Entwicklung und Demonstration eines Phasenwechselspeichers mit Trennung von Leistung und Kapazität

Abstract

Die hier vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Demonstration des PCMflux Konzepts als ein neuartiges Latentwärmespeicherkonzept mit Trennung von Leistung und Kapazität zur Realisierung einer konstanten und regelbaren Entladeleistung. Beim Stand der Technik ist eine konstante Wärmeauskopplung über die gesamte Entladedauer nicht möglich, da der Wärmeübertrager und das Speichermaterial fest miteinander gekoppelt sind. Das beim Entladen erstarrende Speichermaterial isoliert den Wärmeübertrager und es kommt zu einem mit der Entladedauer zunehmenden Abfall der Entladeleistung. Beim PCMflux Konzept wird daher das Speichermaterial mechanisch durch eine Fluidschicht vom Wärmeübertrager entkoppelt. Dadurch kann das Speichermaterial kontinuierlich am Wärmeübertrager vorbeigeführt und das bereits erstarrte Speichermaterial vom Wärmeübertrager wegtransportiert werden. Bei der Wahl spezifischer Vorschubgeschwindigkeiten kommt es dabei zur Ausbildung einer quasistationären Phasenfront innerhalb des Speichermaterials, die, obwohl das Speichermaterial stetig bewegt wird, örtlich fixiert ist. Dies führt zu einer konstanten Wärmeauskopplung. Durch Variation der Vorschubgeschwindigkeit kann dabei das Niveau der konstanten Entladeleistung geregelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird das PCMflux Konzept sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Anhand eines für die spezifischen Anforderungen programmierten Simulationstools werden zunächst grundlegende Zusammenhänge analysiert sowie die theoretische Machbarkeit des Systems gezeigt. Davon ausgehend wird mit Hilfe des Buckinghamschen Pi Theorems die dimensionslose Kennzahl K_Flux entwickelt, die zur Auslegung, Steuerung und Regelung des PCMflux Konzepts dient. Zudem wird eine iterative Methode zur Bestimmung der Nennparameter allgemeiner PCMflux Konfigurationen entwickelt. Anschließend wird das PCMflux Konzept anhand von zwei Testständen erfolgreich experimentell untersucht und demonstriert. Die experimentelle Analyse führt zudem zur Validierung der zuvor entwickelten Theorie. Am Ende dieser Arbeit stehen sämtliche für die Auslegung und den Betrieb der Basisvariante des PCMflux Konzepts notwendigen Informationen zur Verfügung.