Numerical and experimental Investigation of transient two-phase flow phenomena in CSP plants with direct solar Steam Generation

Kurzfassung

Bei der Direktverdampfung in Parabolrinnenkollektoren wird Wasser erwärmt und verdampft, der entstehende Dampf wird anschließend überhitzt und kann einer Dampfturbine zugeführt werden. Der Betrieb eines solchen Systems im Zwangsdurchlaufkonzept wurde inder Vergangenheit erfolgreich gezeigt und die Wirtschaftlichkeit für großskalige Kraftwerke bestätigt. Dennoch existieren Wissenslücken über die vorherrschende Zweiphasenströmung in den Receiverrohren, die die Kommerzialisierung eines solchen Systems verlangsamen können. Der Zwangsdurchlaufbetrieb zeigt nachweislich Temperaturoszillationen im Übergangsgebiet von der Zweiphasenströmung zur einphasigen Dampfströmung. Diese verursachen thermische Spannungen in den Receiverrohren und reduzieren mitunter deren Lebensdauer. Für eine belastbare Wirtschaftlichkeitsanalyse bedarf es einer genauen Kenntnis darüber.Die vorliegende Arbeit schließt Wissenslücken über spezielle Phänomene der Zweiphasenströmung, die unter den typischen Randbedingungen von Parabolrinnenkollektoren mit Direktverdampfung auftreten können. Intermittierende Strömungsformen und Wellenströmungen, die Siphoninstabilität und Strömungsinstabilitäten werden hinsichtlich ihrer Relevanz auf das Verdampfungsende untersucht, wobei spezielle numerische und experimentelle Methoden angewendet werden. Für die numerischen Simulationen wird ein eindimensionales Zweifluid Modell eingesetzt, welches einen tieferen Einblick in die Zweiphasenströmung im Vergleich zu homogenen Strömungsmodellen gibt. Die Experimente werden mit einem Gittersensor durchgeführt, der erstmalig direkt die instationäre Dampfverteilung im Querschnitt des Receiverrohres ermittelt. Die Durchführung der Versuche findet im Verdampferbereich der DISS Versuchsanlage auf der Plataforma Solar de Almería in Spanien statt. Eine analytische Untersuchung des Zweifluid Modells bestätigt, dass es eine instabile Phasengrenze unter bestimmten Bedingungen erkennen kann und damit den Übergang zu einer nicht-stratifizierten Strömung identifiziert. Die Simulationen zum Strömungsregime werden mit den Experimenten validiert. Darüber hinaus zeigen die numerischen Ergebnisse, dass intermittierende oder wellige Strömungen den Verdampfungsendpunkt beeinflussen können. Mit dem Gittersensor werden Schwallströmungen, Wellenströmungen mit großen Amplituden, Wellenströmungen und stratifizierte Strömungen im Druckbereich von 30 − 80 bar gemessen. Die Siphoninstabilität kann numerisch nicht in den U-förmigenVerbindungsleitungen unter üblichen Betriebsbedingungen nachgewiesen werden. Dabei war der hohe Betriebsdruck das ausschlaggebende Kriterium. Die präsentierten Ergebnisse vergrößern das Wissen über den Verdampfungsprozess in den Receiverrohren und steigern die Vertrauenswürdigkeit in die Technologie. Folgende Forschungsarbeiten sollten die Gittersensormessungen im Verdampferbereich fortsetzen und auf das Übergangsgebiet von der Zweiphasenströmung zur einphasigen Dampfströmung erweitern. Damit kann die Datenbasis vergrößert werden und die Belastbarkeit und Reproduzierbarkeit unter den vielfältigen Einflussparametern verbessert werden.