DE2732320A1

DE2732320A1 - Verfahren und vorrichtung fuer den waermeaustausch zur thermischen energiespeicherung

Info

Publication number: DE2732320A1
Application number: DE19772732320
Authority: DE
Inventors: Carlyle Sheldon Herrick
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-07-19
Filing date: 1977-07-16
Publication date: 1978-01-26
Also published as: US4154292A; GB1569435A; FR2359389A1; JPS5325939A

Description

Dr. rer. not. Horst Schuler *»o Frankfurt/Main ι f^tf 9977

PATENTANWALT _97T,O_?n Kauersfras,· 41 Λ ^K./he.

/ / J /. J Z U Telefon (0611) 235555

<4 Telex: 04-16759 mapat d

Postscheck-Konto ι 282420402 Frankfurt/M.

Bankkonto: 225/0389

Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

'»307-RD-8935

GHIJEMAL ELECTMlG COMPANY

1 River Road Uchenectady, N . Y. /U .1). A .

Verfahren und Vorrichtung für den Wärmeaustausch zur thermischen Energiespeicherung

Die Erfindung betrifft die Speicherung von thermischer Energie in Materialien mit Phasenübergang Flüssig-Fest und verbesserte Vorrichtungen und Verfahren für diese Speicherung.

Die Notwendigkeit für eine Energiespeicherung ergibt sich aus der Tatsache, dass die Nachfrage nach Energie und Erzeugung von Energie beide zeitlichen Schwankungen unterliegen und allgemein die Nachfrage und die Erzeugung oder Zufuhr nicht synchron sind. In dem vergangenen Jahrhundert ist man diesem Mangel der Synchronisation dadurch begegnet, dass man sich auf fossile Brennstoffe gestützt hat. Diese Brennstoffe werden jedoch ständig seltener und kostspieliger und daher werden intensive Bemühungen auf die Entwicklung von anderen primären Energiequellen gerichtet, beispielsweise auf die Sonnenenergie. Die wirksame Ausnutzung der Sonnenergie erfordert die Entwicklung neuer Mechanismen und Verfahren zur Energiespeicherung, da die Sonnenenergie ihrer Natur nach nur in zeitlichen Abständen zur Verfügung steht.

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Informationen über die thermische Energiespeicherung gemäss dem derzeitigen Verständnis und einige historische Aspekte einiger dieser Entwicklungen sind enthalten in dem Bericht: "The Status of Thermal Energy Storage" von F.P. Bundy, CS. Herrick und P.G. Kosky (General Electric Technical Information Series Report 76 CRDO41, April 1976). Die dort gegebene Obersicht der thermischen Energiespeicherung (TES) enthält auch eine Erörterung der Hauptparameter für Wärmespeicherung mit Flüssigkeitssensibilität (liquid sensible heat storage), Wärmespeicherung mit Festkörpersensibilität und latente Wärmespeicherung mit Phasenänderung (Flüssig nach Fest). Die dort enthaltene Tabelle II (S. 78 ff.) enthält eine Aufstellung einer grossen Anzahl von Materialien mit Schmelzwärme, unter denen zur praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung eine Auswahl getroffen werden kann. Auf diese Veröffentlichung wird daher ausdrücklich Bezug genommen.

Eine Untersuchung der binären anorganischen Salzhydrate und Hinweise für die Auswahl derselben für die thermische Energiespeicherung (TES) wird gegeben in der Veröffentlichung "Thermochemistry of Salt Hydrates" von G. Beiton und F. Ajami (NTIS PB-227966, Mai 1973)). Auf diese Untersuchung wird ebenfalls ausdrücklich Bezug genommen.

Das Problem der Makro-Segregation, welches bei dem inkongruenten Schmelzen von Salzhydraten auftritt, wird auf Seite 56 des Berichtes von Beiton angeführt. Von J.W. Hodgins und T.W. Hoffman wurde ein Versuch zur Überwindung dieses Problems unternommen und in der Arbeit "The Storage and Transfer of Low Potential Heat" in Canadian Journal of Technology, J53, 293 (1955) beschrieben. Dieser Artikel befasst sich unmittelbar mit der

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Verwendung von Glaubersalz (Na-SO. ' 1o H-O), welches in dem Bereich zwischen etwa 27 C und etwa 38 C (8o bis 1oo° F) nahezu fünfmal soviel Wärme wie ein gleiches Volumen Wasser speichert. Beim Versuch zur Oberwindung des Problems, welches beim inkongruenten Schmelzen von Glaubersalz auftritt, haben die Verfasser Versuche durchgeführt, bei denen die Wärmeübergangsfläche relativ zur Kristallmasse bewegt wurde "um den sich bildenden Kristallmantel anzustreifen" (Seite 296). Es wurde dabei eine rotierende Rohrwendel in der Kristallmasse angeordnet (Glaubersalz mit Zufügung eines geringen Anteils von Borax als Kernbildungsmittel), wobei zur Abführung der Wärme in der rotierenden Rohrschlange Wasser enthalten war. Das Glaubersalz wurde zunächst durch Durchleiten von heissem Wasser durch die Rohrschlange geschmolzen und anschliessend wurde die Wärme dadurch abgezogen, dass kaltes Wasser durch die rotierende Rohrschlange geleitet wurde. Die unvermeidliche Schlussfolgerung aus der Lehre von Hodgins besteht darin, dass in einem System, bei dem thermische Energie aus Glaubersalz entnommen oder in Glaubersalz eingebracht werden soll, eine Bewegung der Wärmeübertragungsfläche relativ zur Lösung keinen Vorteil ergibt. Das Problem der Makro-Segregation oder Seigerung trat auch in der Anordnung von Hodgins auf (Seite 298). Es wird dort berichtet, dass am Boden des Behälters für die Salzlösung eine Kristallisation auftrat. Eine Schicht von wasserhaltigen Kristallen bildete eine undurchlässige Trennschicht über einer Schicht des wasserfreien Salzes und verhinderte dadurch, dass das auf diese Weise kristallisierte wasserfreie Salz an der erforderlichen Hydratationsreaktion teilnahm. Diese Isolation der wasserfreien Schicht von der Lösung verhindert die Auflösung des wasserfreien Materials, welche vor

