1 Nutzung eines unterkühlten Phasenwechselmaterial...
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Nutzung eines unterkühlten Phasenwechselmaterial-Wärmespeichers für saisonale Anwendungen (COMTES Line C)
24.03.2016 Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik
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Aufheizen mit Phasenwechsel Grundkonzept
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Abkühlen mit Unterkühlung Grundkonzept
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Aktivierung der Kristallisation Grundkonzept
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Vergrößern Grundkonzept
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ca. 10 x 5 x 1 cm 0.1 – 0.2 kg
ca. 240 x 120 x 5 cm 200 – 250 kg
M. Dannemand, W. Kong, J. Fan, J. Berg Johansen, S. Furbo, Laboratory test of a prototype heat storage module based on stable supercooling of sodium acetate trihydrate,. Energy Procedia, 2015
COMTES Line C Wärmespeicherung mit unterkühltem PCM
EC FP7 Project
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Herausforderungen
• Materialien (Charakterisierung, Phasentrennung, Korrosion) • Stabile Unterkühlung • Auslösung der Kristallisation • Hohe Leistung bei brauchbaren Temperaturen • Regelungsstrategien • Systemintegration
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Sodium Acetate Trihydrate (SAT)
CH3COONA · 3H2O Literaturwerte: (G. A. Lane, Solar Heat Storage: Latent Heat Material Volume II) Schmelztemperatur: 58 °C Schmelzwärme: 226 kJ/kg Spez. Wärmekapazität (fest) 2.79 kJ/(kg.K) Dichte flüssig (at 58 °C): 1.28 g/cm3
fest: 1.45 g/cm3
Speichermaterial
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Wärmekapazität von SAT Speichermaterial
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Temperature [°C]
Stor
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nerg
y [k
J/lit
re]
Melting point = 58 °C
Sodium acetate
Water
Supercooling
Activation ofsolidification
Schultz J. M., Furbo S., Solar heating systems with heat of fusion storage with 100% solar fraction for solar low energy buildings, Proceedings of ISES world congress 2007 (Vol. I – Vol. V), Beijing, China
Gemessene Wärmekapazität von SAT Speichermaterial
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-500
50100150200250300350400450
0 20 40 60 80 100
Enth
alpi
e [J
/kg]
Temperatur [°C]
42% 466mg22-DSC
42% 354mg98-DSC
42% 57mg25-DSC
42 wt% T-History
Dynamische Viskosität von SAT Speichermaterial
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[4] J. Fan, S. Furbo, E. Andersen, Z. Chen, B. Perers, M. Dannemand, Thermal behavior of a heat exchanger module for seasonal heat storage. SHC 2012 Conference Proceedings, San Francisco, USA, 2012. [6] S.K. Sharma, C.K. Jotshi, A. Singh (1984). Viscosity of Molten Salt Hydrates. Journal of Chemical and Engineering Data, Vol. 29, No. 3, pp. 245-246.
0,0000,0050,0100,0150,0200,0250,0300,0350,0400,0450,050
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Dyn
. Vis
kosi
tät [
Ns/
m²]
Temperatur [°C]
42% (Sharma [6])
42% (Fan [4])
42% (IWT meas.)
44% (IWT meas.)
46% (IWT meas.)
48% (IWT meas.)
Dichte von SAT Speichermaterial
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Dic
hte
[kg/
m³]
Temperatur [°C]
42% (Furbo [8])
42% (Fan [6])
42% (IWT meas.)
44% (IWT meas.)
46% (IWT meas.)
48% (IWT meas.)
[8] S. Furbo, S. Svendsen, (1977). Report on heat storage in a solar heating system using salt hydrates. Thermal Insulation Laboratory, Technical University of Denmark, report no. 70. Revised February 1978. [6] J. Fan, S. Furbo, E. Andersen, Z. Chen, B. Perers, M. Dannemand, (2012). Thermal behavior of a heat exchanger module for seasonal heat storage. SHC 2012 Conference Proceedings, San Francisco, USA.
