WO2009036974A2 - Latentwärmespeichermedium - Google Patents

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WO2009036974A2
WO2009036974A2 PCT/EP2008/007806 EP2008007806W WO2009036974A2 WO 2009036974 A2 WO2009036974 A2 WO 2009036974A2 EP 2008007806 W EP2008007806 W EP 2008007806W WO 2009036974 A2 WO2009036974 A2 WO 2009036974A2
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latent heat
storage medium
component
phase transition
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Volker Liebel
Harald Mehling
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Rehau Ag + Co
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    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2270/00—Thermal insulation; Thermal decoupling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a latent heat storage medium.
  • One possibility for increasing the heat capacity of said liquids is the addition of particles having a high heat capacity or of particles of materials which have a phase transformation within a defined temperature range within the operating temperature range of the relevant thermal system and thus permit latent heat storage.
  • Latent heat storage refers to the storage of heat in a material that experiences a phase transition, predominantly solid-liquid (English: Phase Change Material, PCM).
  • phase transition predominantly solid-liquid (English: Phase Change Material, PCM).
  • PCM Phase Change Material
  • fixed-solid phase transitions can also be used for heat storage. However, these generally show lower storage densities.
  • the material When heat is stored in the storage material, the material begins to melt on reaching the temperature of the phase transition and then, despite further storage of heat, does not increase its temperature until the material has completely melted. Only then does an increase in temperature occur again. Since no marked increase in temperature occurs for a long time despite heat supply, the heat stored during the phase transition is called “hidden heat” or “latent heat”.
  • This effect has been used extensively in ice storage systems in refrigeration and air conditioning technology for decades. Heat is removed from the system to be cooled and used to melt the ice in the storage tank.
  • the effect of latent heat has two advantages. First, it is possible to store relatively large amounts of heat in a range of small temperature change and thus to achieve high storage densities. Secondly, it is possible to smooth temperature fluctuations and prevent temperature spikes since the constant temperature phase transition occurs over a period of time.
  • latent heat storage media for heat transfer systems which contain particles of microencapsulated paraffin in the carrier liquid water, wherein the capsule or shell material shows no phase transition in the operating temperature range, while the paraffin core material has a reversible solid-liquid phase transition within the corresponding transition temperature range.
  • the described solid-liquid phase transition is desirable in this case since, for example, thermal energy introduced into the respective heat transfer system is used for said phase transformation and not for increasing the temperature of the heat transfer fluid, so that the temperature within the heat transfer system can be stabilized in the transition temperature range of the paraffin.
  • thermal energy introduced into the respective heat transfer system is used for said phase transformation and not for increasing the temperature of the heat transfer fluid, so that the temperature within the heat transfer system can be stabilized in the transition temperature range of the paraffin.
  • the same effect is analogous to the removal of heat from the heat transfer system with a corresponding phase transition of the paraffin from liquid to solid.
  • a problem of the latent heat storage media containing microencapsulated paraffins or other coated, containing a solid-liquid phase transition materials as particles is the different density of the particles and the heat transfer fluid. If the density of the particles is lower than the density of the carrier liquid, the particles float and collect, resulting in a separation. This effect also occurs with particles whose density is greater than that of the carrier liquid, but the particles in this case sink to the bottom of the respective thermal system. If said density difference occurs in particular in the operating temperature range of the thermal system, disadvantages arise with regard to the heat transfer between particles and carrier fluid due to the described separation.
  • the particles tend to agglomerate with microencapsulated paraffins or with other coated, solid-liquid phase-transfer materials, resulting in the same negative effects as in the previously described separation due to density differences between particles and carrier liquid.
  • the invention provides the latent heat storage medium according to claim 1, wherein the latent heat storage medium comprises at least two latent heat storage components which each have a phase transition in an operating temperature range of the latent heat storage medium, wherein at least one latent heat storage component has at least one latent heat storage element which remains dimensionally stable during the phase transition.
  • the latent heat storage medium is heated from an initial temperature below the two phase transition temperatures (ranges) to a target temperature above the two phase transition temperatures (ranges).
  • the phase transition essentially takes place when a certain phase transition temperature is exceeded, while in the case of other components (eg polyethylene, paraffin mixture, etc.) a phase transition temperature range has to be crossed in order to achieve the phase transition.
  • the latent heat of both components is stored as heat and released accordingly during unloading. Due to the fact that both components have a phase transition in the operating temperature range of the latent heat storage medium, the latent heat storage medium according to the invention has a higher heat storage capacity than the conventional latent heat storage medium.
  • dimensionally stable is to be understood that the corresponding region of the latent heat storage element even after the phase transition by exceeding the transition temperature range maintains its dimensional stability and its consistency - in contrast to a liquid - is such that a force acting from the outside a certain resistance is opposed, wherein the term “dimensionally stable” still includes a jelly-like consistency, as opposed to a melt-like consistency.
  • the corresponding region of the latent heat storage element has even after exceeding the transition temperature range on formula elasticity. Due to the described dimensional stability or elasticity of the corresponding region of the latent heat storage element, the known from liquids, already caused by the slightest external force change of shape is effectively prevented. Since the non-dimensionally stable component of the latent heat storage medium is a latent heat storage component which has a similar phase transition temperature value or range, the latent heat of the second latent heat storage component can additionally be used.
  • the specific heat storage capacity of the latent heat storage medium according to the invention increases significantly compared to the conventional latent heat storage medium with only one latent heat storage component and a carrier liquid.
  • a preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to the preceding embodiment, wherein the latent heat storage components have similar, preferably identical phase transition temperatures or similar, preferably overlapping phase transition temperature ranges.
  • This measure has the advantage that even within a low operating temperature range of about 3OK, preferably 2OK, preferably 10K and more preferably 5K large amounts of energy due to the phase transitions of both latent heat storage components can be absorbed or released.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to the preceding embodiment, wherein the first component has a fixed-solid phase transition at least in sections. Because the first latent heat storage component has a reversible fixed-solid phase transition within a predetermined phase transition temperature range, the latent heat storage components are also separated from one another beyond both phase transition temperatures (ranges). As a result, the formation of a correspondingly larger, coherent region is avoided, resulting in problems with regard to large-area or large-volume deposits within the thermal system, in particular when the thermal system cools below the transition temperatures (ranges).
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein the second component has a fixed-liquid phase transition in sections.
  • This measure has the advantage that a less expensive material than for the solid-solid phase transition can be used, and that in the liquid state of the second component, a suspension is formed, in which the first component forms the finely divided solid. The first component is surrounded by the second component, so that heat is transferred optimally between the two components. As a result of the phase transition of the second component, the suspension is quasi “frozen", so that optimal heat transfer between the two components is accomplished in this state as well.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein the latent heat storage element of the first latent heat storage component contains a polymer, preferably polyethylene.
  • a polymer preferably polyethylene.
  • This measure has the advantage that the material can be provided inexpensively. Polymeric materials are generally inexpensive, have a relatively high phase-transition enthalpy and are resistant to many chemicals or liquids. In addition, polymeric materials are non-toxic and environmentally friendly. It may also be advantageous for the polymeric material to be a thermoplastically processable polymer. These polymers can be processed particularly easily and cheaply. In addition, it may be an advantage that the polymeric material is an at least partially crystalline thermoplastic, preferably polyethylene.
  • the at least partially crystalline thermoplastics have high phase transition enthalpies.
  • Polyethylene as a representative of these materials is particularly inexpensive.
  • Other conceivable materials besides polyethylene are e.g. Polypropylene or polyamide.
  • the crystalline content of the polymeric material is equal to or greater than 20%. This results in particularly high Phasenentgangsenthalpien.
