Simulation von Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgängen in thermischen Energiespeichern mit Phasenwechsel

Abstract

Die Integration von Phasenwechselspeichern in solarthermische Kraftwerke mit Direktverdampfung oder industrielle Prozesse stellt eine vielversprechende Technologie zur Steigerung der Anlageneffizienz dar. Im Rahmen dieser Arbeit wird durch numerische 2D-Simulationen von transienten Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgängen die Auswirkung natürlicher Konvektion auf die Be- und Entladevorgänge thermischer Energiespeicher mit Fest-Flüssig- Phasenwechseln untersucht. Fokus dabei ist, den Einfluss geometrischer Parametervariationen auf das Speicherverhalten zu ermitteln. Dazu wird das Modell eines rechtwinkligen Plattenwärmespeichers mit vertikalen Speicherkammern entwickelt, in dem ein Nitratsalz (KNO3 − NaNO3) durch ein zweiphasiges Wärmeträgerfluid (Wasser) seitlich beheizt oder gekühlt wird. Die Kammern sind in Höhe und Breite variabel. Es werden unabhängig voneinander jeweils drei verschiedene Abmessungen betrachtet, wodurch sich Seitenverhältnisse (Höhe/Breite) von 4-40 ergeben. Die Ergebnisse der Parameterstudie werden in absoluter Form sowie anhand einer dimensionslosen Analyse dargestellt. Es kann unter Verwendung relevanter Kennzahlen, wie Rayleigh- und Fourier-Zahl, ein Zusammenhang für das Schmelzverhalten in den verschiedenen Speicherkammern gefunden werden. Zudem wird anhand der Nußelt-Zahl ein Faktor für die Verstärkung des konvektiven Wärmeübergangs in Abhängigkeit der Speicherabmessungen gegeben.