Modellierung des Schmelzens und Erstarrens von Latentwärmespeichermaterialien in Rippengeometrien

Kurzfassung

Ziel dieser Arbeit war es, Wärmetransportmechanismen in Latentwärmespeichern mit berippten Rohren zu beschreiben. Der Schwerpunkt lag auf der expliziten Ermittelung der Erstarrungszeit des PCMs (engl.: Phase Change Material) beim Entladen eines Speichers. Innerhalb der Arbeit wurde anhand von numerischen Simulationen eine analytische Formel für die Erstarrungszeit entwickelt, die typische Stoffwerte von Rippen und PCM sowie Geometrieparameter und Randbedingungen enthält. Die Simulationen wurden mit der Simulationssoftware FLUENT durchgeführt. Mit 324 simulierten Fällen wurde ein breites Feld an Variationsmöglichkeiten aller wichtigen Parameter untersucht. Durch Analyse der Ergebnisse erfolgte schließlich die Herleitung der Gesamtanalytischen Näherungsgleichung (tGNG) zur Berechnung der Erstarrungszeit. Mit Hilfe dieser Gleichung wurde eine Kostenabschätzung durchgeführt, in der Speicherkonfigurationen gleichen thermischen Verhaltens mit hoher Rohranzahl und wenigen Rippen, solchen mit wenigen Rohren und vielen Rippen gegenübergestellt wurden. Aufgrund der in dieser Arbeit entwickelten analytischen Näherungsgleichung und deren Zerlegung in drei Faktoren ist es möglich, die instationären Wärmetransportmechanismen für berippte Rohre, die mit PCM umgeben sind, besser zu verstehen. Somit können die Einflüsse einzelner Parameter bei der Speicherauslegung leichter ermittelt werden. Da hierdurch die wichtigsten geometrischen Größen für die Auslegung eines Latentwärmespeichers nach Gesichtspunkten von Effizienz und Kosten erkennbar sind, kann diese Arbeit dazu beitragen, künftige Speicher weiter zu optimieren.