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der Kristallisation von weiterem Na₉SO * 1oH,0 stattfinden muss, und dadurch wird in der Praxis die theoretisch verfügbare Menge der latenten Wärme begrenzt.

In einem Schreiben an den Herausgeber (The Sun at Work, Vol. 2, Seite 2, Juni 1957) nimmt A. Whillier Bezug auf die Arbeit von Hodgins und schlägt vor, das Problem der Schichtbildung dadurch zu überwinden, dass kontinuierlich mechanisch umkehrende Behälter mit Salzen vorgesehen werden, welche nicht übereinstimmende Schmelzpunkte besitzen. Die hierzu vorgeschlagene Anordnung besteht darin "die chemischen Behälter auf einem Rad zu befestigen, welches während des Kühlzyklus langsam rotiert". Wenn daher die Behälter verschlossen und fest angeordnet werden, dann wird jeder Behälter auf dem um laufenden Rad periodisch mit der Oberseite nach unten gedreht und dann wieder in die aufrechte Stellung gedreht.

Auf Seite 4 des Artikels "Solar-Heat Storage" von Maria Telkes (ASME Paper 64 WA-Sol-9) wird Bezug genommen auf die vorgenannte Arbeit von Hodgins und die Zuschrift von Whillier mit der Bemerkung, dass "ein solches Mischen, Rühren oder Bewegen In höchstem Masse unpraktisch ist, besonders in verschlossenen Behältern...". Der Verfasser beschreibt dann anschliessend einen Mechanismus zur Verhinderung des Absetzens des wasserfreien Salzes, nämlich die Beimischung von Verdickungsmitteln zu dem Salzhydrat mit dem Zweck, es beim Schmelzen in ein Gel umzuwandeln.

Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für die Anwendung zur Oberwindung des seit langem bestehenden Problems bei der Benutzung von Glaubersalz und anderen inkongruent aufschmelzenden Hydratsystemen und ergibt

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auch noch die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur wirtschaftlichen und wirksamen Erzeugung eines Wärmeübergangs in und aus Materialien mit Phasenübergang Flüssig-Fest im allgemeinen.

Erfindungsgemäss wird nachstehend eine Vorrichtung zur Einführung von Wärmeenergie und zur Entnahme von Wärmeenergie aus einem Material mit Phasenübergang Flüssig-Fest beschrieben, wobei das Phasenübergangsmaterial in einem Behälter enthalten ist, welcher langsam um eine allgemein horizontale Achse mit einer praktisch konstanten Drehzahl gedreht wird, um dem gegebenenfalls vorhandenen kristallisierten Material eine Bewegung der Teilchen untereinander zu verleihen. Es sind Einrichtungen vorgesehen zur automatischen Kernbildung (nucleating) in dem Phasenänderungsmaterial, wie dies für einen zyklischen Betrieb erforderlich ist. Die Erfindung ist besonders geeignet bei der Verwendung von inkongruent aufschmelzenden Hydraten für die Speicherung thermischer Energie.

Es folgt nachstehend eine Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung und Verwendung der Erfindung und die Abbildungen bilden einen Teil der Beschreibung zur schematischen Veranschaulichung der besten Art und Weise der Durchführung der Erfindung.

Figur 1 zeigt die relevanten Teile des Phasendiagramms Natriumsulfat-Wasser.

Die Figur 2 zeigt schematisch dreidimensional eine Wärmeaustauschervorrichtung als Ausführungsform der Erfindung.

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Die Figur 3 zeigt eine vergrösserte Ansicht eines Teils der Anordnung nach Figur 2 zur Darstellung der Einzelheiten einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur automatischen Kernbildung.

Die Figur 4 ist ähnlich der Figur 3 und zeigt eine zweite Ausführungs form einer Vorrichtung zur Kernbildung.

Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen fortschreitend den Zustand eines Systems mit Glaubersalz in der Vorrichtung nach Figur 1 von dem geschmolzenen Zustand zu dem Zustand mit 9o% Verfestigung.

Die Figur 8 zeigt die Geschwindigkeit der Wärmeabführung (in BTU/hr/sq.ft. oder 2,713 kcal/m h) (oder den prozentualen Anteil des kristallisierten Materials ) ,welche man bei Verwendung von Glaubersalz in der Wärmeaustauschervorrichtung gemäss der Erfindung erhält.

Die Figur 9 ist eine schematische Darstellung eines Heiz-Kühl-Systems mit Luftkreislauf als Ausführungsform der Erfindung und die Figur 1o zeigt ein Heizplattensystem mit Flüssigkeitskreislauf unter Verwendung der Erfindung. Die Figuren 9 und 1o zeigen jedoch lediglich die funktionsmässigen Zusammenhänge und nicht die räumlichen Verhältnisse.

