DE3324943C2 - - Google Patents

Description

Die Gewinnung von Wärme aus Energiequellen, die hinsichtlich ihrer Verfügbarkeit zeitlichen Schwankungen unterliegen, setzt den Einsatz von Speichern voraus. Durch diese ist es möglich, bestehende Zeitvorteile zwi­ schen Wärmebedarf und Wärmeangebot zu überbrücken oder aus­ zugliedern. Der erfindungsgemäße Hochleistungswärmespeicher ist vorzugs­ weise vorgesehen für Anlagen, die der Gewinnung und Nutzung von Umweltenergie (Erdwärme, Sonnenenergie, Geothermalenergie u. a.) als auch Abfallenergie (Abwasser, Abluft u. a.) dienen.

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Die Mehrheit praktisch realisierter Wärmespeicher arbeitet auf der Basis fühlbarer Wärme, die an Speichermaterialien wie Erdreich, Wasser, Steine, Eisenblöcke, Öl, Beton u. a. übertragen oder von diesen entnommen wird. Diese Speichersysteme besitzen eine Reihe wesentlicher Nach­ teile:

• - Das Laden oder Entladen des Speichermaterials ist mit einer Erhöhung oder Erniedrigung der Speichertemperatur verbunden, die eine stete - in der Praxis sehr nachteilige - Verringe­ rung der Wärmeübertragungsleistung beim Laden und Entladen nach sich ziehen.
• - Aufgrund der bei den Speichermaterialien allgemein vorha­ denen niedrigen spezifischen Wärmekapazitäten ist das Masse/ Leistungsverhältnis im Vergleich mit den nachfolgend be­ schriebenen Hochleistungswärmespeichern sehr ungünstig.
• - Die Speicherung großer Wärmemengen ist an große Speicher­ volumina bzw. Speichermassen gebunden, die technisch häufig nur schwer realisierbar sind oder Kostenverhältnisse sehr nachteilig beeinflussen.
• - Zur Reduzierung der Speichervolumina bzw. Speichermassen auf technisch beherrschbare Größenordnungen müssen große Tem­ peraturdifferenzen zwischen Lade- und Entladezustand zuge­ lassen und die dabei eintretende starke Verringerung der Lade- bzw. Entladeleistung während des Ladens bzw. Entladens in Kauf genommen werden.
• - Die Wärme muß stets bei einem Temperaturniveau gespeichert werden, das oberhalb der Temperatur liegt, die für einen be­ stimmten Wärmeprozeß (z. B. Heizen) mindestens benötigt wird. Der Speicherprozeß arbeitet dadurch mit einer unnötigen Er­ zeugung und Vernichtung von Energie, die z. B. in Arbeitsma­ schinen viel sinnvoller eingesetzt werden könnte.

Möglichkeiten zur Abhilfe der genannten Mängel bieten Speicher, welche weniger auf der Basis fühlbarer Wärme, als auf der Basis latenter Wärme arbeiten. Diese sogenannten Latentwärmespeicher haben gegenüber o. g. Speichern folgende Vorteile:

• - Beim Laden und Entladen bleibt die Speichertemperatur wäh­ rend des Schmelzens oder Erstarrens des Wärmespeichermediums nahezu konstant. Abweichungen treten nur dann auf, wenn nach Beendigung des Schmelz- und Erstarrungsprozesses durch fortgesetzte Wärmezu- bzw. Wärmeabfuhr fühlbare Wärme über­ tragen wird, in deren Folge die Speichertemperatur steigt oder fällt.
• - Die Wärmeübertragungsleistungen bleiben beim Laden und Ent­ laden nahezu konstant.
• - Im Vergleich mit o. g. Speichern können Latentwärmespeicher in Abhängigkeit von der gewählten Speichersubstanz und der genutzten Temperaturdifferenz etwa 2-10mal mehr Wärme pro Volumen- oder Masseneinheit aufnehmen.

