Phasenwechselmaterialien – Produkte zur Speicherung eutektischer thermischer Energie

Ice Thermal Energy Storage (TES) hat den Vorteil der universellen Verfügbarkeit, der geringen Kosten und der Transportfähigkeit durch andere Systemkomponenten. Ein herkömmliches Eis-TES-System für Klimaanlagen erfordert jedoch Niedertemperaturkühler, und daher müssen Standardwasserkühler durch Niedertemperatur-Glykolkühler ersetzt werden, die mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur arbeiten und mehr Strom verbrauchen.

Wenn wir Designern ein Eis anbieten können, das über oder unter 0 °C (32 °F) gefriert und schmilzt, werden diese neuen Produkte neue Horizonte für umweltfreundliche und wirtschaftliche Systeme sowohl für neue als auch für nachgerüstete Prozesskühlungs- / Heizlastverlagerungsanwendungen eröffnen.

Phasenwechselmaterial (PCM) Eutektische Lösungen sind Mischungen aus zwei oder mehr Chemikalien, die, wenn sie in einem bestimmten Verhältnis gemischt werden, einen Gefrier- / Schmelzpunkt unter oder über der Gefriertemperatur von Wasser von 0 °C (32 °F) haben und eine Thermik bieten Energiespeicher zwischen -114 °C (-173 °F) und +164 °C (327 °F).

Eutektika sind wohlbekannt und frühe Anwendungen gehen auf das späte 18. Jahrhundert zurück, jedoch waren die Trennung und die Lebenserwartung dieser Mischungen unvorhersehbar und daher war ihre weit verbreitete Verwendung begrenzt.

Die Nachteile eines herkömmlichen HVAC-Kühlers und eines Eisspeichersystems (Wassereis) können überwunden werden, indem die latente Wärmekapazität verschiedener „eutektischer“ Mischungen genutzt wird, ohne dass Minusumlauftemperaturen erforderlich sind.

Die thermische Energiespeicherung aus Phase Change Material (PCM) ermöglicht dem Konstrukteur nicht nur die Nutzung vorhandener Kühlertechnologie, sondern ermöglicht auch das Laden mittels freier Kühlung, dh ohne den Betrieb der Kühler

Obwohl der Begriff „Eutektikum“ weit verbreitet ist, um die Materialien zu beschreiben, an denen wir interessiert sind, wäre eine bessere Beschreibung „Phase Change Materials“ („PCMs“). Leider sind nur sehr wenige der dokumentierten PCM-Lösungen echte Eutektika und so viele müssen modifiziert werden, um ein für den Langzeitgebrauch geeignetes Material zu erhalten.

PCMs können grob in zwei Kategorien eingeteilt werden; „Organische Verbindungen“ und „Produkte auf Salzbasis“. Die grundlegende Anforderung an eine modifizierte eutektische (PCM) Lösung kann in drei Kategorien eingeteilt werden, nämlich stabile Lösung (keine Trennung oder Zersetzung), minimale Unterkühlung/Erhitzung und schließlich nahe Gefrier- und Schmelztemperaturen.

Es gibt drei grundlegende Additive, die üblicherweise verwendet werden, um eutektische PCM-Lösungen auf der Basis von hydratisierten Salzen zu modifizieren. Diese drei Komponenten sind erstens das Nukleierungsmittel, das die Kristallbildung fördert und daher die Unterkühlung minimiert, und das zweite Additiv ist das Gefrierunterdrückungsmittel, um eine niedrigere Phasenwechseltemperatur zu erreichen, und drittens das Gelier- / Verdickungsmittel, um Trennungs- und Abbauprobleme zu überwinden.

Sobald die oben genannten Komponenten sorgfältig aufgetragen wurden, kann aus physikalischer und thermodynamischer Sicht eine zufriedenstellende eutektische PCM-Lösung hergestellt werden, und kommerziell erhältliche Lösungen bieten einen Bereich von -114 °C (-173 °F) und +164 °C (327 °F).

Die meisten geeigneten PCM-Lösungen für HLK- und Kühlsysteme sind jedoch korrosiv gegenüber häufig verwendeten Rohr- und Leitungskomponenten, und daher müssen geeignete Verkapselungstechniken angewendet werden, um dieses Problem zu überwinden und gleichzeitig die beste thermische Leistung zu erzielen. Es wurden verschiedene Verkapselungstechniken wie Röhren-, Flachbehälter- oder alternativ Kugelkonzepte entwickelt, bei denen die PCM-Lösungen in Kunststoff- und/oder Metallhüllen verkapselt werden.

Die Wärmeübertragung zwischen den umgebenden Medien, die die Einheit um- oder in der Einheit umströmen, und den umgebenden PCM-Lösungen erfolgt von der äußeren oder inneren oder der Kombination beider Oberflächen der gekapselten PCM-Einheit. Diese Techniken eliminieren im Allgemeinen das Kontaminationsrisiko und bieten eine effiziente, kostengünstige, praktische und flexible neue Art von TES-Designs.

Die Abhängigkeit der modernen Gesellschaft von Kühlung und Klimatisierung zeigt, dass Kühlung und die damit verbundenen Umweltprobleme uns noch eine beträchtliche Zeit beschäftigen werden und daher vorhandene und verfügbare alternative Technologien mit minimalem Energieverbrauch genutzt werden müssen.

Ein Wärmeenergiespeicher (TES) aus eutektischem Phasenwechselmaterial (PCM) mit positiver Temperatur bietet dem Endverbraucher nicht nur ein umweltfreundliches Design, sondern es können auch die folgenden zusätzlichen Vorteile erzielt werden:

o Reduzierte Gerätegröße

o Einsparung von Kapitalkosten

o Energiekosteneinsparung

o Umweltfreundliche Installation

o Verbesserter Systembetrieb

o Flexibilität für die Zukunft Kapazitäten

Die von den vorgeschlagenen PCM-Lösungen angebotenen Temperaturbereiche verwenden herkömmliche Kaltwassertemperaturbereiche sowohl für die Lade- als auch für die Entladeseite des Systems. Daher können sie mit minimalen technischen und wirtschaftlichen Auswirkungen auf jede neue oder nachgerüstete Anwendung angewendet werden.

Darüber hinaus bieten die Kombinationsmöglichkeiten von TES-Systemen mit freiem Kühlkreislauf, Absorptionskältemaschinen, Kraft-Wärme-Kopplung, Solarenergie, Warmwasser und Wärmerückgewinnung neue Horizonte für Designer, um die Energiebilanz so zu steuern, dass sie der Last und dem Strombedarf / -verbrauch des Systems entspricht ganz.

Die Aufgabe der Konstrukteure besteht darin, alle verfügbaren Technologien zu untersuchen, um eine verbesserte Effizienz zu erreichen, unabhängig davon, welches Kältemittel verwendet wird, und wo und wann immer möglich Diversifizierungstechnologien anzuwenden, um den gesamten CO2-Ausstoß im Zusammenhang mit dem Energieverbrauch zu minimieren. Ein sorgfältig ausgewogenes Eutektikum, Phasenwechselmaterial (PCM) Thermische Energiespeicherung (TES) kann die Antwort für einige der Kühlanwendungen für eine umweltfreundliche und wirtschaftliche Alternative sein.

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