Die Vorrichtung und das Verfahren gemäss der Erfindung sind in weitem Umfang anwendbar auf die Durchführung des Wärmeübergangs (in das Material und aus dem Material heraus) und der Wärmespeicherungsfunktionen bei Materialien mit Phasenänderung Flüssig-Fest im allgemeinen (beispielsweise die Hydrate anorganischer Salze, einfache or-

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ganische Verbindungen, anorganische wasserfreie Salze, Metalle und Legierungen.

Bei der Durchführung der thermischen Wärmespeicherung (TES) durch Phasenänderung wird ein Material von einer Phase mit geringem Wärmeinhalt in eine Phase mit hohem Wärmeinhalt bei einer konstanten Temperatur überführt mit einer gleichzeitigen Absorption der Umwandlungswärme. Die praktischste Anwendung dieser Erscheinung ist die Verwendung des Oberganges Fest-Flüssig.

Für Glaubersalz (im Phasendiagramm der Figur 1 als Na₂SO. * I0H-O bezeichnet) tritt der Phasenübergang mit der grössten Wärmeausbeute auf, wenn der Vorgang des Erhitzens und des Abkühlens so durchgeführt wird, dass die Linie CD nacheinander nach oben und nach unten bei oder benachbart zu Punkt A überschritten wird. In der Vergangenheit waren Bemühungen zur Durchführung dieser Vorgänge nicht erfolgreich infolge der Eigenschaft des inkongruenten Schmelzens dieses Materials.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung macht zum ersten Mal den zyklischen Langzeitbetrieb mit Erhitzung und Abkühlung möglich, wie er bei diesem schwierigen Phasenänderungsmaterial erwünscht ist. Sie beseitigt dabei nicht nur die nachteilhaften Folgen des inkogruenten Verhaltens während des Schmelzens, sondern gewährleistet auch einen bemerkenswert wirksamen Wärmeaustausch während des gesamten Zyklus mit einer ungewöhnlich hohen Geschwindigkeit, ohne dass dabei kristallisiertes Hydrat auf der Wärmeaustauschoberfläche zur Bildung einer Schicht anhaftet. Diese günstigen Ergebnisse werden beispielsweise mit einer Vorrichtung nach Figur 2 erzielt.

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Das Material 11 mit Phasenübergang Flüssig-Fest ist enthalten in dem verschlossenen, flüssigkeitsdichten Behälter 12, der so gelagert ist, dass seine Mittelachse allgemein horizontal verläuft, und sich auf einer drehbaren Einrichtung befindet, mit der eine Antriebskraft zur Drehung des Behälters 12 um seine Mittelachse zugeführt werden kann. Gemäss der Abbildung ist der Behälter 12 auf angetriebenen Rollen 13 und 14 gelagert, welche durch eine Welle 16 miteinander verbunden sind, und weiterhin auf einem Satz von Leerlaufrollen 17, 18 , die in ähnlicher Weise durch eine Welle verbunden sind. Die Einrichtungen zur Befestigung oder Halterung des Rollensystems sind nicht abgebildet. Die Antriebsleistung für die Rollen 13, 14 wird von einem Motor 19 entweder direkt oder durch eine Drehzahluntersetzung (nicht gezeigt) geliefert. Vorzugsweise wird der gesamte Aussenmantel (Zylinder 21 und Endböden 22 und 23) aus einem solchen Material hergestellt, das alle diese Oberflächen als wirk same Wärmeaustauschflächen dienen können, beispielsweise aus Metall, Glas, Keramik usw. Gewünschtenfalls kann die innere Oberfläche des Mantels mit einem anderen Material bedeckt werden, um eine Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten, welche für das bestimmte verwendete Phasenübergangsmaterial erwünscht ist.

Der Wärmeaustausch wird dadurch bewirkt, dass ein fliessfähiges Mittel (Fluid) in Kontakt mit den Aussenflächen des Behälters 12 gebracht wird, wie dies nachstehend allgemein beschrieben ist. Eines der Probleme bei einem thermischen Zyklus in Materialien mit Phasenübergang Flüssig-Fest aus dem geschmelzenen Zustand in den festen Zustand ist die Unterkühlung. Flüssigkeiten müssen in ihrem chemisch reinen Zustand weit unter die Flüssig-Fest-

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Obergangstemperatur unterkühlt werden zur Auslösung der Bildung eines festen Kristallgitters bei Nichtvorhandensein irgendeines Mechanismus zur Förderung der Kernbildung. Die Unterkühlung ist unerwünscht, da sie die zurück gewinnbare Wärmeabgabe verringert und damit eine Verschlechterung des thermodynamisehen Wirkungsgrades herbei führt .

Es ist bekannt geringe Mengen von chemischen Kernbildungs mitteln in Hydrate einzuführen. Solche Kernbildungsmittel sind jedoch über eine längere Zeit häufig nicht zuverlässig, da eine Verschlechterung ihrer Wirksamkeit auftritt bei einem wiederholten Zyklus von Einfrieren und Auftauen oder Oberhitzen.

