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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie aus einer Wärmespeichereinrichtung gemäß Anspruch 1 und eine insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie gemäß Patentanspruch 6.
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Wärmespeicher sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt und werden eingesetzt, um Wärme über längere Zeit zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben. In Dampfkraftanlagen werden beispielsweise Wasser auf hoher Temperatur und mit hohem Druck enthaltende Behälter, sogenannte Gleichdruckspeicher, eingesetzt. Daneben finden auch Speicheröfen vermehrt Einsatz. In Zusammenwirken mit Wärmetauschern werden Wärmespeicher bei Industrieöfen im Hütten- und Walzwerkbereich sowie in der Verfahrenstechnik eingesetzt. Thermochemische Wärmespeicher oder Sorptionsspeicher nutzen endotherme und exotherme Reaktionen aus. Ein Wärmespeichermaterial wird durch Wärmezufuhr zu einer chemischen Reaktion veranlasst, deren Umkehrreaktion von außen ausgelöst die zugeführte Wärmemenge freisetzen kann.
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Zur Steigerung der effektiven Wärmekapazität werden Wärmespeichereinrichtungen mit Latentwärme-Speichermaterialien eingesetzt. Energiegewinnung aus Latentwärme-Speichermaterialien wird technisch in nicht unbeträchtlichem Umfang zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener Energien durchgeführt. Bei der Speicherung von Wärme in einem Latentwärme-Speicher wird die bei Phasenübergängen I. Art, also diskontinuierlich verlaufenden Phasenübergängen von dem jeweiligen Wärmespeichermaterial aufgenommene oder abgegebene Umwandlungsenthalpie ausgenutzt. Eine zugeführte Wärmeenergie wird dabei beispielsweise als Umwandlungsenthalpie eines Phasenüberganges von einem festen Zustand in eine Schmelze (Schmelzenthalpie) gespeichert und bei dem durch einen entgegengesetzten Temperaturverlauf initiierten Kristallisations- bzw. Erstarrungsvorgang wieder freigegeben. Umwandlungsenthalpien von Verdampfungs-, Kondensations- oder Sublimationsvorgängen werden unter anderem in der Latentwärme-Speicherung ausgenutzt. Bei den in einem Latentwärme-Speicher verwendeten Materialien sind die Umwandlungsenthalpien eines Phasenübergangs I. Art höher als die aufgrund der Wärmekapazität speicherbaren Wärmeenergien.
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Als Materialien für die Latentwärme-Speicherung werden sogenannte phase-changematerials (PCM) eingesetzt, bei denen u.a. Reaktions-, Schmelz-, Lösungs- oder Adsorptionsentalpien von reversibel ablaufenden Übergängen ausgenutzt werden.
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Aus dem deutschen Patent
DE 35 32 093 ist beispielsweise ein Wärmespeicher bekannt, bei dem mit Adsorptions- und Desorptionsvorgängen verbundene Wärmeenthalpien gespeichert und freigesetzt werden können.
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Die Speicherung von Energie in Latentwärme-Speichermaterialen setzt die Erzeugung entsprechender Wärmeenergien bei entsprechenden Temperaturen voraus. Häufig dienen dazu in großtechnischen Prozessabläufen wie etwa Schmelzvorgängen eingebrachte Wärmemengen oder ungenutzte Abwärmen daraus zur Erzeugung entsprechender Phasenübergänge in Latentwärme-Speichermaterialien. Um die entsprechenden Umwandlungstemperaturen sicher zu erreichen und die entsprechenden Wärmemengen bereitzustellen, ist es unter anderem erforderlich, zugrunde liegende Schmelz- oder allgemein Erhitzungsprozesse zu steuern und zu überwachen.
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Der Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Überwachung und Steuerung von technischen Prozessen, insbesondere solchen, bei denen Temperaturzyklen eingehalten werden müssen und entsprechend eine Ab- und/oder Zufuhr von Wärme eingestellt werden muss, sicherzustellen.
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Die Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6.
