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4. Paraffin basierter Latentwärmespeicher im praxisnahen Versuch

Der folgende, von mir geplante und durchgeführte Versuch, soll dazu dienen eine möglichst genaue Temperaturkurve von Paraffinwachs zu erstellen, die den Temperaturanstieg im Verhältnis zur zugeführten Wärmeenergie darstellt. Daraus soll dann die Menge an Energie bestimmt werden, die während der Änderung des Aggregatzustands gespeichert werden kann, ohne dass sich die Temperatur im Speichermaterial verändert. Dies soll gleichzeitig als Beweis für die Eignung von Latentwärmespeichern für die meisten Anwendungen aus dem folgenden Punkt 5 dienen.
Als Vorversuch soll der Versuchsaufbau mit Wasser, als Vertreter der nicht latenten Speichermaterialien, anstatt von Paraffinwachs als latentes Speichermedium betrieben werden. Dies soll vor allem dazu dienen, Messfehler zu erkennen die bei dem Versuchsspeicher möglicherweise auftreten können.

4.1 Der Aufbau des Modellspeichers

Als Modellspeicher wird im Versuch ein Kunststofffass mit einem Fassungsvermögen von 30 Litern verwendet, in das die Kupferrohrspirale als Wärmetauscher eingelegt ist:
Fass und Wärmetauscher in Form einer Kupferrohrspirale
Bild 1: Wärmetauscher-Spirale und Kunststofffass
Latentwärmespeicher - Grundaufbau mit Isolierung
Bild 2: Montierter Speicher mit Isolierungen
Dieses Rohr wird an einen Heiz-, sowie an einen Kühlkreislauf angeschlossen. Bei meinem Versuch wurde die Raumheizung eines Einfamilienhauses verwendet. Die erforderliche Wärmeenergie wird über eine Solarthermieanlage geliefert. Das Abkühlen erfolgt über einen Warmwasserpufferspeicher der Raumheizungsanlage. Als Speichermedium wird beim Versuch das PCM Paraffinwachs verwendet. Dieses ist zum einen ungefährlich und somit gut für den Eigenbau geeignet. Außerdem ist sein Schmelzpunkt mit gemessenen 55°C in einer noch gut zu erreichenden, aber dennoch gut nutzbaren Höhe. Als letztes Argument hat für mich auch noch die Bekanntheit dieses Materials für die Entscheidung für es beigetragen. Jedermann kennt Paraffinwachs beispielsweise aus handelsüblichen Teelichtern.
Alle installierten freiliegenden Rohrleitungen des Versuchsaufbaus wurden mit spezieller Rohrisolierung ummantelt. Das Fass selbst wurde durch mehrere Isoliermatten, wie auch auf den Fotos zu sehen ist umwickelt. Als Deckel sowie als Unterlage wurde Styropor verwendet. Diese Maßnahmen sind nötig um den Wärmeverlust so gering wie möglich zu halten und um realitätsnahe Messergebnisse zu erhalten.
Damit später der Versuch nachvollziehbar ist und ausgewertet werden kann, wird die Temperatur andauernd über Sensoren an der Rohrleitung, vor und nach dem Latentwärmespeicher, sowie im Speichermedium selbst bestimmt (Lage der Sensoren siehe Abb.5 in Punkt 4.2). Die Wassermenge die durch das Rohr fließt und der Erwärmung bzw. Kühlung des Speichermediums dient wird durch einen Volumenstromzähler gemessen.

4.2 Messdatenerfassung

Für die spätere Auswertung des Versuchs wird ständig an vier verschiedenen Stellen des Versuchsaufbaus die Temperatur gemessen.
Lage der Temperatursensoren im Latentwärmespeicher
Abb. 3: Lage der Temperatursensoren im und vor, beziehungsweise nach dem Latentwärmespeicher
Zum einen ist ein Sensor oben (S5), und einer unten (S12) im Speichermaterial, um die aktuelle Temperatur und die ungefähre Temperaturverteilung festzustellen. Zum anderen ist jeweils ein Temperaturfühler am Rohr vor (S16) bzw. nach (S14) dem Speicher um aus der Temperaturdifferenz und der Durchlaufmenge an Wärmeträgerflüssigkeit die gespeicherte, bzw. abgegebene Energie errechnen zu können. Für den Versuch werden Pt1000 Sensoren verwendet da diese sehr genau messen können. Pt1000 Sensoren der Firma Conrad sind Sensoren mit 1000 Ohm Innenwiderstand bei 0°C. Pro Temperaturänderung von 1°C verändert sich der Innenwiderstand dieser sehr genauen Sensoren um 0,385%. Als vereinfachte Formel kann man also nach [11] für positive Temperaturen folgende Formel annehmen:
RPt-Sensor = R0 * (1 + (deltaT * a) )
R0 ist der Widerstand bei °C
deltaT ist die Temperaturänderung in K
a ist eine Konstante für die Veränderung des Widerstands pro Temperaturänderung von 1°C. Bei Pt1000 Sensoren 0,00385 K*exp(-1)