  • the polymeric material it may be advantageous for the polymeric material to have a phase transition enthalpy of at least 50 J / g.
  • phase transition enthalpies lead to extremely powerful latent heat storage media with high energy densities, which can store large amounts of heat.
  • silane groups are provided in the polymer, which cause the desired crosslinking of the material when used in a latent heat storage medium and under the action of heat energy or optionally under the action of pressure.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein the latent heat storage element of the first latent heat storage component has substantially crumbled, crosslinked polyethylene.
  • This measure has the advantage that the material can be provided inexpensively.
  • Polymeric materials are generally inexpensive, have a relatively high phase transition enthalpy and are resistant to many chemicals or liquids.
  • polymeric materials are non-toxic and environmentally friendly. It may be advantageous that the polymeric material is at least partially crosslinked and the crosslinked volume fraction is preferably equal to or greater than 90%. The crosslinking can cause the polymeric material does not go into the liquid or melted state when exceeding the melting temperature, but only softer, but it remains f ⁇ rmstabil and shape-elastic.
  • the crosslinking can cause crumbs of such a material to not adhere to one another or to weld to one another after the phase transition temperature range has been exceeded. Breaking up such a crumb is unproblematic since, in contrast to the microencapsulation of eg paraffins, no liquid phase is released.
  • various methods are possible. These include, for example, peroxide-initiated crosslinking via free radicals, crosslinking by means of grafted-on silane groups or electron beam crosslinking. It may be favorable that the greatest extent of the individual latent heat storage elements does not fall below a value of 2 ⁇ m in any spatial direction and does not exceed a value of 5 mm.
  • the latent heat storage elements of the first latent heat storage component present as crumbs or particles may also be favorable for the latent heat storage elements of the first latent heat storage component present as crumbs or particles to be substantially spherical or lenticular or designed as spatial polyhedrons.
  • the spherical shape offers advantages in terms of a better circulation ability compared to edged particles that may possibly get caught together.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein the latent heat storage element of the first latent heat storage component contains a shell which is dimensionally stable during the phase transition and a melting core.
  • This measure has the advantage that this structure can be favorable, for example, for a specific adaptation of the density of the first component to the density of the second component.
  • the casing material can be designed such that a mutual repulsion of the latent heat storage elements of the first latent heat storage component within the second latent heat storage component results and thus an agglomeration of the latent heat storage elements is effectively prevented.
  • the core and shell materials are different.
  • the volume fraction of the first latent heat storage component is at most 60%. Higher volume fractions, for example, have a negative effect on the circulation of the latent heat storage medium.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein a core of the latent heat storage element of the first latent heat storage component contains paraffin.
  • This measure has the advantage that the desired phase transition temperature or the desired phase transition temperature range of the first latent heat storage component can be selectively adjusted by using a suitable paraffin or paraffin mixture.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein a core of the latent heat storage element of the first latent heat storage component contains water.
  • This measure has the advantage that water as the heat storage medium covers a wide operating temperature range and is comparatively easy to handle.
  • further substances or liquids may be added. For example, it is possible to add alcohols or salts to the water.
  • a targeted density adaptation of the first latent heat storage component to the second component can be carried out.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein the first component is a dump of discrete latent heat storage elements.
  • This measure has the advantage that the latent heat storage elements of the first latent heat storage component can be evenly distributed in the second latent heat storage component, so that they are completely surrounded by the second latent heat storage component because the bed leaves enough free space that can be penetrated by the second component.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein the second latent heat storage component contains paraffin.
  • This measure has the advantage that the phase transition temperature of the second latent heat storage component can be adjusted in a targeted manner by application of a suitable paraffin or mixture of paraffins and can be adjusted, for example, to the phase transition temperature of the first latent heat storage component.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein the second latent heat storage component contains water.
  • This measure has the advantage that water covers a wide operating temperature range and is comparatively easy to handle.
  • further substances or liquids may be provided. For example, it is possible to add alcohols or salts to the water.
  • a targeted adaptation of the density of the second latent heat storage component to the density of the first latent heat storage component can also be carried out.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein the latent heat storage medium has at least one third component via which radiation energy can be coupled.
  • This measure has the advantage that the latent heat storage medium is more versatile and is accessible to other types of energy transfer.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein the latent heat storage medium has at least a third component with respect to the first and second latent heat storage components increased thermal conductivity.
  • This measure has the advantage that the processes of loading and unloading of the heat storage medium took less time.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage device, comprising the latent heat storage medium according to one of the preceding embodiments, wherein the latent heat storage medium at least partially from a
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage device according to the preceding embodiment, wherein the latent heat storage device comprises a heat transfer device.
  • This measure has the advantage that the latent heat storage device can be easily coupled with other heat transfer or heat exhaust systems.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage device according to one of the preceding embodiments, wherein the latent heat storage device has a thermal insulation.
  • This measure has the advantage that the latent heat storage device has a low power loss and a high degree of efficiency.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage device according to one of the preceding embodiments, wherein the container shell is formed as a heat transfer device.
  • the container shell is formed as (part of) a heat transfer device and / or at least one heat transfer tube extends as (additional part of) the heat transfer device in the form of a loop or spiral through the container volume.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage device according to one of the preceding embodiments, wherein the latent heat storage device is designed to be transportable and thus suitable for the transport of heat.
  • This measure has the advantage that heat can be provided to a different location than the heat was previously stored.
  • a further preferred embodiment of the invention relates to a latent heat storage device according to one of the preceding embodiments, wherein the latent heat storage device has a cavity accessible via a closure device.
  • This measure has the advantage that any objects can be brought into the cavity in order to heat the articles with the heat stored in the latent heat storage device.
  • the remaining volume between the heat storage elements filled with an inert gas to prevent oxidation or premature heat aging of the heat storage elements.
  • a latent heat storage medium with a latent heat storage component, which has a phase transition in an operating temperature range of the latent heat storage medium, wherein a further component with respect to the latent heat storage component increased thermal conductivity is present.
  • this is achieved by adding graphite or metal particles in the form of, for example, powder or chips to the latent heat storage component.
  • This can include constructive measures or the homogeneous distribution and anchoring of the particles in or on the component.
  • the targeted setting of certain surface properties of the particles or the component can be used advantageously here.
  • a latent heat storage can be created with significantly improved heat storage / heat transfer properties.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a latent heat storage device according to the invention with the latent heat storage medium according to the invention according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic view of a latent heat storage device according to the invention with the latent heat storage medium according to the invention according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the invention relates to a latent heat storage medium having at least two latent heat storage components 1, 2, each having a phase transition in an operating temperature range of the latent heat storage medium, wherein at least one latent heat storage component 1 has at least one latent heat storage element, which remains dimensionally stable during the phase transition.
  • the latent heat storage components 1, 2 similar, preferably identical phase transition temperatures or similar, preferably overlapping phase transition temperature ranges.
  • the operating temperature range of the latent heat storage medium preferably spans a temperature range of about 3OK, preferably 2OK, preferably 10K, particularly preferably 5K, and is generally between +110 0 C and +140 0 C, preferably between +115 0 C and +135 0 C, preferably between +120 0 C and +130 ° C.
  • the phase transition temperatures (ranges) of the two latent heat storage components 1, 2 both components 1, 2 are fixed.
  • the first latent heat storage component 1 is fixed and the second latent heat storage component 2 is preferably liquid, forms a suspension and the latent heat storage elements of the first latent heat storage component 1 in the second latent heat storage component 2 are preferably evenly distributed.
