Untersuchung der Auswirkung von bi- und tridispersen Schüttungen auf den Wärmeübergang und den Druckverlust in thermoklinen Speichern mit Füllmaterial

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen von bi- und tridispersen Schüttungen auf den Wärmeübergang und den Druckverlust einer flüssigkeitsdurchströmten Schüttung untersucht. Es werden Berechnungsgrundlagen erarbeitet, welche experimentell anhand eines Versuchsstandes validiert werden. Zusätzlich werden die auftretenden Behälterspannungen durch thermomechanische Belastungen untersucht. Zu Beginn der Arbeit wird gezeigt, dass der Hohlraumanteil von bidispersen Schüttungen im Vergleich zu monodispersen Schüttungen des gleichen Schüttungsmaterials reduziert werden kann. Während eine monodisperse Schüttung, bestehend aus unregelmäßigen Partikeln aus Basalt, einen Hohlraumanteil von 50 % aufweist, lässt sich dieser durch bidisperse Schüttungen auf 35 % reduzieren. Dies bietet wirtschaftliche Vorteile bei der Verwendung als Füllmaterial in thermoklinen Wärmespeichern. Durch den reduzierten Hohlraumanteil kann ein größerer Anteil des Wärmeträgerfluid durch kostengünstiges Füllmaterial ersetzt werden. Zur Berechnung des Wärmeübergangs bei multidisperser Schüttung wird ein neuartiger Ansatz, basierend auf dem Modell von Schuhmann, erarbeitet. Dabei wird die von dem Wärmeträgerfluid abgegebene Wärme mittels mehrerer Differentialgleichungen auf die unterschiedlichen Partikelgrößen abgebildet. Für die Berechnung der Druckverluste werden die Korrelationen nach Ergun und Molerus herangezogen. Zusätzlich dazu wird für den Druckverlust bei bidispersen Schüttungen eine Berechnungsgrundlage nach Bruch et al. vorgestellt. Die Validierung der Berechnungsgrundlagen erfolgt anhand eines eigens im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Versuchsstands. Der Aufbau und die Inbetriebnahme sind in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Mit dem Versuchsstand ist es möglich, das zeitliche und örtliche Temperaturprofil beim Durchströmen der zuvor definierten Schüttungen mit Wasser unterschiedlicher Temperatur zu ermitteln. Außerdem eignet sich der Versuchsstand zur Bestimmung der Druckverluste und der auftretenden Behälterdehnungen. Auftretende Randeffekte der Strömung in dem Behälter werden experimentell ermittelt und daraus eine effektive Massenstromdichte entlang der Mittelachse des Behälters abgeleitet. Es wird gezeigt, dass die zeitlichen Steigungen des Temperaturprofils bei bi- und tridispersen Schüttungen mithilfe des neuen Berechnungsansatzes mit einer durchschnittlichen Abweichung von 12,9 % bestimmt werden können. Ein alternatives Verfahren auf Grundlage eines Vergleichsdurchmessers weicht um 31,5 % ab. Es ist somit eine signifikante Steigerung der Berechnungsgenauigkeit bewiesen. Die gemessenen Druckverluste bei monodisperser Schüttung übersteigen die mit der Korrelation von Ergun berechneten Druckverluste um den Faktor 3,5. Mit der Korrelation von Molerus lassen sich diese mithilfe eines Druckverlustformfaktors mit einer Abweichung von 1,43 % berechnen. Bei bidisperser Schüttung eignet sich die Korrelation von Molerus bei Verwendung eines Vergleichsdurchmessers mit einer Genauigkeit von 2,9 % zur Berechnung der Druckverluste. Das vorgestellte Verfahren nach Bruch weicht bei der bidispersen Schüttung um durchschnittlich 5,5 % ab. Die Druckverluste bei tridisperser Schüttung lassen sich mit der Korrelation nach Ergun und Verwendung eines Vergleichsdurchmessers mit einer Abweichung von 33 % berechnen. Durch Erwärmen des Behälters dehnt sich dieser mit steigender Temperatur aus. Es ist möglich, dass die innenliegende Schüttung bei gedehntem Zustand nachsackt und dadurch nachfolgend bei der Abkühlung Behälterspannungen entstehen. Dieser Effekt wird Ratcheting genannt. Die gemessenen Behälterdehnungen nehmen mit der Zahl der gefahrenen Zyklen zu. Dabei lassen sich diese nicht zweifelsfrei dem Effekt des Ratcheting zuordnen.