DE3783538T2 - Verfahren zur waermespeicherung durch verwendung von ternaeren salzhydrat-mischungen und vorrichtung zur verwendung dieser mischungen. - Google Patents

Verfahren zur waermespeicherung durch verwendung von ternaeren salzhydrat-mischungen und vorrichtung zur verwendung dieser mischungen.

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DE3783538T2 DE8787830304T DE3783538T DE3783538T2 DE 3783538 T2 DE3783538 T2 DE 3783538T2 DE 8787830304 T DE8787830304 T DE 8787830304T DE 3783538 T DE3783538 T DE 3783538T DE 3783538 T2 DE3783538 T2 DE 3783538T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft alternative Energien und insbesondere die Nutzbarmachung der Solarenergie.
  • Das Problem der Wärmespeicherung (thermisches Schwungrad) ist insbesondere dann immer wichtig, wenn Solarenergie, deren Energie intermittierend ist, als primäre Energiequelle verwendet wird. Es ist offensichtlich, daß dann, wenn Wärme während der aktiven Phase der primären Energiequelle gespeichert wird und an eine Verbrauchseinheit abgegeben wird, wenn die primäre Quelle nicht mehr aktiv ist, eine optimale Ausnutzung für die praktischen Anwendungen erreicht werden soll.
  • Um diese Aufgabenstellung zu lösen, wurden verschiedene Arten der Akkumulation untersucht und als Problemlösung vorgeschlagen; diese aus dem Stand der Technik bekannten Problemlösungen genügen jedoch den für diese Arten von Anlagen erforderlichen Anforderungen hinsichtlich ihres Betriebs, ihrer Effizienz und geringer Kosten nicht.
  • Eines der möglichen Energieakkumulationssysteme basiert auf der Verwendung von anorganischen Hydratsalzen und auf ihrer Schmelzwärme.
  • Der Hauptunterschied zwischen dieser Art von Akkumulation und der von bekannteren sensiblen Wärmesystemen, die Materialmassen mit einer bemerkenswerten Wärmeträgheit umfassen, beispielsweise Wasserbehälter oder Steinschichten oder Backsteine, liegt darin, daß Wärme (gespeichert in Form der Energie, die benötigt wird, um die im Akkumulationssystem enthaltene Substanz zu schmelzen) in der Abgabephase bei einer festgesetzten Temperatur oder besser innerhalb eines engen Temperaturbereichs, der um den Schmelzpunkt des Salzes liegt, freigesetzt wird, insofern als der Übergang fest-flüssig als Zustandswechsel bei einer konstanten Temperatur auftritt. Offensichtlich verhält sich das System bei Temperaturen, die niedriger oder höher als der Schmelzpunkt liegen, als sensibles Wärmeakkumulationssystem. In jedem Fall ist der auf diese Weise gespeicherte Wärmeanteil gering.
  • Ein anderer Nachteil der oben beschriebenen Systeme ist die bemerkenswerte Volumenverringerung des akkumulierten Volumens bei gleicher Wärmekapazität, was eine Folge der mit den geschmolzenen Salzen erhältlichen hohen Energiedichte darstellt.
  • Trotz der während der vergangenen Jahre durchgeführten Untersuchungen und Experimente konnten nur sehr wenige geeignete Substanzen gefunden werden, und in der Literatur wurde nur in zwei Fällen deren Verwendung beschrieben: das Glaubersalz (Natriumsulfatdecahydrat) in den USA und Calciumchloridhexahydrat in Frankreich.
  • Alle weiteren Stoffe oder Stoffmischungen, die vorgeschlagen wurden, erwiesen sich als unbrauchbar, weil zwei Nachteile auftraten: die Neigung zur Unterkühlung und die unpassende Verschmelzung, die in negativer Weise die Akkumulationskapazität beeinflussen.
  • Um derartige Nachteile zu vermeiden, wird in der US-Patentschrift Nr. 4 272 352 die Verwendung einer an sich bekannten binären Mischung von Mg(NO&sub3;)&sub2;6H&sub2;O - MgCl&sub2;H&sub2;O in einem Wärmeaustauschverfahren offenbart, wobei die Unterkühlung durch Zugabe einer geringen Menge an Additiven (0,5 % Keimbildner, wozu NH&sub4;NO&sub3; gehört) vermieden wird.
