Speicherung latenter Wärme mit Trennung von Leistung und ... · PCMflux Konzept Grundkonzept •...
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Speicherung latenter Wärme mit Trennung von Leistung und Kapazität: Experimentelle Demonstration des PCMflux-Konzepts H. Pointner, W.D. Steinmann Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Technische Thermodynamik Stuttgart
Anwendungsbereiche für Latentwärmespeicher im Bereich mittlerer und hoher Temperaturen (130 – 350 °C)
Systeme mit Dampf als Arbeitsmedium: Minimierung der Temperaturdifferenz zwischen Be- und Entladen => Minimierung Druckreduzierung zwischen Beladedampf und Entladedampf
Wärmetransport wird bestimmt durch niedrige Wärmeleitfähigkeit der Nitratsalze (<1.0 W/mK)
Entwicklung von Latentwärmespeichern Nitratesalze als Speichermaterialien (phase change material,PCM)
NaNO3 bei Raumtemperatur
Steam
solid PCM
liquid PCM
Entladung PCM-Speicher über dampfführendes Rohr
Flüssiges PCM
Festes PCM
Dampf
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350Temperature [°C]
Enth
alpy
[J/g
]
KNO3
NaNO3NaNO2
KNO3-NaNO3
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350Temperature [°C]
Enth
alpy
[J/g
]
KNO3
NaNO3NaNO2
KNO3-NaNO3
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3
Wärmeübertragungskonzept für Latentwärmespeicher Stand der Technik: Integrierter Rippenrohr-Wärmeübertrager
Dampfströmung
Latentspeichermaterial (PCM)
Rohr
Rippe
Einzelrohr PCM-Speicher
Rohre mit Radialrippen (ohne PCM)
Wärmeübertragungskonzept für Latentwärmespeicher Stand der Technik: Integration von Rippenrohr-Wärmeübertragern in das Speichervolumen
Pilotspeicher: NaNO3 als PCM, Aluminiumrippen Tschmelz 305°C Latentwärme 175 kJ/kg 1.4m x 1m x 6m PCM Masse: 14 t Kapazität: ca. 700 kWh
• Erhöhung der Kapazität erfordert Vergrößerung Wärmeübertrager • Leistung nicht konstant bei gleichbleibendem Dampfdruck • Wärmeübertrager nicht zugänglich
axial finned tubes
Aktives Speicherkonzept für Latentwärme
• Transport des Speichermaterials (feste + flüssige Phase) • Wärmeübertragungsflächen und Speichermaterial sind mechanisch getrennt • Konstante Leistung möglich • Kapazität und Leistung sind unabhängig
liquidsolidfest flüssig
PCMflux Konzept Grundkonzept
• Trennung PCM und Wärmeübertrager durch Zwischenfluid • Wärmeleitung durch Zwischenfluid • Transport des PCM in dünnwandigen Behältern
solid PCMliquid PCM
Container
Steam intermediate fluid layerfin
tube
Flüssiges PCM Festes PCM
Behälter
Zwischenfluid
Behälter
Rohr
Rippe Dampf
PCMflux Konzept Grundkonzept
feed rate
feed rate
central heat exchanger
distributed heat exchanger
Typische Vorschubgeschwindigkeit: 50-100 mm/h
Vorschub
Zentraler Wärmeübertrager
Vorschub
Verteilter Wärmeübertrager
Theoretische Analyse Vergleich PCMflux mit Stand der Technik (stationär)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
28000 33000 38000 43000 48000 53000 58000
Wär
mes
trom
dich
te in
W/m
2 W
ärm
estro
mdi
chte
[W
/m²]
Zeit [s]
PCMflux stationär
• PCMflux liefert konstante Leistung • Masse Wärmeübetrager bei PCMflux
geringer
Theoretische Analyse Zusammenhang Leistung/Vorschubgeschwindigkeit
feed rate
trans
ferre
d th
erm
al po
wer
too slow too fastoperating range
woptimal
Zu langsam Betriebsbereich Zu schnell
Vorschubgeschwindigkeit
Optimale Vorschubgeschwindigkeit woptimal
Zent
rale
r Wär
meü
bertr
ager
Thermischer Widerstand Zwischenfluid
Laborexperiment
𝑇𝑇𝑃𝐶𝑀
Ceramicspacers
PCM
HeatExchanger
Pipe
Fluid
𝑇𝑇1 𝑇𝑇1 𝑇𝑇1
𝑇𝑇2𝑇𝑇2𝑇𝑇2
Δ𝑇𝑇�̇�𝐻𝑏
𝑊𝑏
𝐻𝐹𝐹
Thermischer Widerstand Zwischenfluid
0.25
0.20 0.15 0.10
0.05
0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Dicke Fluidschicht [mm]
Ther
mis
cher
Wid
erst
and
[W/K
]
𝑅𝑅𝑡𝑡𝑡 =Δ𝑇𝑇𝐹𝐹�̇�𝑄
Thermischer Widerstand
Direktkontakt: Widerstand ohne Zwischenfluid = 10 × Widerstand mit Fluid
Experimentelle Ergebnisse: Hitec als Zwischenmedium
Ohne Zwischenfluid
mit Zwischenfluid
Laborexperiment mit bewegtem PCM Rinnenförmige Rippe befüllt mit Zwischenmedium
solid PCM
liquid PCMContainer
Steam intermediate fluid layerfin
tube
flüssiges PCM
festes PCM
Behälter mit PCM
Rinnenförmige Rippe
Rohr
Zwischenfluid
PCMflux im Labormaßstab
Guide System
Fluid
Wire
Fin Heat Exchanger Pipe
PCM
Container
InsulationTransport Mechanism
IR-Kamera
Guide System
Fluid
Wire
Fin Heat Exchanger Pipe
PCM
Container
InsulationTransport Mechanism
Behälter für PCM
PCMflux im Labormaßstab Meßprimzip
Isolierung
Rohr mit Rippe
Sichtglas für IR-Kamera
Bearbeitetes Bild
fest flüssig
PCMflux im Labormaßstab Position stationäre Phasenfront abhängig von Vorschub (Entladung)
Vorschub = 0.7 woptimal
Vorschub = woptimal
Vorschub = 1.3 woptimal
fest flüssig
Demonstration 10 kW Testspeicher Aufbau Einzelebene
500 mm
pan for intermediate fluidintermediate fluid
fin
tube
IR-cameraIR-Kamera
Rohr mit Dampf Rippe
Zwischenfluid
Wanne für Zwischenfluid
Aufbau 10 kW Testspeicher
• 30 parallele Rohre • NaNO3/KNO3(eutekt.)
als PCM • Distanz Bewegung
0.5 m • 400 kg PCM
Zusammenfassung und Ausblick
• PCMflux bietet verschiedene Vorteile: - konstante Leistung - reduzierter Wärmeübertrager (zugänglich) - kein direkter Kontakt zwischen PCM und druckführenden Rohren - nur niedrige Geschwindigkeiten, Bewegung über geringe Distanzen - Leistung kann über Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden
• Status: - Entwurfsgrundlagen wurden durch Experiment und numerische ermittelt - Funktionsnachweis im Labormaßstab - 10 kW Testspeicher kurz vor Inbetriebnahme