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Dementsprechend wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie aus einer Wärmespeichervorrichtung ein erstes Wärmereservoir thermisch mit einem zweiten Reservoir, in dem ein Wärmespeichermaterial eingebracht ist, im Wesentlichen über einen thermoelektrischen Wandler in Kontakt gebracht. Bei dem Verfahren wird die Temperatur Ti des Wärmespeichermaterials durch eine Änderung der Temperatur Ta des ersten Wärmereservoirs verändert und der thermoelektrische Wandler so eingesetzt, dass dessen eine thermisch aktive Seite thermisch in Kontakt mit dem ersten Reservoir und dessen andere thermisch aktive Seite in thermischen Kontakt mit dem Wärmespeichermaterial gebracht wird. Dabei wird Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt, solange die Temperatur Ta des ersten Reservoirs und die Temperatur Ti des Wärmespeichermaterials voneinander abweichen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie enthält einen Körper, der einen Hohlraum umgibt, der teilweise mit einem Wärmespeichermaterial gefüllt ist. An dem Körper ist ein thermoelektrischer Wandler so vorgesehen, dass er außenseitig mit einem Wärmemedium in thermischem Kontakt steht und über seine, dem Hohlraum zugewandte Seite mit dem Wärmespeichermaterial wärmeleitend verbunden ist. Dabei ist der thermoelektrische Wandler zur Erzeugung elektrischer Energie infolge eines Temperaturunterschiedes zwischen seiner Außen- und Innenseite ausgebildet.
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Erfindungsgemäß wird ein bei einer Erwärmung und/oder Abkühlung eines Wärmespeichermaterials auftretender Temperaturunterschied zwischen dem äußeren, die erforderliche Wärmemenge zuführenden und/oder aufnehmenden Wärmereservoir und dem Wärmespeichermaterial mit Hilfe eines thermoelektrischen Wandlers ausgenutzt. Erfindungsgemäß kann elektrische Energie bzw. Leistung solange erzeugt werden, solange das Wärmereservoir und das Wärmespeichermaterial sich noch nicht im thermischen Gleichgewicht befinden und unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der thermoelektrische Wandler dem auf unterschiedlichen Temperaturen befindlichen Wärmereservoir und dem Wärmespeichermaterial direkt ausgesetzt wird.
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Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass eine externe Energie- bzw. Stromversorgung zur Überwachung von Prozessen mit Temperaturänderungen entbehrlich ist. Erfindungsgemäß kann elektrische Energie bzw. Leistung direkt im bzw. am äußeren Wärmereservoir ohne Leitungszuführung für Überwachungselemente und Sensoreinrichtungen von außen bereitgestellt werden. Dadurch wird die Sicherheit erhöht, indem auch bei einer Versorgungsunterbrechung die Überwachungs- und Sensorelemente autark betrieben werden können.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einer Verfahrensführung wird die Änderung der Temperatur Ta des ersten Wärmereservoirs als eine Temperaturerhöhung ausgeführt. Sie kann aber auch als Temperaturabsenkung erfolgen. Schließlich ist erfindungsgemäß mit Vorteil auch eine Kombination einer Erhöhung und einer Verringerung der Temperatur Ta des ersten Wärmereservoirs als Änderung vorgesehen. Denn hier kann die Erzeugung elektrischer Energie aus einem Temperaturunterschied innerhalb eines Temperaturzyklus zweimal erreicht werden. Bei entsprechender Umpolung kann die ihres Vorzeichens nach entgegengesetzte Spannung kumuliert werden. Es versteht sich, einen Temperaturzyklus auch mit sich periodisch abwechselnd erhöhender und verringernder Temperatur des ersten Wärmereservoirs zu fahren und dadurch die Zeitspanne zur Erzeugung elektrischer Energie zu vergrößern.
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Bevorzugt wird erfindungsgemäß als Wärmespeichermaterial ein Latentwärme-Speichermaterial eingesetzt und die Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt, wenn eine Temperatur eines kontinuierlichen Phasenübergangs des Latentwärme-Speichermaterials erreicht wird und solange der Phasenübergang andauert. Erfindungsgemäß kann mit einem Latentwärmespeichermaterial an dem thermoelektrischen Wandler eine elektrische Spannung bereitgestellt werden, für die sowohl durch einen Wärmestrom bedingte Temperaturunterschiede als auch durch die Umwandlungsenthalpie eines Phasenübergangs I. Art ihrer Größe nach vorgegebene Temperaturunterschiede zwischen einem inneren und einem äußeren Wärmereservoir ursächlich sind.