  • Die US-Patentschrift No. 4 283 298 offenbart die Verwendung zahlreicher ähnlicher Keimbildungsadditive, um die Unterkühlung einer zweiten binären Mischung aus Mg(NO&sub3;)&sub2;·6H&sub2;O - NH&sub4;NO&sub3; zu vermeiden. Jedoch liegen die Schmelzpunkte der angegebenen Mischungen bei 59,1ºC bzw. 52ºC, die in Verbindung mit den üblichen Sonnenkollektoren, die Temperaturen im Bereich zwischen 50-60ºC erreichen, ungeeignet sind.
  • Die gefährliche Unterkühlung von Hydratsalzmischungen wurde durch die italienische Patentschrift Nr. 1 210 147, angemeldet am 20. Juni 1985, gelöst, wobei der Anmelder Carmelo Vaccarino war und der Titel der Anmeldung wie folgt lautet: "System zur Vermeidung der Unterkühlung in Hydratsalzmischungen, die zur Wärmeakkumulation angepaßt sind".
  • Die Lehre dieses Patents besagt, daß es in Gegenwart von zwei hydrierten Salzen S1 und S2, die übereinstimmend bei den Temperaturen T1 und T2 schmelzen und die in der Lage sind, ein Eutektikum E mit einem Schmelzpunkt Te zu bilden, der geringer ist als die oben angegebenen Temperaturen T1 und T2, möglich ist, zu vermeiden, daß sich die Neigung zur Unterkühlung eines der Salze auf das Eutektikum E und auf alle Intermediärmischungen ausweitet, falls zwei Bedingungen auftreten:
  • 1. Die maximale Erwärmungstemperatur der Mischung der Salze muß geringer sein als der Schmelzpunkt T1 des Salzes S1;
  • 2. Die zu verwendende Mischungszusammensetzung T1 muß eine, wenn auch geringe Menge des Salzes S1 mehr enthalten, als die Menge, die im Eutektikum enthalten ist.
  • Auf den Grundlagen dieser Lehren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gruppe ternärer Mischungen vorzuschlagen, die die obengenannten Nachteile nicht aufweisen und die für ihre Verwendung in Wärmeakkumulationssystemen innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 30ºC - etwa 60ºC angepaßt sind.
  • Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungsmischungen sind, ausgedrückt in Gewichtsprozenten, wie folgt: Mischung A Mischung B
  • und alle die Mischungen, bei denen die Bestandteile in den Prozentzahlen 35-55%, 5-25% und 30-45% vorliegen, wobei die Mischung A experimentell ausführlich studiert wurde.
  • Die Schmelztemperatur variiert von 43-44ºC für die Mischung A, von 45-46ºC für die Mischung B, d. h. wesentlich geringer als die binären Mischungen mit den aus dem Stand der Technik bekannten Additiven. Die latente Schmelzwärme beträgt 37,2 Kcal/kg für die Mischung A und 34,5 Kcal/kg für die Mischung B.
  • Die Menge an Speicherwärme (in Kcal/l) bei den verschiedenen Temperaturbereichen wird in der nachfolgenden Tabelle gezeigt. Mischung A Mischunb B Wasser
  • Der Temperaturbereich 52-19ºC ist der breite Bereich, der im experimentellen Bereich abgedeckt wurde, während der Temperaturbereich 52-30ºC der nutzbare Bereich ist, insoweit als die Wärme bei Temperaturen von weniger als 30ºC keine praktische Verwendung in den aktiven Systemen aufweist.
  • Die Mischung A ist das ternäre Eutektikum, welches theoretisch gefunden und experimentell geprüft wurde. Bei den übrigen Mischungen handelt es sich statt dessen um quasi-eutektische Mischungen.