Die wesentlichen Nachteile, die Latentwärmespeicher aufweisen, sind folgende:

• - Geringe Wärmeübertragungsleistungen infolge der zumeist nie­ drigen Wärmeleitfähigkeit aller bekannten organischen und anorganischen Speichermaterialien und damit verbundene große Wärmeübertragungszeiten.
• - Die Neigung verschiedener - insbesondere anorganischer Sub­ stanzen - während des Prozesses der Wärmeabgabe zu unter­ kühlen und/oder sich zu entmischen (Stratifikation).

Zur Vermeidung dieser Nachteile sind verschiedene Lösungen be­ kannt, die zum Laden und Entladen eines Speichers ein Wärme­ transportmedium benutzen. Gemäß DE-AS 25 17 080 dient als Wärmetransportmedium Natrium, welches im Wechsel von Verdampfen und Kondensieren für den Wärmetransport in den Speicher hinein oder aus dem Speicher heraus sorgt und den Einsatz einer Umwälzpumpe erspart.

Lösungen dieser Art haben den Nachteil, daß das Laden und das Entladen des Speichers zeitlich immer nur nacheinander erfol­ gen können und niemals gleichzeitig. Ursachen hierfür sind die Unterschiede zwischen den Temperaturen, die beim Laden und Entladen auftreten. Das Laden eines Speichers kann stets nur beim Vorliegen einer Wärmemenge höherer Temperatur erfolgen, wobei das Entladen zu einem System niederer Temperatur erfolgt. Folglich kann ein Speicher unter Verwendung eines Wärmetrans­ portmediums nicht gleichzeitig geladen und entladen werden.

In CH-PS 6 01 738 ist ferner ein Latentwärmespeicher beschrie­ ben, der einen mit Phasenwechselmaterial gefüllten Behälter und mindestens einen mit diesem Behälter über einen Wärmetau­ scher thermisch verbundenen, von einem gasförmigen oder flüssi­ gen Wärmetransportmittel durchströmten Raum enthält.

Da sich die Aufgabe der Erfindung nur auf Konstruktionsprobleme (u. a. modulare Bauweise, Füllung mit Latentspeichermaterial, Integrierbarkeit des Speichers in Wärmekreisläufe) bezieht, besitzt auch diese Lösung die generellen Nachteile des Standes der Technik.

Selbst wenn die konstruktive Lösung gemäß Fig. 1 in CH-PS 6 01 738 benutzt werden würde, um einen Lade- (Stutzen 10 und 12) bzw. einen Entladekreis (Stutzen 14 und 16) gleichzeitig an den Speicher anzuschließen, kämen kein gleichzeitiges Laden und Entladen zustande. Der Speicher könnte z. B. erst gar nicht geladen werden, da Lade- und Entladekreis thermisch über ihre Trennwände und über Teile des Wärmerohrs 18 kurzgeschlossen sind.

In der Mehrheit der technischen Anwendungsgefälle ist aber die gleichzeitige Lade- und Entlademöglichkeit des Speichers bzw. die Verhinderung einer unkontrollierten Entladung erforderlich.

Die Lösung gemäß DD-WP 1 47 405 zeigt eine Möglichkeit, wie das unkontrollierte Entladen verhindert und ein gleichzeitiges Laden und Entladen des Speichers ermöglicht werden. Die letztgenannte Speicherform besitzt wie auch die vorher be­ schriebenen Lösungen einen generellen Nachteil, der auch in DE-OS 28 37 091 besonders hervorgehoben wird.

Wegen der nach oben begrenzten Größe der Wärmetauschoberflächen für den Wärmeübergang vom Lademedium in den Speicher bzw. vom Speicher in den Wärmeverbraucher ist für jeden Wärmeaustausch eine erhebliche Zeitspanne erforderlich. Dies ist dadurch bedingt, daß der Wärmeübergang nur durch Wärme­ leitung erfolgt.

Besonders erschwert ist der Wärmeübergang vom Lademedium in das Speichermedium bei Latentwärmespeichern, wenn nach einem vorausgegangenen Entladevorgang das Phasenwechselmaterial in den festen Aggregatzustand übergegangen ist.

