Numerische Analyse verschiedener Wärmeleitstrukturen für thermische Energiespeicher mit Phasenwechselmaterial

Abstract

Die vorliegende Arbeit handelt von der Untersuchung verschiedener Wärmeleitstrukturen im Rahmen einer numerischen Studie am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Im Zuge der Erforschung der erneuerbaren Energiequellen liegt einer der Schwerpunkte des Instituts für Technische Thermodynamik am Standort Stuttgart in der Entwicklung von thermischen Energiespeichern. Speicher mit Phasenwechselmaterial werden als Elemente zur direkten Dampferzeugung in thermischen Kraftwerken und für Industrieprozesse eingesetzt. Aufgrund der hierbei auftretenden Herausforderungen müssen Wärmeleitstrukturen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit entworfen und umgesetzt werden. Zunächst erfolgt die Beleuchtung von Chancen und Herausforderungen dieser Technologie, einschließlich einer Übersicht potenzieller Lösungsmöglichkeiten. Ferner werden bereits eingesetzte Wärmeleitstrukturen vorgestellt. Es erfolgt eine kurze Zusammenfassung der theoretischen und numerischen Grundlagen zur Durchführung der 2D-Simulationen. Die simulierten Wärmeleitstrukturen werden in drei verschiedenen Speichermodifikationen eingesetzt. Es erfolgt eine Evaluierung geeigneter Beurteilungskriterien für die Bewertung der einzelnen Strukturen sowie die Vereinfachung und Zusammenfassung der Ergebnisse in einer Strukturdatenbank. Hierzu werden numerische Untersuchungen an unverzweigten, einfach verzweigten und zweifach verzweigten Strukturen durchgeführt. Aus den gewonnenen Daten werden Richtlinien für die Konstruktion von weiteren Wärmeleitstrukturen ermittelt sowie Funktionsmechanismen zur Beeinflussung des Entladeverhaltens beschrieben. Es erfolgt eine Überprüfung der Plausibilität der ermittelten Richtlinien anhand der Konstruktion einer neuen Wärmeleitstruktur. Schlussendlich wird ein Ausblick mit Anregungen für weitere Untersuchungen und mögliche Entwicklungsrichtungen gegeben.