  • Die Figurenbezeichnungen sind wie folgt:
  • Fig. 1 zeigt das ternäre Löslichkeitsdiagramm des Dreikomponentensystems;
  • Fig. 2 und 3 zeigen schematisch zwei Arten von Solaranlagen, in denen die erfindungsgemäßen Lösungen verwendet wurden.
  • Fig. 4 zeigt einen zylindrischen Akkumulationsbehälter, der eine Batterie von Mischungscontainern enthält.
  • Fig. 5 zeigt das Schema einer experimentellen Anlage, worin der zylindrische Akkumulationsbehälter der Fig. 4 verwendet wurde.
  • In Fig. 1 ist der zentrale lentikuläre Bereich, der mit E bezeichnet ist, der eutektische Bereich, und er betrifft eine Temperatur von 45ºC, während die anderen zwei Bereiche, praktischerweise konzentrisch, die Temperaturgrenzen von 50ºC und 60ºC betreffen. Entlang der Diagrammkanten wurden die drei Komponenten der Mischung mit ihren jeweiligen Prozentzahlen aufgetragen.
  • Die erfindungsgemäße Mischung zeigt die nachfolgenden vorteilhaften Eigenschaften:
  • - ein hohes spezifisches Gewicht mit dem hieraus folgenden Floating der möglicherweise vorhandenen Verunreinigungen und des nicht gelösten Salzes bei warmen Temperaturen im Falle von quasi eutektischen Zusammensetzungen, wodurch jegliche Sedimentation des unlöslichen Anteils vermieden wird und wodurch die Schmelze inkongruent wird, was den Abbau der Mischungen mit sich bringt;
  • - ein entsprechendes Schmelzverhalten der einzelnen Bestandteile und der hierdurch gebildeten Mischungen, speziell für die Mischung A, die das Eutektikum bildet;
  • - praktisch kein Abbau vor der kalorimetrischen Überprüfung der Akkumulationskapazität nach wiederholten Wärmezyklen. Wiederholungsversuche wurden gemäß den verschiedenen Fällen mit 200-1000 Zyklen durchgeführt;
  • - keine Unterkühlung, weil die zwei Hydratsalze, die diesen Nachteil aufweisen könnten, d. h. Mg(NO&sub3;)&sub2;·6H&sub2;O und MgCl&sub2; ·6H&sub2;O bei 95ºC bzw. bei 116,8ºC schmelzen, also bei Temperaturen, die wesentlich höher liegen als die Temperaturen, die charakteristisch sind für das Schmelzen der erfindungsgemäßen Mischungen. Die Umstände sind ausreichend, um jegliches Unterkühlungsrisiko zu vermeiden, da die in der italienischen Patentschrift mit der Nr. 1 210 417 beschriebenen Grenzen eingehalten werden.
  • - alle verwendeten Salze sind nicht toxisch, nicht korrodierend und nicht giftig.
  • Wie nachfolgend offenbart wird, sind große Mengen einfach und bei geringen Kosten verfügbar:
  • - die Herstellung der verschiedenen Mischungen zeigt keine besonderen Schwierigkeiten: sie sind durch Vermischen der drei Bestandteile in den bekannten Verhältnissen und durch nachfolgendes Schmelzen erhältlich. Weil diese Salze sehr hygroskopisch sind, ist es erforderlich, während der Lagerung die Feuchtigkeit des Raumes zu überprüfen;
  • - die Volumenveränderung beim Eintreten von der festen Phase in die flüssige Phase ist sehr gering; ein geringer leerer Raum sollte jedoch im Behälter verbleiben, um die Gefahr eines Bruches des Behälters aufgrund eines im Inneren herrschenden Überdruckes zu vermeiden;
  • - die Kosten für die Mischungen sind akzeptabel: die im Jahre 1986 entstehenden Kosten waren wie folgt: reine Salze technische Salze
  • Als reine Salze sind extrem gereinigte Stoffe zu verstehen, die von pharmazeutischen oder chemischen Firmen verkauft werden und deren Kosten deshalb sehr hoch sind.
