DE2741829A1

DE2741829A1 - Latentwaermespeicher

Info

Publication number: DE2741829A1
Application number: DE19772741829
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Phys Schmidberger
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1977-09-16
Filing date: 1977-09-16
Publication date: 1979-03-22
Also published as: DE2741829B2

Description

Latentwärmespeicher
Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher mit aus Paraffin bestehendem Speichermedium.
Aus der DT-OS 23 05 504 ist eine aufladbar Vorrichtung zur Speicherung von Wärme oder Kälte bekannt. Hierbei wird die Temperatur bei des Phasenumwandlung eines chemischen Stoffes dazu ausgenutzt, ein Heizkissen zu betreiben.
Zur Speicherung von Wärmeenergie in Temperaturbereich bis 1000 C werden derzeit Wasserspeicher verwendet, die folgende Vorteile aufweisen: - niedrige Kosten des Speichermediums - hohe Wärmekapazität (4, 18 kJ/kg . grad) - schnelle Reaktonszeit durch konvektiven Wärmeaustausch.
Wärmespeicherung mittels Wasser findet sowohl im Haushalt wie auch im industriellen Bereich Anwendung. Nachteilig ist jedoch, dass jede Wärmeentnahme oder Wärmezufuhr mit einer Temperaturänderung des Wassers verbunden ist. Beispielsweise wird im Haushalt (Warmwasserbereitung, Heizung, Speicherung von Solarenergie) eine Wassertemperatur von ca. 40 bis 500 C benötigt. Um diese Temperatur als konstante Wasserabgabetemperatur zur Verfügung zu stellen, muss der Speicher auf höhere Temperaturen erwärmt werden und durch Zumischen von Kaltwasser wird die gewünschte Endtemperatur eingestellt.
Die Maximaltemperatur, auf die der Speicherbehälter erhitzt werden muss, ist umso höher, je höher die verlangte Speicherkapazität ist. Bei hoher Speichertemperatur sind jedoch die Wärmeverluste hoch, oder es müssen aufwendige Isolierungsmassnahmen getroffen werden, um die Verluste klein zu halten.
Durch Verwendung von Latentwärmespeichern mit einem Speichermaterial, das z. B. den Phasenwechsel fest - flüssig bei der gewünschten Abgabetemperatur vollzieht, können die erwähnten Nachteile der Warmwasserspeicherung umgangen werden. Dieses an sich bekannte und für verschiedene Anwendungsfälle genutzte Latentwärmespeicherungsverfahren weist jedoch einen erheblichen Nachteil auf, der seine Anwendung bisher entscheidend behindert hat.
Befindet sich das Latentwrrmespeichermaterial im festen Zustand (nach Abgabe seiner Latentwärme) so erfolgt die Wärmezufuhr oder weitere Wärmeentnahme nicht mehr durch Konvektion, sondern nur durch Wärmeleitung, was mit grosser zeitlicher Trägheit des Speichers verbunden ist und zu Wärmeverlusten führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Latentwärmespeicher zu schaffen, bei dem die Wärmezufuhr und Wärmeabgabe im wesentlichen durch Konvektion erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ummantelte Paraffinteilchen in Kugelform oder aber geometrisch unregelmässiger Form das Latentwärmespeichermedium bilden und der Raum zwischen den ummantelten Paraffinteilchen mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser gefüllt ist. Die Ummantelung kann aus Kunststoff, Metall oder Glas bestehen und weist vorzugsweise nur eine geringe Wandstärke auf.
Der erfindungsgemässe Speicher besteht aus einer Mischung von Latentwärmespeichermaterial und einem wärmeübertragenden Medium, das im gesamten in Frage kommenden Temperaturbereich flüssig ist und somit eine konvektive Wärmeübertragung ermöglicht. Das Latentwärmespeichermaterial ist in feiner Form in der Flüssigkeit verteilt, so dass im festen Zustand des Latentwärmespeichermaterials die Wärme durch Wärme leitung nur über sehr kurze Wege uebertragen wird.
