Numerische Auslegung eines thermischen Festkörperspeichers

Im Rahmen dieser Projektarbeit wurde ein Hochtemperaturwärmespeicher ausgelegt.
Beginnend mit einer überblicksartigen Darstellung der Anwendung und Einteilung von Wärmespeichern wird der Stand der Technik anhand ausgewählter Forschungsprojekte zu Festkörperwärmespeichern vorgestellt. Darauf aufbauend werden im folgenden Kapitel 3 das angewendete Konzept der Auslegung sowie die zugrundeliegenden Stoffeigenschaften des Festkörpermaterials und des eingesetzten Fluides erläutert.
In Kapitel 4 wird die überschlägige Auslegung anhand einer analytischen Berechnung vorge-stellt. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Berechnung der Wärmestrahlung des eingesetzten Fluides CO2. Es ist festzustellen, dass bei Berücksichtigung der Wärmestrahlung der Aufheizvorgang bei Aufheizung von 400 °C auf (gemittelt) 900 °C für einen 20 m langen Speicher knapp 18 % schneller verläuft, als bei gleichen Bedingungen ohne Berücksichtigung der Wärmestrahlung. Bei einem 4 m langen Speicher verläuft der Aufheizvorgang sogar über 45 % schneller, da hier aufgrund der geringeren Länge die Exergieverluste bei Vernachlässigung der Wärmestrahlung deutlich höher sind.
Die präzise Berechnung des Aufheizvorgangs anhand einer numerischen Simulation wird in Kapitel 5 beschrieben. Auch hier liegt das besondere Augenmerk auf der Berechnung der Wärmestrahlung. Dafür werden verschiedene in dem Programm ANSYS CFX zur Verfügung stehende Berechnungsmethoden für Wärmestrahlung untersucht und die Discrete-Transfer-Methode als für diesen Fall geeignet ermittelt. Darüber hinaus stellt bei der Modellierung der großen Geometrie (Länge von 20 m), bei Berücksichtigung der Wärmestrahlung und einem feinen Netz der entstehende Berechnungsaufwand eine große Herausforderung dar. Durch die Betrachtung eines kürzeren Speichers mit einer Länge von 4 m kann der Berechnungsaufwand verringert und damit die Qualität der Berechnungsergebnisse erhöht werden. Anhand der numerischen Modellierung konnte die analytische Berechnung annäherungsweise bestätigt werden.
Zur Untersuchung des Einflusses des Designs auf das Aufheizverhalten wurde anhand der analytischen Berechnung eine Reihe von verschiedenen Querschnittsvarianten untersucht. Es
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zeigt sich, dass bei Beachten der volumetrischen Energiedichte des Speichers und des nötigen Volumenstroms je gespeicherter Energie, möglichst kleine Dimensionen verwendet werden sollten. Allerdings ist hierbei die Frage der mechanischen Festigkeit durch thermische Spannungen, insbesondere im Dauerbetrieb zu beachten, wodurch ein nicht bestimmbarer Grenzwert für die minimale Größe der Strukturen definiert wird. Zugleich wurde mit der numerischen Simulation der Effekt des Wärmewiderstandes im Festkörper untersucht, wobei für den untersuchten Wandstärkenbereich keine signifikanten Temperaturgradienten durch die Modellierung ermittelt werden konnten.
Ausblickend können neben der Untersuchung des Einflusses der Querschnittsabmessungen zusätzliche andere Betriebsparameter, wie z. B. die Strömungsgeschwindigkeit oder der Systemdruck, untersucht werden.
Darüber hinaus wäre die Modellierung eines gesamten Wärmespeichersystems mit Kreis-laufführung des Fluides sinnvoll, um die in der Modellierung entstehenden Exergieverluste ausschließen zu können. Damit einhergehend wäre für die Kreislaufführung die über die Zeit aufnehmbaren (elektrischen) Energieströme zum Aufheizen des Fluides von der Austrittstemperatur aus dem Speicher auf 1000 °C oder der nötige Volumenstrom zum Erreichen einer geforderten (elektrischen) Aufheizleistung nötig.
Weiterhin sollten durch eine experimentelle Untersuchung die Stoffeigenschaften des Festkörpermaterials verifiziert werden, da insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der Keramik nur in einem sehr großen Bereich von 3,5 W/(m K) bis 35 W/(m K) gegeben ist. Für die Berechnung wurde auf der sicheren Seite liegend zwar der untere Wert dieses Bereiches verwendet, allerdings sind in anderen Literaturstellen [9] für Keramikmaterialen Werte in einer Größenordnung des oberen Wertebereichs angegeben (siehe Tabelle 2-1). Zusätzlich kann durch eine experimentelle Untersuchung die Problematik der mechanischen Festigkeit geprüft werden.