Zur weiteren Vermeidung o. g. Nachteile sind aus der Fach- und Patentliteratur verschiedene konstruktive Lösungen bekannt. Beispielsweise werden Konstruktionen vorgeschlagen, bei welchen durch Vergrößerung der Wärmeübertragungsflächen oder Einfügen von Metallteilchen in Stützsubstanzen, die den Speicherraum füllen, die Wärmeleitung an Metallteile gebunden und die Wärmeleitung damit beschleunigt wird (DE-OS 19 28 694).

Die Wärmeübertragungsleistung in die Speichersubstanz hinein oder aus dieser heraus wird damit verbessert und die Übertra­ gungsleistungen werden erhöht; jedoch führen diese Lösungen zu einer erheblichen Verschlechterung des Masse/Leistungsverhält­ nisses und zu erhöhtem Materialaufwand.

Zur Vermeidung der Unterkühlung werden Impfkristalle (Keim­ bildner) vorgeschlagen, die neben der sterischen (geometri­ schen) Ähnlichkeit mit den Kristallen des Speicherstoffes einen Schmelzpunkt aufweisen, der oberhalb der maximalen Be­ triebstemperatur des Speichers liegt (DE-OS 19 28 694, DE-OS 26 48 678).

Diese Impfkristalle verbleiben damit im festen Zustand auch dann, wenn der Speicherstoff schmilzt. Da sie eine andere Dichte als der Speicherstoff haben, wan­ dern sie aufgrund der Schwerkraft in der Schmelze entweder nach oben oder in den meisten Fällen nach unten.

Der Speicherstoff mit Impfkristallen entmischt sich also mehr und mehr, so daß die für eine gleichmäßige Erstarrung notwen­ dig statistische Verteilung der Impfkristalle im Speicher­ stoff verloren geht. Zur Verhinderung dieses Prozesses werden Gerüste zur Aufnahme und Verteilung der Impfkristalle vorge­ schlagen, die gleichzeitig zur Aufnahme der für die Verbesse­ rung der Wärmeleitung einsetzbaren Metallteilchen verwendet werden können (DE-OS 19 28 694).

Allerdings führt auch diese Lösung zu einem ungünstigen Masse/ Leistungsverhältnis. Zudem ist bekannt, daß die als Gerüst verwendeten Materialien wie Holz oder Zellulose nach kurzer Zeit durch Fäulnis zerstört werden. Darüber hinaus lösen diese Vorschläge nicht das Problem der Stratifikation.

Zur Vermeidung der mit der Stratifikation einhergehenden und irreversiblen Prozesse, wie allmähliches Absinken der Wärmekapazität oder Wärmestau im Speicher, wird die mecha­ niche Umwälzung des Speichermaterials in allen möglichen Formen, wie Rühren, Schütteln, Umwälzen, Pumpen, Versprühen usw. (DE-OS 25 43 686) als Lösung angesehen.

Nachteilig ist dabei, daß hierfür neben dem Speicher Antriebs­ systeme als auch Antriebsenergie benötigt werden, die die Kosten für die Herstellung, Betrieb und Wartung des Speichers beträchtlich erhöhen.

Die Ausschließung dieser Nachteile und eine wesentliche Ver­ besserung der Speichertechnik ergibt sich, wenn zum Laden und Entladen des Latentwärmespeichers ein zusätzliches Wärmetrans­ portmedium eingesetzt wird. Möglichkeiten der technischen Lö­ sung dieses Problems sind in DE-AS 25 17 080 oder CH-PS 6 01 738 beschrieben. Den gesamten Vorteilen steht hier der Nachteil des erhöhten Materialeinsatzes gegenüber. Darüber hinaus lassen diese Lösungen kein gleichzeitiges Laden und Entladen zu oder aber ein unkontrolliertes Entladen des Speichers.

