logo
Home Technische Info Contact Pers Vacatures

30 jaar ingenieurservaring in industriële en huishoudelijke projecten. 

Het beste is maar goed genoeg.


 

Verhoog de capaciteit van uw opslagvat (omslagtemperatuur 60°C) met fasetransformatiematerialenPCM faseovergang

PCM: Phase Change Material

FTM: Fase transformatie materialen

MCP: Matériaux à changement de phase

PCM eieren

Meestal gaat het over paraffine die ingekapseld is in een plastic vaatje. Vanaf 53 °C wordt de parafine vloeibaar. Harde paraffinen (Paraffinum solidum), hebben als vaste kristalijne massa een stollingtemperatuur van (50…62) °C. In harde paraffinen domineren de n-Alkanen. In microwas of zachte paraffinen daarentegen de Iso-Alkanen. Paraffine bezit een bijzonder grote volumeverandering van meer dan 30% bij een faseovergang van vast naar vloeibaar.

Harde paraffine warmteopslagbuffers zijn met hun smelttemperatuur van 60 °C ideaal voor warmwaterbereiding. De smeltwarmte ligt tussen 200 à 240 kJ/kg.K. Dit is veel meer dan de warmtecapaciteit van water (ongeveer 4,19 kJ/kg.K)

Plaatsbesparing

Viermaal kleinere ruimte nodig.

Materialen met een faseverandering (Parafine of natriumacetaat ) vormen een buffer tegen temperatuurschommelingen. Wanneer ze van de ene in de andere fase overgaan (bv. vast-vloeibaar) slaan ze energie op of geven die opnieuw vrij terwijl de omgevingstemperatuur constant blijft.

Elk materiaal dat een instroom van energie (meestal onder de vorm van warmte) ondergaat zal deze energie gebruiken om de fasetransitie te voltooien. Pas nadien zal de temperatuur van het materiaal verder toenemen. De energie die nodig is om de faseverandering te voltooien is sterk afhankelijk van de aard van het materiaal en wordt latente warmte genoemd. Deze warmte wordt terug afgestaan wanneer energie aan het materiaal wordt onttrokken en het materiaal terug stolt of kristalliseert. Aangezien de temperatuur van het materiaal tijdens een dergelijke transitie constant blijft kan het dienen als een buffer om tijdelijke temperatuursschommelingen op te vangen.

LATENTWARMTECEL

Dit is een warmteopslagcel, maar het medium waar de warmte in opgeslagen wordt is in dit geval een PCM (Phase Change Material). Een ander product welk een speciale eigenschap heeft: bij het opwarmen gaat dit materiaal van toestand veranderen: van VASTE toestand naar VLOEIBARE toestand. Bij afkoelen OMGEKEERD. Een zeer bekende PCM is PARAFFINE (KAARSENVET). De overgang van vast naar vloeistof is een punt waar dit product extra warmte kan opnemen. Kortom met minder volume, vier maal meer opslag realiseren.

Interessant is dan ook dat je hiermee HORIZONTALE batterijen kan maken die warmte opslaan. Horizontaal wil zeggen dat men ze kan plaatsen op plaatsen met lage hoogte zoals een lage kelder (kruipkelder) alsook op lage plaatsen op zolder (net onder het lage schuine dak).

 LATENTWARMTECELLEN In het Duits noemen ze eigenlijk LATENTWäRMEZELLEN. Dit zijn cellen van ongeveer 20 cm diameter en met een lengte van 2 meter. Ze zijn gevuld met paraffine. Er gaat een koperen leiding doorheen. Hier wordt warm water ingestuurd en de warmte wordt opgenomen. De paraffine gaat smelten. Dit is dit eigenlijk net hetzelfde als een gewoon buffervat. Doch het verschil zijn de afmetingen (relatief klein) en dit systeem kan zowel verticaal als horizontaal gebruikt worden. Dat is interessant voor zij die een lage verloren ruimte op overschot hebben (zolder onder een schuin dak of kruipkelder) waar ze voldoende ruimte hebben en er toch niets anders mee kunnen doen. Je kan dus meerdere cellen koppelen. In principe kan je zo ver gaan als nodig. Ze worden altijd opgebouwd met een kast eromheen die volledig geïsoleerd is.