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Mit Vorteil wird dann die während eines mit einer Umwandlungsenthalpie verbundenen Phasenübergangs I. Art herrschende Temperaturunabhängigkeit der Temperatur Ti des Wärmelatentspeichermaterials von der Temperatur Ta des ersten Wärmereservoirs ausgenutzt. Die bis zum Abschluss des Phasenübergangs der Temperatur Ta des ersten Wärmereservoirs nicht nachfolgende Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials verstärkt einen Temperaturgradienten an dem thermoelektrischen Wandler, aus dem elektrische Energie erzielbar ist. Während die Temperaturänderung des Wärme speisenden äußeren Wärmereservoirs pro Zeiteinheit, d.h. dTa/dt sich ändert, ist die zeitliche Änderung der Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials währenddessen konstant, sodass ein in direktem thermischen Kontakt mit dem äußeren Wärmereservoir mit der Temperatur Ta und dem Latentwärmespeichermaterial befindlicher thermoelektrischer Wandler die Temperaturdifferenz Ta–Ti für die Dauer des Umwandlungsprozesses erfährt und in eine elektrische Spannung umwandeln kann.
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Das Latentwärmespeichermaterial für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorzugsweise so gewählt, dass als Phasenübergang der Übergang zwischen dessen fester Phase und geschmolzener Phase zur Energiegewinnung ausgenutzt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen Wandungen des Körpers eine geringere, besonders bevorzugt deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als der thermoelektrische Wandler auf. Entsprechendes gilt für die Wärmewiderstände der Wandungen und des thermoelektrischen Wandlers derart, dass Letzterer einen im Vergleich zu den Wandungen des Körpers deutlich reduzierten Wärmewiderstand aufweist. Der thermoelektrische Wandler ist so vorzusehen, dass seine beiden thermisch aktiven Seiten die Umgebungstemperatur Ta bzw. die Temperatur des Latentwärmespeichermaterials Ti aufweisen oder diesen zumindest nahezu entsprechend und die Änderungen ohne wesentliche Zeitverzögerung wiedergeben.
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Zur Erhöhung des Wärmestromes kann erfindungsgemäß an der Außen- und/oder Innenseite des thermoelektrischen Wandlers ein Wärmetauscherelement vorgesehen sein.
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Ein besserer Wärmeübergang kann durch eine Vergrößerung der für den Wärmeübergang nutzbaren Oberfläche erreicht werden. Insbesondere schlägt die Erfindung hier offenporige, aus einem Material mit guter Wärmeleitung bevorzugt aus Metallschaum hergestellte Wärmetauscherelemente vor.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich durch ein von dem thermoelektrischen Wandler mit elektrischer Energie versorgtes Sensor-, Steuerungs- und/oder Überwachungselement aus. Mit Vorteil sind die Elemente elektrisch leitend mit dem thermoelektrischen Wandler verbunden.
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Mit weiterem Vorteil weist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Sendeeinrichtung zur Übermittlung von Analyse- und/oder Überwachungsdaten der mit dem Sensor, Überwachungs- und/oder Steuerungselement gewonnenen Daten auf.
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Das Ausnutzen der unterschiedlichen Temperaturen oder Temperaturgradienten eines äußeren, Wärme liefernden oder aufnehmenden Wärmereservoirs und eines mit diesem in einem Wärmeaustausch stehenden Latentwärme-Speicherreservoirs, d. h. dT ≠ 0 bzw. dT/dt ≠ 0 oder dT/dt = 0, da dT = 0, kann auch zur Überwachung einer Prozesstemperatur unmittelbar eingesetzt werden. Ist etwa eine Übergangstemperatur wie eine Schmelztemperatur eines Latentwärmespeichermaterials gleich einer in einem technischen Prozess nicht zu überschreitenden oberen Grenztemperatur, so kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch das Auftreten einer elektrischen Spannung an einem vorzugsweise als Peltier-Element ausgeführten thermoelektrischen Wandler ein Erreichen bzw. Überschreiten dieser Grenztemperatur ohne direkte Temperaturmessung in dem Prozessbehälter oder dergleichen detektiert werden und über eine zugeschaltete und autark versorgte Sensorik und Alarmeinrichtung eine den Prozess überwachende Gesamtsteuerungseinheit benachrichtigt werden, von der aus der Prozess manuell oder automatisiert angehalten oder weiter gesteuert werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einem Regelkreis eingesetzt werden und je nach Wahl des Wärmespeichermaterials, insbesondere des Latentwärmespeichermaterials bzw. der von diesem aufnehmbaren oder freisetzbaren, einer Umwandlungsenthalpie eines entsprechenden Phasenübergangs I. Art entsprechenden Energie sind unterschiedliche technische Parameter direkt oder indirekt messbar oder können autark, d. h. ohne Energiezufuhr von außen entsprechend geregelt bzw. eingestellt werden.