Eine einfache, billige Lösung zur Schaffung einer über lange Zeit zuverlässigen Kernbildung ist die Verwendung eines hohlen Rohrs 24 (in Figur 2 ist es ohne bestimmte Länge dargestellt). Das Rohr ist ein Behälter, durch den ständig festes (kristallines) Material verfügbar ist, welches die Bildung von Kristallen in dem flüssigen Phasenübergangsmaterial auslösen kann, wenn dieses in Kontakt mit dem festen Material ist. Das Rohr 24 ist an seinem körperfernen Ende verschlossen und der Innenraum dieses Rohrs steht in Strömungsmittelverbindung mit dem Innenraum des Behälters 12. Gewöhnlich besteht das Kernbildungsmaterial aus Kristallen des Phasenübergangsmaterials und diese Kristalle sind in Kontakt mit dem Phßsenübergangsmaterial in dem Behälter, solange sich dieses in dem flüssigen Zustand befindet. Wenn die Temperaturverhältnisse für die Erstarrung oder Verfestigung des Phasenübergangsmaterials im Behälter geeignet sind, dann wird das Kristallwachstum über die

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Länge des Rohrs 24 fortschreiten und sich in den Behälter 12 zur Auslösung der Kernbildung in demselben fortsetzen.

Um das Kernbildungsmaterial in dem körperfernen Ende des Rohrs 24 im festen Zustand und damit stets in Bereitschaft zur Weiterleitung des Kristallgitters durch die Länge des Rohrs und durch das gesamte Volumen des Behälters zu halten, wenn die Temperaturbedingungen unter den Schmelzpunkt abgesunken sind, muss das körperferne Ende des Rohrs 24 in einer geeigneten thermischen Umgebung gehalten werden,

d.h. auf einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Kernbildungsmaterials.

In den Fällen, in denen eine Langzeitzuverlässigkeit nicht wichtig ist und/oder kein Oberhitzen auftritt, können selbstverständlich chemische Kernbildungsmittel verwendet werden (beispielsweise Borax in Glaubersalz).

Die Figuren 3und 4 zeigen eine Struktur, durch welche das körperferne Ende des Kernbildungsrohrs auf geeigneten thermischen Umgebungsbedingungen gehalten werden kann. In der Anordnung nach Figur 3 erstreckt sich das Rohr 24 durch einen Bereich A als Gehäuse für den Behälter und durch die Isolationswand 26 und in den Bereich B, der sich auf einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt der Kristalle 27 befindet, welche in Kontakt mit flüssigem Phasenänderungsmaterial 28 sind. In der Anordnung nach Figur 4 ist das körperferne Ende des Rohrs 24 einer Umgebung mit Abkühlung ausgesetzt, welche durch die Kühloder Gefrierspule 29 erzeugt wird, welche mit einem Dampfverdichter-Kühlsystem verbunden ist (nicht gezeigt). Obwohl dies hier nicht im einzelnen dargestellt ist,

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kann eine Kernbildung auch gesteuert ausgelöst werden durch Befestigung eines piezoelektrischen Kristalls auf dem Behälter. Der Kristall wird dann benutzt zur Erzeugung eines Ultraschallfeldes an einem Teil der Flüssigkeit, wobei dann noch nicht gezeigte Einstellorgane und Steuereinrichtungen vorgesehen sind zur Betätigung des piezoelektrischen Kristalls in Abhängigkeit von der Temperatur.

Die Drehung des Wärmeübergangsbehälters soll mit einer vorgewählten konstanten niedrigen Drehzahl vorgenommen werden. Dabei sind die zu verwendenden maximalen und minimalen Drehzahlen auf die Aufrechterhaltung eines Wärmeübergangs mit hohem Wirkungsgrad auf und durch die innere Oberfläche der Wand des Behälters ausgerichtet. Daher muss die Drehzahl kleiner sein als diejenige Drehzahl, bei der sich während des Phasenübergangs von Flüssig nach Fest auf der inneren Oberfläche dieser Wand bildende Kristalle nicht unter dem Einfluss der Schwerkraft von dieser Fläche abfallen, während diese Kristalle mit der Drehung des Behälters aufwärts bewegt werden. Die Mindestdrehzahl steht in Beziehung mit dem bestimmten verwendeten Phasenübergangsmaterial. Dabei muss die zur Bewegung irgendeines Punktes auf der Oberfläche des Zylinders über einen halben Umlauf erforderliche Zeit geringer sein, als die Zeit, welche zur gegenseitigen Verbindung der aus dem Phasenübergangsmaterial abgeschieden benachbarten Kristalle erforderlich ist. Im Falle von Glaubersalz wirken die Glaubersalzkristalle als Bindemittel zwischen benachbarten wasserfreien Natriumsulfatkristallen und dieser Zustand ist zu vermeiden. Beispielsweise wurden Versuche mit einem rollenden Zylinder mit einem Innendurchmesser von etwa 15 cm (6 Zoll)

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und einer Füllung des Zylinders mit Glaubersalz mit 95% bei 3 Umdrehungen pro Minute über eine grosse Anzahl von Zyklen mit aufeinderfolgenden Einfrieren und Auftauen erfolgreich durchgeführt, ohne dass sich dabei Anzeichen für eine verschlechterte Umkehrbarkeit des Zyklus ergaben. Bei Systemen mit Verwendung von Glaubersalz liegen die Drehzahlen vorzugsweise im Bereich von 1 bis 1o Umdrehungen pro Minute.

Die maximale und minimale Drehzahl kann gemäss den vorstehenden Richtlinien und Hinweisen durch einfache Versuche ermittelt werden.

Es wurden erfolgreiche Experimente aasgeführt mit Behältern, bei denen die Zylinderwand sowohl aus Metall als auch aus Glas bestand. Um die Verteilungsmuster der Strömung während der Zyklen mit Schmelzen und Auftauen zu beobachten, wurden beide Enden des Behälters aus einem durchsichtigen Material hergestellt. Die Verhältnisse gemäss der Darstellung in den Figuren 5, 6 und 7 sind repräsentativ für die Verhältnisse, wie sie bei der Einleitung und der Durchführung des Gefrierzyklus oder Erstarrungszyklus in Glaubersalz beobachtet wurden. Geringfügige sekundäre Flüssigkeitsströmungsverteilungen an den Zylinderwänden wurden nicht abgebildet, da sie nicht als notwendig für die Darstellung der Erfindung erachtet wurden.