Um den letztgenannten Mängeln des Standes der Technik abzuhel­ fen, ist ein Latentspeichersystem gemäß DD-WP 1 47 405 vorge­ schlagen worden. Allerdings haftet dieser Lösung der Nachteil an, daß der Speicher problemlos nur mit Speicherstoffen, die keine Stratifikation und Unterkühlung aufweisen, betrieben wer­ den kann und z. B. nur mit organischen Stoffen die benötigten wärmetechnischen Parameter liefert. Zu den erfolgreich einge­ setzten organischen Materialien gehört z. B. Paraffin in Verbin­ dung mit Äthanol als Wärmetransportmedium. Diese Stoffe sind jedoch grundsätzlich in bezug auf andere bekannte Latentspei­ chermaterialien und Wärmetransportmedium sehr teuer und verur­ sachen hohe Anlagenkosten. Darüber hinaus sind z. B. Paraffine - als Erdölprodukte - in großen Mengen teilweise nicht verfügbar.

Ziel der Erfindung

Aus dem bekannten Stand der Technik ergibt sich als Ziel der Erfindung, einen Latentwärmespeicher zu entwickeln, der geringe Lade- und Entladezeiten aufweist, gleichzeitig be- und entlad­ bar ist, nicht unkontrolliert entladen werden kann und eine hohe Wärmekapazität besitzt, wobei die Herstellungs- und Be­ triebskosten gegenüber bekannten Speichersystemen wesentlich verringert werden sollen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aus dem Ziel der Erfindung leitet sich die Aufgabe ab, bereits bekannte Wärmespeicher, z. B. den Speicher gemäß DD-WP 1 47 405, durch konstruktive Maßnahmen so zu verändern, daß neben gleich­ zeitiger Lad- und Entladbarkeit sowie der Unmöglichkeit der unkontrollierten Entladung ein höherer Wirksamkeitsgrad des Spei­ chers, insbesondere durch schnelleren Wärmetransport im Spei­ cher, erzielt wird. Gleichzeitig ergibt sich die Aufgabe, ein aktives Speichermedium zu entwicklen, durch das an sich be­ kannte, jedoch inkongruent schmelzende und zur Stratifikation (Entmischung) neigende Latentspeichermaterialien vorteilhaft einsetzbar sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Speicherraum des thermischen Speichers ein Gemisch von vier Stoffsystemen eingefüllt ist.

Diese nachstehend beschriebenen vier Stoffsysteme werden er­ findungsgemäß vermischt und bilden die aktive Speicherfüllung des Hochleistungswärmespeichers.

Stoffsystem I

Bestehend aus einem oder mehreren Stoffen, die auf Grund ihrer Schmelzwärme (oder Umwandlungswärme) und ihrer spezifischen Wärmekapazität Wärmespeicherverhalten aufweisen und die Stoffe beim Schmelzen oder Erstarren Phasen unterschiedlicher Zusam­ mensetzung und Dichte bilden, wodurch sich Schichtungen (Stra­ tifikationseffekt) aufbauen und sich das Stoffsystem nicht mehr im Phasengleichgewicht befindet.

Der Anteil des Stoffsystems I am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Hochleistungswärmespeichers beträgt er­ findungsgemäß 50-95 Volumenprozent. Als Stoff sind z. B. Glaubersalz (Na₂SO₄ · 10 · H₂O) oder Fixiersalz einsetzbar.

Stoffsystem II

Bestehend aus einem aus einer oder mehreren Komponenten zu­ sammengesetzten flüssigen Wärmetransportmedium, in dem das Stoffsystem I nicht oder nur bedingt lösbar ist. Dabei erfül­ len die Dichte des Stoffsystems II (ρ _II) und die Dichte der schmelzflüssigen Phase des Stoffsystems I (p _I) erfindungs­ gemäß folgende Bedingung

ρ _I < ρ _II < 0,8 · ρ _I ,

wobei der Dampfdruck des Stoffsystems I (P _{D I}) und der Dampf­ druck des Stoffsystems II (P _{D II}) erfindungsgemäß der Bedin­ gung

P _{D II} « P _{D II}

genügen.