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Zur Auswahl der im Rahmen der Erfindung einzusetzenden Latentwärmespeichermaterialien gelten als Auswahlkriterien neben der Temperatur, bei dem der Phasenübergang I. Art stattfindet und die damit einhergehende Übergangsenthalpie. Wird als Übergang ein Schmelzvorgang ausgenutzt, so kann ein Temperaturbereich von mehreren hundert Grad ausgenutzt werden, der von Schmelztemperaturen unterhalb des Nullpunktes für wässrige Lösungen bis hin zu Schmelztemperaturen im Bereich von 400–800°C für Chloride, Carbonate und Fluoride reicht. Bei den letztgenannten Materialien ist die Schmelzenthalpie mit 1000 KJ pro Liter relativ hoch. Erfindungsgemäß bestimmt die Schmelztemperatur des ausgewählten Latentwärmespeichermaterials den Arbeitspunkt bei der Erzeugung der elektrischen Energie mithilfe des thermoelektrischen Wandlers. Neben Salzhydraten, Nitraten und Hydroxiden können auch Paraffine eingesetzt werden. Bei den Paraffinen kann die Schmelztemperatur mit besonderem Vorteil durch die Wahl der Moleküllänge relativ genau (weniger als 10 Grad) im Bereich von 0 bis etwa 100°C eingestellt werden.
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Insbesondere bei einer Verwendung von Paraffinen als erfindungsgemäß benutztes Latentwärme-Speichermaterial kann ein Zusatz von Partikeln aus hoch-wärmleitfähigen Materialien die Effektivität des Verfahrens oder der Vorrichtung steigern. Denkbar ist etwa ein Einsatz von Mikro- oder Nanopartikeln aus Metall oder auch die Kohlenstoff-Nanoröhrchen (carbon nano-tubes). Werden elektrisch leitende Partikel dem Latentwärme-Speichermaterial zur besseren und schnelleren Wärmeaufnahme zugesetzt, so müssen diese erfindungsgemäß elektrisch isoliert eingebracht werden. Dazu können die Metallpartikel von elastischen, wärmeleitenden elektrischen Isolatormaterialien umgeben sein bzw. in eine Matrix dieser eingebettet sein. Solch eine Zugabe derartiger Stoffe ist erfindungsgemäß dann sinnvoll, wenn die Wärmeleitfähigkeit höher als die Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Latentwärmespeichermaterials ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen beschrieben, die mit Hilfe von begleitenden, vereinfacht dargestellten Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1a einen Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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1b einen Aufbau einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäß einsetzbaren Wärmetauscherelements,
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3 ein die Erfindung veranschaulichendes Temperatur-Zeit-Diagramm,
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4 eine an einem thermoelektrischen Wandler erfindungsgemäß auftretende Temperaturdifferenz und
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5 ein eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulichendes Temperatur-Zeit-Profil.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Gewinnung von elektrischer Energie bzw. Leistung enthält in einem Körper 1, dessen Seitenwandungen 2 und dessen Boden 3 aus einem Wärme geringfügig leitenden Material gebildet sind, ein Latentwärme-Speichermaterial 4. Das Latentwärmespeichermaterial 4 ist wie in der 1a stark vereinfacht dargestellt in thermischem Kontakt mit einem thermoelektrischen Wandler 5, der in einer dem Boden 3 des Körpers 1 gegenüberliegenden, von den Seitenwandungen 2 umgebenen Öffnung 6 vorgesehen ist. Der thermoelektrische Wandler 5 ist als quaderförmiges Peltier-Element ausgeführt, dessen Oberseite 5a thermisch mit einem durch das Bezugszeichen 7 dargestellten Umgebungsmedium in Kontakt ist. Eine der oberen Seite 5a des thermoelektrischen Wandlers 5 gegenüberliegende, in einem von dem Körper 1 umgebenen Hohlraum liegende Seite 5b ist teilweise in direktem Kontakt mit dem Latentwärmespeichermaterial 4. Der von dem Körper 1 umgebene Hohlraum ist erfindungsgemäß bevorzugt nicht vollständig mit dem Latentwärmespeichermaterial 4 ausgefüllt, um ein in 1a schematisch durch einen weiteren, kleineren Hohlraum 8 dargestelltes Ausgleichsvolumen für eine durch eine Temperaturänderung hervorgerufene Ausdehnung des Latentwärmespeichermaterials 4 bereitzustellen.