Das Durchlaufvolumen wird mit einem Volumenstromzähler erfasst. Dieser gibt pro 0,5 Liter einen Impuls ab.
Die Aufzeichnung dieser Messwerte erfolgt über die Heizungssteuerung die auch den Widerstand automatisch in eine Temperatur und die Impulse des Volumenstromzählers in verwertbare Volumeneinheiten umwandelt. Durch eine PCSchnittstelle können diese Werte dann in eine übersichtliche Tabelle in ein Bearbeitungsprogramm, wie zum Beispiel Excel eingelesen und somit auch ausgewertet werden. Der Temperaturverlauf und die momentan gespeicherte Wärmemenge können so beispielsweise in übersichtlichen Grafiken dargestellt werden.

4.3 Funktionsweise des Versuchs

4.3.1 Aufladen des Latentwärmespeichers

Das Aufladen des Latentwärmespeichers, also das Zuführen von Energie erfolgt, indem relativ zum Speichermedium wärmeres Wasser durch das Speichermaterial geleitet wird. Dieses läuft, wie bereits erwähnt, durch eine 10000 mm lange Kupferleitung, mit 12 mm Durchmesser die spiralförmig durch das Speichermaterial geführt ist und somit als Wärmetauscher dient. Dadurch ergibt sich eine Rohroberfläche und somit Wärmeaustauschsfläche von ca. 0,38 m². Im folgenden Schaltplan kann man den vereinfachten Wärmefluss sehen:

Schematische vereinfachte Darstellung des Aufheizvorgangs eines Latentwärmespeichers
Abb. 4: Vereinfachter Schaltplan für den Aufladevorgang

Das Wärmeträgermedium (Wasser) wird durch eine Pumpe (1.) in eine Zirkulation gebracht. Zuerst wird es durch eine von einer Solarthermieanlage erwärmte andere Wärmeträgerflüssigkeit im Wärmetauscher erhitzt. Dieser andere Wärmeflüssigkeitskreislauf ist notwendig, da in dieser anderen Wärmeträgerflüssigkeit Frostschutzmittel für die Solarthermieanlage beigemischt ist. Danach fließt es durch den Wärmespeicher, in dem es seine Wärme an das kältere Speichermaterial abgibt.
Im Speicher selbst fließt das Wärmeträgermedium zuerst nach unten und dann langsam, über die vielen Windungen der Spirale nach oben, um den Wärmespeicher möglichst gleichmäßig aufzuwärmen. Abschließend fließt das nun wieder kalte Wärmeträgermedium zurück zur Pumpe (1.), wo der Kreislauf von vorne beginnt. Der tatsächliche, unvereinfachte Schaltplan mit der gesamten Heizungsanlage für das Aufheizen ist in der nachstehenden Abb. 5 zu sehen:
Aufheizvorgang
Abb. 5: Hydraulikschaltplan der Heizungsanlage "heizen" – [12]

4.3.2 Abkühlen des Latentwärmespeichers

Das Abkühlen des Latentwärmespeichers, also die Energieentnahme, erfolgt über das Durchfließen der schon in Punkt 4.3.1 beschriebenen Kupferrohrspirale im Speichermaterial mit kaltem Wärmeträgermedium (Wasser). Diese wird dem Warmwasserpufferspeicher der Heizungsanlage entnommen, welcher durch den Rückfluss des im Latentwärmespeicher erwärmten Wärmeträgermediums aufgeheizt wird. Die Aufheizung dieses Speichers wird allerdings im Folgenden nicht betrachtet.
Der Abkühlvorgang im Detail:
Abkühlvorgang - Schmatische Darstellung
Abb. 6: Vereinfachter Schaltplan des Abkühlvorgangs

