Projekt 24825/01

Strömungs- und kältetechnische Optimierung von Latentkältespeichern

Projektträger

pro:genius hoffmann . piossek gbr
Bertolt-Brecht-Allee 24
01309 Dresden
Telefon: 0351/2137088

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Aufgrund der notwendigen Dimensionierung von Kälteerzeugern nach der auftretenden Spitzenlast, passen Kältebedarf und installierte Leistung nicht in allen Betriebsphasen optimal zueinander. Die Folge sind niedrige Teillasten und Taktung der Anlage, verbunden mit niedrigen Gesamtwirkungsgraden. Mit dem Einsatz von Speichern lässt sich in diesen Fällen die Anlageneffizienz verbessern. Die verfügbaren Kaltwasserspeicher benötigen aufgrund der geringen Spreizung von etwa 6 K aber sehr große Volumina. Eisspeicher weisen dagegen eine hohe Speicherdichte auf, sind derzeit aber nur für große Anlagen wirtschaftlich einsetzbar. Das Projekt befasste sich daher mit der Optimierung von Latentkältespeichern, mit dem Ziel die Effizienz solcher Speicher zu verbessern und diese andererseits unter wirtschaftlichen Aspekten auch für den Kleinkältebereich zugänglich zu machen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür Anwendungen in der Klimatechnik ist vor allem der Temperaturbereich von 4 °C bis 15 °C relevant. Es wurden dazu potentielle Speichermedien recherchiert, wobei in der Literatur häufig wichtige Stoffdaten fehlen. Für einige Substanzen wurden daher die Umwandlungstemperaturen und die Schmelzenthalpien mittels DSC-Messungen bestimmt. Zudem wurden Wärmeleitfähigkeiten mit einer eigens dafür angefertigten Hitzdrahtsonde gemessen. Als Basis für die Optimierung der Speicher wurde das statische Funktionsprinzip ausgewählt. Bei diesem sind das Speichermedium und der Wärmeträger durch eine Wand räumlich voneinander getrennt, wodurch einfache Konstruktionen und ein wartungsarmer Betrieb ermöglicht werden. Dazu wurden im Projekt verschiedene Varianten der Verkapselung des Speichermediums auf ihre Eignung hinsichtlich strömungs- und kältetechnischer Aspekte betrachtet. In einem Modellspeicher wurden die auftretenden Druckverluste für die Durchströmung der verschiedenen Kapselformen messtechnisch bestimmt, und die Gleichmäßigkeit der Strömung durch Zugabe von Farbstoff visuell beurteilt. Anschließend wurden unter Verwendung von Wasser/Eis als Speichermedium an einem Prüfstand die übertragbaren Leistungen beim Lade- und Entladevorgang für verschiedene Volumenströme ermittelt. Aus einem Vergleich der Ergebnisse wurde eine Vorzugsvariante ausgewählt und mit dieser ein Prototyp eines Speichers realisiert, an dem weitere Leistungsmessungen vorgenommen wurden.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurden einige Substanzen ausgewählt, die aufgrund ihrer angegebenen Schmelztemperatur potentiell zur Verwendung als Latentspeichermedium (PCM) geeignet erschienen. Der Fokus wurde dabei überwiegend auf Salzhydrate gelegt. Diese weisen häufig große Schmelzenthalpien auf, und sind mit technischen Reinheitsgraden in großen Mengen preisgünstig verfügbar. Die gemessenen Schmelzenthalpien der ausgewählten Salzhydrate bzw. von deren Gemischen erwiesen sich aber als niedrig. Zudem zeigten alle Proben eine starke Unterkühlung, so dass zum Anregen der Kristallisation weit unter den Schmelzpunkt abgekühlt werden muss. Zur Verwendung solcher Substanzen müssen auf jeden Fall immer passende Keimbildner gefunden werden, um diesen Effekt zu reduzieren. Die verwendete Hitzdrahtsonde zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit erlaubt eine preiswerte Messung sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand des Speichermediums.