Die Figur 5 zeigt die inneren Bewegungen der Flüssigkeit (Bereich X) und des sich allmählich ausbildenden festen Materials (Bereich Y), wobei sich in den Zwischenräumen Flüssigkeit befindet. Es wird dabei ein ausgezeichneter Wärmeübergang durch die Zylinderwand in das Glaubersalz

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erzielt ohne Verringerung des Wärmeübergangeskoeffizienten bis zum Erreichen einer Kristallisation von etwa 9o$. Danach tritt mit fortschreitender Kristallisation eine merkliche Verringerung des Wärmeübergangskoeffizienten auf. Dies wird angedeutet durch die Änderung der Steigung in Figur 8.

Die Figur 6 zeigt die beobachteten inneren Bewegungen bei Kristallisation von etwa der Hälfte des Glaubersalzes. Der Bereich der Flüssigkeit (Bereich X..) war dabei beträchtlich verkleinert und der von festen Kristallen mit Flüssigkeit in den Zwischenräumen eingenommene Bereich (Bereich Y..) hatte sich beträchtlich vergrössert. Während des gesamten Erstarrungszyklus oder Gefrierzyklus fallen die an der Innenseite der Zylinderwand gebildeten Kristalle unweigerlich an irgendeinem Punkt während des ansteigenden Teils der Drehung von der Wand ab. Dies wird angezeigt durch das Strömungsmuster (Pfeile) im Bereich Y...

Aus der Figur 7 ist ersichtlich, dass selbst nach Erstarrung von etwa 9o% des Glaubersalzes noch eine beträchtliche innere Relativbewegung besteht. Wie bereits vorstehend bemerkt, bleiben dabei die Wärmeübertragungskoeffizienten und Massenübertragungskoeffizienten auf einem sehr hohen Wert mit Ausnahme von Systemen mit kleinem Durchmesser. Die Kurve der Figur 8 zeigt die prozentuale Kristallisation des Glaubersalzes in Abhängigkeit von der Zeit. Die Linearität des grössten Teils der Kurve (etwa 9o%) beweist weiterhin die ausgezeichnete Wärmeübertragung auf die Behälterwand von dem thermisch gleichförmigen Inhalt des Behälters und das Fehlen einer Ansammlung eines Schicht festen Materials auf der

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Behälterwand.

Die errechnete Arbeitsleistung für die Drehung eines arbeitsfähigen Systems zeigt das weniger als etwa o,5 Pferdestärken aufgewendet werden müssen, um die erforderliche Drehung für einen Behälter zur Speicherung von etwa 252.ooo kcal (etwa 1.ooo.ooo BTU) durchzuführen ( das bedeutet etwa 3.600 1 Behälterinhalt)

In den Systemen nach Figur 9 und 1o wird die Art und Weise der Einfügung der Wärmeaustauschvorrichtung für die Anwendung zur Beheizung von Wohngebäuden gezeigt. Das Gehäuse 4o enthält Solar-Sammelvorrichtungen (das heisst Solarplatten 41, 42, 43, 44) für das Sammeln von Wärmeenergie und kann zum Beispiel auf dem Dach des Wohnhauses angebracht werden. Die Vorrichtung zur thermischen Energiespeicherung (das heisst die rotierende Wärmeaustauschervorrichtung gemäss der Erfindung) befindet sich in einem Schacht 47, der beispielsweise in dem Keller des Gehäuses angeordnet ist. Durch den Ventilator 48 wird Luft bewegt und kann gesteuert in Kontakt mit den Wärmeaustauschflächen der Vorrichtung 46 über Kanäle 49,41 gebracht werden, wodurch der Schacht 47 in Strömungsmittelverbindung mit den Solarsammlern 41 bis 44 in einem geschlossenen Kreislauf gebracht ist. Eine Beipassleitung 52 ist so angeordnet, dass sie selektiv durch Sperrventile 53, 54 in Strömungsmittelverbindung mit dem Schacht 47 gebracht werden kann. Diese Ventile bringen die Leitung 51 selektiv in Strömungsmittelverbindung mit dem Schacht 4 7 und bewirken gleichzeitig eine Absperrung der Strömungsmittelverbindung zwischen den Leitungen 49 und 51 und dem Schacht Die Wärmepumpe 56 besitzt eine Rohrschlange in dem Schacht 4 7 zum Wärmeaustausch zwischen dem Schacht 4 7

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und dem Wohngebäude 57.

Ein solches Luftkreislaufsystem kann sowohl zum Heizen als auch zur Kühlung des Wohngebäudes 57 benutzt werden. Im Heizbetrieb wird an sonnigen Tagen durch den Ventilator 58 Luft im Kreislauf über die Oberfläche des Behälters 46, an den Expansionsrohrschlangen 58 der Wärmepumpe vorbei, in die Leitung 49 (wobei die Ventile 53 und 54 so angeordnet sind, dass sie den Beipass absperren), durch die Solarsammler (wo die zirkulierende Luft Wärme aufnimmt) über die Leitung 51 und zurück in den Schacht 47 geführt. Diese Anordnung ist während des Teils des Tages vorhanden, in dem thermische Energie gesammelt und im Behälter 46 dadurch gespeichert werden kann, dass das Material mit Phasenänderung vom festen Zustand in den flüssigen Zustand überführt wird. Gleichzeitig erhalten die Rohrschlangen 58 der Wärmepumpe 56 Wärme und wenn die durch die Leitung 59 zirkulierende Hausluft eine Erhitzung benötigt, dann wird die Wärmepumpe automatisch durch den Wohnraumthermostaten eingeschaltet und man erhält eine Wärme an den Kondensatorschlangen 61 zum Aufheizen der durch die Leitung 59 zirkulierenden Hausluft.