Zunächst wird wie beim Aufladevorgang das Wärmeträgermedium von einer Pumpe in Bewegung gebracht. Dieses durchfließt den Latentwärmespeicher und wird dabei erwärmt, nimmt also Energie auf. Danach fließt es in einen großen Warmwasserspeicher, in dem es gegen kaltes Wärmeträgermedium "ausgetauscht" wird. Der Austausch erfolgt dadurch, dass das Wärmeträgermedium oben in den Warmwasserspeicher hineingedrückt wird und unten herausgelassen wird. Der Warmwasserspeicher ist geschichtet, die Temperatur im Inneren ist also nicht konstant, sondern nimmt von oben nach unten hin ab. Vom untersten Auslass aus, wo die Temperatur folglich am niedrigsten ist, läuft das Wärmeträgermedium dann zurück zur Pumpe und somit zum Beginn des Wärmetransportkreislaufs. In der folgenden Abb.7 kann der gesamte Abkühlvorgang in Verbindung mit allen anderen Elementen der Heizungsanlage betrachtet werden. Es ist also auch möglich den Aufladevorgang (nicht markiert) zu sehen.
Abkühlvorgang
Abb. 7: Hydraulikschaltplan der Heizungsanlage "abkühlen" - [12]

4.4 Überblick über die Versuchsdurchführungen

  • Vorversuch: Um den Versuchsaufbau zu testen wurde der erste Aufladevorgang nicht mit Paraffinwachs, sondern mit Wasser als Speichermaterial betrieben. Von Wasser sind die Eigenschaften schon mehrfach bewiesen worden und somit theoretisch nachprüfbar.
  • Messung nachdem verflüssigtes Paraffinwachs eingefüllt wurde, um den Abkühlvorgang genau aufzuzeichnen und auswerten zu können.
  • Messung von einem kompletten Zyklus, also einem Auflade- und anschließendem Abkühlvorgang.

4.5 Auswertung der Daten

4.5.1 Vorversuch mit Wasser

Beim Testlauf der Versuchsanordnung mit Wasser ergaben sich folgende Werte:

  • Masse des Wassers: m = 30kg
  • Temperaturerhöhung: deltaT = 44K
  • Zugeführte Energie: Qges = 1,56kWh
Nach theoretischer Rechnung müsste man um Wasser um 44 K zu erwärmen folgende Energie Qges zuführen:

Formel zur Errechnung der Wärmekapazität von Wasser

Man benötigt also 1,54 kWh um Wasser der Masse 30 kg um 44 K zu erwärmen. Es ist also ein Messfehler vom theoretischen Wert gegenüber dem gemessenen Wert von 1,56 kWh von ungefähr 1,3 % aufgetreten. Der zugehörige Graph der Messdaten bringt sehr schön den linearen Anstieg der Temperatur, beziehungsweise der sensiblen Wärme bei Energiezufuhr zum Vorschein, wie das bei einem kapazitiven Speicher zu erwarten ist:
Diagramm - Wärmeinhalt Wasser - Temperatur
Abb. 8: Temperaturverlauf des Wassers in Abhängigkeit der zugeführten Energie

4.5.2 Versuche mit Paraffinwachs

Die erste Messung eines Abkühlvorgangs wurde beim Abkühlen von extern geschmolzenem Paraffinwachs im Versuchsspeicher vorgenommen. Die Masse des Paraffinwachses beträgt aufgrund seiner geringeren Dichte gegenüber dem zuvor verwendeten Wassers nur 22 kg. Das Volumen ist jedoch das Gleiche wie beim Vorversuch mit Wasser, also 30 dm3.
Gemessen wurde im Temperaturbereich von etwa 77°C durchgängige Starttemperatur, bis etwa 40°C Endtemperatur oben und etwa 50°C Endtemperatur unten [Alle Messdaten siehe Anlage 2]. Die relativ große Differenz zwischen der oberen und unteren Temperatur ergibt sich daraus, dass nach oben hin der Wärmeverlust am größten ist. Außerdem durchläuft das kalte Wärmeträgermedium die Kupferrohrspirale von oben nach unten und kühlt somit oben am meisten ab. Der obere Sensor kann auf Grund der zu hohen Anbringung und der eben beschriebenen Effekte deshalb nicht für die Versuchsauswertung verwendet werden. In folgender Grafik kann der Temperaturverlauf des Paraffinwachses in Abhängigkeit zur entnommenen Energie gesehen werden:
Diagramm - Temperaturverlauf des Paraffinwachses in Abhängigkeit zur entnommenen Energie
Abb. 9: Temperaturverlauf des Paraffinwachses in Abhängigkeit zur entnommenen Energie

Im Bereich von 0-0,4 kWh entnommener Wärmemenge fällt die Temperaturkurve relativ stark ab. Nach 1,4 kWh entnommener Wärmeleistung beginnt sie ebenfalls wieder stärker abzufallen. Dies lässt darauf schließen, dass in diesen beiden Bereichen sensible Wärme entnommen wurde, sich der Zustand des Paraffinwachses folglich auch nicht geändert hat. Dass das gesamte Paraffinwachs geschmolzen war, konnte in der Beobachtung des Versuchablaufs daran erkannt werden, dass keine weißen Restklumpen von Paraffinwachs mehr im Speicher zu sehen waren:
Latentwärmespeicher - Vollständig geschmolzenes Wachs
Bild 3: Fast vollständig geschmolzenes Paraffinwachs bei einer gemessenen Temperatur von ungefähr 70°C