Der Anteil des Stoffsystems II am Gsamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Hochleistungswärmespeichers beträgt er­ findungsgemäß bis zu 50 Volumenprozent.

Als Wärmetransportmedium ist z. B. Äthylbromid, Dibrommethan oder ähnliches verwendbar.

Stoffsystem III

Bestehend aus einem Sammler, der ein oder mehrere feste oder flüssige Stoffe mit polar-unpolarem Aufbau (Tenside) oder un­ polare Stoffe enthält.

Der Anteil des Stoffsystems III am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Hochleistungswärmespeichers beträgt er­ findungsgemäß 0-5 Volumenprozent. Das Stoffsystem III hat die Aufgabe, die durch Phasentrennung des Stoffsystems I entstandenen Phasen zusammenführen und die Grenzflächenspannungen zwischen den Stoffsystemen I und II zu reduzieren.

Für den Fall, daß das Stoffsystem I nur wenig oder gar nicht inkongruent schmilzt, ist der Einsatz des Stoffsystems III für die aktive Speicherfüllung nicht erforderlich.

Erfindungsgemäß ist als Stoffsystem III Alkylsulfat (Pilan­ tin V) eingesetzt worden.

Stoffsystem IV

Bestehend aus einem oder mehreren Keimbildnern, die aufgrund ihrer Gitterstruktur den Keimbildungsvorgang bei der Kristalli­ sation des Stoffsystems I einleiten.

Erfindungsgemäß beträgt der Anteil des Stoffsystems IV am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung des Hochleistungs­ wärmespeichers 0-20 Volumenprozent.

Falls das Stoffsystem I beim Erstarren nicht unterkühlt, ent­ fällt der Anteil des Stoffsystems IV an der aktiven Speicher­ füllung des Hochleistungswärmespeichers. Als Keimbildner ist z. B. Borax geeignet.

Erfindungsgemäß befindet sich gegenüber der Lösung gemäß DD-WP 1 47 405 das Speichermedium (Gemisch der vier Stoffsysteme) nicht eingekapselt in einer Trennwand. Eine Scheidewand 7 teilt den erfindungsgemäßen Speicher in zwei Abschnitte (Ladekammer 4 und Speicherraum 1). Oberhalb der Scheidewand 7 befindet sich das oben beschriebene Stoffgemisch; in einem verbleibenden Freiraum 2 ist ein Wärme­ übertrager 3 (Wärmeverbraucher-System) angeordnet.

Befindet sich der Speicher im geladenen Zustand, so ist der Freiraum 2 völlig mit Dampf des flüssigen Wärmetransportmediums ausgefüllt.

Wird über den Wärmeübertrager 3 dem Speicher Wärme entzogen, kondensiert an der äußeren Oberfläche des Wärmeübertragers 3 das dampfförmige Wärmetransportmedium. Durch den sich dadurch ergebenden Anteil des Dampfdruckes im Speicherraum wird der Rest des flüssigen Wärmetransportmediums überhitzt und beginnt zu verdampfen. Die für die Verdampfung notwendige Wärmeenergie wird dem Spei­ chermedium (Stoffsystem I) entzogen. Das Speichermedium (Stoffsystem I) gibt seine latente Wärme an das siedende Transportmedium ab und erstarrt.

Durch den direkten Kontakt zwischen Speicherstoff und Trans­ portmedium sowie durch die Rührwirkung der aufsteigenden Dampf­ blasen liegen die Wärmeübergangskoeffizienten besonders hoch. Der bei der Erstarrung der Latentspeichermasse entstehende poröse Körper bietet sowohl beim Laden als auch beim Entladen eine große Wärmeübergangsfläche, die ebenfalls zur Erhöhung des an der Grenzfläche zwischen Speicherstoff und Wärmetrans­ portmedium übertragenen Wärmestromes beiträgt. Die Einrichtung zum Laden des Speichers entspricht der aus DD-WP 1 47 405 bekannten Lösung. In einer getrennten Ladekammer 4 befindet sich Naßdampf eines weiteren Wärmetransportmediums 6. In der flüssigen Phase dieses Mediums ist ein Wärmeübertrager 5 (Wärmespendersystem) angeordnet. Der darüber befindliche Dampf steht in direktem Kontakt mit einer vorzugsweise durch ober­ flächenvergrößernde Maßnahmen gekennzeichneten Scheidewand 7. Das Einspeichern erfolgt in der Ladekammer 4 auf bekanntem Wege nach dem Prinzip des Wärmerohres. Auf der dem Speicher zugewandten Seite der Scheidewand 7 erfolgt der Transport der Wärme zum Speichermedium wieder mittels Verdampfungs- und Kon­ densationsprozessen des Wärmetransportmediums mit den oben genannten Vorteilen.

