Bestimmung der thermischen Verluste von offenen volumetrischen Luftreceivern unter Berücksichtigung von Wärmestrahlung und Konvektion mit Hilfe numerischer Simulation

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird beschrieben, wie sich mit Hilfe des Open Source Codes Open-FOAM die thermischen Verluste durch Konvektion und Strahlung von offenen volumetrischen Receivern über numerische Simulation bestimmen lassen und sich ein Wirkungsgrad für die Receiver ableiten lässt. Neben dem thermischen Wirkungsgrad werden ebenfalls zwei Methoden zur Bestimmung der Rückführrate dargestellt. Zur Durchführung der Simulation wurde der Open Source Code um verschiedene Randbedingungen und ein optimiertes Modell zur Berechnung der Einstrahlzahlen erweitert. Simuliert wurden drei verschiedene Testfälle, für welche exemplarisch jeweils die Verluste und der Wirkungsgrad bestimmt wurden. Die Testfälle dienen der Überprüfung des geänderten Strahlungsmodells und der entwickelten Randbedingungen. Für die Berechnung der Einstrahlzahlen wurden verschiedene Methoden miteinander verglichen und eine einfache Linienintegration als genaueste Methode identifiziert und implementiert. Weiterhin werden verschiedene Probleme bei der Einstrahlzahlberechnung im Zusammenhang mit der Agglomerierung in OpenFOAM und der Sichtbarkeitsprüfung diskutiert. Die implementierten Randbedingungen bilden unter anderem das Verhalten von adiabaten Wänden ab, die Wärme an die Luft abgeben und am Strahlungsaustausch teilnehmen. Für die Absorberfläche erfordert die Simulation eine zusätzliche Strahlungstemperatur Trad neben der Strömungstemperatur T einzuführen. Das Strahlungsmodell und der Strömungslöser wurden entsprechend angepasst. Die Oberflächentemperatur Trad der Absorberfläche wird mit Hilfe eines Kennfelds berechnet, welches das physikalische Verhalten der Kanäle der HITREC-Struktur abbildet. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass sich mit dem optimierten Strahlungsmodell die Einstrahlzahlen und damit die Strahlungsverluste wesentlich genauer bestimmen lassen und dass es zusammen mit den implementierten Randbedingungen möglich ist die thermischen Verluste für offene volumetrische Receiver zu bestimmen. Neben den thermischen Verlusten konnte auch die Rückführrate bestimmt werden.