Phasentrennung
Löslichkeit sinkt bei tiefen Temperaturen 60% Sodium Acetate + 40% H2O Inkongruentes Schmelzen - Phasentrennung
Lösungsansätze: Anteil des Wassers erhöhen 55% Sodium Acetate + 45% H2O
Eindicken mit Zusätzen Carboxy Methyl Cellulose, CMC Xanthan Gummi, X-Gum Ethylene Diamine Tetraacetic, EDTA
Speicherdichte
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Unterkühltes SAT Unterkühltes SAT + H2O
Unterkühltes SAT + CMC
Wärmeleitfähigkeit von SAT
SAT: 0.4 - 0.7 W/(m∙K) Luft : 0.03 W/(m ∙ K) Stahl: 60 W/(m ∙ K) Edelstahl: 15 W/(m ∙ K)
SAT mit Graphite (150 W/(m ∙ K)) 0.5% X-Gum + 5% graphite powder: 0.73 W/(m ∙ K) 0.5% X-Gum + 10% graphite powder: 0.92 W/(m ∙ K) 0.5% X-Gum + 15% graphite powder: 1.20 W/(m ∙ K)
Speichermaterial
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Korrosion
Hohe Korrosion bei Verwendung von Aluminium in Kombination mit anderen Metallen (z.B. Stahl)
Rostbildung bei Verwendung von Stahl Keine Korrosion bei der Verwendung von Edelstahl
Speichermaterial
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Erster Prototyp im Labor Messungen
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Versuchsaufbau
07142128354249
01234567
0 0.5 1 1.5
Rück
lauf
tem
pera
tur [
°C]
Leis
tung
[kW
]
Entladezeit [h]
bei 250 kg/h
Ergebnisbeispiel
Moser, C.: Saisonale Wärmespeicherung auf Basis von Phasenwechselmaterial. Erneuerbare Energie, Zeitschrift für eine nachhaltige Energiezukunft (2014) 3, page 10 - 13
Expansion und Wärmeübertragung Messungen
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10 % Volumenausdehnung beim Phasenwechsel von fest auf flüssig → Luftvolumen mit Ausdehnungsgefäß
Luftblasen zwischen PCM and Wärmetauscher → Ölschichte auf der Oberfläche
Auslösung der Kristallisation Messungen
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Abkühlung von unterkühltem PCM mit Peltier Element
Einbringen eines Kristallisationskeims mit einer Nadel
Abkühlung durch CO2 Expansion an der Außenseite des Moduls
Entwicklung und Test der Vorrichtungen Messungen
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PCM Speicher Modell für TRNSYS
1-dim Knotenmodell Ansatz für die Wärmeleitung: Explizite Methode Zwei Wärmetauscher (oben und unten)
Simulation
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Validierung des Speichermodells Simulation
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0 1 2 3 4 5
Ener
gie
[kW
h]
Tem
pera
tur [
°C]
Zeit [h]
T_VL [°C]T_RL_Mess [°C]T_RL_Sim [°C]Energie_Mess [kWh]Energie_Sim [kWh]
System Simulationen mit TRNSYS Simulation
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PCM Solar Heating Hotwater
Solar Water Heating Hotwater
PCM Solar Water Heating Hotwater
PCM Bypass
Moisi, H. (2014); Simulation based analysis of a seasonal thermal storage system using PCM; Master Thesis at IWT, TU Graz
Demonstrationssystem
Aufgebaut an der Technischen Universität in Dänemark am Solarteststand 22.4 m² Vakuumröhrenkollektoren
4 PCM Module mit 800 kg SAT
735 l Tank in Tank Pufferspeicher Simulierte Abnahme: Dänisches Passivhaus Voraussichtlicher solarer Deckungsgrad: 80%
Demonstration
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Installierte PCM Module
Vier Module mit ca. 200 kg Sodium Acetate Trihydrate (SAT) & Additive: Carboxymethyl Cellulose (CMC) zum Eindicken; verhindert die Phasentrennung
Graphit Pulver (C); Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit (Eindicken notwendig)
Paraffin Öl; Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen PCM (fest) und Wärmetauscher
Erhöhter Wasseranteil und Ethylenediaminetetraacetic Acid (EDTA) ; verhindert die Phasentrennung
Zusammenstellung der Speichermodule:
Demonstration
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Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 Tank Material: Stahl Edelstahl Stahl Edelstahl