Es sei angenommen, dass thermische Energie in dem Behälter 46 gespeichert ist und die Sonnenwärme nicht verfügbar ist (das heisst nachts und an bewölkten Tagen) Die Ventile oder Sperrklappen 53, 54 werden dann so eingestellt, dass sie die Strömungsmittelverbindung zwischen dem Schacht 47 und den Leitungen 49 und 51 sperren und dadurch eine Zwischenverbindung zwischen dem Beipass 52 und dem Schacht 57 herstellen. Bei dieser Anordnung für die Luftzirkulation leitet der Ven-

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tilator 48 die Luft über die Oberfläche des Behälters 46, welcher von dem Motor 62 und dem angetriebenen Rollensystem langsam gedreht wird, zur Aufnahme von Wärme durch die Luft von dem Behälter. Die auf diese Weise erhitzte Luft wird über die Rohrschlangen 58 geführt und über den Beipass 52 zum Gebläse 48 zurückgeführt. Auf diese Weise erhält die Wärmepumpe 57 die gespeicherte Wärmeenergie und macht diese Energie verfügbar in dem Wohnhaus über die Kondensatorrohrschlangen 61. Während dieser Betriebsphase ändert sich das Material mit Phasenänderung im Behälter 46 und geht in den festen Zustand über. Die Kernbildung wird automatisch erhalten über das Kernbildungsrohr 63, dessen körperfernes Ende ausserhalb des Schachtes 47 und von demselben über eine isolierende Wand 64 getrennt in einer Umgebung mit thermischen Bedingungen angeordnet ist, welche gewährleistet, dass einige der Kristalle des Phasenänderungsmaterials in dem Kernrohr 63 stets im festen Zustand bleiben und bereitstehen zur Weiterführung des Kristallgitters über die gesamte Länge des Rohres und in den umlaufenden Zylinder 46 hinein, wenn die Temperatur des Zylinderinhaltes unter den Schmelzpunkt für das Phasenänderungsmaterial absinkt.

Beim Kühlbetrieb, bei dem eine Klimatisierung oder Abkühlung der Luft im Wohngebäude 57 erfolgt, wird die Wärme aus der durch die Leitung 59 strömenden Hausluft entfernt und über die Kondensatorrohrschlangen 58 in den richtigen Luftkreislauf zur Abführung eingebracht. Daher wird beim Betrieb am Tag und bei einer Temperatur oberhalb eines festgelegten Wertes der Beipasskreislauf verwendet. Durch die bewegte Luft in dem Kreissystem aus Beipass 52 und Schacht 47 wird die Wärme von der

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Rohrschlange 58 in den rotierenden Zylinder 46 eingebracht und letztendlich wieder aus demselben entnommen, wenn im Freien die richtigen Temperaturverhältnisse vorhanden sind. Die Ventile 53, 54 sind Ventile mit zwei Einstellungen und befinden sich entweder in der Einstellung zum Absperren des Beipasses 52 oder in der Einstellung zum öffnen des Beipasses und zum Absperren der Leitungen 51, 49. Die Bewegung der Ventilklappen kann von Hand vorgenommen werden oder gewünschtenfalls kann diese Ventilverstellung durch ein System mit Motorantrieb (nicht abgebildet) vorgenommen werden, welches auf irgendeinen Wärmemessfühler (nicht abgebildet) anspricht, der beispielsweise in dem Bereich der Solarsammler angeordnet werden kann.

Wenn die Aussentemperaturen auf irgendeinen vorbestimmten Wert abgesunken sind, dann wird der Luftkreislauf über die Solarsammler in Betrieb genommen und die umlaufende Luft überführt Wärme von der Wärmeenergiespeichervorrichtung 46 auf den Bereich der Kollektoren (das heisst nachts), wenn die Luft abgekühlt wird.

Eine ähnliche Anordnung unter Verwendung von umlaufendem Wasser oder einer anderen Flüssigkeit in einem Heizsystem ist in Figur 1o dargestellt. Das durch die Solarsammler zirkulierende Wasser nimmt Wärme auf und wird zurückgeführt zum Tank 72, in welchem sich die teilweise eingetauchte Wärmeenergiespeichervorrichtung 73 und Mittel zur konstanten langsamen Drehung derselben befinden. Der Umlauf der Flüssigkeit wird durch die Pumpe 74 über die Rohre 76, 77, 78 und 79 erreicht. Diese gleiche Pumpe 74 ermöglicht auch noch den Umlauf der erhitzten Wassers 81 durch die Rohrschlange in der Heizkörperplat-

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te 82 (welche beispielsweise in den Fussböden, Wänden oder Decken des Wohnhauses angeordnet ist) über die Zuleitung 83. Ober die Rohrleitung 84 wird gekühltes Wasser zurückgeführt. Der automatische Betrieb erfordert einen Sonnenenergiemessfühler (nicht abgebildet), der so angeordnet ist, dass er das Ventil 86 in der benötigten Weise betätigt, und weiterhin einen Thermostat (nicht abgebildet), welcher das Ventil 87 in der erforderlichen Weise betätigt. Es sollte dabei eine logische Schaltung (nicht gezeigt) verwendet werden, um die Pumpe 74 einzuschalten, wenn eines dieser Ventile geöffnet ist.