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Zur Ableitung von erfindungsgemäß gewonnener elektrischer Energie bzw. Erzeugung elektrischer Leistung ist an dem thermoelektrischen Wandler 5 an senkrecht zu den Seiten 5a, 5b verlaufenden Wandungen jeweils eine elektrische Leitung 9 angeschlossen, zwischen deren Endanschlüssen 11 eine erfindungsgemäß erzeugte Spannung abnehmbar ist oder einem vereinfacht dargestellten Überwachungs-, Sensor- und/oder Steuerungselement 12 zugeführt werden kann.
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Bei der in 1b gezeigten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10’ ist zur Verbesserung des Wärmeübergangs an der Oberseite 5a des thermoelektrischen Wandlers 5 und an dessen gegenüberliegender Seite 5b im Inneren des Körpers 1 jeweils ein Wärmetauscherelement 14 bzw. 15 vorgesehen. Die in der 1b nur schematisch veranschaulichten Wärmetauscherelemente 14, 15 können erfindungsgemäß wie in der 2 gezeigt als stabartige Aufsatzelemente aus einem offenporigen und damit die jeweilige Oberfläche vergrößernden Material ausgeführt sein.
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Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand des in 3 gezeigten Temperatur-Zeit-Diagramms nachfolgend erläutert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10, 10’ wird dazu in ein Umgebungsmedium 7 gebracht, welches u.a. eine Schmelze eines industriellen Prozesses, eine in einem verfahrenstechnischen Prozess erwärmte Flüssigkeit oder ein erwärmtes Abgas einer Maschinenanordnung sein kann. Bei der Einbringung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, 10’ in das Umgebungsmedium 7 wird das im Inneren des Körpers 1 befindliche Latentwärmespeichermaterial 4 erwärmt und nach einem thermischen Einschwingvorgang stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein, bei dem wie in 3 bei t = 0 gezeigt die Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 gleich der Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 ist.
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Wird nun wie in 3 gezeigt die Temperatur des Umgebungsmediums Ta erhöht, so fließt ein Wärmestrom von außen nach innen und erwärmt das Latentwärmespeichermaterial 4 in dem Körper 1. Erfindungsgemäß wird der Temperaturgradient dT/dt konstant und größer Null gehalten und so gewählt, dass sich in der Zeit dt jedes zugehörigen Erhöhungsschrittes der Temperatur dT kein thermisches Gleichgewicht einstellen kann. Ebenso ist die Gesamtzeit der konstanten Erhöhung der Temperatur Ta so zu wählen, dass sich kein thermisches Gleichgewicht zwischen der Temperatur Ta Umgebungsmediums 7 und der Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 einstellen kann.
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In einem Temperaturbereich von 290°C bis ca. 370°C folgt die Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 der Temperatur Ta verzögert nach. Der Temperaturverlauf 16 entspricht in etwa einem Abschnitt einer Gaußschen Glockenkurve, siehe 5. Erreicht nun die Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 dessen Schmelztemperatur, so beginnt dieses zu schmelzen. Die Temperatur Ti des Latentwärmespeichermateriasl 4 im Inneren des Körpers 1 bleibt während des Schmelzvorgangs bei weiter fortgesetztem Wärmestrom von außen nach innen konstant. Dabei ist es unerheblich, ob die Temperatur Ta weiter dT/dt ≥ 0 gesteigert wird, oder wie in 3 gezeigt, zumindest größer als die Schmelztemperatur des Latentwärmespeichermaterials 4 ist. Denn die dem Inneren des Körpers 1 zugeführte Wärmemenge wird als Umwandlungsenthalpie für den Schmelzvorgang von dem Latentwärmespeichermaterial 4 aufgenommen bzw. verbraucht.
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Wird nun wie bei dem in 3 gezeigten Temperaturverlauf während des Schmelzvorgangs d.h. noch bevor das gesamte Latentwärmespeichermaterial 4 aufgeschmolzen ist, nach einer Zeit von 50 Sekunden bei dem Temperatur-Zeit-Koordinatenpaar 18 die Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 verringert, so nimmt die Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 erst ab, wenn die Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 kleiner als die Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 ist.
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Unterschreitet die Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 die Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 wie bei dem Koordinatenpaar 19 in 3 gezeigt, so findet ein umgekehrter Wärmestrom von innen nach außen statt. Demgemäß ist der Temperaturverlauf Ti in 3 gegenüber dem linear abfallenden Temperaturverlauf Ta zu größeren Zeiten verschoben wie bei Bezugszeichen 20 angedeutet. Die Abnahme der Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 in dem durch das Bezugszeichen 20 bezeichneten Verlaufsabschnitt entspricht in etwa der abfallenden Flanke einer Gaußschen Glockenkurve (siehe 5). Der Wärmestrom vom Latentwärmespeichermaterial 4 in Richtung des Umgebungsmediums 7 erfolgt aufgrund der hohen Wärmekapazität des Latentwärmespeichermaterials 4.
