Untersuchung der Porosität von multidispersen Basaltsteinmischungen für thermokline Flüssigsalzspeicher

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird der Hohlraumanteil von mono- und multidispersen Basalt-steinschüttungen untersucht. Hintergrund ist die Verwendung dieser Schüttungen in ther-moklinen Flüssigsalzspeichern für solarthermische und konventionelle Kraftwerksanwendun-gen. Durch den Einsatz der Schüttungen kann ein Teil des Flüssigsalzes substituiert werden, wodurch signifikante Kosteneinsparungen erreicht werden können. Die Kosteneinsparungen hängen linear mit dem erreichbaren Hohlraumanteil der Schüttung zusammen, weshalb hier-für eine präzise Berechnungsmöglichkeit erforderlich ist. Zu Beginn der Arbeit werden die charakteristischen Grundeigenschaften von Schüttungen vorgestellt und ausgiebig erläutert. Im Anschluss daran erfolgt eine Übersicht bestehender Modellansätze zur Berechnung des Hohlraumanteils von bi- und tridispersen Schüttungen. In der vorliegenden Arbeit wird dabei auf ein lineares Packungsmodell zurückgegriffen. Dieses Modell wird in der Programmierumgebung MATLAB implementiert. Im darauf folgenden experimentellen Teil werden zunächst sieben Schüttungen anhand ihrer Sieblinien charakterisiert und daraus mögliche Kombinationen für geeignete bi- und tridisper-se Schüttungen definiert. Zur Bestimmung der Dichte und des Hohlraumanteils wird ein Test-stand konstruiert, der auf dem Prinzip der Verdrängung von Wasser basiert. Es werden ver-schiedene Vorversuche zum Einfluss von Behältergrößen, der Oberflächenspannung von Was-ser sowie zum Mischen und Verdichten der Schüttungen durchgeführt. Es werden zunächst die Grundeigenschaften der monodispersen Schüttungen, wie Korngrö-ßenverteilung, Dichte und Hohlraumanteil bestimmt. Anschließend werden acht bidisperse und zwei tridisperse Mischungen erstellt und deren Hohlraumanteil bestimmt. Einige Schüt-tungen werden zusätzlich verdichtet. Diese weisen zusätzlich eine Reduzierung des Hohl-raumanteils von durchschnittlich 10%-Punkten auf. Erwartungsgemäß lässt sich durch die Verwendung einer bidispersen Mischung der Hohlraumanteil gegenüber einer monodispersen Schüttung deutlich verringern. Insbesondere bei großen Größenunterschieden kann der Hohl-raumanteil um fast 20% Punkte verringert werden. Die Verwendung tridisperser Schüttungen führt zu einer nochmaligen Verringerung des Hohlraumanteils um 1 bis 5%-Punkte. Die Versuchsergebnisse werden abschließend mit den Modellrechnungen verglichen. Hierbei zeigt sich insgesamt eine gute Übereinstimmung. Die Abweichungen liegen bei den bidisper-sen Schüttungen im Bereich von 1 bis 10%-Punkte und bei den tridispersen Schüttungen im Bereich von 0,1 bis 14.