Inbetriebnahme und Untersuchung des thermischen Verhaltens von einem neuartigen Latentwärmespeicher

Kurzfassung

Im Rahmen der vermehrten Nutzung der erneuerbaren Energien, Steigerung der Energieeffizienz und Verringerung der Abhängigkeit von Energieimporten ergeben sich unter anderem in der Kraftwerkstechnik, bei Industrieprozessen und in der Gebäudebeheizung potentielle Einsatzgebiete für Wärmespeicher. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der thermischen Charakterisierung eines solchen neuartigen Latentwärmespeichers in Plattenwärmeübertragerbauweise mit mehreren Speicherkammern. Als Phasenwechselmaterial wird eine eutektische Kalium-/Natriumnitrat-Salzmischung verwendet. Für das Be- und Entladen des Speichers wird ein vorhandener Ölkreislauf genutzt. Anhand von Temperaturmessungen im Speichermaterial und im Ölkreislauf wird das thermische Verhalten des Speichers bei zwei Volumenströmen und drei verschiedenen Temperaturbereichen untersucht. Dabei zeigt sich, dass der Entladevorgang aufgrund einer Schichtbildung beim Erstarren wesentlich länger dauert als der Ladevorgang. Außerdem zeigt sich, dass die Zeit für das Laden beziehungsweise Entladen mit größerem Temperaturbereich oder Volumenstrom sinkt. Durch das Einbringen einer Wärmeleitstruktur soll der Wärmeübergang im Salz weiter verbessert werden. Dafür wird mithilfe der Software ANSYS Workbench ein vereinfachtes Simulationsmodell des Speichers erstellt und der Schmelz- und Erstarrungsvorgang simuliert. Die Validierung des Modells erfolgt mit den Messdaten der thermischen Charakterisierung. Auf Basis des validierten Modells werden verschiedene Wärmeleitstrukturen untersucht und eine Struktur anhand ihres späteren Volumenanteils an einer Speicherkammer und des Einflusses auf die Phasenwechseldauer für den praktischen Einsatz ausgewählt. Bei der ausgewählten Struktur handelt es sich um ein Zickzackblech, welches gefertigt und in den Speicher eingebaut wird. Zur Charakterisierung werden die gleichen Versuchsbedingungen wie zu Beginn verwendet. Es zeigt sich, dass die Dauer des Phasenwechsels an bestimmten Stellen im Speichermaterial beim Erstarren um bis zu 50% verringern kann. Weiterhin ist der zwischen Wärmeträgeröl und Salz übertragbare Wärmestrom etwas höher, was die Lade- und Entladedauer eines Zyklus verringert.