Die vorzugsweise gewählte Kunststoffummantelung der Paraffin teilchen ist elastisch oder starr und kann durch Tauchen oder Lackieren aufgebracht werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Kunststoffummantelung nur geringe Wandstärken aufweist, da hierdurch der Raumverlust durch nicht am Wärmespeicherprozess teilnehmendes Material gering gehalten wird. Zur Verbesserung der Wärmekonvektion können die kunststoffummantelten Paraffinteilchen eine rauhe Oberfläche aufweisen. Die Grösse der Paraffinteilchen wird vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2 bis 10 mm liegen; dies bietet ausserdem noch den Vorteil, dass die Paraffinteilchen zusammen mit dem sie umgebenden Wasser ein fliessfähiges Gemisch bilden, das zur direkten Wärmee inspe ic herung beispielsweise Solarkollektoren durchfliessen kann und dann in einem Sammelbehälter gesammelt wird.
Ausserdem kann das iliessfähige Gemisch von einem Behälter in einen anderen Behälter gepumpt werden oder aber die Wärmeabgabe beim Erstarren des Paraffins kann durch z. B. Rühren oder Umpumpen erheblich verbessert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und den Ausftüirungsbeispielen, die nachfolgend beschrieben sind.
Es zeigen: Figur 1 einenLatentwärnespeicher gemäss der Erfindung, Figur 2 ein kugelförmiges Paraffinteilchen, das von Kunststoff ummantelt ist und Figur 3 ein unregelmässig geformtes Paraffinteilchen, das von Kunststoff ummantelt ist.
Figur 1 zeigt einen Speicherbehälter 2 rechteckiger Gestalt, mit Behälterwandungen 4, einem Speichermedium 6, eipem Lditungsrohr 8 und zwei Rohrschlangen 10 und li, die das Speichernedium 6 durchlaufen. Rohrschlange 10 steht beispielsweise mit einem nicht gezeigten Solarkollektor in Verbindung, während Rohrschlange 11 Brauchwasser für eine Heizung oder Duschanlage liefern soll.
Im Wärmetauscherbehälter 4 befinden sich kunststoffummantelte Paraffinteilchen 16, wie sie in Figur 2 und 3 gezeigt sind.
Diese bestehen aus Paraffin 12 und einem Kunststoffilm oder einer Lackschicht 14. Das Paraffin wird als Wärmespeichermaterial verwendet. Der Schmelzbereich technischer Paraffine liegt zwischen 30 und 60°C, so dass innerhalb eines grossen Temperaturbereichs die Phasenwechseltemperatur frei gewählt werden kann. Die Phasenwechselenthalpie von Paraffin beträgt ca. 170 kJ/kg; die Kosten für technische Paraffine sind verhältnismässig gering und liegen derzeit bei ca. 1 DM/kg.
Technisches Paraffin wird in Blöcken, Platte-n oder als Granulat geliefert und nachfolgend, falls erforderlich, durch Mahlen, Aufschmelzen und Abkühlen oder Verschleudern in Teilchengrösse von etwa 2 bis 10 mm zerkleinert. Diese Paraffinteilchen werden nun bei Raumtemperatur z. B. in eine Lösung von weich- macherarmem PVC (Organosol) eingebracht, wodurch sie sich vollständig mit einer Schicht von ca. 20 bis 100 /um ummanteln. Zur Ummantelung werden entweder elastische oder formstabile Kunststoffmaterialien verwendet. Das Kunststoffmaterial soll bei der Phasenumwandlung des Paraffins die Volumenänderungen nach Möglichkeit aufnehmen.
