Wärmespeicher mit Phasenwechsel

Latent-Wärmespeicher 

Latent-Wärmespeicher dienen primär der Speicherung von Wärmeenergie im Niedertemperaturbereich (20 – 100 °C). Das eingesetzte Wärmespeichermedium, auch PCM (engl.: Phase Change Material) genannt, nimmt während des Phasenwechsels (i. d. R. fest-flüssig) Wärme auf und gibt diese während des Erstarrens wieder ab. Latent-Wärmespeicher werden primär als Puffersysteme eingesetzt. Ziel der Forschung ist es beispielsweise saisonale Temperaturfluktuationen puffern zu können, wodurch beispielsweise die Effizienz von Wärmepumpen deutlich zu steigern. Ferner können Wärmespeicher Abwärme aus industriellen Prozessen aufnehmen und diese an anderer Stelle wieder abgeben, wodurch der gesamte Energiebedarf des Prozesses stark reduziert werden kann. 

Zylindrischer Latent-Wärmespeicher 

Der zylindrische Latent-Wärmespeicher (Abbildung 1) existiert in zwei Konfigurationen (Abbildung 2). Der grundsätzliche Aufbau des Wärmespeichers ist in beiden Konfigurationen gleich. Die beiden Konfigurationen unterscheiden sich lediglich in der Anzahl der Kupferwendeln, die für den Wärmeeintrag verantwortlich sind. Beim MK1-Aufbau erfolgt der Wärmeeintrag durch eine Kupferwendel, wohingegen das PCM beim MK2-Aufbau durch zwei Kupferwendeln geschmolzen wird.

^{Abbildung 1: Frontansicht auf den zylindrischen Latent-Wärmespeicher}

^{Abbildung 2: CAD-Modell des zylindrischen Latent-Wärmespeicher. (a) - MK1. (b) - MK2.}

Als Versuchs- und Einflussparameter werden die Ein- und Auslasstemperatur sowie der Massenstrom des VE-Wassers, welches als Wärmeübertragermedium die Kupferwendel durchströmt, erfasst. Ferner wird das Temperaturprofil des PCMs über eine Sonde bestehend aus 20 Thermoelementen erfasst. Anhand eines eigens entwickelten neuronalen Netzwerks ist es zudem möglich die Phasenverteilung zwischen festem und flüssigem PCM während des gesamten Schmelzverlaufs zu untersuchen (Abbildung 3). 

^{Abbildung 3: Beispiel Ausgabe KI-Programm}

Der zylindrische Versuchsaufbau dient der experimentellen Untersuchung des Schmelzverlaufs des Wärmespeichermediums. Durch den vergleichsweise simplen Schmelzprozess können hierdurch grundlegende Zusammenhänge und Einflussparameter auf den Schmelzprozess untersucht werden. Zudem können die generieten Daten als Referenz zur Evaluierung neuer Simulationsmodelle dienen. Bisher wurden in den beiden Konfigurationen drei Wärmespeichermedien (RT35HC, RT54HC, RT90HC) mit unterschiedlichen Basismaterialien (Paraffin, Fettsäure, Tenside) und Phasenwechseltemperaturen (Schmelztemperatur: 35 °C, 54°C, 90 °C) untersucht. 

Lamellen-Wärmespeicher 

Der Lamellen-Wärmespeicher (Abbildung 4) setzt sich aus einem Aluminium-Lamellen-Wärmetauscher mit Kupferrohren, welcher ich in einem Kunststoffrahmen verbaut ist, zusammen. Anhand des Wärmespeichers sollen die Einflussgrößen zum Be- und Entladen des Speichers in einem der Realität näheren Aufbau untersucht werden. Als Einflussgrößen werden analog zum zylindrischen Wärmespeicher der Massenstrom und die Temperatur des Wärmeübertragermediums VE-Wasser untersucht. Der Wärmespeicher bietet durch seine kompakte Bauform den Vorteil der vergleichsweise einfachen Generierung von experimentellen Daten, die durch eine nummerische Computersimulation nur mit sehr hohem Aufwand bzw. gar nicht möglich sind. Ferner bietet der Wärmespeicher die Möglichkeit zur Analyse und Evaluierung von Messmethoden, die der Bestimmung des Ladezustands von Wärmespeichern dienen. Als Beispiel für eine solche Messmethode wird die Druckveränderung im Inneren des Behälters während des Be- und Entladeprozesses untersucht. Bisher wurden alle Experimente mit dem PCM RT35HC der Fa. Rubitherm durchgeführt (Schmelztemperatur: 35 °C). Geplant sind weitere Experimente mit einem PCM, welches eine Phasenwechseltemperatur von ca. 22 °C aufweist.

^{Abbildung 4: Frontansicht des Lamellen-Wärmespeichers. Oben ist ein Manometer zur Bestimmung des Ladezustands des Speichers zu sehen}