Paraffin/water phase change emulsion for cold storage and distribution applications

Derzeit wird in konventionellen Kältespeichern und Kälteversorgungsnetzen überwiegend Wasser als Wärmeträger eingesetzt. Aufgrund der niedrigen Temperaturspreizungen in diesen Systemen sind üblicherweise sehr große Volumenströme zu transportieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Paraffin/Wasser-Emulsionen als Hochleistungs-Wärmeträger für Kälteanwendungen im Temperaturbereich von 0-20 °C entwickelt. Die Emulsionen nutzen die hohe Energiedichte von Paraffinen während der Phasenumwandlung von fest zu flüssig und behalten dabei die Vorteile eines flüssigen Kältemediums. Die mechanisch-thermische Stabilität sowie die Langzeitstabilität werden erreicht, indem die Paraffintröpfchen sehr fein (1-10 Mikrometer) emulgiert und zugleich durch ein Tensid stabilisiert werden. Weitere technologische Herausforderungen - wie das Unterkühlen bzw. Aufschwimmen - können durch einen Keimbildner und ein Verdickungsmittel gelöst werden. Die Emulsionen stellen eine attraktive Alternative zu Kaltwasser dar. Fraunhofer UMSICHT entwickelt angewandte und industrienahe Verfahrenstechnik. Als Vorreiter für technische Neuerungen in den Bereichen Umwelt-, Werkstoff-, Prozess- und Energietechnik will Fraunhofer UMSICHT nachhaltiges Wirtschaften, umweltschonende Technologien und innovatives Verhalten voranbringen, um die Lebensqualität der Menschen zu verbessern und die Innovationsfähigkeit der heimischen Wirtschaft zu fördern. Kunden aus kleinen und mittelständischen Unternehmen und öffentlichen Institutionen wird Auftragsbetreuung aus einer Hand garantiert: Von der Projektidee über die Antragsbearbeitung bis zur Entwicklung und Markteinführung bietet Fraunhofer UMSICHT Entwicklungskompetenz und sichert so seinen Kunden Wettbewerbsvorteile und eröffent ihnen internationale Märkte. Als Mitglied der Fraunhofer-Gesellschaft steht das Institut in der Tradition angewandter, marktnaher Forschung und Entwicklung. Als Katalysator für Wissenschaft und Wirtschaft engagiert sich Fraunhofer UMSICHT beim Strukturwandel in Stadt und Region durch Technologietransfer, Ausgründungen und die Bildung von FuE-Netzwerken. International ist das Institut vornehmlich in Europa tätig.

The energy demand for cooling applications has been steadily increasing in recent years. Using thermal energy storages is an efficient way to reduce the increasing electricity consumption and to shift the peak load. Conventional cold storage and distribution systems use water or brines as heat transfer fluids to store or transfer energy with the sensible heat capacity of water. Due to the typically small temperature difference between the forward and return flow, these systems usually have a high flow rate and a large storage volume. Phase Change Slurries (PCSs) have been recently studied to increase the storage capacity. A PCS is a multifunctional fluid consisting of a Phase Change Material (PCM) and a carrier fluid. PCMs are latent heat storage materials that can absorb or release large amounts of heat during a phase transformation like solid-liquid transition. PCSs have a high energy density by using the sensible heat capacity of the carrier fluid and that of the PCM as well as the latent heat capacity of the PCM. The goal of this thesis is to develop stable and suitable paraffin/water emulsions as PCS for comfort cooling applications in a temperature range of 0-20 °C and to evaluate their properties according to the application requirements. The paraffin/water emulsions are colloid systems comprising a collection of small paraffin droplets, having a dimension of 1-10 micrometer, dispersed in water. They consist of water as a carrier fluid, a paraffin as a PCM, a surfactant for stabilizing the interface of water and paraffin, a nucleating agent for preventing subcooling induced by small droplet sizes of the dispersed paraffin, and/or a thickener for reducing creaming caused by the density differences between paraffin and water. These compositions have different influences on the emulsion properties. Based on this knowledge, the suitable materials have been selected and their fraction ranges have been determined. The components have no or a low potential danger and thus the emulsions are environmentally acceptable. The thermophysical properties, rheological behaviour and stability of the paraffin/water emulsions have been studied. The emulsions have a similar phase change temperature range as the paraffin used and a distinctly higher energy density than water in the same temperature range due to the phase transformation. The emulsions are Ostwald-de Waele fluids and show a shear-thinning behaviour. The pressure drop caused by the emulsions through a pipeline can be estimated by using the Fanning friction factor and Reynolds number correlation according to the Metzner model (1955). The emulsions keep stable over a long-term storage period and have reversible melting and freezing cycles under mechanical-thermal loads in pumped systems. Some possible application cases are presented for the emulsions with different phase transition temperature ranges. The study shows that the paraffin/water phase change emulsions are attractive candidates for comfort cooling applications.