Bei einer anderen Herstellungsform werden die Paraffinteilchen mit einem Lackfilm aus weichmacherfreiem Polyamid, einem Epoxydharz oder einem Posurethan ummantelt. Die ummantelten Paraffinteilchen 16 werden in einen Wärmetauscherbehälter 2 oder Speichertank gefüllt, so dass sie dessen Volumen möglichst vollständig ausfüllen. Der verbleibende Zwischenraum wird mit Wasser aufgefüllt. Die Ummantelung 14 der Paraffinteilchen 12 verhindert, dass das Paraffin im flüssigen Zustand zusammenläuft und bei der Abkühlung zu grossen Agglomeraten erstarrt. Würde man Paraffin und Wasser als Wärmespeicher verwenden ohne dass die Paraffinteilchen ummantelt sind, so würde sich das Paraffin wegen seines geringeren Artgewichts auf dem Wasser schwimmend absondern.
Das Paraffin würde für sich allein zu einem Block erstarren und wegen der schlechten Wärmeleitung des Paraffins im festen Zustand könnte bei der Erstarrung die Umwandlungswärme nicht in genügender Weise ausgenutzt werden.
Anders beim Gegenstand der Erfindung, hier stehen Wasser und Paraffinteilchen in enger Konvektionsverbindung, so dass die Phasenumwandlungswärme ungehindert in das Wasser übertreten kann. Eine Verstärkung des Konvektionseffektes kann noch dadurch erzielt werden, dass das Speichermaterial im Wärmetauscherbehälter umgepumpt wird, wodurch ein noch besserer Wärmeaustausch gewährleistet ist.
Das Speichermedium ist ein fliessfähiges Material, das im Bedarfsfall durch Rohrleitungen, z. B. Solarkollektoren, gepumpt werden kann.
Ein Vergleich der Wärmespeicherkapazität eines reinen Wasserwärmespeichers mit einem erfindungsgemässen Latentwärmespeicher ergibt sich aus folgend-em: Wasserspeicher mit nutzbarem Temperaturintervall von 40 - 800 C.
Bei einer Masse von 1000 kg ergibt sich eine nutzbare Wärmemenge in Höhe von 167 MJ.
Latentwärmespeicher der erfindungsgemässen Art mit 70 % Paraffin (Umwandlungstemperatur 500 C); nutzbares Temperatur intervall 40 bis 600 C; Wasseranteil 25 %; Anteil der Kunststoffummantelung 5 %. Es ergibt sich eine nutzbare Wärmemenge von 200 MJ.
Der entscheidende Vorteil eines Latentwärmespeichers gegenüber einem üblichen Wasserspeicher ist jedoch nicht die vergrösserte Wärmekapazität, sondern das enge Temperaturintervall, in dem die Wärme abgegeben wird.
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Claims

Patentansprüche Latentwärmespeicher mit aus Paraffin bestehendem Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Kunststoffilm (14) ummantelte Paraffinteilchen (12) das Latentwårmespeichermedium (6) bilden und tier Raum zwischen den ummantelten paraffintejichen (16) mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, gefüllt ist.
2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle des Kunststoffilms eine Metall£olie oder Glas zur Umhüllung der Paraffinteilchen (12) verwendet werden.
3. Latentwärmespeicher nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ummantelten Paraffinteilchen (16) Kugel-Stiftform form, Plättchenform/oder geometrisch unregelnässige Form aufweisen.
4. Latentwärmespeicher nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffummantelung (14) der Paraffinteilchen (12) elastisch oder starr ist.
5. Latentwärmespeicher nach nsprüchen L bis L, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengrösse der Paraffinteilchen 2 bis 10 mm beträgt.
6. Latentwärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kunststoffummantelten Paraffinteilchen (16) eine rauhe Oberfläche aufweisen.
7. Latentwärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffummantelung (1t) aus PVC, Polyamid, Polyurethan oder Silikon von ca. 20 bis 100 /um Dicke besteht.
8. Latentwärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (6) zusammen mit dem Wasser ein fliessfähiges Gemisch bildet.