Untersuchung eines aktiven Latentwärmespeichersystems basierend auf einem rotierenden Trommel-Wärmeübertrager zur Dampferzeugung

Abstract

Die Dekarbonisierung des Wärmebedarfs und die zunehmende Schwankung des Energieangebots durch die Nutzung fluktuierender erneuerbarer Energiequellen sind zwei drängende Probleme im Zuge der Energiewende. Um das Energieangebot auf den spezifischen Bedarf anzupassen, werden geeignete Energiespeicher benötigt. Industrielle Prozesswärme im Bereich von 100-400 °C macht potenziell einem Anteil von ca. 5% am Gesamtenergiebedarf der EU-28 Staaten aus. Darüber hinaus ist die Nutzung von Prozessdampf als Energieträger für Produktionsprozesse in vielen Branchen von Vorteil. Zur bedarfsgerechten Bereitstellung von Prozessdampf wurde daher das Konzept des Rotating Drum Wärmeübertragers entwickelt. Dabei wird eine rotierende Trommel in flüssiges Speicher- bzw. Phasenwechselmaterial partiell eingetaucht. Dieses erstarrt an der Oberfläche und gibt seine thermische Energie an ein Wärmeträgerfluid im Inneren der Trommel ab, das dadurch verdampft. Um den Aufbau einer zunehmend wärmedämmenden Schicht an festem Speichermaterial zu verhindern, wird das feste Material durch einen fixen Schaber kontinuierlich von der Trommel entfernt, was gleichzeitig die Trennung von fester und flüssiger Phase ermöglicht. Zur Demonstration und experimentellen Untersuchung dieses Konzeptes wird im Rahmen dieser Masterarbeit ein Versuchsstand mit einer ausgelegten Entladeleistung von 100 kW aufgebaut. Als Speichermaterial wird die eutektische Mischung aus Kaliumnitrat und Natriumnitrat verwendet, um Wasser bei einem Druck von bis zu 8 bar zu verdampfen. Eine im Rahmen der Arbeit durchgeführte hygroskopische Analyse des Speichermaterials zeigt, dass die Schüttbarkeit des festen Materials unter den gegebenen Umgebungsbedingungen bestehen bleibt. Der Schmelzpunkt der selbst hergestellten Mischung des Speichermaterials wird mit 219,9 °C und die Schmelzenthalpie mit 99,65 kJ/kg bestimmt. Eine theoretische Energiebilanz für die Rotating Drum ergibt einen Dampfmassenstrom von 165,61 kg/h bei einem Betriebsdruck von 2,7 bar und einer maximalen Leistung von 100 kW. Eine theoretische Verlustbetrachtung ergibt einen maximalen theoretischer Verlust von ca. 2,09 kW. Dem gegenüber steht ein real gemessener Verlust von 5,54 kW. In den vier im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Entladeversuchen wird eine maximale Entladeleistung von 65+1,6 -12,1 kW erreicht. Dabei zeigt sich, dass eine Mindestdrehzahl von 5 min-1 erforderlich ist, damit das erstarrende Phasenwechselmaterial an der Trommel haftet. Beim Abschaben des festen Speichermaterials neigt der verwendete Schaber aus einem Kupferblech zum Abheben von der Oberfläche. Dadurch wird das Speichermaterial nicht zuverlässig abgeschabt, was zu einer plastischen Verformung des Schabers führt. Hierdurch wird eine maximale Versuchsdauer von 227 Sekunden erreicht. Dieses Verhalten wird im Rahmen der Arbeit qualitativ beschrieben und potenzielle Lösungsansätze erarbeitet. Insgesamt wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Versuchsstand aufgebaut, in Betrieb genommen und vier Entladeversuche durchgeführt. Somit wurde erstmalig im anwendungsnahen Maßstab gezeigt, dass mit diesem Prinzip Prozessdampf bereitgestellt werden kann.