Strömungssimulation der Gasverteilung im Ein- und Auslassbereich eines Hochtemperaturwärmespeichers

Abstract

Im Zuge des Ausbaus erneuerbarer Energien in Deutschland haben Hochtemperatur- Wärmespeicher an Bedeutung gewonnen. Als Schlüsselkomponente von Adiabaten-Druckluftspeicherkraftwerken, Sonnen-, GuD-, Windenergiekraftwerken kann ein Hochtemperatur- Wärmespeicher zu einer effizienten und bedarfsorientierten Energieversorgung beitragen, was zu einer Reduzierung der CO2-Emissionen führen kann. Der thermische Wirkungsgrad eines Hochtemperatur-Wärmespeichers hängt zum Großteil von der Qualität der Strömungsgleichverteilung in der Speichermasse ab, wobei die Verteilung der Strömung mit steigendem Speicherdurchmesser immer schlechter wird. In Zusammenhang mit der Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmespeicher wurden in Rahmen dieser Arbeit Verteilerstrukturen eines Speicherkonzepts im DLR Stuttgart untersucht, bewertet und verglichen, um einen Vorschlag über die beste Verteilerstruktur in Hinblick auf die Strömungsgleichverteilung zu machen. Weitere Kriterien für die Verteilerauswahl waren ein geringer Druckverlust, sowie ein möglichst geringer Bauraumbedarf. Zuerst wurde zur Beurteilung der Qualität der Strömungsgleichverteilung in dem Speichermedium, bestehend aus kugelförmigen Partikeln aus Keramik, eine passende Formulierung des Gleichförmigkeitsindex aus der Literatur ausgewählt. Das Speichermedium wurde als poröses Medium modelliert und der Druckverlust konnte nach der Ergun-Gleichung bestimmt werden. Alle Simulationen verliefen stationär und isotherm. Es wurden dann in einer Parameterstudie in ANSYS-CFX (Workbench) Verteilerstrukturen mit axialer und radialer Einströmung untersucht. Nach dem Aufsetzen des Berechnungsnetzes konnte innerhalb der Parameterstudie in beiden Fällen eine optimierte Geometrie des Verteilers gefunden werden. Im Axialfall wurde eine Verteilerstruktur bestehend aus zwei in Reihen geschalteten Diffusoren ausgewählt und im Radialfall bildete sich der Einlassbereich aus einem zylindrischen Raum mit zwei Rohrzuführungen, die mit Hilfe von Zwischen-Diffusoren an dem Zylinderraum verbunden sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Strömungsgleichverteilung bei Schüttungen mit höherem spezifischem Druckverlust besser war als bei Speichermaterial mit niedrigem spezifischem Druckverlust. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Strömungsverteilung, trotz eines hohen Druckverlustes, war die Verkleinerung des Speicherbettdurchmessers. Bei gleichem Kurzfassung III Speichermaterial und Verteiler konnte nachgewiesen werden, dass die Qualität der Strömungsverteilung im Speicherbett unabhängig von Speicherbettlänge blieb. Schließlich zeigte ein Vergleich zwischen den Verteilerstrukturen im Radial- und Axialfall, dass der beste Verteiler im Zusammenhang mit der Strömungsgleichverteilung und dem niedrigsten Druckverlust der Verteiler mit zwei radialen Zuführungen und Zwischen-Diffusoren ist. Mit dieser Verteilerstruktur erreicht man Gammawerte von etwa 96% am Speicherbetteintritt. Ein kleines Bauvolumen konnte mit dem Doppeldiffusor-Verteiler im Axialfall realisiert werden. Dabei ging die Qualität der Strömungsverteilung im Speichermaterial allerdings um etwa 7,7% zurück im Vergleich zu dem besten Verteiler.