetrieb) wird kalte Außenluft 25 und/oder lau-
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warme InrmLuft 26 mittels Ventilator 12 und Klappe 13 in den Austauscher 9 und von dort als erwärmte Luft 27 ins Hausinnere geleitet; die Klappe 16 ist geschlossen. Die Erwärmung der Luft erfolgt durch das heiße komprimierte Medium der Wärmepumpe (Pfeil 28), das sich dabei abkühlt (Pfeil 29). Durch die Drossel 22 wird das Medium entspannt, wodurch es noch kälter wird. Im Behälter 1 nimmt das entspannte Medium Wärme auf (Pfeil 30), wird vom Kompressor 20 komprimiert, wodurch es sich erhitzt, und strömt wieder in den Wärmeaustauscher 9 (Pfeil 28).
Der Carnot-Wirkungsgrad η und der Gesamt-Wirkungsgrad CO.P. einer Vorrichtung nach den Fig. 2 und 3 ergeben sich aus folgender Berechnung:
Heizen: Th = 500C = 323 K
T1 = 180C = 291 K .
wobei T, = hohe Temperatur (Luft)
T1 = niedrige Temperatur (Speichermedium)
η _ Q - h - _ 323 = 10 Λ
η - TK Th~Tl 323-291 ==±= wobei Q = Wärmemenge
A = elektrische Arbeit
CO.P. s 0,3 · 10,1 + 1-»4
Mit dem Faktor 0,3 wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung einschließlich Wärmeaustauscher berücksichtigt; die durch den Summanden 1 ausgedrückte elektrische Leistung des Kompressors kommt dem System zugute.
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Kühlen: Th = 18°C = 291 K T1 = 50C = 278 K
_ ■ \ _ 291 op a
~ Tv-T1 291-278 ==±3
C.O.P. = 0,3 · 22,4 ΖΛ
Der Wärmeaustauscher 9 kann auch z.B. an ein Warmwasserheizungssystem angeschlossen werden.
Sonnenenergie kann direkt durch Umpumpen des Speichermediums durch die Kollektoren in den Speicher transportiert werden. Auch Wärme aus dem Abwasser des Haushaltes kann direkt über einen einfachen Austauscher auf Speicher genommen werden, da die Speichertemperatur bei Verwendung von KF · 4HpO mit etwa 180C relativ niedrig liegt.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers und des damit ermöglichten Verfahrens zur Wärmespeicherung lassen sich zusammengefaßt wie folgt darstellen;.
1. Keine Gerüstsubstanzen und Keimdispersionen sind erforderlich, trotzdem keine Unterkühlung im Speicher und nur eine relativ kleine Unterkühlung am Wärmeaustauscher mit gutem Austauscherwirkungsgrad .
2. Hohe spezifische Austauscherkapazität, da direkter Kontakt mit flüssigem Speichermedium. Es sind also nur relativ kleine und einfache Wärmeaustauscher erforderlich.
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- 10 -
3. Sehr einfache Konstruktion und Funktion des Speichers.
Bei der Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Verwendung des KF/HpO-Speichermediums ergeben sich folgende weitere Vorteile:
1. Hoher Wirkungsgrad bei Benutzung von Wärmepumpen (siehe die vorstehende, auf das Heiz- und Kühlsystem gemäß Fig. 2 und 3 bezogene Berechnung des Wirkungsgrades), da die Temperaturdifferenz zu einer mittleren Speichertemperatur sowohl für Kühlung wie Heizung relativ klein ist.
2. Wirkungsgrad bei Benutzung von Sonnenkollektoren sehr hoch, da Speicher- und damit Rücklauftemperatur konstant und relativ niedrig. Einfache Kollektoren mit schwarzer Absorberfläche sind ausreichend.
3. Das Pumpen der Salzschmelze zum Wärmetransport über größere Höhenunterschiede (z.B. Dachkollektor-Kellerspeicher) erfordert wenig· Energie, da wegen der relativ niedrigen Temperatur, wie auch wegen der Dampfdruckerniedrigung durch das Hydrat, der Wasserdampfdruck bei 100°C nur 125 Torr beträgt. (Wasser 760 Torr), so daß eine kommunizierende Steig-Falleitung selbst bei 1000C noch über 8 m Höhe möglich ist. Außer-
. dem besitzt das Kaliumfluoridhydrat eine relativ geringe Viskosität (nur wenig höher als Wasser).
Patentansprüche:
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Claims (11)

Patentansprüche:
1. Latentwärmespeicher, der reversibel durch Schmelzen eines Speichermediums Wärme aufnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß ein allseitig geschlossener Behälter (1) als Speichermedium (2,5) einen Stoff enthält, der zur Unterkühlung neigt, und daß in dem Behälter ein Wärmeaustauscher (4) und eine zum Umwälzen des Speichermediums im flüssigen Zustand geeignete Pumpe (3) angeordnet sind.
2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (2,5) ein Salzhydrat ist.
3. Latentwärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (2,5) aus einer wäßrigen Lösung von 44 bis 48 Gew.% KF besteht.
4. Latentwärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (2,5) aus NapSO^ · 1OHpO besteht .
5. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch- gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (4) mit einer aufblasbaren Folie bekleidet ist.
6. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Behälter (1) Leitflächen (7) oder Leitrohre zur Strömungsführung angeordnet sind.
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7. Latentvrärme speicher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (4) Teil einer Wärmepumpe ist.
8. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (2) statt über einen Wärmeaustauscher direkt durch Sonnenkollektoren geführt wird.
9. Verfahren zum reversiblen Speichern von latenter Wärme mittels des Speichers nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beladen das unterkühlbare Speichermedium an dem Wärmeaustauscher vorbeigeführt wird, dessen Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Speichermediums liegt und daß zum Entladen die Temperatur des Wärmeaustauschers unterhalb dieses Schmelzpunkts liegt und so gehalten wird, daß keine oder nur eine sehr langsame Kristallisation stattfindet, daß das unterkühlte und übersättigte Speichermedium anschließend derart über Kristallkeime oder schon vorhandenes festes Speichermedium geführt wird, daß sich der Übersättigungsanteil abscheidet, und daß das resultierende flüssige Speichermedium wieder zum Wärmeaustauscher zurückgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Kristallabscheidung am Wärmeaustauscher die Austauscheroberfläche kurzzeitig über den Schmelzpunkt des Speichermediums erwärmt wird.
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11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzzeitige Erwärmung der Wärmeaustauscheroberfläche durch intermittierende Umkehrung der Wärmepumpe erfolgt.
ß Q 9 8 4 5 / 0 4 A B
eerseite
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