  • FIG. 1 shows a latent heat storage device according to the invention with the latent heat storage medium according to the invention, comprising the first (latent heat storage) component 1 with a plurality of discrete (latent) heat storage elements which remain dimensionally stable during the phase transition, and the second (latent heat storage) melting during the phase transition -) component 2.
  • the first component 1 preferably represents a bed of a plurality of discrete heat storage elements, wherein the latententemperatures storage elements of the first latent heat storage component 1 in the second latent heat storage component 2 preferably evenly distributed and preferably completely surrounded by the second latent heat storage component 2.
  • a third component 3, which will be explained later, is mixed with the second component 2 and / or embedded in the first component 1.
  • the Be DaveerhüHe or container wall is formed as (part of) the heat transfer device, wherein the heat transfer medium is passed close under the container wall in order to accomplish the heat exchange with the latent heat storage medium.
  • the container 5 comprises a heat insulation 6, which is arranged outside of a heat transfer device optionally integrated in the container wall.
  • the latent heat storage device is designed transportable and can be used with any heat transport systems, eg in the field of solar heat exchanger or biogas plants, are used.
  • the latent heat storage elements of the first latent heat storage component 1 are
  • Crosslinked polyethylene is formstabii during the phase transition and has a fixed-solid phase transition.
  • the phase transition temperature is between 110 ° C and 140 ° C, preferably between 120 0 C and 130 0 C, more preferably at about 125 0 C.
  • the degree of crosslinking of the polyethylene is in the region of the shell of the heat storage elements of the first component at least 90% ,
  • the crosslinking has the effect that the polymeric material does not change into the liquid or melt-shaped state when the phase transition temperature is exceeded, but merely becomes softer, but remains dimensionally stable and has a form-elastic effect.
  • various methods come into question. These include, for example, the peroxide-initiated crosslinking via free radicals, the crosslinking by means of grafted-on silane groups or else the electronic radiation crosslinking.
  • the expansion of the individual discrete heat storage elements in any spatial direction does not fall below the value of 2 microns and also does not exceed a value of 5 mm.
  • the discrete heat storage elements of the first component 1 are substantially spherical or lenticular or formed as a spatial polyhedron, the spherical shape is preferred.
  • the discrete heat storage elements of the first component 1 can only partially contain a fixed-solid phase transition in the region of the shell and sections a solid phase transition in the region of a melting core.
  • the cores of the first component 1 paraffin or a Paraffingemisch or water to certain physical properties of the first component 1, such as phase transition temperature or phase transition temperature range, density, thermal conductivity, etc. specifically set and on the physical Properties of the second component 2 vote.
  • the second component 2 has a solid-liquid phase transition and preferably contains paraffin or water with appropriate alcohols or salts as additives to the physical properties of the second component 2, in particular with respect to the phase transition temperature or the phase transition temperature range, the density and / or to adjust the thermal conductivity targeted.
  • the second component 2 has a similar, preferably identical phase transition temperature or a similar, preferably identical, phase transition temperature range, like the first component 1.
  • the phase transition temperatures (ranges) of the two components 1, 2 have a maximum temperature interval of 25K, preferably 10K , preferably 5K, and more preferably an overlapping phase transition temperature range.
  • the phase transition temperature or the phase transition temperature range of the second component 2 is generally between +110 ° C and +140 0 C, preferably between +120 0 C and +130 0 C, preferably at about +125 0 C.
  • the latent heat storage medium according to the invention has a third component 3, can be coupled via the radiation energy.
  • the third component 3 has an increased thermal conductivity compared with the first component 1 and the second component 2.
  • the third component 3 can be present in any desired form, for example as graphite platelets, and can be embedded in the first component 1 and / or mixed with the second component 2.
  • the latent heat storage medium For loading the latent heat storage medium, the latent heat storage medium by heat input via the heat transfer device from a temperature below the phase transition temperatures (ranges) of the two latent heat storage components 1, 2 (eg +120 0 C) to a temperature above the Phasenübergangstempera- tures (ranges) of the two latent heat storage components 1, 2 (eg, +130 ° C), so that the phase transition in both latent heat storage components 1, 2 is accomplished and the first latent heat storage component 1 in a solid state and the second latent heat storage component 2 is preferably in a liquid state.
  • the latent heat storage medium For discharging the latent heat storage medium, the latent heat storage medium by heat removal via the heat transfer device from a temperature above the phase transition temperatures (ranges) of the two latent heat storage components 1, 2 (eg +130 "C) to a temperature below the Phasenübergangstempe- temperatures (ranges) of the two latent heat storage components 1, 2 (eg, +120 0 C) is cooled, so that the phase transition in both latent heat storage components 1, 2 is accomplished and both latent heat storage components 1, 2 are in a solid state.
  • the charging cycle of the latent heat storage medium can be repeated as often as desired.
  • the container 5 has a thermal insulation 6 and defines a closable with an insulated and thermally insulated closure element or lid 7 cavity 9. A portion 8 of the thermal insulation 6 can be removed to allow heat transfer through a wall of the container 5.
  • the heat insulation 8 is removed when the latent heat storage device is positioned so that the bottom thereof is heated.
  • the container bottom 5 can be heated for example by means of parabolic mirror. After charging the heat insulation 8 is used again.
  • the stored heat may be provided at a later time, eg, to heat food therein.
  • the latent heat storage device is encapsulated and therefore maintenance-free.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium. Um ein herkömmliches Latentwärmespeichermedium dahingehend zu verbessern, dass es über eine Vielzahl von Lade-Entladezyklen eine im Wesentlichen konstante und höhere Latentwärmespeicherkapazität aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Latentwärmespeichermedium wenigstens zwei Latentwärmespeicherkomponenten (1, 2) umfasst, die in einem Betriebstemperaturbereich des Latentwärmespeichermediums jeweils einen Phasenübergang aufweisen, wobei wenigstens eine Latentwärmespeicherkomponente (1) zumindest ein Latentwärmespeicherelement aufweist, das beim Phasenübergang formstabil bleibt.

Description

Latentwärmespeichermedium
Die Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium.
Die Verwendung von Wasser oder Öl zum Wärmetransport und zur Speicherung in technischen Systemen ist seit langem bekannt. Allerdings ist die Wärmekapazität besagter Flüssigkeiten auf einen jeweils materialspezifischen Wert begrenzt, so dass diese Flüssigkeiten für Anwendungen, bei welchen innerhalb kurzer Zeit hohe (Wärme-)Energiemengen transportiert bzw. abgeleitet werden müssen, wie z.B. bei Lasern oder Komponenten von Kernenergieanlagen, weniger gut geeignet sind.
Eine Möglichkeit, die Wärmekapazität besagter Flüssigkeiten zu erhöhen, ist die Zugabe von Partikeln mit hoher Wärmekapazität bzw. von Partikeln aus Materialien, die in einem definierten Temperaturbereich innerhalb des Betriebstemperaturbereichs des betreffenden thermischen Systems eine Phasenumwandlung aufweisen und dadurch eine latente Wär- mespeicherung ermöglichen.
Gewöhnlich treten bei der Speicherung von Wärme, z.B. im Warmwasserspeicher oder Kachelofen, große Temperaturänderungen von mehreren 10° auf. Bei der Einspeicherung von Wärme in das Speichermaterial erhöht sich dessen Temperatur. Diese Form der Wär- mespeicherung wird deshalb auch fühlbare oder sensible Wärmespeicherung genannt.
Unter Latentwärmespeicherung versteht man die Speicherung von Wärme in einem Material, welches einen Phasenübergang, vorwiegend fest-flüssig, erfährt (engl. Phase Change Material, PCM). Neben dem Phasenübergang fest-flüssig können prinzipiell auch fest-fest Phasenübergänge zur Wärmespeicherung eingesetzt werden. Diese zeigen in der Regel jedoch geringere Speicherdichten.