Obwohl die Wärmeaustauschervorrichtung gemäss der Erfindung besonders geeignet ist zur Oberwindung der Probleme, welche bei einem inkongruent schmelzenden Hydrat als Material mit Phasenübergang Flüssig-Fest auftreten und gemäss der nachstehenden Beschreibung besonders geeignet ist für das Heizen in dem Bereich von etwa 32° C bis etwa 65° C (9o bis 15o° F) und damit besonders geeignet für das Heizen von Wohngebäuden, ist die Erfindung nicht auf diese Anwendungsfälle beschränkt. Bei Auswahl eines geeigneten Phasenänderungsmaterials Flüssig-Fest, kann der Wärmeenergiespeicher erfolgreich für eine der nachstehend aufgeführten Anwendungsfälle mit den entsprechenden geeigneten Temperaturbereichen verwendet werden:

ca. 4-16° C (4o-6o° F) Klimaanlagen -1 bis 21° C (3o-7o° F) Wärmepumpe (Verdampferseite) 32 bis 66° C (9o-15o° F) Wohnhausbeheizung 43 bis 66° C (11o-15o° F) Wärmepumpe (Kondensorseite)

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66 bis 149° C (15ο - 300°F) kommerzielle Wärmeerzeugung

(beispielsweise Heisswasserheizung, Dampferzeugung)

66 bis 316° C (15o-6oo° F) industrielle Beheizung

(Hochdruckdampferzeugung von

2 beispielsweise etwa 56 kg/cm )

26o bis 538° C (500-I000⁰ F) Erzeugung elektrischer

Leistung (Siedewasserreaktor)

Für Systeme zur Beheizung und Kühlung von Wohnräumen besteht eine bevorzugte Ausführungs form des erfindungsgemässen thermischen Energiespeichers in einem Behälter mit allgemein zylindrischer Form mit nach aussen elliptisch gewölbten Enden und einem Fassungsvermögen von etwa 3.600 Liter, wobei dieses Volumen zu etwa 95t von dem Phasenübergangsmaterial Flüssig-Fest eingenommen wird. Wenn Glaubersalz verwendet wird, dann beträgt die konstante Drehzahl für das Gerät um seine horizontale Achse etwa 3 Umdrehungen pro Minute. Als Antrieb dient vorzugsweise ein Motor mit einer Antriebsleistung von etwa o,25 PS und die Leistung wird über ein Untersetzungsgetriebe zugeführt. Die Behälterwand besteht vorzugsweise aus einer eisenhaltigen Verbindung und kann eine Rosthemmungsmittel enthalten, um den Sauerstoff zu entziehen, welcher in das Gerät vor dem Verschliessen eintreten kann. Wenn der Behälter eine Kunststoff- oder Glasverkleidung besitzt, dann muss das Rosthemmungsmittel nicht unbedingt verwendet werden. Die Wärmeabführungskapazität ist dabei grosser als etwa 19 kcal/mh (15o/BTU/ hr/sq.ft.).

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273232Q

Eine ständige Kernbildungsfähigkeit wird erreicht mit Hilfe eines Kernbildungsrohrs aus Kunststoff (beispielsweise Polypropylen), das etwa an der Mitte eines Endes des Behälters oder Tanks über ein Anschluss-Stück angeschlossen ist, wodurch der Innenraum des Tanks in Strömungsmittelverbindung mit dem Innenraum des Rohres ist. Das äussere verschlossene Ende des Rohres wird in einer thermischen Umgebung gehalten, die sich stets unterhalb von etwa 32° C (9o° F) befindet, das heisst unterhalb des Schmelzpunktes von Glaubersalz. Die Flexibilität des Rohrs ist besonders wertvoll durch Vermeidung eines Bruchs und entsprechenden Verlust des Phasenänderungs materials.

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Leerseite

Claims

Dr. rer. not. Horst Schuler ^⁰⁰ Frankfurt/Main ι lu.jmi 1977

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ο 7 3 2 3 2 Q τ·ωοη {«υ) 235555

Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M. Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

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1 River Road Schenectady, H.Y./U.S.A.

Patentansprüche:

Wärmeaustauschervorrichtung für die Zuführung und Entnahme von thermischer Energie zu einem Phasenänderungsmaterial Flüssig-Fest zwecks thermischer Energiespeicherung, gekennzeichnet durch: einen geschlossenen, flüssigdichten Behälter, der so angeordnet ist, dass seine Achse allgemein horizontal verläuft, wobei der Hauptteil der Wandfläche des Behälter eine Wärmeaustauscherfläche bildet und die Wärmeaustauscherwandfläche symmetrisch zur Achse angeordnet ist,

Einrichtungen zur Drehung des Behälters um die Achse und

eine am Behälter befestigte Vorrichtung zur Einleitung der Bildung von Kristallen in dem flüssigen Phasenänderungsmaterial in dem Behälter.

2.) Wärmeaustauschervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Einleitung der Kristallbildung ein rohrförmiger Ansatz ist und an einem Ende des Behälters befestigt ist, wo-

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ORIGINAL INSPECTED

bei dieses eine Ende offen und in Strömungsmittelverbindung mit dem Innenraum des Behälters ist und das körperferne Ende dieses Rohransatzes verschlossen ist.