Im Projekt wurden verschiedene Varianten zur Bestückung von statischen Latentkältespeichern untersucht und miteinander verglichen. Da in Eisspeichern häufig Kugelschüttungen zum Einsatz kommen, und man für diese in der Literatur auch Messwerte findet, wurde als Referenz eine Kugelschüttung mit Durchmessern von 59 mm verwendet. Ein Vergleich der Druckverluste zeigte, dass auch bei deutlich kleineren Schaumstoffpartikeln, mit einem äquivalenten Durchmesser von etwa 20 mm, keine signifikanten Unterschiede auftreten. Im Sinne einer optimalen Wärmeübertragung sollten also möglichst kleine Kapselgeometrien gewählt werden, um die Nachteile der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der Speichermedien zu kompensieren. Weiterhin wurden zwei verschiedene Anordnungen von Schlauchbeuteln untersucht. Diese haben den Vorteil einer automatisierten und preiswerten Fertigung, da derartige Verpackungssysteme in der Lebensmitteltechnik weit verbreitet sind. Bei diesen Varianten konnten gegenüber den Kugeln ebenfalls keine wesentlich größeren Druckverluste ermittelt werden, diese ermöglichen gleichzeitig aber deutlich größere Volumennutzungsgrade. Während mit zufälligen Kugelschüttungen nur etwa 64 % des Behältevolumens mit dem Speichermedium gefüllt werden können, sind mit den Schlauchbeutelvarianten bis 93 % möglich. Trotz anfänglicher Bedenken, dass aufgrund großer Berührungsflächen zwischen den Beuteln nur ein schlechter Kontakt mit dem Wärmeträgerfluid entsteht, zeigten die Schlauchbeutelvarianten auch bei der übertragbaren Leistung Verbesserungspotential gegenüber der Kugelschüttung. Als kritischer Punkt stellt sich derzeit noch die Haltbarkeit des untersuchten Verkapselungsmaterials heraus, da bei den Lade- und Entladezyklen im Modellspeicher einige Beutel mechanische Beschädigungen erlitten. Im Prototypen wurde ebenfalls eine Schlauchbeutelschüttung, aber mit größeren Foliendicken, eingesetzt. Damit ließen sich die Probleme zwar weitgehend eliminieren, die untersuchte Belastung beträgt aber auch nur wenige Zyklen. Als Alternative wurden jedoch schon andere Materialien ermittelt, die eine deutlich höhere Haltbarkeit erwarten lassen. Hier sind noch weitere Untersuchungen, insbesondere über eine größere Zyklenzahl, notwendig. Dies sollte aber auf jeden Fall in einem Speicherbehälter erfolgen, da die zur Beschädigung führenden Belastungen an Einzelproben nicht auftreten. Anschließen könnten sich ggf. auch Tests mit dem Einsatz von anderen PCMs als Wasser. In Anbetracht der hohen Potentiale bei gleichzeitig niedrigen Kosten für die Fertigung erscheinen diese Aufwendungen aber als gerechtfertigt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Geniale liegt in der Einfachheit unter diesem Thema wird das Projektteam die Untersuchungsergebnisse in einer Vortragsreihe für die Energiewirtschaft dem Fachpublikum vorstellen.


Fazit

Im Projekt konnte eine kostengünstige Variante zur Verkapselung von PCM und zum Aufbau von statischen Latentspeichern aufgezeigt werden. Gegenüber marktüblichen Lösungen mit Kugelschüttungen kann eine deutlich größere Speicherdichte erzielt werden. Um das vorgestellte Speicherkonzept bis zur Marktreife zu führen, sind jedoch noch weitere Untersuchungen hinsichtlich der Zyklenbeständigkeit der Verkapselungen notwendig. Ein wichtiger verbleibender Schritt, vor allem zur Nutzung der Speicher in Kombination mit Absorptionskältemaschinen für die solare Klimatisierung, ist die Entwicklung geeigneter Speichermedien mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 0 °C. Aufgrund der Unterkühlungsneigung vieler potentieller Speichermedien stellt dabei die Suche nach geeigneten Keimbildnern eine Hauptaufgabe dar. Diese Thematik ist jedoch derart umfangreich und komplex, dass dies nur die Aufgabe eines eigenen Forschungsprojektes darstellen kann.