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Gemäß dem in 3 dargestellten Temperaturverlauf wird nach Erreichen eines Temperaturminimums der Temperatur des Umgebungsmediums 7 nach einer Zeit von 100 Sekunden bei dem Temperatur-Zeit-Koordinatenpaar 21 die Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 wieder mit einem konstanten Temperaturgradienten erhöht, was durch den Geradenabschnitt 22 des Verlaufs der Temperatur Ta in 3 veranschaulicht ist. Erreicht die Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 nun, wie bei dem Koordinatenpaar 23 gezeigt, die bis dahin noch höhere Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4, so erfolgt eine Erhöhung der Temperatur des Latentwärmespeichermaterials 4 wie in dem Abschnitt 16 des Temperaturverlaufs veranschaulicht. Denn es fließt dann ein Wärmestrom aus dem Umgebungsmedium in das Latentwärmespeichermaterial 4. Die Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 steigt zeitverzögert wiederum mit einem in etwa einem aufsteigenden Ast einer Gaußschen Glockenkurve entsprechenden Temperaturverlauf an, bis die Schmelztemperatur erneut erreicht wird und die Temperatur aufgrund des Verbrauchs der zugeführten Energie durch die Umwandlungsenthalpie konstant bleibt.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei den in 3 gezeigten Temperaturverläufen ein Wärmetransport von außen nach innen im zeitlichen Bereich von 0 s bis zu dem durch das Koordinatenpaar 19 gegebenen Zeitpunkt und in dem Zeitbereich größer dem Koordinatenpaar 23. Ein umgedrehter Wärmetransport liegt zwischen den Temperatur-Zeit-Koordinatenpaaren 19 und 23 vor. Dementsprechend herrscht an dem thermoelektrischen Wandler 5 jeweils ein Temperaturunterschied zwischen dessen Ober- und Unterseite 5a, 5b. Dabei hat bis zum Koordinatenpaar 19 und ab dem Koordinatenpaar 23 die Oberseite 5a des thermoelektrischen Wandlers 5 eine höhere Temperatur als dessen Unterseite 5b. In dem Bereich zwischen den Koordinatenpunkten 19 und 23 dagegen ist die Temperatur der Unterseite 5b höher als die Temperatur der Oberseite 5a. Entsprechend der Funktionsweise des thermoelektrischen Wandlers 5 führt der zwischen den Seiten des thermoelektrischen Wandlers vorherrschende Temperaturunterschied nach dem Seebeck-Effekt zum Aufbau einer elektrischen Spannung entlang des thermoelektrischen Wandlers 5. Die Spannung führt in den beiden genannten Temperaturbereichen zu einem entgegengesetzten Strom in einem äußeren, an den thermoelektrischen Wandler 5 angeschlossenen elektrischen Leiterkreis.
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Die Temperaturdifferenz zwischen der Oberseite 5a und der Unterseite 5b des thermoelektrischen Wandlers 5 ist in 4 aufgetragen. Aus der Auftragung wird ersichtlich, dass die Temperaturdifferenzen am größten sind, wenn der Phasenübergang I. Art in dem Latentwärmespeichermaterial 4, hier der Übergang von der festen Phase in die flüssige Phase stattfindet. In 4 entspricht diese Temperaturdifferenz den im Wesentlichen dreieckförmigen Spitzenabschnitten 24 und 25.
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Wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung anstelle des Latentwärmespeichermaterials 4 ein Material gewählt, welches in dem erfindungsgemäß nutzbaren Temperaturbereich keinen Phasenübergang I. Art durchläuft, sondern Wärme lediglich aufgrund seiner Wärmekapazität speichert, so ergibt sich anstelle der in 3 bzw. 4 gezeigten Temperatur-Zeitverläufe das in 5 gezeigte Verhalten. Nach 5 wird bei einer linearen Erhöhung der Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 von etwa 300°C bis etwa 500°C und einer entsprechenden linearen Reduzierung der Temperatur von 500°C auf etwa 300°C wie durch die Temperatur-Zeitverläufe 26, 27 gezeigt ein zeitverzögertes Temperaturzeitprofil des im Inneren des Körpers 1 befindlichen Wärmespeichermaterials erreicht. Dieses entspricht im Wesentlichen einer Gaußschen Glockenkurve, vgl. Bezugszeichen 28 in 5.