Bei der Einspeicherung von Wärme in das Speichermaterial beginnt das Material bei Erreichen der Temperatur des Phasenübergangs zu Schmelzen und erhöht dann, trotz weiterer Einspeicherung von Wärme, seine Temperatur nicht, bis das Material komplett geschmol- zen ist. Erst dann tritt wieder eine Erhöhung der Temperatur auf. Da für längere Zeit trotz Wärmezufuhr keine merkliche Temperaturerhöhung auftritt, nennt man die während der des Phasenübergangs eingespeicherte Wärme „versteckte Wärme" oder auch „latente Wärme".
Dieser Effekt wird in Eisspeichern in der Kälte- und Klimatechnik seit Jahrzehnten in gro- ßem Umfang eingesetzt. Wärme wird dem zu kühlenden System entnommen und zum Aufschmelzen des Eises im Speicher eingesetzt. Durch den Effekt der latenten Wärme ergeben sich zwei Vorteile. Erstens ist es möglich, in einem bereich kleiner Temperaturänderung verhältnismäßig große Wärmemengen zu speichern und somit hohe Speicherdichten zu erreichen. Zweitens besteht die Möglichkeit, Temperaturschwankungen zu glätten und Temperaturspitzen zu verhindern, da der Phasenübergang bei konstanter Temperatur über einen gewissen Zeitraum vonstatten geht.
Bei der Zugabe von Partikeln mit hoher Wärmekapazität bzw. von Partikeln aus Materialien, die in einem definierten Temperaturbereich innerhalb des Betriebstemperaturbereichs des betreffenden thermischen Systems eine Phasenumwandlung aufweisen und dadurch eine latente Wärmespeicherung ermöglichen zur Wärmeträgerflüssigkeit entsteht eine Suspension oder Aufschlämmung. Beispielsweise sind Latentwärmespeichermedien für Wärmeübertragungssysteme bekannt, die Partikel aus mikroverkapseltem Paraffin in der Trägerflüssigkeit Wasser enthalten, wobei das Kapsel- oder Hüllenmaterial im Betriebstemperaturbereich keine Phasenumwandlung zeigt, während das Paraffin als Kernmaterial innerhalb des entsprechenden Übergangstemperaturbereichs einen reversiblen fest-flüssig Phasenübergang aufweist. Der beschriebene fest-flüssig Phasenübergang ist hierbei erwünscht, da beispielsweise in das jeweilige Wärmeübertragungssystem eingetragene Wärmeenergie für besagte Phasenumwandlung, und nicht zur Erhöhung der Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit verwendet wird, so dass die Temperatur innerhalb des Wärme- Übertragungssystems im Übergangstemperaturbereich des Paraffins stabilisiert werden kann. Der gleiche Effekt ergibt sich sinngemäß beim Entzug von Wärme aus dem Wärmeübertragungssystem mit einem entsprechenden Phasenübergang des Paraffins von flüssig zu fest.
Ohne die Verkapselung des Paraffins läge dieses nach seiner Phasenumwandlung von fest zu flüssig als flüssiges Material innerhalb der Trägerflüssigkeit vor und es bestünde die Gefahr, dass sich das flüssige Paraffin der einzelnen Partikel zu einer zusammenhängenden separaten Flüssigkeitsphase verbindet. Diese separate Flüssigkeitsphase wäre jedoch für das Wärmeübertragungssystem in mehrfacher Hinsicht von Nachteil, beispielsweise mit Hinblick auf eine verringerte Wärmeübertragung oder auf eine Zirkulationsfähigkeit der Wärmeträgerflüssigkeit. Bei einer anschließenden Abkühlung des thermischen Systems und einer demzufolge stattfindenden Verfestigung der zusammenhängenden Paraffinphase käme es zu großflächigen bzw. großvolumigen Paraffinablagerungen und es wäre in entsprechenden Systemen mit erheblichen Schwierigkeiten zu rechnen. Aus den zuvor genannten Gründen ist die beschriebene, das Paraffin einschließende Hülle daher notwendig. Hierbei ist die Hülle normalerweise aus einem Kunststoff, der innerhalb des Betriebstemperaturbereichs fest ist und keine Phasenumwandlung aufweist, so dass die daraus gebildete Hülle das Paraffin sicher und verlässlich einschließt.
Ein Problem der Latentwärmespeichermedien, welche mikroverkapselte Paraffine oder andere umhüllte, einen fest-flüssig Phasenübergang aufweisende Materialien als Partikel enthalten, ist die unterschiedliche Dichte der Partikel und der Wärmeträgerflüssigkeit. Ist die Dichte der Partikel geringer als die Dichte der Trägerflüssigkeit, so schwimmen die Partikel auf, und sammeln sich, woraus eine Separation resultiert. Dieser Effekt tritt auch bei Partikeln auf, deren Dichte größer ist als die der Trägerflüssigkeit, jedoch sinken die Partikel hierbei zu Boden des jeweiligen thermischen Systems. Tritt der besagte Dichteunterschied im Speziellen im Betriebstemperaturbereich des thermischen Systems auf, so ergeben sich aufgrund der beschriebenen Separation Nachteile hinsichtlich der Wärmeübertragung zwischen Partikeln und Trägerflüssigkeit.
Darüber hinaus neigen die Partikel mit mikroverkapselten Paraffinen oder mit anderen umhüllten, einen fest-flüssig Phasenübergang aufweisenden Materialien dazu, zu agglomerieren, woraus sich die gleichen negativen Effekte wie bei der zuvor beschriebenen Separa- tion aufgrund von Dichteunterschieden zwischen Partikeln und Trägerflüssigkeit ergeben.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Latentwärmespeichermedium bereitzustellen, welches die zuvor beschriebenen Nachteile des Latentwärmespeichermediums gemäß dem Stand der Technik überwindet und eine höhere spezifische Wärmespeicherkapazität aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung das Latentwärmespeichermedium gemäß Anspruch 1 bereit, wobei das Latentwärmespeichermedium wenigstens zwei Latentwärmespeicherkomponenten umfasst, die in einem Betriebstemperaturbereich des Latentwärmespeichermediums jeweils einen Phasenübergang aufweisen, wobei wenigstens eine La- tentwärmespeicherkomponente zumindest ein Latentwärmespeicherelement aufweist, das beim Phasenübergang formstabil bleibt. Bei einem Ladezyklus wird das Latentwärmespeichermedium von einer Ausgangstemperatur unterhalb der beiden Phasenübergangstempe- raturen(bereiche), auf eine Zieltemperatur oberhalb der beiden Phasenübergangstempera- turen(bereiche) erhitzt. Bei einigen Komponenten (z.B. Wasser) erfolgt der Phasenüber- gang im Wesentlichen bei Überschreiten einer bestimmten Phasenübergangstemperatur, während bei anderen Komponenten (z.B. Polyethylen, Paraffingemisch, etc.) ein Phasen- übergangstemperaturenbereich durchschritten werden muss, um den Phasenübergang zu bewerkstelligen. Beim Beladen des Wärmespeichermediums wird die Latentwärme beider Komponenten als Wärme gespeichert und beim Entladen entsprechend freigesetzt. Da- durch, dass beide Komponenten im Betriebstemperaturbereich des Latentwärmespeichermediums einen Phasenübergang aufweisen, weist das erfindungsgemäße Latentwärmespeichermedium eine höhere Wärmespeicherkapazität auf als das herkömmliche Latentwärmespeichermedium. Der Begriff „formstabil" ist so zu verstehen, dass der entsprechende Bereich des Latentwärmespeicherelements selbst nach dem Phasenübergang durch Überschreiten des Übergangstemperaturbereichs seine Formbeständigkeit beibehält und seine Konsistenz - im Gegensatz zu einer Flüssigkeit - so beschaffen ist, dass einer von außen angreifenden Kraft ein gewisser Widerstand entgegengesetzt wird, wobei der Begriff „formstabil" eine geleeartige Konsistenz, in Abgrenzung zu einer schmelzeähnlichen Konsistenz, noch umfasst. Somit weist der entsprechende Bereich des Latentwärmespeicher- elements auch nach Überschreitung des Übergangstemperaturbereichs Formelastizität auf. Durch die beschriebene Formstabilität bzw. Formelastizität des entsprechenden Bereiches des Latentwärmespeicherelements ist die von Flüssigkeiten her bekannte, bereits durch geringste äußere Krafteinwirkung hervorgerufene Formänderung wirkungsvoll unterbunden. Da auch die nicht formstabile Komponente des Latentwärmespeichermediums eine Latent- Wärmespeicherkomponente ist, die einen ähnlichen Phasenübergangstemperaturwert oder -bereich aufweist, ist zusätzlich die Latentwärme der zweiten Latentwärmespeicherkomponente nutzbar.