  • Weiterhin sind industrielle Salze verwendbar, die weniger teuer sind, da sie in geringen Mengen Verunreinigungen enthalten, die jedoch ihre Akkumulationsfähigkeit nicht stark beeinflussen. Aus dem gleichen Grund ist es möglich, die Salze ausgehend von wasserfreien Verbindungen durch Zugabe von Wasser bei warmer Temperatur oder durch chemische Umsetzung der entsprechenden Oxide/Hydroxide und der Säuren, wobei am Ende die erforderliche Menge an Wasser zugegeben wird, herzustellen. In diesem Fall werden die Herstellungskosten weiter verringert.
  • Die erfindungsgemäßen ternären Mischungen können in verschiedener Weise verwendet werden, wobei die interessantesten im folgenden angegeben werden:
  • - in Verbindung mit Solaranlagen mit flachen Kollektoren auch bei derartigen Kollektoren, die bereits im Betrieb sind, die entweder mit Wasser oder mit Luft mit einer Austrittstemperatur betrieben werden, die zwischen 45ºC und 60ºC liegt, um für die Anwender Wärme entweder in der Nacht oder während des Tages bei bedecktem Himmel oder nicht ausreichender Sonneneinstrahlung bereitzustellen.
  • Es wird darauf hingewiesen, daß die herkömmlichen Kollektoren die Wärmekonvektionsflüssigkeit mit guter Wirkung nur bis etwa 60ºC erhitzen können.
  • - Wiedergewinnung von Abwärme aus Industrieanlagen.
  • - Akkumulation von Wärmeenergie aus beliebigen diskontinuierlichen Energiequellen mit einer Temperatur im Bereich von 45-55ºC.
  • - Herstellung von entweder warmer Luft oder warmem Wasser zum Heizen.
  • - Herstellung von warmem Wasser für sanitäre oder häusliche Zwecke;
  • - Trocknen von Nahrungsmitteln;
  • - Wärmequelle für industrielle Zwecke, bei denen eine mittlere Temperatur erforderlich ist (beispielsweise bei der Herstellung von Nahrungsmitteln);
  • - Wärmequelle für Heizpumpen;
  • - Möglicherweise, zumindest theoretisch, die Verwendung der bereits verbrauchten Akkumulationssubstanzen in der Landwirtschaft, insoweit die Salze als Düngemittel verwendbar sind.
  • Die Verwendung der oben beschriebenen ternären Mischungen ist sehr einfach und bequem; die Mischungen werden in geeignete Behälter gefüllt, die aus einem geeigneten technologischen Material wie beispielsweise hochdichtem Polyethylen oder einem Polypropylen hergestellt wurden, die, wenn sie mit den Mischungen in Kontakt treten, gegen chemische Angriffe beständig sind.
  • Diese Behälter werden geeigneterweise in der Anlage in geeigneten Aufnahmeeinrichtungen untergebracht, wie im folgenden näher ausgeführt werden wird.
  • Fig. 2 zeigt ein Schema einer Solaranlage zur Herstellung von warmem Wasser und/oder warmer Luft. Die Zahl 1 zeigt auf einen herkömmlichen Solar-Wasserkollektor, der mit einem Zufuhrsystem 2 versehen ist, welches an das Akkumulationssystem durch einen Austauscher 3 verbunden ist, in dem die erfindungsgemäße ternäre Mischung gegeben wird.
  • An das Akkumulationssystems 3 werden weiterhin die Einlaß- und Auslaß-Verbindungen des Verwendungssystems 4 angeschlossen.
  • Der Betrieb erfolgt wie folgt: wann immer die Einstrahlung auf den Kollektor 1 fehlt oder nachläßt, liefert das Akkumulationssystem 3 die Wärme zum Verwendungskreislauf 4. Die Flüssigkeit, welche die Wärme trägt und die entlang der Kreise 2 und 4 fließt, kann entweder Luft oder Wasser sein.