PCM Gemisch: SAT + 1% CMC + 2% C + 5l Öl
SAT + 1% CMC SAT + 1% H2O
+ 1% EDTA SAT + 2 % EDTA
PCM Gewicht: 202 kg 220 kg 202 kg 158 kg
Zusammenfassung - Erkenntnisse Material (Sodium Acetate Trihydrate, SAT)
Neue Daten für SAT vor allem für den unterkühlten Zustand Thermische Messungen
Experimente im Labor beweisen, dass das Prinzip funktioniert; Leistung ist jedoch geringer als erwartet
TRNSYS Simulationen Neues Speichermodel für TRNSYS wurde entwickelt und mit Messdaten validiert Simulationen unterschiedlicher Systeme zeigten Verbesserungspotentiale auf
Vorrichtungen zur Auslösung der Kristallisation Vorrichtungen mit Peltier Element und Nadel wurden entwickelt und getestet
Demonstrationssystem Das Gesamtsystem funktioniert und liefert vielversprechende Ergebnisse Weiterentwicklung ist im Gange
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Danksagung
Die aktuellen Forschungen werden vom 7. Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Union durch das Projekt COMTES (Combined development of compact thermal energy storage technologies) mit der Projektnummer 295568 finanziert.
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Publikationen I Long term thermal energy storage with stable supercooled sodium acetate trihydrate, Mark Dannemand, Jørgen M. Schultz, Jakob Berg Johansen, Simon Furbo. Applied Thermal Engineering (91), 2015 Solidification behaviour and thermal conductivity of bulk sodium acetatet trihydrate mixtures with thickening agents and graphite powder, Mark Dannemand, Jakob Berg Johansen, Simon Furbo. Solar Energy Materials and Solar cells, Vol 145, part 3, pp. 287-295, 2016 Thermal conductivity enhancement of sodium acetate trihydrate by adding graphite powder and the effect on stability of supercooling, Jakob Berg Johansen, Mark dannemand, Weiqiang Kong, Jianhua Fan, Janne Dragsted, Simon Furbo. Energy Procedia (ISSN: 1876-6102) (DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2015.02.121), vol: 70, pages: 249-256, 2015 Laboratory test of a prototype heat storage module based on stable supercooling of sodium acetate trihydrate, Mark Dannemand, Weiqiang Kong, Jianhua Fan, Jakob Berg Johansen, Simon Furbo. Energy Procedia (ISSN: 1876-6102) (DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2015.02.113), vol: 70, pages: 172-181, 2015
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Publikationen II Testing of PCM heat storage modules with solar collectors as heat source, Gerald Englmair, Mark Dannemand, Jakob Berg Johansen, Weiqiang Kong, Janne Dragsted, Simon Furbo, Jianhua Fan. International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, SHC 2015 Laboratory test of a cylindrical heat storage module with water and sodium acetate trihydrate. Mark Dannemand, Weiqiang Kong, Jakob Berg Johansen, Simon FurboInternational Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, SHC 2015 Validation of a CFD model simulating charge and discharge of a small heat storage test module based on a sodium acetate water mixture, Mark Dannemand, Jianhua Fan, Simon Furbo, Janko Reddi. Energy Procedia (ISSN: 1876-6102) (DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2014.10.254), vol: 57, pages: 2451–2460, 2014 Saisonale Wärmespeicherung auf Basis von Phasenwechselmaterial. C. Moser, Erneuerbare Energie, Zeitschrift für eine nachhaltige Energiezukunft (2014) 3, page 10 - 13
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Masterarbeiten Moisi, H. (2014); Simulation based analysis of a seasonal thermal storage system using PCM; Master Thesis at IWT, TU Graz Dröscher, H. (2012); The chemical system of sodium acetate / water as phase change material (PCM) for the use in seasonal energy storage; Master Thesis at IWT, TU Graz
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