- A - Infolgedessen erhöht sich die spezifische Wärmespeicherkapazität des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermediums signifikant gegenüber dem herkömmlichen Latentwärmespeichermedium mit nur einer Latentwärmespeicherkomponente und einer Trägerflüssigkeit.
Weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach der vorangegangenen Ausführung, wobei die Latentwärmespeicherkomponenten ähnliche, vorzugsweise identische Phasenübergangstemperaturen bzw. ähnliche, vorzugsweise sich überlappende Phasenübergangstemperaturenbereiche aufweisen. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass selbst innerhalb eines geringen Betriebstemperaturbereichs von ca. 3OK, vorzugsweise 2OK, bevorzugt 10K und besonders bevorzugt 5K große Energiemengen aufgrund der Phasenübergange beider Latentwärmespeicherkomponenten aufnehmbar bzw. freisetzbar sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach der vorangegangenen Ausführung, wobei die erste Komponente zumindest abschnittsweise einen fest-fest Phasenübergang aufweist. Weil die erste Latentwärmespeicherkomponente innerhalb eines vorbestimmten Phasenübergangstemperaturbereichs einen reversiblen fest-fest Phasenübergang aufweist, liegen die Latentwärrnespeicherkom- ponenten auch jenseits beider Phasenübergangstemperaturen(bereiche) separiert voneinander vor. Dadurch wird die Ausbildung eines entsprechend größeren, zusammenhängenden Bereiches vermieden, wodurch sich insbesondere bei einem Abkühlen des thermischen Systems mit Unterschreiten der Übergangstemperaturen(bereiche) Probleme hinsichtlich großflächiger oder großvolumiger Ablagerungen innerhalb des thermischen Sys- tems ergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei die zweite Komponente abschnittsweise einen fest-flüssig Phasenübergang aufweist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass ein kostengünstigeres Material als für den fest-fest Phasenübergang eingesetzt werden kann, und dass im flüssigen Zustand der zweiten Komponente eine Suspension entsteht, in welcher die erste Komponente den fein verteilten Feststoff bildet. Die erste Komponente ist dabei von der zweiten Komponente umgeben, so dass Wärme optimal zwischen beiden Komponenten übertragen wird. Durch den Phasenübergang der zweiten Komponente wird die Suspension quasi „eingefroren", so dass auch in diesem Zustand eine optimale Wärmeübertragung zwischen beiden Komponenten bewerkstelligt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei das Latentwärmespeicherelement der ersten Latentwärmespeicherkomponente ein Polymer, bevorzugt Polyethylen enthält. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Material kostengünstig bereitstellbar ist. Polymere Materialien sind generell kostengünstig, haben eine relativ hohe Phasenüber- gangsenthalpie und sind gegenüber vielen Chemikalien bzw. Flüssigkeiten beständig. Zudem sind polymere Materialien nicht toxisch und umweltverträglich. Es kann ebenso von Vorteil sein, dass das polymere Material ein thermoplastisch verarbeitbares Polymer ist. Diese Polymere lassen sich besonders einfach und günstig verarbeiten. Zudem kann von es Vorteil sein, dass das polymere Material ein zumindest teilweise kristalliner Thermoplast, vorzugsweise Polyethylen, ist. Die zumindest teilweise kristallinen Thermoplaste weisen hohe Phasenübergangsenthalpien auf. Polyethylen als Vertreter dieser Materialien ist besonders kostengünstig. Weitere denkbare Materialien neben Polyethylen sind z.B. Polypropylen oder Polyamid. Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass der kristalline Anteil des polymeren Materials gleich oder größer 20 % ist. Hieraus resultieren besonders hohe Phasenübergangsenthalpien. Außerdem kann es von Vorteil sein, dass das polymere Material eine Phasenübergangsenthalpie von wenigstens 50 J/g aufweist. Solche Phasenübergangsenthalpien führen zu äußerst leistungsfähigen Latentwärmespeichermedien mit hohen Energiedichten, die große Wärmemengen speichern können. Auch ist denkbar, dass in dem Polymer Silangruppen vorgesehen sind, die beim Einsatz in einem Latentwärme- speichermedium und unter Einwirkung von Wärmeenergie bzw. gegebenenfalls unter Einwirkung von Druck die gewünschte Vernetzung des Materials hervorrufen.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei das Latentwärmespeicherelement der ersten Latentwärmespeicherkomponente im Wesentlichen gekrümeltes, vemetztes Polyethylen aufweist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Material kostengünstig bereitstellbar ist. Polymere Materialien sind generell kostengünstig, haben eine relativ hohe Phasenübergangsenthalpie und sind gegenüber vielen Chemikalien bzw. Flüssigkeiten beständig. Zudem sind polymere Materialien nicht toxisch und umweltverträglich. Es kann von Vorteil sein, dass das polymere Material zumindest teilweise vernetzt ist und der vernetzte Volumenanteil vorzugsweise gleich oder größer 90 % ist. Die Vernetzung kann bewirken, dass das polymere Material bei Überschreitung der Schmelztemperatur nicht in den flüssigen bzw. schmelzeförmigen Zustand übergeht, sondern lediglich weicher wird, dabei aber fσrmstabil und formelastisch bleibt. Zudem kann die Vernetzung bewirken, dass Krümel aus einem solchen Material nach Überschreiten des Phasenübergangstemperaturbereichs nicht aneinander haften bzw. miteinander verschweißen. Ein Aufbrechen eines solchen Krümels ist unproblematisch, da im Gegensatz zur Mikroverkapselung von z.B. Paraffinen keine flüssige Phase freigesetzt wird. Für die Vernetzung des Polymers kommen verschiedene Methoden infrage. Hierzu zählen beispielsweise die peroxidisch-initiierte Vernetzung über freie Radikale, die Vernetzung mittels aufgepfropfter Silangruppen oder aber das Elektronenstrahlvernetzen. Es kann günstig sein, dass die größte Ausdehnung der einzelnen Latentwärmespeicherelemente in einer beliebigen Raumrichtung einen Wert von 2 μm nicht unterschreitet und einen Wert von 5 mm nicht überschreitet. Entsprechende Größen sind mit vertretbarem Aufwand herstellbar und darüber hinaus noch gut handhabbar. Auch kann es günstig sein, dass die als Krümel bzw. Partikel vorliegenden Latentwär- mespeicheretemeπte der ersten Latentwärmespeicherkomponente im Wesentlichen kugelförmig oder linsenförmig oder als räumliche Polyeder ausgebildet sind. Die Kugelform beispielsweise bietet Vorteile hinsichtlich einer besseren Zirkulationsfähigkeit im Vergleich zu kantigen Partikeln, die eventuell miteinander verhaken können.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei das Latentwärmespeicherelement der ersten Latentwärmespeicherkomponente eine beim Phasenübergang formstabile Hülle und einen schmelzenden Kern enthält. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass dieser Auf- bau beispielsweise für eine gezielte Anpassung der Dichte der ersten Komponente an die Dichte der zweiten Komponente günstig sein kann. Zudem kann das Hüllenmaterial derart ausgebildet sein, dass eine gegenseitige Abstoßung der Latentwärmespeicherelemente der ersten Latentwärmespeicherkomponente innerhalb der zweiten Latentwärmespeicherkomponente resultiert und so eine Agglomeration der Latentwärmespeicherelemente wirksam unterbunden wird. Außerdem kann es vorteilhaft sein, dass die Materialien von Kern und Hülle unterschiedlich sind. Dies schließt auch die Möglichkeit ein, dass Hülle und Kern aus dem gleichen Werkstoff gefertigt sind, jedoch unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, beispielsweise hervorgerufen durch einen unterschiedlichen Vernetzungsgrad (z.B. >=90 % im Bereich der Hülle; <= 90 % im Kern). Zudem kann es günstig sein, dass oberhalb beider Phasenübergangstemperaturen(be- reiche) zwischen der Dichte der ersten Latentwärmespeicherkomponente und der Dichte der zweiten Latentwärmespeicherkomponente ein Unterschied von kleiner oder gleich 15 %, vorzugsweise von kleiner oder gleich 10 %, besteht. Es kann vorteilhaft sein, dass der Volumenanteil der ersten Latentwärmespeicherkomponente höchstens 60 % beträgt. Höhere Volumenanteile wirken sich beispielsweise negativ auf die Zirkulation des Latentwärmespeichermediums aus.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei ein Kern des Latentwärmespeicher- elements der ersten Latentwärmespeicherkomponente Paraffin enthält. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass durch Verwendung eines geeigneten Paraffins bzw. Paraffingemischs die gewünschte Phasenübergangstemperatur bzw. der gewünschte Phasenübergangstemperaturbereich der ersten Latentwärmespeicherkomponente gezielt einstellbar ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei ein Kern des Latentwärmespeicherelements der ersten Latentwärmespeicherkomponente Wasser enthält. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass Wasser als Wärmespeichermedium einen breiten Betriebstemperaturenbereich abdeckt und vergleichsweise gut zu handhaben ist. Zur Anpassung an den jeweils gewünschten Betriebstemperaturenbereich können weitere Stoffe bzw. Flüssig- keiten zugesetzt sein. Beispielsweise ist es möglich, dem Wasser Alkohole oder Salze zuzusetzen. Hierdurch kann eine gezielte Dichteanpassung der ersten Latentwärmespeicherkomponente an die zweite Komponente durchgeführt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei die erste Komponente eine Schüt- tung aus diskreten Latentwärmespeicherelementen darstellt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Latentwärmespeicherelemente der ersten Latentwärmespeicherkomponente gleichmäßig in der zweiten Latentwärmespeicherkomponente verteilt werden können, so dass sie vollständig von der zweiten Latentwärmespeicherkomponente umgeben sind, weil die Schüttung genug Freiräume lässt, die von der zweiten Komponente durchsetzt werden können. Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei die zweite Latentwärmespeicherkomponente Paraffin enthält. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass durch Anwendung eines geeigneten Paraffins bzw. Paraffingemischs die Phasenübergangstemperatur der zweiten Latentwärmespeicherkomponente gezielt eingestellt werden kann und beispielsweise auf die Phasenübergangstemperatur der ersten Latentwärmespeicherkomponente abgestimmt werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei die zweite Latentwärmespeicher- komponente Wasser enthält. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass Wasser einen breiten Betriebstemperaturenbereich abdeckt und vergleichsweise gut zu handhaben ist. Zur Anpassung an den jeweiligen gewünschten Betriebstemperaturenbereich können weitere Stoffe bzw. Flüssigkeiten vorgesehen sein. Beispielsweise ist es möglich, dem Wasser Alkohole oder Salze zuzusetzen. Hierdurch kann ebenso eine gezielte Anpassung der Dichte der zweiten Latentwärmespeicherkomponente an die Dichte der ersten Latentwärmespeicherkomponente durchgeführt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei das Latentwärmespeichermedium wenigstens eine dritte Komponente aufweist, über die Strahlungsenergie eingekoppelt wer- den kann. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Latentwärmespeichermedium vielseitiger einsetzbar ist und anderen Energieübertragungsarten zugänglich ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei das Latentwärmespeichermedium wenigstens eine dritte Komponente mit gegenüber den ersten und zweiten Latentwärme- Speicherkomponenten erhöhter Wärmeleitfähigkeit aufweist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Vorgänge der Beladung und der Entladung des Wärmespeichermediums weniger Zeit vereinnahmen.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft eine Latentwärmespeichervorrichtung, umfassend das Latentwärmespeichermedium nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei das Latentwärmespeichermedium wenigstens teilweise von einem
Behälter umgeben ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Latentwärmespeichervorrichtung in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzbar ist. Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft eine Latentwärmespeichervorrichtung nach der vorangegangenen Ausführung, wobei die Latentwärmespeichervorrichtung eine Wärmeübertragungseinrichtung aufweist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Latentwärmespeichervorrichtung einfach mit anderen Wärmeübertragungs- bzw. Wär- meaustaυschsystemen koppelbar ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft eine Latentwärmespeichervorrichtung nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei die Latentwärmespeichervorrichtung eine Wärmedämmung aufweist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Latentwärmespeichervorrichtung eine geringe Verlustleistung und einen hohen Wirkungs- grad aufweist.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft eine Latentwärmespeichervorrichtung nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei die Behälterhülle als Wärmeübertragungseinrichtung ausgebildet ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Latentwärmespeichermedium ausgehend von einer Behälterwand beheizt wird, so dass die Gefahr von kalten Stellen, die nicht auf die Zieltemperatur erhitzt werden können, verringert wird. Vorzugsweise ist die Behälterhülle als (Teil einer) Wärmeübertragungseinrichtung ausgebildet und/oder zumindest ein Wärmeübertragungsrohr zieht sich als (zusätzlicher Teil der) Wärmeübertragungseinrichtung in Form einer Schleife bzw. Spirale durch das Behältervolumen hindurch.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft eine Latentwärmespeichervorrichtung nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei die Latentwärmespeichervorrichtung transportabel ausgeführt ist und somit zum Transport von Wärme geeignet ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass Wärme einer anderen Stelle bereitgestellt werden kann, als die Wärme zuvor gespeichert wurde.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft eine Latentwärmespeichervorrichtung nach einer der vorangegangenen Ausführungen, wobei die Latentwärmespeicher- vorrichtung einen über eine Verschlusseinrichtung zugänglichen Hohlraum aufweist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass beliebige Gegenstände in den Hohlraum gebracht werden können, um die Gegenstände mit der in der Latentwärmespeichervorrichtung gespeicher- ten Wärme zu erwärmen. Schließlich kann bei einer weiteren bevorzugte Ausführung der Erfindung das verbleibende Volumen zwischen den Wärmespeicherelementen mit einem Inertgas gefüllt, um eine Oxi- dation bzw. vorzeitige Wärmealterung der Wärmespeicherelemente zu verhindern.