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Da auch in diesem Falle während der Änderung der Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 ein thermisches Gleichgewicht zwischen dem innen liegenden Wärmespeichermaterial und der Umgebung nicht erreicht wird, folgt die Temperatur Ti des innen liegenden Wärmespeichermaterials der Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 zeitverzögert nach. Das heißt, die Temperatur Ti des innen liegenden Wärmespeichermaterials steigt zeitverzögert zu der erhöhten Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 an und folgt einer Abnahme des Umgebungsmediums Ta entsprechend ebenfalls zeitverzögert. Während der Reduzierung der Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 übersteigt allerdings aufgrund des zeitverzögerten Verhaltens die Temperatur des innen liegenden Wärmespeichermaterials ab t ≥ 680 s die durch die absteigende Flanke des Temperaturverlaufs 28 gegebene jeweilige Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7. Dadurch erfolgt ein Wärmestrom von innen nach außen, der demjenigen während der Erhöhungsphase der Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 entgegengerichtet ist. Die entsprechend mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels des thermoelektrischen Wandlers 5 gewinnbare elektrische Energie kann auch hier zur Steuerung und/oder Speisung von Sensorelementen und dgl. verwendet werden.
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Während des Zeitraumes zwischen den Temperatur-Zeit-Koordinatenpaaren (290, 0) und 19 sowie 19 bis 23 und sich bei einem periodischen Temperaturzyklus wiederholend herrscht an dem thermoelektrischen Wandler 5 ein sich zeitlich verändernder Temperaturunterschied zwischen dessen Außen- und Innenseite 5a, 5b vor. Aufgrund des Vorzeichens des Gradienten der Umgebungstemperatur Ta ist eine durch den als Peltier-Element ausgeführten thermoelektrischen Wandler 6 erzeugte Spannung des Vorzeichens nach entgegengesetzt der während der Erhöhung der Außentemperatur Ta thermoelektrisch erzeugten Spannung.
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Es ist ersichtlich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in begrenzten Zeitfenstern elektrische Energie in nicht unbegrenztem Umfang aufgrund einer an dem thermoelektrischen Wandler 5 herrschenden Temperaturdifferenz gewonnen werden kann. Dabei ist jedoch die Größe der erreichbaren Energie eher für Steuerungszwecke als zur Beschaltung von stromintensiven Leistungselementen einsetzbar.
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Sofern anders als in 3 dargestellt die Abnahme der Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 nicht während des Ablaufs des Phasenübergangs I. Art des Latentwärmespeichermaterials 4 stattfindet, sondern erst nach dessen Beendigung, ergibt sich eine weitere Ausnutzung der durch eine Umkehrung des Phasenübergangs stattfindenden Abgabe von gespeicherter Energie. Erst wenn das Latentwärmespeichermaterial 4 vollständig aufgeschmolzen worden ist, folgt die Temperatur Ti bei einem fortgesetzten thermischen Kontakt der Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 zeitverzögert. Wird also beispielsweise die Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 nach Beendigung des durch das Plateau im Temperaturverlauf gemäß 3 dargestellten Phasenübergangs des Latentwärmespeichermaterials 4 weiter stetig erhöht, so wird auch die Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 weiter ansteigen. Solange ein thermisches Gleichgewicht zwischen dem Umgebungsmedium 7 und dem Latentwärmespeichermaterial 4 noch nicht erreicht wird, wird dabei eine Temperaturdifferenz zwischen außen und innen liegenden Medien vorherrschen. Diese erzeugt an dem thermoelektrischen Wandler 5 eine elektrische Spannung.
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Wird nun die Temperatur des Umgebungsmediums Ta soweit reduziert, dass sie die ihr zeitverzögert nachfolgende Temperatur Ti des Latentwärme-Speichermaterials 4 unterschreitet, so nimmt auch Ti ab. Erreicht die Temperatur des Latentwärmespeichermaterial 4 dessen Schmelztemperatur, so erfolgt in Umkehrung des Phasenübergangs festflüssig dessen Erstarrung. Bei dem Phasenübergang von der flüssigen in die feste Phase wird eine der Umwandlungsenthalpie des Latentwärmespeichermaterials 4 entsprechende Wärmemenge freigesetzt und dadurch Wärme von innen nach außen abgegeben. In einem, dem Temperaturverlauf gemäß 3 entsprechenden Diagramm würde der Verlauf der Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 ein Temperaturplateau, das bezüglich des Temperaturverlaufs Ta zu höheren Zeiten verschoben liegt, aufweisen. Während der Temperaturkonstanz wird auch hier die Temperaturdifferenz von der Temperatur Ti des Latentwärmespeichermaterials 4 und des Umgebungsmediums 7 wie schon anhand der 4 gezeigt entsprechend groß ausfallen.