  • Fig. 3 zeigt ein Schema einer Beschickungsanlage für eine Wärmepumpe. In ähnlicher Weise wie oben dargestellt bedeutet 1 eine Wärmequelle, 2 den Einlaßkreislauf des Wassers oder der Luft und 3 das Akkumulationssystem. Letzteres speist, anstatt das es direkt mit dem Nutzungskreislauf 4 verbunden ist, eine Wärmepumpe 3a, die zwischen die zwei Kreisläufe integriert ist. Die Betriebsweise entspricht im wesentlichen der oben beschriebenen mit dem einzigen Unterschied, daß in diesem Fall die Wärmepumpe 3a der Nutzungsanlage 4 Wärmeenergie zuführt, nachdem sie die Energie aus dem Akkumulationssystem 3 an ihrem Wendepunkt aufgenommen hat.
  • Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zur Verwendung der erfindungsgemäßen Mischung. Die Vorrichtung umfaßt eine Vielzahl an zylindrischen Behältern 5, die aus hochdichtem Polyethylen hergestellt sind, wobei jeder Behälter mit der ternären Mischung in einem vollständig flüssigen Zustand gefüllt ist, während ein schmaler Zwischenraum für die Ausdehnung verbleibt. Nach der Verfestigung wird das Verschlußstück 6 (welches ebenfalls aus Polyethylen besteht) thermisch verschweißt, wodurch der Behälter verschlossen wird. Die Vielzahl an Behältern 5 ist in mehreren Schichten innerhalb eines Akkumulationsbehälters 7 aus rostfreiem Stahl angeordnet, der mit einem Einlaß 8 für das Wasser und einem Auslaß 9 am oberen Ende versehen ist; das Verschlußstück 10 des Behälters 7 weist eine Reihe von Durchtritten 11 für elektrische Leitungen 12 auf, die mit Widerständen verbunden sind, die wie folgt beschrieben werden.
  • Fig. 5 zeigt, daß innerhalb der Anlage 13 der Akkumulationsbehälter 7 angeordnet ist, der bereits beschrieben wurde und der eine Anzahl von Behältern 5 enthält, von denen nur einer gezeigt wird. Diese Anordnung wird von einer isolierenden Hülle 14 umgeben, um jegliche Verteilung in den Raum zu vermeiden.
  • Der Widerstand T1 ist am Wassereinlaß 8 angeordnet. Der Widerstand T2 ist bei 1/3 der Höhe des Behälters 7 angeordnet, der Widerstand T3 ist bei 2/3 der gleichen Höhe angeordnet, der Widerstand T4 ist am Wasserauslaß 9 angeordnet und der Widerstand T5 ist innerhalb eines der Behälter 5 angeordnet, um die Effizienz des Wärmeaustausches innerhalb der Salzmasse zu kontrollieren. Alle diese Widerstände sind durch die Leitungen 12 mit einer Registrieranordnung R verbunden, durch die die einzelnen Daten, die sich auf die Temperaturablesung beziehen, gesammelt werden.
  • Jeder Betriebskreislauf der Anlage der Fig. 5 umfaßt eine Beladungsphase und eine Entladungsphase des Systems. Während der Beladungsphase zirkuliert warmes Wasser innerhalb des Behälters 7, welches im Temperaturregler T aufgewärmt wurde, der vorher auf eine bestimmte Temperatur eingestellt wurde, um die Wärme bereitzustellen, die erforderlich ist, um die innerhalb der Gruppe von Behältern 5 enthaltenen Salze zu schmelzen und das System in einen stationären Zustand zu bringen.
  • Sobald dies geschehen ist, wird der Wärmeregler T dadurch ausgeschaltet, daß die zwei Dreiweggänge V3 umgeschaltet werden und die Pumpe P angestellt wird; kaltes Wasser beginnt in den Behälter 7 zu fließen, wobei das Wasser aus dem Behälter 5 mit konstanter Zufuhrmenge entnommen wird. Dem Behälter 5 wird durch die Wasserzufuhr RI durch einen eingebauten Zuflußgang zugeführt.
  • Das kalte Wasser, welches von unten kommt, nimmt Wärme auf und wird erwärmt, während die Salzlösung innerhalb der Behälter fortschreitend kristallisiert.
  • Das Ablesen der Einlaßtemperatur T1 und des Auslasses bei T4 und zusätzlich des Wasserflusses sind die drei Parameter, durch die die durch das System akkumulierte Wärmemenge berechenbar ist.