De gratis warmte die je oogst met zonnecollectoren kan je zo opslaan in een 4 maal kleiner volume dan in een klassiek buffervat.

warmteinhoud PCM


DE PARAFFINETECHNOLOGIE: super compacte opslag van warmte  De paraffinetechnologie geeft een oplossing bij beperkte ruimte. Afhankelijk van het toegepaste systeem kan een paraffinebuffer tot de 4-voudige warmtecapaciteit bufferen in vergelijking met de wateropslag.

 

Dit geeft een aantal voordelen:

Het volume warmteopslag kan zeer beperkt worden: vermindering van de benodigde ruimte tot maximum 1/4, voor dezelfde warmtecapaciteit.

Deze technologie geeft heel wat nieuwe mogelijkheden

Bijvoorbeeld een hybride systeem van: een vrij grote thermische zonnecollector geplaatst in een optimale oriëntatie. De warmte uit deze collectoren wordt opgeslagen in een grote thermische batterij op basis van paraffine (PCM). De bijstook die we nog nodig hebben tijdens de wintermaanden wordt gegenereerd door een micro-WKK. Op deze wijze wordt zo voldoende winterstroom geproduceerd.

 

Wat is de bijdrage voor het autonome huis?
De zonloze dagen overbruggen is een grote uitdaging gedurende de 6 maanden dat de WKK niet werkt. In de tussenseizoenen heb je snel drie tot 5 dagen zonder zon en dan val je zonder sanitair warm water. Tenzij.je een grote stockage hebt in een grote bufferboiler. Met een boiler van 500 liter zou je theoretisch drie dagen kunnen overbruggen, maar dat is zeer krap. Als je daar een batterij powertanks aan te voegt heb je een veel grotere comfortzekerheid. In elk geval is een powertank aan te raden als men over weinig ruimte beschikt: Men kan deze opslag verwerken in muren en zelfs in de grond. Ingeval van meerdere woningen en/of appartementen is het PMC-systeem zeker aan te bevelen.

Met PCM warmtecellen stockeren we warmte in paraffine in plaats van in water. Paraffine is te vergelijken met kaarsvet maar dan industrieel gemaakt waarbij de smelttemperatuur ingesteld kan worden.

De voordelen in een notedop:

- 60 liter paraffine heeft hetzelfde equivalent als 180 liter, dus veel compacter
- 4 maal meer opslagcapaciteit dan in water
- minder warmteverlies
- modulair design mogelijk
- verschillende hoogtes van cellen mogelijk
- horizontale of verticale opstelling
- verschillende smelttemperaturen afhankelijk van de toepassing

De technologie met PCM warmtecellen geeft mogelijkheden naar recuperatie van industriële en andere restwarmte en efficiënt transport van warmte.

 PCM2PCM3

PCM4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PCM5

PCM6

Water

T1 : 64°C

T2 : 38°C

Cv = 4186 J/kgK

Als we hieraan gaan rekenen, met een temperatuurstijging van 26°C (64-38), dan komen we bij het tapwater deel 150 liter voor een energieopslag van:

Q= m · c · ΔT

Q= 150 x 4186 x 26 = 16.325.400 J = 16.325,4 kJ = 0,016325 GJ

(Q is in Joule, m in massa (kg), c is de soortelijke warmte van  water (J/kgK), en ΔT is het temperatuurverschil (K)

 Paraffine:

Ze hebben een hoge smeltenthalpie, verwaarloosbare superkoeling, chemisch inert en stabiel, recycleerbaar en goedkoop verkrijgbaar. Er zijn echter ook minder geschikte eigenschappen. De warmtegeleiding van de paraffine is laag en tijdens de faseverandering is er een volumeverandering van 10%. De paraffine heeft de formule CnH2n+2 . Het smeltpunt hangt af van de waarde voor n. Hoe hoger de waarde voor n hoe hoger het smeltpunt zal liggen. Het smeltpunt neemt toe met stappen van ongeveer 3 graden Celsius bij een toename van n met 1.