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Die erfindungsgemäß durch das Zurückbleiben der Temperatur des Latentwärmespeichermaterials 4 gegenüber der kontinuierlichen Änderung der Temperatur Ta des Umgebungsmediums 7 von dem thermoelektrischen Wandler 5 erzeugte elektrische Energie kann dem Überwachungs- und Sensorelement 12 zugeführt werden, dort gespeichert oder alternativ auch mit einem Kondensator oder einem LC-Glied für einen späteren Verbrauch durch das Überwachungs- und Sensorelement 12 zwischengespeichert werden. Es versteht sich, dass dabei eine entsprechende Umpolung der Spannung mit Vorteil erfolgen kann.
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Die anhand der 3 veranschaulichte Gewinnung elektrischer Energie bzw. Leistung durch das Vorherrschen eines Temperaturunterschiedes an dem thermoelektrischen Wandler 5 ist lediglich für einen kleinen, durch das Latentwärmespeichermaterial 4 beeinflussten Zeitraum vorherrschend. Sie entspricht bei einer Ausnutzung der derzeit bekannten PCM-Materialien wie Paraffinen lediglich einer Leistung im Milliwattbereich. Aufgrund der allerdings heute bereits mit Speiseleistungen im Mikrowatt-Bereich auskommenden Steuerungs- bzw. Überwachungselektronik ist die erfindungsgemäß gewonnene elektrische Energie ausreichend, um eine autarke Versorgung von Temperaturüberwachungen und dgl. zu gewährleisten. Bevorzugt kann nach Wahl des Wärmespeichermaterials bzw. der Temperaturbereiche und Zeitskalen im Falle der Wahl eines Latentwärmespeichermaterials ein entsprechender Phasenübergang direkt zur Prozessüberwachung im Sinne eines Temperatursensors ausgenutzt werden.
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Es versteht sich, dass die erwähnten bzw. dargestellten Temperatur- und vor allem Zeitbereiche exemplarisch zu sehen sind und je nach Anwendungsfall im Rahmen der Erfindung auch abweichend gewählt werden können. Vor allem sind die Zeit- und Temperaturbereiche den jeweiligen zu verwendenden Wärmespeichermaterialien anzupassen sind. Auch die Zahl der Temperaturänderungen oder Temperaturzyklen sind erfindungsgemäß den Wärmespeichermaterialien oder den Einsatzbedingungen entsprechend zu wählen. Bei den gezeigten Temperaturverläufen handelt es sich um Simulationen, die die thermodynamischen Vorgänge abbilden. Auch können die Vorgänge durch das Verhalten von Ersatzschaltbildern eines der thermodynamischen Situation entsprechenden elektrotechnischen Analogons veranschaulicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Körper
- 2
- Seitenwandungen d. Körpers
- 3
- Boden des Körpers
- 4
- Latentwärmespeichermaterial
- 5
- thermoelektrischen Wandler
- 5a, b
- Oberseite, Unterseite des thermoelektrischen Wandlers
- 6
- Öffnung am Körper
- 7
- Umgebungsmedium
- 8
- Hohlraum
- 9
- elektrische Leitung
- 10
- erfdgm. Vorrichtung
- 11
- elektrische Anschlüsse
- 12
- Überwachungs-, Steuerungs- und/oder Sensorelement
- 14
- Wärmetauscherelement
- 15
- Wärmetauscherelement
- 16
- Abschnitt d. Temperaturverlaufs T(t)
- 18
- T-t-Koordinatenpaar
- 19
- T-t-Koordinatenpaar
- 20
- Abschnitt d. Temperaturverlaufs T(t)
- 21
- T-t-Koordinatenpaar
- 22
- Abschnitt d. Temperaturverlaufs T(t)
- 23
- T-t-Koordinatenpaar
- 24
- Abschnitt d. Temperaturverlaufs T(t)
- 25
- Abschnitt d. Temperaturverlaufs T(t)
- 26
- Temperatur-Zeitverlauf v. Ta
- 27
- Temperatur-Zeitverlauf v. Ti
- 28
- Temperaturverlauf Ti(t)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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