Ausführungsbeispiel A

Der erfindungsgemäße Hochleistungswärmespeicher soll in seinem Leistungsvermögen an nachstehendem Beispiel vorgestellt werden:

Die Speicherfüllung besteht aus:

Vom Stoffsystem I wurden 50 kg Glaubersalz zum Einsatz gebracht.

Der Hochleistungswärmespeicher besitzt eine Wärmekapazität von 0-3,5 kWh, wobei zwischen Auf- und Entladen eine Tempera­ turdifferenz von Δ t = 10°C auftritt.

Diese Wärmekapazität ist fünfmal so groß wie die Wärmekapazität eines Wasserspeichers gleichen Volumens.

Ausführungsbeispiele 1-13

Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher soll anhand der nachste­ henden 13 Varianten zu 3 verschiedenen Speicherfüllungen vorge­ stellt werden:

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Speicherraum
2 Freiraum
3 Wärmeübertrager (Wärmeverbraucher-System)
4 Ladekammer
5 Wärmeübertrager (Wärmespendersystem)
6 Wärmetransportmedium
7 Scheidewand

Claims (2)

1. Latentwärmespeicher hoher Leistungsfähigkeit, bestehend aus einer Ladekammer (4) und einem Speichermedium (1), die durch eine oberflächenvergrößernde Scheidewand (7) getrennt sind, wobei in der Ladekammer (4) ein vollständig von einem flüssigen Wärme­ transportmedium (6) bedeckter Wärmeübertrager (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Speicherraum (1) zuge­ wandte Seite der Scheidewand (7) vollständig von einem Gemenge, das die Stoffsysteme I, II und ggf. III und/oder IV enthält, bedeckt ist, wobei

• - das Stoffsystem I aus einem oder mehreren wärmespeichernden Stoffen besteht, die beim Schmelzen und Erstarren Phasen unterschiedlicher Dichte und Zusammensetzung bilden, wobei Stratifikationserscheinungen auftreten, und deren Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 50-95 Vol.-% be­ trägt,
• - das Stoffsystem II aus einem ggf. mehrkomponentigen als Flüssigkeit oder als Dampf vorliegenden Wärmetransportmittel besteht, welches im Stoffsystem I nicht lösbar ist und dessen Anteil am Gesamtvolume der aktiven Speicherfül­ lung bis zu 50 Vol.-% beträgt - für die Dichten ρ _I, ρ _II in flüssigem Zustand bzw. für die Dampfdrücke P _{D I}, P _{D II} der Stoffsysteme I und II, die Bedingungen ρ _I ρ _II und P _{D I} « P _{D II}gelten
• - das Stoffsystem III aus einem oder mehreren flüssigen oder festen grenzflächenaktiven Stoffen als Sammler besteht, und dessen Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicherfüllung 0-5 Vol.-% be­ trägt,
• - das Stoffsystem IV aus einem oder mehreren Keimbildnern be­ steht und dessen Anteil am Gesamtvolumen der aktiven Speicher­ füllung 0-20 Vol.-% beträgt, wobei der Anteil =0 ist, wenn das Stoffsystem I nicht unterkühlt.

2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoffsystem I Glaubersalz, als Stoffsystem II Äthylbromid, als Stoffsystem III Alkylsulfat und als Stoffsytem IV Borax eingesetzt werden.