Im Abschnitt zwischen den beiden sensiblen Bereichen, also von 0,4-1,4 kWh entnommener Energiemenge verläuft die Temperaturkurve annähernd konstant waagrecht, nahe bei den gemessenen 55°C Schmelztemperatur von Paraffinwachs. Die entnommene Energie von 1,0 kWh in diesem Bereich ist also keine sensible Wärme, weil sich bei deren Entnahme das Paraffinwachs abkühlen würde. Es handelt sich anstatt dessen um den Anteil latenter Wärmeenergie des Speichers. In den Übergangsbereichen, die bei einem realen Betrieb im Gegensatz zur schematischen Darstellung wie Abb.1 auftreten, weil das Speichermedium nie vollständig durchmischt werden kann, ist die entnommene Energie sowohl aus Schmelzenergie, als auch aus sensibler Energie zusammengesetzt. Beim zweiten Versuch mit Paraffinwachs ergab sich folgende Temperaturverlaufskurve für den Aufladevorgang des Wärmespeichers:
Temperaturverlauf in Abhängigkeit zur zugeführten Energie beim Aufladevorgang des Latentwärmespeichers
Abb.10: Temperaturverlauf in Abhängigkeit zur zugeführten Energie beim Aufladevorgang des Latentwärmespeichers

Während des Aufladevorgangs wurde die Temperatur im Speicher von etwa 44°C auf etwa 88°C erhöht, und dabei eine Energiemenge von knapp 3,2 kWh zugeführt. Dieser Wert kann aufgrund der identischen Temperaturerhöhung mit dem Vorversuch mit Wasser (siehe Punkt 4.5.1) verglichen werden. Im Gegensatz zu Wasser konnte das gleiche Speichervolumen an Paraffinwachs, in diesem Temperaturbereich 1,6 kWh oder 93,8 % mehr Energie aufnehmen. Für das Speichervolumen von 30 Litern ergibt sich also, das in diesem Temperaturbereich pro dm3 53,3 Wh (= 192 kJ) mehr Energie als in Wasser gespeichert werden können.
Die kleinen Wellen im sensiblen Bereich zwischen 1,9 und 3,1 kWh zugeführter Energie ergeben sich daraus, dass das Paraffinwachs in diesem Bereich keine konstante Temperatur hatte. Sobald der Aufladevorgang kurz unterbrochen wurde verteilte sich die Energie wieder im gesamten Speichermaterial und die Temperatur am Sensor ist etwas abgefallen.
Für den Abkühlvorgang des zweiten Versuchs ergab sich folgender Temperaturverlauf in Abhängigkeit zur entnommenen Energie:
Temperaturverlauf in Abhängigkeit zur entnommenen Energie beim Abkühlvorgang des Latentwärmespeichers
Abb.11: Temperaturverlauf in Abhängigkeit zur entnommenen Energie beim Abkühlvorgang des Latentwärmespeichers