eigenschappen PCM

De winst van het gebruik van paraffine moet worden gehaald uit de opslag van latente energie. De smeltenthalpie van paraffine ligt tussen de 180 en de 230 KJ/kg. Dit is erg hoog voor organische materialen. De specifieke warmtecapaciteit van paraffine is ongeveer 2,1 KJ/kg.K. Dit is lager dan die van water welke een specifieke warmtecapaciteit heeft van 4,2 KJ/kg.K. Bij de toevoeging van paraffine zal er veel minder voelbare energie opgeslagen kunnen worden door de lagere specifieke warmtecapaciteit van de paraffine. Maar ook doordat de paraffine een veel lagere dichtheid heeft dan water. Op de plaats van een kilo water kan maar 0,85 kilo paraffine. Deze twee effecten zorgen voor een verlies in opslagmogelijkheid van de voelbare energie ten opzichte van water.  Er moet dus zo min mogelijk energie voelbaar worden opgeslagen. De temperaturen onder en boven het smeltpunt mogen niet te veel afwijken van het smeltpunt. Alleen als het temperatuursverschil van de buffer niet te groot is kan het systeem winst boeken.

Daher ist man auf Stoffe mit Schmelztemperaturen zwischen 40°C und 70°C und mit hoher Schmelzwärme angewiesen. Daher ist Hartparaffin mit einer Schmelztemperatur von etwa 60 °C und einer Schmelzenthalpie zwischen etwa 200 und 240 kJ/kg (Wasser: 333 kJ/kg) gut geeignet. Die Wärmeerzeugung beim Erstarren ist etwa ein Drittel geringer als die von Wasser, dafür liegt sie aber im Nutzbereich

Harde paraffine warmteopslagbuffers zijn met hun smelttemperatuur van 60 °C ideaal voor warmwaterbereiding. De smeltwarmte ligt tussen 200 à 240 kJ/kg.K. Dit is veel meer dan de warmtecapaciteit van water (ongeveer 4,19 kJ/kg.K)

V = 150 liter = 127,5 kg paraffine

T1 : 64°C

T2 : 38°C

Smelttemperatuur: 60°C

Latente warmte of smeltenthalpie: 180 à 240 kJ/kg

Cvast = 2,1 kJ/kgK

Cvloeibaar = 2,1 kJ/kgK

Als we hieraan gaan rekenen, met een temperatuurstijging van 26°C doorheen het smeltpunt van 60°C (64-38), dan komen we bij 150 liter= 127,5 kg paraffine aan een energieopslag van:

Q= m .·cvast ·ΔT + m .smeltenthalpie + m .·cvl . ΔT

Q = 127,5 . 2,1 . (60-38) + 127,5 . 240  + 127,5 .2,1 . (64-60)= 5890,5 + 30600 + 1071 = 37561 kJ

(Ter vergelijking : Water : Q= 150 x 4186 x 26 = 16.325 kJ dus 2,3 keer meer)

(Q is de energie (Joule), m in massa (kg), Cvast  en Cvl is de soortelijke warmte van paraffine (J/kgK), en ΔT is het temperatuurverschil (K)

De winst zit dus voornamelijk in de modulariteit en compactheid van de installatie

PCM7


ACTIEVE LATENTE WARMTE OPSLAGSYSTEMEN

Bij Fase Transformatie Materialen (PCM) wordt gebruik gemaakt van de latente warmte van de faseovergang vloeibaar - vast. Doordat de smeltwarmte van materialen een orde hoger ligt dan de soortelijke warmte, is een veel hogere specifieke energiedichtheid te bereiken door gebruik te maken van latente warmte dan opslag met behulp van voelbare warmte. Dit resulteert in een aanzienlijk compactere opslag waarbij een volumevermindering met een factor 2 à 4 (à 10) haalbaar is. Dit voordeel is met name interessant indien warmte slechts over een temperatuurtraject van enkele graden kan worden opgeslagen (Figuur 3.2). Hierbij kan men denken aan koudeopslag, opslag van tapwater en warmteopslag in combinatie met gebruik van warmtepompen, WKK, etc.

 Beschrijving PCM : Fase Transformatie Materialen (PCM)

PCM zullen vooral daar toegepast worden waar:

Daarnaast kan er door de vrijwel constante temperatuur met een constant vermogen geladen en ontladen worden, wat de regeling van een buffer eenvoudiger maakt.

