Auslegung und Konstruktion eines Versuchsstandes zur Speicherung von Latentwärme basierend auf dem Konzept des Rotating Drum Wärmeübertragers

Abstract

In Industrieprozessen wird der Wärmebedarf vorwiegend durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe gedeckt, was Treibhausgase in die Atmosphäre freisetzt. Eine Einsparung von Treibhausgasen kann mit einem sogenannten Rotating Drum (RD) Wärmeübertrager erreicht werden. Bei diesem erstarrt ein Phasenwechselmaterial an der Oberfläche einer Edelstahltrommel, welche partiell in flüssigem Phasenwechselmaterial eingetaucht ist, während im Inneren der Trommel Wasser nahe des Sättigungszustandes verdampft. Dabei kann die gespeicherte thermische Energie aus fluktuierenden erneuerbaren Quellen für die bedarfsgerechte kohlenstoffneutrale Erzeugung von Prozessdampfgenutzt werden. In dieser Abschlussarbeit wird ein thermisches Energiespeichersystem mit einem rotierenden Trommelwärmetauscher zur Demonstration ausgelegt und konstruiert. Der in dieser Arbeit ausgelegte Versuchsstand wird erstmalig auf eine Entladeleistung von 100 kW mit Betriebsparametern des WTFs (engl.: heat transfer fluid: Wärmeträgerfluid) Wasser von bis zu 8 bar und 170 °C skaliert. Der zu erwartende Wärmestrom ist stark abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen dem WTF Wasser und dem PCM (engl.: phase change material: Phasenwechselmaterial). Als PCM wird eine eutektische Mischung von Kalium- und Natriumnitrat mit einer Schmelztemperatur von 222 °C und einer Schmelzenthalpie von 108 kJ*kg-1 verwendet. Entscheidende Vorschritte zur Skalierung in den MW Bereich sind die Verwendung einer sogenannten Mehrkanaltrommel (s. Kap 4.1) und eine Optimierung des PCMs. Bei erfolgreicher Validierung des Gesamtsystems kann als PCM beispielsweise Natriumnitrat mit einer Schmelztemperatur von 306 °C und einer Schmelzenthalpie von 178 kJ*kg-1 verwendet werden. Somit könnte entweder die Entladeleistung gesteigert oder die Betriebsparamater (Druck und Temperatur) vom WTF erhöht werden. Die bisherigen zahlreichen Abschlussarbeiten und die erfolgreiche Auslegung, sowie Konstruktion des Versuchsstandes unterstreichen das vielversprechende Potential der Technologie.