Beim Abkühlvorgang wurde die Temperatur im Speicher von 88°C auf 39°C um 49K abgesenkt. Um den Abkühlvorgang mit dem Aufladevorgang vergleichen zu können wird im Folgenden nur die Energieentnahme bis 44K betrachtet, also eine Abkühlung von 44K. In diesem Bereich konnte eine Energiemenge von etwas über 1,9 kWh abgegeben werden. Es ergibt sich also zwischen hineingesteckter Energiemenge von 3,2 kWh und herausgeholter Energiemenge ein Verlust von 1,3 kWh.
Bei der Temperaturverlaufskurve in Abhängigkeit zur entnommenen Energie ist deutlich zu sehen, dass eine Temperaturkonstanz im Entnahmebereich von 0,5-1,5 kWh auftritt. Wie bei dem ersten Abkühlvorgang beträgt die latente Wärme im konstanten Temperaturbereich also 1,0 kWh. Der eigentliche Wert der latenten Wärme ist jedoch etwas höher, da in dem Bereich ab 1,5 kWh immer noch nicht alles Paraffinwachs erstarrt war. Eine Erstarrung des gesamten Paraffinwachses, bevor sich die sensible Temperatur zumindest an einigen Stellen im Speicher weiter absenkt ist nicht möglich, da die Wärmeleitfähigkeit im Paraffinwachs nicht groß genug ist um für einen kompletten Temperaturausgleich im Speicher zu sorgen. Diese Reste an flüssigem Speichermedium erstarren dann langsam und geben dabei Wärmeenergie ab. Wie hoch dieser Anteil an noch nicht geschmolzenem Paraffinwachs ist kann nicht genau festgestellt werden. Um die Wärmekapazität des flüssigen Paraffinswachses festzustellen werden beim Abkühlvorgang die Daten vor der Phasenumwandlung verwendet. Um sicherzustellen, dass nicht schon ein Teil des Paraffinwachses erstarrt ist, wird für einen Wert von 0,3 kWh entnommene Energie die Temperatur ermittelt. Sie ergibt 66°C. Die Temperaturdifferenz .T beträgt also 22 K. Damit ergibt sich für c [3, Seite 37]:
Formel für die Wärmekapazität c
"Die spez. Wärmekapazität von Latentwärmeparaffinen liegt bei etwa 2,1 kJ/(kg·K)." [nach 10] Der gemessene Wert liegt also nur 4,5 % über dem theoretischen Wert. Paraffinwachs speichert demnach in seinem kapazitiven Teil gut die Hälfte von Wasser, welches 4,19 kJ/(kg*K) speichern kann. Zusammen mit dem latenten Teil speichert Paraffinwachs jedoch deutlich mehr Energie in diesem Temperaturbereich als Wasser.

4.6 Bewertung der Messung

Der Vorversuch mit Wasser als Vertreter der kapazitivem Speichermaterialien und derzeit Standart Speichermedium der meisten Hausheizungsanlagen, hat im Vergleich mit den theoretischen Werten gezeigt, dass der Versuchsaufbau relativ genaue Messergebnisse liefert. Somit ist auch sichergestellt, dass der Volumenstromzähler, der nicht überprüft werden konnte, genau misst. Die Messungen mit Paraffinwachs als Vertreter der PCMs haben ebenfalls den erwarteten Temperaturverlauf beim Aufladen, sowie beim Abkühlen des Latentwärmespeichers hervorgebracht. Damit haben sie bestätigt, dass ein erheblicher Energieanteil während des Phasenwechsels des PCMs gespeichert werden kann.
Die konstante Temperatur während dieses Phasenwechsels ist ebenfalls aus den Temperaturverlaufskurven (Abb. 9-11) zu sehen. Diese so bewiesene Eigenschaft von Latentwärmespeichern ist auch bei einigen Anwendungsbeispielen von Punkt 5. von Bedeutung!

4.7 Fazit des praktischen Versuchs

Es zeigte sich an der großen Energiedifferenz von eingesetzter und herausgeholter Energie bei der Messung von einem kompletten Zyklus, dass die zur Verfügung stehende Isolierung nicht ausreichend war. Bei einer rentablen Verwendung müsste ein Latentwärmespeicher also noch besser isoliert werden, um auch über einen längeren Zeitraum von ein paar Tagen Energie ohne große Abstrahlungsverluste speichern zu können. Bei Warmwasserspeichern ist es zum Beispiel üblich, dass mindestens 8 cm Schaumstoff als Isolierung verwendet werden[13].
Die Wärmetauscherleistung der Kupferrohrspirale ist im erstarrten sensiblen Bereich nicht optimal. Sie bietet zu wenig Oberfläche um schnell große Mengen an Energie aus dem Speicher herausholen zu können. Aus dem erstarrten, aber noch warmen Paraffinwachs konnte nur eine Leistung von ca. 0,1-0,2 kWh herausgeholt werden. Dies liegt vor allem an der niedrigen Wärmeleitfähigkeit des erstarrten Paraffinwachses. Dieses erstarrt zuerst um den Wärmetauscher, wie auch das folgende Bild 3 zeigt und bildet damit eine Art Isolierschicht, die das schnelle weitere Abkühlen verhindert.
Erstarrendes Paraffin im Latentwärmespeicher
Bild 3: Erstarrtes Paraffinwach um den Wärmetauscher

Bei einem sich im Einsatz befindlichem Latentwärmespeicher würde man aber anstatt der hier verwendeten 22 kg Speichermedium je nach Bedarf 500 bis zu einigen 1000 kg Speichermedium verwenden [14]. Bei solch einer großen Speichermasse, mit daraus folgender viel größerer Wärmetauscherfläche, spielt dieser Effekt keine Rolle mehr.
Abschließend kann man sagen, dass der Versuch durchaus erfolgreich abgelaufen ist und die erwarteten Versuchsergebnisse hervorgebracht hat.