In einer Abwandlung der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, ein Latentwärme- speichermedium mit einer Latentwärmespeicherkomponente, die in einem Betriebstemperaturbereich des Latentwärmespeichermediums einen Phasenübergang aufweist, vorzusehen, wobei eine weitere Komponente mit gegenüber der Latentwärmespeicherkomponente erhöhter Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist.
Im einfachsten Fall wird dies durch Zugabe von Graphit- oder Metallpartikel in Form bei- spielsweise von Pulver oder Spänen zu der Latentwärmespeicherkomponente erreicht.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass beim Phasenübergang der Latentwärmespeicherkomponente kein Schmelzen des Materials auftritt, welches zu einer Trennung der Komponente mit erhöhter Leitfähigkeit von der Latentwärmespeicherkomponente auf Grund des Dichteunterschiedes führt.
Es ist aber auch möglich, andersartige Vorkehrungen zu treffen, um eine Separation der Partikel von der Latentwärmespeicherkomponente zu vermeiden, falls ein Schmelzen eintritt.
Dies kann konstruktive Maßnahmen umfassen oder die homogene Verteilung und Verankerung der Partikel in bzw. an der Komponente. Auch das gezielte Einstellen bestimmter Oberflächeneigenschaften der Partikel oder der Komponente kann hierbei vorteilhaft genutzt werden.
Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung kann ein Latentwärmespeicher mit erheblich verbesserten Wärmespeicher-/Wärmeübertragungseigenschaften geschaffen werden.
Kurze Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Latentwärmespeichervorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermedium gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht einer erftndungsgemäßen Latentwärmespeichervorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermedium gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermedium mit wenigstens zwei Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2, die in einem Betriebstemperaturbereich des Latentwärmespeichermediums jeweils einen Phasenübergang aufweisen, wobei wenigstens eine Latentwärmespeicherkomponente 1 zumindest ein Latentwärmespeicherelement aufweist, das beim Phasenübergang formstabil bleibt. Dabei weisen die Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 ähnliche, vorzugsweise identische Phasenübergangstemperaturen bzw. ähnliche, vorzugsweise sich überlappende Phasenübergangstemperaturbereiche auf. Der Betriebstemperaturbereich des Latentwärmespeichermediums überspannt vorzugsweise einen Temperaturbereich von ca. 3OK, vorzugsweise 2OK, bevorzugt 10K, besonders bevorzugt 5K, und liegt im Allgemeinen zwischen +110 0C und +140 0C, vorzugsweise zwischen +115 0C und +135 0C, bevorzugt zwischen +120 0C und +130 °C. Unterhalb der Phasen- übergangstemperaturen(bereiche) der beiden Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 sind beide Komponenten 1 , 2 fest. Oberhalb der Phasenübergangstemperaturen(bereiche) der beiden Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 ist die erste Latentwärmespeicherkompo- nente 1 fest und die zweite Latentwärmespeicherkomponente 2 vorzugsweise flüssig, wobei sich eine Suspension bildet und die Latentwärmespeicherelemente der ersten Latentwärmespeicherkomponente 1 in der zweiten Latentwärmespeicherkomponente 2 vorzugsweise gleichmäßig verteilt sind.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Latentwärmespeichervorrichtung mit dem erfindungs- gemäßen Latentwärmespeichermedium, umfassend die erste (Latentwärmespeicher-)Kom- ponente 1 mit einer Vielzahl von diskreten (Latent-)Wärmespeicherelementen, die beim Phasenübergang formstabil bleiben, und die beim Phasenübergang schmelzende, zweite (Latentwärmespeicher-)Komponente 2. Die erste Komponente 1 stellt vorzugsweise eine Schüttung aus einer Vielzahl von diskreten Wärmespeicherelementen dar, wobei die La- tentwärmespeicherelemente der ersten Latentwärmespeicherkomponente 1 in der zweiten Latentwärmespeicherkomponente 2 vorzugsweise gleichmäßig verteilt und von der zweiten Latentwärmespeicherkomponente 2 vorzugsweise vollständig umgeben sind. Eine dritte Komponente 3, die später erläutert wird, ist mit der zweiten Komponente 2 vermischt und/oder in die erste Komponente 1 eingebettet. Ein Wärmeübertragungsrohr 4, durch welches ein Wärmeübertragungsmedium zum Wärmeaustausch mit dem erfindungsgemäßen Latentwärmespeichermedium hindurchleitbar ist, zieht sich mäanderförmig und/oder spiralförmig und/oder schleifenförmig durch das von einem Behälter 5 umschlossene Volumen und bildet einen Teil einer Wärmeübertragungseinrichtung. Alternativ oder zusätzlich ist die BehälterhüHe bzw. Behälterwand als (Teil der) Wärmeübertragungseinrichtung ausgebildet, wobei das Wärmeübertragungsmedium dicht unter der Behälterwand vorbeigeführt wird, um den Wärmeaustausch mit dem Latentwärmespeichermedium zu bewerkstelligen. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Behälter 5 eine Wärmedämmung 6, die außerhalb einer gegebenenfalls in die Behälterwand integrierten Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet ist. Die Latentwärmespeichervorrichtung ist transportabel ausgeführt und kann mit beliebigen Wärmetransportsystemen, z.B. im Bereich Solarwärmetauscher oder Biogasanlagen, zum Einsatz gebracht werden.
Die Latentwärmespeicherelemente der ersten Latentwärmespeicherkomponente 1 sind
Krümel bzw. Partikel aus granuliertem bzw. gekrümeltem, vernetztem Polyethylen. Vernetz- tes Polyethylen ist beim Phasenübergang formstabii und weist einen fest-fest Phasenübergang auf. Die Phasenübergangstemperatur liegt zwischen 110° C und 140° C, vorzugsweise zwischen 120 0C und 130 0C, besonders bevorzugt bei ca. 125 0C. Der Vernetzungs- grad des Polyethylens beträgt im Bereich der Hülle der Wärmespeicherelemente der ersten Komponente mindestens 90 %. Die Vernetzung bewirkt, dass das polymerere Material bei Überschreitung der Phasenübergangstemperatur nicht in den flüssigen bzw. schmelzeför- migen Zustand übergeht, sondern lediglich weicher wird, dabei aber formstabil und formelastisch bleibt. Zudem bewirkt die Vernetzung, dass die Wärmespeicherelemente aus ei- nem solchen Material nach Überschreiten der Phasenübergangstemperatur bzw. des Phasenübergangstemperaturbereichs nicht aneinander haften bzw. miteinander verschweißt sind. Für die Vernetzung des Polyethylens kommen verschiedene Methoden in Frage. Hierzu zählen beispielsweise die peroxidisch-initiierte Vernetzung über freie Radikale, die Vernetzung mittels aufgepfropfter Silangruppen oder aber das elektronische Strahlungsver- netzen. Die Ausdehnung der einzelnen diskreten Wärmespeicherelemente in einer beliebigen Raumrichtung unterschreitet den Wert von 2 μm nicht und überschreitet einen Wert von 5 mm ebenfalls nicht. Die diskreten Wärmespeicherelemente der ersten Komponente 1 sind im Wesentlichen kugelförmig oder linsenförmig oder als räumliche Polyeder ausgebildet, wobei die Kugelform bevorzugt wird. Hervorgerufen durch vom Rand nach innen abnehmende Vernetzungsgrade, können die diskreten Wärmespeicherelemente der ersten Komponente 1 nach Bedarf nur abschnittsweise einen fest-fest Phasenübergang im Bereich der Hülle und abschnittsweise einen festflüssig Phasenübergang im Bereich eines schmelzenden Kerns enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Kerne der ersten Komponente 1 Paraffin bzw. ein Paraffingemisch oder Wasser enthalten, um bestimmte physikalische Eigenschaften der ersten Komponente 1 , wie z.B. Phasenübergangstemperatur bzw. Phasenübergangstemperaturbereich, Dichte, Wärmeleitfähigkeit etc. gezielt einzustellen und auf die physikalischen Eigenschaften der zweiten Komponente 2 abzustimmen.
