Wärmeauskopplung aus heißen Partikelschüttungen zur Dampferzeugung

Kurzfassung

Erneuerbare Energien gewinnen aufgrund der Verknappung fossiler Brennstoffe, des fortschreitenden Klimawandels und nicht zuletzt der Risiken der nuklearen Energienutzung zunehmend an Bedeutung. In diesemWachstumsmarkt bieten solarthermische Kraftwerke die Möglichkeit einer zentralisierten und potentiell bedarfsgerechten Energieversorgung. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, ist der Einsatz von thermischen Energiespeichern notwendig. Thermische Energiespeicher auf Basis feinkörniger Schüttmaterialien stellen eine effiziente und kostengünstige Lösung hierfür dar. Einige preiswerte Schüttgüter ermöglichen den Transport und die Speicherung von Wärme bei über 1000 °C. ZurWärmerückgewinnung können die heißen Partikel mithilfe einesWanderbettwärmeübertragers (WBWÜ) entladen werden, um somit einen Dampfkreisprozess anzutreiben. In einem WBWÜ fließt eine dichtgepackte Schüttung schwerkraftgetrieben um Rohre herum und überträgt dabei die Wärme an das in den Rohren fließende verdampfende Wasser. Der WBWÜ ist eine vielversprechende Technologieoption, da er einen geringen Eigenverbrauch und ein gutes Teillastverhalten aufweist, geringe Investitions- und Betriebskosten verursacht und eine kompakte Bauweise ermöglicht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Dampferzeuger zu entwerfen und zu charakterisieren, der speziell auf die solarthermische Anwendung zugeschnitten ist und dessen Funktionsweise auf den Prinzipien des WBWÜ basiert. Kommerziell verfügbare Partikel aus Natursteinen und Keramiken wurden ausgewählt und hinsichtlich ihrer Eignung als Wärmespeicher- und Wärmeträgermedium für ein solches WBWÜ-Speichersystem charakterisiert. Die Untersuchungen umfassten Versuche zum thermodynamischen, thermomechanischen, tribologischen und rheologischen Verhalten der verschiedenen Schüttgutsorten. Die Tests haben gezeigt, dass die meisten Materialkandidaten eine Anfälligkeit zur Degradation aufweisen, die entweder durch Scherung, thermomechanische Spannungen oder einer Kombination aus beidem hervorgerufen werden können. Insbesondere quarzhaltige Materialien sind empfindlich gegenüber thermischen Wechselbelastungen, was auf den Quarzsprung zurückzuführen ist. Zwar weisen sämtliche Materialien eine gute Fließfähigkeit auf, nichtsdestotrotz muss die Entstehung von Abrieb durch Degradation bei der Auslegung des WBWÜ berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck wurden die Ergebnisse der rheologischen Messungen herangezogen, aus denen sich die kritischen Geometrieparameter für eine verbesserte Konstruktion bestimmen lassen. Zusätzlich werden sie als Eingabeparameter für numerische Strömungsberechnungen verwendet. Um die thermische Leistungsfähigkeit verschiedener Rohrbündel-Konstruktionen zu bestimmen, wurden das fluiddynamische und thermisches Verhalten mithilfe eines Euler- Euler-Mehrphasenmodells simuliert. Eine Variation sowohl der Rohrform als auch der Rohrbündelkonfiguration hat gezeigt, dass mit ovalen Rohren in einer engen Anordnung der besteWärmeübergang zwischen Rohraussenwand und Schüttgut erreicht werden kann. Vor dem Hintergrund der Kraftwerksanwendung wurden jedoch ausschließlich Rundrohre für die weiteren Untersuchungen betrachtet. Unter Einbeziehung der rheologischen Schütteigenschaften wurde ein verbessertes Rohrbündel entworfen und mittels des Mehrphasenansatzes charakterisiert. Das neuentwickelte Design weist bei einer Leerrohrgeschwindigkeit der Partikel zwischen 1 mm/s und 5 mm/s eine um bis zu 20 Prozentpunkte höhere Effektivität als ein herkömmliches Rohrbündel. Der Wärmeübergangskoeffizient steigt dabei mit der Eintrittsgeschwindigkeit an. Um das CFD-Modell zu validieren und die Funktionalität des verbesserten WBWÜ- Entwurfs nachzuweisen wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Die grundsätzlichen Beobachtungen aus den Simulationen werden durch die Experimente bestätigt. Im Bereich moderater Leerrohrgeschwindigkeiten stimmen dieWärmeübergangskoeffizienten aus den Simulationen gut mit den experimentell ermitteltenWerten überein. Bei hohen Leerrohrgeschwindigkeiten gewinnt der isolierende Effekt der sich ausbildenden Stauzone auf dem Rohrscheitelpunkt an Einfluss und begrenzt den integralen Wärmeübergang an der Rohraußenwand. Der höchste experimentell ermittelte Wärmeübergangskoeffizient liegt bei ca. 240 W/m2K für Sinterbauxit mit einer Massenstromdichte von 10 kg/m2s. Die räumliche Ausdehnung der Stauzone wird von der Rohrbündelkonfiguration beeinflusst. Obwohl diese quasi-statischen Bereiche nicht ausreichend genau mithilfe des CFD-Modells dargestellt werden können um deren Einfluss auf das thermische Verhalten vollständig widerzuspiegeln, kann das Mehrphasenmodell als zuverlässige und flexible Basis für zukünftige Untersuchungen von WBWÜ betrachtet werden. Ein erster einfacher Ansatz zur Korrektur des integralen Wärmeübergangskoeffizienten bei höheren Massenstromdichten wird in dieser Arbeit vorgestellt. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass ein neues Konzept zur thermischen Entladung von solar erwärmten Partikeln erfolgreich entwickelt und demonstriert werden konnte. Die vorliegende Arbeit liefert neue Erkenntnisse hinsichtlich der Fluiddynamik und der thermischen Effekte in solar-spezifischenWBWÜ und zeigt sowohl die Eignung als auch die Unzulänglichkeiten der heute verfügbaren Kontinuumsmodelle zur Beschreibung dieser Vorgänge auf.