PCM8

 

 

 

 

 

 

 

Afhankelijk van het temperatuurniveau van warmte-/koudevraag moet een geschikte PCM worden gezocht met een bijpassende smelttemperatuur. Daarnaast zijn nog een aantal andere eigenschappen van het materiaal van belang: onder andere de smelt- en soortelijke warmte van de PCM; warmtegeleiding van het materiaal: volume- en dichtheidsveranderingen tijdens laden en ontladen van PCM’s; stol/kristallisatie- en smeltgedrag; giftigheid en chemische stabiliteit.

Fase transformatie materialen kunnen in twee hoofdgroepen worden opgesplitst: organische (paraffines, polymeren) en anorganische (meestal zouthydraten). Zouthydraten vertonen een vrijwel constante smelttemperatuur. Organische PCM’s hebben echter, afhankelijk van de ketenlengteverdeling, een breed overgangsgebied (smelt-/stoltraject). De smelttemperatuur voor paraffines neemt lineair toe met de ketenlengte. De warmtecapaciteit van paraffines is veelal hoger dan van zouthydraten. De warmtecapaciteit van zouthydraten stijgt met de graad van hydratatie, maar een hogere hydratatiegraad gaat veelal gepaard met ontmengingverschijnselen (incongruent smelten). De warmtegeleiding in vaste vorm is van zouten veelal beter dan van paraffines, in vloeibare vorm zijn de verschillen kleiner. De dichtheid van zouthydraten ligt hoger dan de dichtheid van paraffines. De beperkende factor voor het laadvermogen van warmteopslag wordt door zouten gevormd door de kristallisatiesnelheid, bij paraffines is dit de warmtegeleiding.

 Paraffines hebben nauwelijks last van onderkoeling, zouthydraten wel, zodat er additieven toegevoegd moeten worden. Door de corrosiviteit, de hygroscopische werking en de ontmengingverschijnselen van zouthydraten worden deze met additieven in een container ingekapseld. Hierdoor wordt tevens oppervlak gecreëerd voor de warmte-uitwisseling bij het laden van de PCM.

Na de keuze van een geschikte PCM is de in- en uitkoppeling van de warmte een belangrijk ontwerpaspect. Voor de warmteoverdracht is een bepaald temperatuurverschil nodig die voor een groot deel bepaald wordt door de toepassing. Bij een warmtepomp is er in verband met het rendement slechts een kleine ΔT beschikbaar terwijl voor een WKK er meestal een ruimer temperatuurtraject acceptabel is. Naast de ΔT is ook het beschikbare warmtewisselend oppervlak van belang. Deze aspecten bepalen het vermogen waarmee geladen en ontladen kan worden. De warmtevraagperiode en het vereiste vermogen is van belang voor de warmte-inhoud en dus voor het volume van de buffer en is toepassingsgebonden. Meestal betreft het een dag/nacht cyclus zodat laad- en ontlaadtijden van ca. 6 uur acceptabel zijn.

In Figuur 3.2 is een voorbeeld gegeven van een zouthydraat dat is ingekapseld in een buis. De gewenste ontlaadtijd en beschikbare ΔT voor warmteoverdracht bepalen uiteindelijk de buisdiameter. Over het algemeen is voor ontlaadtijden van 6 uur door de beperkte warmtegeleiding in zouthydraten een verplaatsing van het smeltfront van ca. 20 mm mogelijk. Fabrikanten leveren de PCM’s dan ook meestal ingekapseld in containers (bollen, buizen, blikken) die aan deze dimensie voldoen.

Zie ook :

http://en.wikipedia.org/wiki/Phase_Change_Material

http://de.wikipedia.org/wiki/Latentw%C3%A4rmespeicher

http://fr.wikipedia.org/wiki/Matériau_à_changement_de_phase

 

"We don't have much money to do this, so we are going to have to think "                              Lord Ernest Rutherford


logo Perfecte technologie, daar komt het op aan


© 2016 GoLanTec energietechniek | Oudenaardseweg 123 | B 9790 Wortegem-Petegem | Tel: 055 310242 Fax: 055 310242 | golantec@gmail.com

Webdesigner

Gebruik

Versie laatst bewerkt op 17/09/2016

Terug naar hoofdpagina