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Paraffin-Wasser-Dispersionen können Wärme oder Kälte mit einer hohen Energiedichte transportieren. Forscher untersuchen die Einsatzmöglichkeiten in Gebäuden und Fernwärmenetzen.
© RWTH Aachen: E.ON Energieforschungszentrum
Phasenwechselmaterialien
Projektinfo 18/2015

Ohne Anpassungen im Wärmenetz verbessern PCS die Effizienz nicht.
© RWTH Aachen: E.ON Energieforschungszentrum
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Wärmeverteilung mit PCM-Slurries planen

In Heizungen und in Kühlsystemen zirkuliert für den Wärmetransport meist Wasser. Für spezielle Anwendungen könnten Dispersionen aus Paraffin und Wasser diese Aufgabe effizienter erfüllen. Die sogenannten Slurries erreichen in einem engen Temperaturbereich hohe Wärmekapazitäten. Wissenschaftler der RWTH Aachen bilden das komplexe Verhalten der Fluide in hydraulischen Netzen nach. Mit neuen Simulationsmodellen untersuchen sie die Einsatzmöglichkeiten – von der Fußbodenheizung im Einfamilienhaus bis hin zum Fernwärmenetz.

Wenn Paraffin über den Schmelzpunkt hinaus erwärmt wird, nimmt es für die Verflüssigung Wärme auf und gibt sie beim Erstarren wieder ab. Diese latente Wärmespeicherung nutzen Dispersionen aus fein verteiltem Paraffin in Wasser. In einem engen Temperaturbereich um den Schmelzpunkt übertreffen die Slurries dadurch die Wärmekapazität von Wasser um mehr als das doppelte. Theoretisch eignen sich Paraffine, je nach chemischer Zusammensetzung, für Tiefkühltemperaturen von minus 20 bis hin zu etwa 110°C. Bisher werden die Fluide kaum für den Wärmetransport genutzt. So sind bisher auch nur wenige langzeitstabile Produkte verfügbar und weitgehend fehlen auch Erfahrungen und Berechnungsmethoden für den praktischen Einsatz. In experimentellen und theoretischen Forschungsarbeiten haben Forscher der RWTH Aachen und des Fraunhofer Instituts für Umwelt-, Sicherheits und Energietechnik (UMSICHT) die Grundlagen für den praktischen Einsatz deutlich verbessert. Mit neuen Versuchsapparaturen und Methoden lassen sich die Dispersionen jetzt besser charakterisieren. Auch bei der Herstellung temperaturstabiler Fluide erzielten die Wissenschaftler Fortschritte. Die hier vorgestellten Simulationen der Aachener Forscher beantworteten die Frage, bei welchen konkreten Energiesystemen sich ein Einsatz lohnen könnte. Als aussichtsreiche Kandidaten erwiesen sich Kühlanwendungen und insbesondere Fernwärmesysteme.

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Wärmenetze

Als aussichtsreich erwiesen sich die Einsatzmöglichkeiten der Paraffin-Wasser-Dispersion in Fernwärmenetzen. Dies zeigte sich exemplarisch am Fernwärmenetz des Campus Melaten, das die Forscher in Simulationen nachbildeten. Der Campus der RWTH Aachen umfasst etwa 193.000 m2 Gebäudefläche. Ein Heizwerk im Norden des Campus versorgt die Gebäude mit Wärme. Es beliefert darüber hinaus weitere Verbraucher, wie zum Beispiel Laborbereiche und die Wäscherei des Universitätsklinikums. Mehrere Gaskessel leisten je nach Last bis zu 90 MW. Das sechs Kilometer lange Fernwärmenetz bindet die Abnehmer über zwei verschiedene hydraulische Kreise an das Heizkraftwerk an. Pumpen erzeugen einen maximalen Volumenstrom von 1.000 m3/h Wasser. Die Simulationen erfassen nur das Teilnetz, das die Raumheizungen und die Labore versorgt. Die Temperaturen in diesem Kreis betragen zwischen 90 und 130°C. Der zweite, nicht simulierte Kreis liefert mit einer konstanten Vorlauftemperatur Wärme an das Uniklinikum Aachen. In der Simulation ist der Wärmeverbrauch von jedem Gebäude, abhängig von Umgebungstemperatur, Gebäudetyp und Gebäudegröße, als Tabelle erfasst. Den hydraulischen Kreis des Fernwärmenetzes modellierten die Wissenschaftler mit Übergabestationen, sodass die Wärme- und Druckverluste im Netzwerk berechnet werden können. Das komplette System wird durch eine Druckdifferenz an den Enden des Netzwerkes geregelt. Der absolute Druckverlust des Systems wird mithilfe von Pumpen bei konstant 2 bar gehalten. Mit diesen Vorgaben simulierten die Forscher das Netzwerk sowohl für die Paraffin-Wasser-Dispersion als auch für Wasser. Gegenüber dem realen Fernwärmenetz reduzierten sie aber den Temperaturbereich, da sonst die maximal mögliche Phasenwechseltemperatur des Paraffins überschritten würde. Als Schmelzpunkt für die Paraffin-Wasser-Dispersion wählten sie eine Temperatur von 70°C.

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Adressen

Experimentelle Erprobung und Simulationen
RWTH Aachen, E.ON ERC, GRK

Entwicklung von Paraffin-Wasser Dispersionen
Fraunhofer UMSICHT

Service

BINE-Projektinfo 18/2015
(PDF, 4 Seiten, 654 kB)

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