Die zweite Komponente 2 weist einen fest-flüssigen Phasenübergang auf und enthält vorzugsweise Paraffin oder Wasser mit entsprechenden Alkoholen oder Salzen als Zusatzstoffen, um die physikalischen Eigenschaften der zweiten Komponente 2, insbesondere im - Hinblick auf die Phasenübergangstemperatur bzw. den Phasenübergangstemperaturbereich, die Dichte und/oder die Wärmeleitfähigkeit gezielt einzustellen. Die zweite Kompo- nente 2 weist eine ähnliche, vorzugsweise identische Phasenübergangstemperatur bzw. einen ähnlichen, vorzugsweise identischen Phasenübergangstemperaturbereich auf, wie die erste Komponente 1. Dabei weisen die Phasenübergangstemperaturen(bereiche) der beiden Komponenten 1 , 2 einen maximalen Temperaturabstand von 25K, vorzugsweise 10K, bevorzugt 5K, und besonders bevorzugt einen sich überlappenden Phasenübergangs- temperaturbereich auf. Die Phasenübergangstemperatur bzw. der Phasenübergangstemperaturbereich der zweiten Komponente 2 liegt im Allgemeinen zwischen +110 °C und +140 0C, vorzugsweise zwischen +120 0C und +130 0C, bevorzugt bei etwa +125 0C.
Das erfindungsgemäße Latentwärmespeichermedium gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist eine dritte Komponente 3 auf, über die Strahlungsenergie eingekoppelt werden kann. Die dritte Komponente 3 weist gegenüber der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf. Die dritte Komponente 3 kann in beliebiger Form vorliegen, z.B. als Graphitplättchen, und kann in die erste Komponente 1 eingebettet und/oder mit der zweiten Komponente 2 vermischt sein. Zum Beladen des Latentwärmespeichermediums wird das Latentwärmespeichermedium durch Wärmeeintrag über die Wärmeübertragungseinrichtung von einer Temperatur unterhalb der Phasenübergangstemperaturen(bereiche) der beiden Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 (z.B. +120 0C) auf eine Temperatur oberhalb der Phasenübergangstempera- turen(bereiche) der beiden Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 (z.B. +130 °C) erhitzt, so dass der Phasenübergang bei beiden Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 bewerkstelligt wird und die erste Latentwärmespeicherkomponente 1 in einem festen Zustand und die zweite Latentwärmespeicherkomponente 2 vorzugsweise in einem flüssigen Zustand vorliegt.
Zum Entladen des Latentwärmespeichermediums wird das Latentwärmespeichermedium durch Wärmeabfuhr über die Wärmeübertragungseinrichtung von einer Temperatur oberhalb der Phasenübergangstemperaturen(bereiche) der beiden Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 (z.B. +130 "C) auf eine Temperatur unterhalb der Phasenübergangstempe- raturen(bereiche) der beiden Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 (z.B. +120 0C) abge- kühlt, so dass der Phasenübergang bei beiden Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 bewerkstelligt wird und beide Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 in einem festen Zustand vorliegen.
Der Ladezyklus des Latentwärmespeichermediums ist beliebig oft wiederholbar.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 2 be- schrieben. Die erfindungsgemäße Latentwärmespeichervorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 umfasst einen Behälter 5, in dem sich das erfindungsgemäße Latentwärmespeichermedium mit den Latentwärmespeicherkomponenten 1 , 2 befindet. Der Behälter 5 weist eine Wärmedämmung 6 auf und definiert einen mit einem isolierten und wärmegedämmten Verschlusselement bzw. Deckel 7 verschließbaren Hohlraum 9. Ein Teil 8 der Wärmedämmung 6 kann entfernt werden, um eine Wärmeübertragung über eine Wand des Behälters 5 zu ermöglichen.
Bei der erfindungsgemäßen Latentwärmespeichervorrichtung, die vorzugsweise als Topf ausgebildet ist, wird die Wärmedämmung 8 entfernt, wenn die Latentwärmespeichervorrichtung so positioniert ist, dass der Boden davon beheizt wird. Der Behälterboden 5 kann z.B. mittels Parabolspiegel aufgeheizt werden. Nach der Aufladung wird die Wärmedämmung 8 wieder eingesetzt. Die gespeicherte Wärme kann zu einem späteren Zeitpunkt bereitgestellt werden, z.B. um darin Speisen zu erwärmen. Die Latentwärmespeichervorrichtung ist gekapselt und demnach wartungsfrei.

Claims

Patentansprüche
1. Latentwärmespeichermedium mit wenigstens zwei Latentwärmespeicherkomponenten (1 , 2), die in einem Betriebstemperaturbereich des Latentwärmespeichermediums jeweils einen Phasenübergang aufweisen, wobei wenigstens eine Latentwärmespeicherkomponente (1) zumindest ein Latentwärmespeicherelement aufweist, das beim Phasenübergang formstabil bleibt.
2. Latentwärmespeichermedium nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeicherkomponenten (1 , 2) ähnliche, vorzugsweise identische Phasenübergangstemperaturen bzw. ähnliche, vorzugsweise sich überlappende Phasenübergangstemperaturbereiche aufweisen.
3. Latentwärmespeichermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Latentwärmespeicherkomponente (1) zumindest abschnittsweise einen fest-fest Phasenübergang aufweist.
4. Latentwärmespeichermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Latentwärmespeicherkomponente (2) zumindest ab- schnittsweise einen fest-flüssig Phasenübergang aufweist.
5. Latentwärmespeichermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeicherelement der ersten Latentwärmespeicherkomponente (1 ) ein Polymer, bevorzugt ein vernetztes oder unvemetztes PoIy- ethylen enthält.
6. Latentwärmespeichermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeicherelement der ersten Latentwärmespeicherkomponente (1) eine beim Phasenübergang formstabile Hülle und einen schmelzenden Kern enthält.
7. Latentwärmespeichermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeicherelement der ersten Latentwärmespeicherkomponente (1 ) Paraffin oder Wasser enthält.
8. Latentwärmespeichermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die erste Latentwärmespeicherkomponente (1) eine Schüttung aus diskreten Wärmespeicherelementen darstellt.
9. Latentwärmesperchermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Latentwärmespeicherkomponente (2) Paraffin oder Wasser enthält.
10. Latentwärmespeichermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermedium eine dritte Komponente (3) aufweist, über die Strahlungsenergie eingekoppelt werden kann.
11. Latentwärmespeichermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermedium eine dritte Komponente (3) mit gegenüber den ersten und zweiten Komponenten (1 , 2) erhöhter Wärmeleitfähigkeit aufweist.
12. Latentwärmespeichervorrichtung, umfassend das Latentwärmespeichermedium nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermedium zumindest teilweise von einem Behälter (5) mit oder ohne Wärme- dämmung umgeben ist.
13. Latentwärmespeichervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeichervorrichtung eine Wärmeübertragungseinrichtung (4) aufweist.
14. Latentwärmespeichervorrichtung nach einer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeichervorrichtung transportabel ausgeführt und somit zum Transport von Wärme geeignet ist.
15. Latentwärmespeichervorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verbleibende Volumen zwischen den Latentwärmespeicherelementen im Behälter (5) mit einem Inertgas gefüllt ist.
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