3.) Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu dem rohrförmigen Ansatz Einrichtungen zur Verhinderung des Temperaturanstiegs in dem Ansatz über einen eingestellten Temperaturwert vorgesehen sind.

4.) Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Verhinderung des Temperaturanstiegs eine Wärmetrennwand ist.

5.) Vorrichtungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Verhinderung des Temperaturanstiegs eine Kühlschlange ist.

6.) Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter die Form eines Rotationskörpers um die Achse besitzt.

7.) Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter die Form eines rechtwinkligen Kreiszylinders besitzt mit elliptisch nach aussen gewölbten Enden.

8.) In einem thermischen Energiespeichersytem, in dem Einrichtungen zum Wärmeaustausch zwischen einem Phasenübergangsmaterial Flüssig-Fest in einem Behälter und einem Strom eines von dem Phasenübergangsmaterial getrennt gehaltenen fliessfähigen

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Mittels vorgesehen sind, sowie Einrichtungen mit dem Wärmeaustauscher zur Bewegung des Wärmeaustausch mediums vorgesehen sind,

der Behälter ist ein geschlossener, flüssigkeitsdichter Behälter, der so angeordnet ist, dass eine Achse allgemein horizontal verläuft, wobei der Hauptteil der Wandfläche des Behälters eine Wärmeaustauschfläche bildet und diese Wärmeaustauschwandfläche symmetrisch zu der genannten Achse angeordnet ist, und weiterhin Einrichtungen zur Drehung des Behälters um die Achse vorgesehen sind.

9.) Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin an dem Behälter eine Vorrichtung zur Einleitung der Bildung von Kristallen in dem im flüssigen Zustand in dem Behälter befindlichen Phasenübergangsmaterial befestigt sind.

1o.) Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Einleitung der Kristallbildung ein rohrförmiger Ansatz mit kristallinem Phasenübergangsmaterial ist, welcher mit einem offenen Ende an dem Behälter befestigt ist und in Strömungsmittelverbindung mit dem Innenraum des Behälters steht, wobei noch das körperferne Ende des rohrförmigen Ansatzes verschlossen ist.

11.) Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu dem rohrförmigen Ansatz Vorrichtungen zur Verhinderung des Anstieges der Temperatur in dem Ansatz über

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einen vorgegebenen Temperaturwert vorgesehen sind, wodurch mindestens ein Teil des Phasenübergangsmaterials in dem Ansatz im kristallinen Zustand gehalten ist.

12.) Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung zur Verhinderung des Temperaturanstieges eine Kühlschlange ist.

14.) Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Wärmeaustausch einen Schacht umfasst, welcher den Behälter (46) und einen Ventilator (48) zur Bewegung von Luft über die äussere Oberfläche des Behälters (46) enthält, sowie Vorrichtungen (53, 54) zur selektiven Herstellung einer Strömungsmittelverbindung des Schachtes (47) an jedem seiner Enden mit einer Heizvorrichtung (4o) für die Luft und zur Herstellung einer Strömungsmittelverbindung des Schachtes (47) an jedem Ende mit einem Beipasskanal (52).

15.) Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Wärmeaustausch eine Pumpe (74) und erste Leitungen (77, 78, 79) enthält zur Zirkulation von Flüssigkeit in einem Kreislauf, in dem erhitzte Flüssigkeit in Kontakt mit der äusseren Oberfläche des Behälters (73) gebracht wird und zu einer Wärmequelle zurückgeführt wird, sowie zweite Leitungen (83, 84) zur Zirkulation der durch Kontakt mit der äusseren Oberfläche des Behälters (73) erhitzten Flüssigkeit zu und von einem Wärmeverbraucher-

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volumen (82).

16.) Verfahren zur Speicherung thermischer Energie in einem Material mit Phasenübergang Flüssig-Fest und zur Entnahme der thermischen Energie aus diesem Material, wobei das Phasenübergangsmaterial in einem Behälter enthalten ist und ein fliessfähiges Mittel über die äussere Oberfläche des Behälters zur Durchführung des gewünschten Wärmeaustauschs zirkuliert wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschri tte:

der Behälter wird mit einer vorgewählten konstanten Drehzahl um eine allgemein horizontale Achse gedreht, wobei diese Drehzahl kleiner ist als die Drehzahl bei der während des Phasenübergangs Flüssig nach Fest das an der inneren Oberfläche der Wand des Behälters gebildete feste Material nicht unter dem Einfluss der Schwerkraft von der Wand bei der Bewegung der Wand in aufsteigender Linie abfällt.

17.) Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aus dem rotierenden Behälter mit einer Geschwindigkeit von etwa 19 kcal/mh (etwa 15o BTU/hr/sq.ft.) abgeführt wird.

18.) Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl im Bereich von 1 bis 1o Umdrehungen pro Minute liegt.

19.) Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenübergangsmaterial Flüssig-Fest ein inkongruent schmelzendes Hydrat ist.

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2o.) Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrat Na₂SO₄ * loHJS ist.

21.) Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische Kernbildung von Kristallen der festen Phase während des Phasenübergangs von Flüssig nach Fest vorgenommen wird.

22.) Verfahren nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernbildung mit dem festen kristallinen Material der gleichen Zusammensetzung wie das Phasenübergangsmaterial vorgenommen wird.

23.) Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das feste kristalline Material auf einer Temperatur unterhalb der Übergangstemperatur gehalten wird.

24.) Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ständig gedreht wird.

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