  • In den wasserbetrieben Systemen ist die Wärmeübertragung größer; jedoch bildet sich dann, wenn einer oder mehrere der Behälter bricht, eine mehr oder weniger konzentrierte Lösung der Auslaßmischung mit der umlaufenden Flüssigkeit, die im Falle einer direkten Verwendung des Warmwassers durch den Anwender letzteren erreicht. In diesem Fall wird jegliche Gefahr deutlich verringert, und zwar deshalb, weil sich in jedem Behälter nur eine relativ geringe Menge der Mischung befindet, und weil die Salze nicht toxisch sind und weil Abbauprodukte fehlen. Im Falle einer Kontamination würde es aufgrund der bemerkenswerten Löslichkeit der Salze ausreichend sein, die gesamte Anlage mit Wasser zu waschen.
  • In den mit Luft betriebenen Systemen ist die thermische Leitfähigkeit geringer; jedoch ist, wie in der Literatur beschrieben wurde, die Effizienz des Akkumulationssystems insgesamt größer im Vergleich zu Akkumulationssystemen, bei welchen Steine oder Wasser verwendet werden. Weiterhin besteht keine Kontaminationsgefahr durch austretende Flüssigkeit, falls ein Behälter bricht. Ein Teil der Luft kann in jedem Fall zum Bereiten von warmem Wasser durch einen Austauscher verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend am Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt und beschrieben. Es ist jedoch in der Praxis möglich, verschiedene Veränderungen anzubringen, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere eignet sich der erfindungsgemäße Akkumulationsvorratsbehälter und die hiermit in Beziehung stehende Behältergruppe auch zur möglichen Verwendung von Hydratsalzen zur Wärmeakkumulation in solcher Weise, wie sie vorstehend nicht im einzelnen beschrieben wurde.

Claims (5)

1. Verfahren zur Wärmespeicherung, welches die Verwendung einer ternären Mischung aus Magnesiumnitrathexahydrat, Magnesiumchloridhexahydrat und Ammoniumnitrat umfaßt dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung Magnesiumnitrathexahydrat in einem prozentualen Anteil von 35-55%, Magnesiumchloridhexahydrat in einem prozentualen Anteil von 5-25% und Ammoniumnitrat in einem prozentualen Anteil von 30-45% umfaßt, und sie innerhalb des Temperaturbereichs von etwa 60ºC bis etwa 30ºC verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung ein ternäres eutektisches Gemisch ist, welches Magnesiumnitrathexahydrat in einem prozentualen Anteil von 50,3%, Magnesiumchloridhexahydrat in einem prozentualen Anteil von 10,7% und Ammoniumnitrat in einem prozentualen Anteil von 39% mit einer Schmelztemperatur (fusion temperature) im Bereich zwischen 43 und 44ºC umfaßt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung ein ternäres quasi-eutektisches Gemisch ist, welches den ersten Bestandteil in einem prozentualen Anteil von 36,7%, den zweiten Bestandteil in einem prozentualen Anteil von 25,8% und den dritten Bestandteil in einem prozentualen Anteil von 37,5% mit einer Schmelztemperatur im Bereich von 45 bis 46ºC umfaßt.
4. System zur Wärmespeicherung, in welchem das Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 verwendet wird.
5. Vorrichtung zur Verwendung einer Mischung aus Hydratsalzen zur Wärmespeicherung, welche eine Vielzahl von abgeschlossenen Behältern (5) umfaßt, in welchen die Mischungen enthalten sind, und wobei die Behälter im Innern eines Speicherbehälters (7) angeordnet sind, in welchem die zu erhitzende Flüssigkeit zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (7) mit Mitteln (T1, T2, T3, T4) versehen ist, um die Temperaturen der zu erhitzenden Flüssigkeit am Einlaß, im Innern des Behälters (7) und am Auslaß zu messen, und weiterhin mit Mitteln (T5) versehen ist, um die Temperatur der Salzmischung im Innern der abgeschlossenen Behälter (5) zu messen.
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