Strömungssimulation der Gasverteilung im Ein- und Auslassbereich eines Hochtemperatur-Wärmespeichers

Abstract

Thermische Speicher sind zentrale Elemente zur Verbesserung der Betriebs- und Erlössituation solarer Kraftwerke. Für Solarturmkraftwerke, welche eine hocheffektiveVerstromung von Solarstrahlung erlauben, stellen direkt durchströmte Feststoffspeicher eine besonders geeignete Technologie dar. Dabei ist eine gleichmäßige Durchströmung des Speichers Grundvoraussetzung für eine sinnvolle Speichervolumenausnutzung. Ziel dieser Studienarbeit ist es, durch numerische Untersuchungen mittels einer CFD-Software einen Beitrag zur strömungstechnischen Auslegung eines Hochtemperatur-Wärmespeichers zu liefern. Dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit Strömungsberechnungen mit Hilfe der CFDSoftware FLUENT für einen direkt durchströmten Hochtemperatur-Wärmespeicher durchgeführt. Es wurden die Auswirkungen verschiedener Einflussparameter auf die Strömungsverteilung im Speicherkern untersucht. Zur Beurteilung der berechneten Strömungsverteilung wurde eine dimensionslose Kenngröße (Gamma-Faktor)verwendet. Der Hochtemperatur-Wärmespeicher wurde zur Simulation in zwei Bereiche aufgeteilt. Dies sind die Heißgasseite und die Kaltgasseite, jeweils bestehend aus der Verteilerstruktur und dem Speicherkern. Für die Heißgasseite des Speichers wurde untersucht, wie sich die Druckverluste im Speicherkern und die Verteilergeometrie bei axialer Einströmung auf die Strömungsverteilung im Speicherkern und am Eintritt in den Speicherkern auswirken. Die gewonnenen Ergebnisse konnten anschließend in aussagekräftige Größen zur Beurteilung der Strömungsverteilung zusammengefasst werden. Für die Kaltgasseite mit radialer Einströmung konnte gezeigt werden, dass sich durch Generierung eines zusätzlichen, definierten Druckverlustes, wie er z.B. durch eine Lochplatte erzeugt werden kann, eine Vergleichmäßigung der Strömung erzielen lässt. Mit den gewonnenen Erkenntnissen erfolgte abschließend die Simulation eines kompletten sechsstündigen Be- und Entladezyklus des Speichers.