Development of a prototype latent heat thermal energy storage system

Abstract

Thermal energy storage systems can balance volatile production and consumption of heat at different temperature levels and time scales. The temperature target level is medium to high, focusing on storage temperatures up to 350 C with potential applications in solar thermal energy production, or industrial processes. Utilizing phase change materials as storage material, the energy density can be higher compared to other storage systems. Based on the low thermal conductivity of many phase change materials in the solid state, heat transfer is highly transient. Enhancing the heat transfer ability is key to improving this storage technology; but heat transfer mechanisms and melting phenomena are also worth studying, especially when looking at industrial scale prototypes and the improvement of this level of technology. This work aims to address the topic of heat transfer enhancement, attaching aluminum fins to a steel tube. A new design and a novel attachment method are developed. A test rig in lab-scale is built and performance measurements of such a storage unit are executed. Sodium nitrate as an affordable, non-toxic and highly promising phase change material (PCM) is used. The melting temperature correlates with life steam temperatures in solar thermal power plants. The test-rig is equipped with a single aluminum finned steel tube filled with heat transfer fluid. The storage vessel is a cylindrical tank with a finned tube heat exchanger. The volume between the tubes and the shell is filled with PCM. Thermal oil is used as a heat transfer fluid. The temperatures and mass flows are processed in a process control system and analyzed later on. Over all, two test rigs with different fin geometries are built and analyzed. Experiments allow detailed data of the melting front development in the storage units. By employing multiple temperature testing points, energy balance and other performance indicators can be provided for the two different fin geometries. The heat transfer from the heat transfer fluid into the storage material is described in detail and quantified. With the novel fin geometry, performance is improved. In addition, a new attachment method for aluminum fins is presented. This highly promising method enables hexagonal cross sections by large-scale production. With this contribution to the development of latent heat thermal energy storage systems, energy systems will become more efficient. Industrial scale application of this storage type will help to reduce primary energy inputs. It will also help to reduce fossil fuel needs which will be one of the most threatening global challenges in the coming decades.

Thermische Energiespeicher können fluktuierende thermische Verbraucher und Produzenten in unterschiedlichen zeitlichen Dimensionen und Temperaturniveaus sinnvoll koppeln. Dadurch können höhere Nutzungsgrade der eingesetzten Primärenergie erreicht werden. Dabei steht der Temperaturbereich bis 350 C im Fokus, welcher etwa für solarthermische Kraftwerke oder industrielle Prozesse gut einsetzbar ist. Das Speicherkonzept des Latentwärmespeichers mit dem Einsatz von Phasenwechselmaterialien als Speichermaterial ermöglicht hohe Energiedichten und dadurch geringere Speichervolumen. Ein häufiger Nachteil bei Phasenwechselmaterialien liegt in der schlechten Wärmeleitung im festen Zustand und im transienten Wärmeübertragungsverhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Latentwärmespeicher Prototypen im Labormaßstab entwickelt und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Der Wärmetransport wird mit Hilfe von Aluminiumrippen die auf einem Stahlrohr fixiert werden, erhöht. Als Speichermedium wird leicht verfügbares, konstengünstiges und ungiftiges Natriumnitrat verwendet. Der Schmelzpunktes ist passend für Anwendungen im Hochtemperatur- Solarthermiebereich und Schmelzenthalpie ist relativ groß. Das Wärmetauscherrohr wird vertikal in einem zylinderförmigen Speicherbehälter platziert. Das Stahlrohr wird vom Wärmeträgermedium durchströmt; das Phasenwechselmaterial ist zwischen den Rippen und dem Speicherbehälter angeordnet. Temperaturen und Massenströme können über ein Prozessleitsystem geregelt und für eine spätere Auswertung aufgezeichnet werden. Insgesamt wurde zwei Versuchsstände konstruiert und gebaut die sich vor allem durch ihre Rippengeometrie unterscheiden. Auf Basis der Messungen kann die Entwicklung der Schmelzfront rekonstruiert werden. Außerdem wird die Energiebilanz für den Speicher aufgestellt und die wesentlichen Kenndaten wie Leistung, Kapazität aber vor allem das dynamische Verhalten gemessen. Auch der Wärmeübergang vom Wärmeträgermedium in das Speichermaterial wird genau beschrieben. Durch die Optimierung der Rippengeometrie konnte das Aufschmelzverhalten verbessert werden. Außerdem wurde eine neue Methode zur Befestigung von Aluminiumrippen auf einem Stahlrohr entwickelt. Mit ihrer Hilfe lassen sich auch sechseckige Querschnitte von Aluminium-Stahl Verbundrippenrohren produzieren, die sich dadurch effizient in einem Latentwärmespeicher anordnen lassen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Technologie für Latentwärmespeicher und Rippenrohre weiter entwickelt um sie effizienter und besser zu machen. Latentwärmespeicher können den Energieverbrauch reduzieren und den Nutzungsgrad von Wärme wesentlich erhöhen. Im Hinblick auf die kommenden Jahrzehnte ist es notwendig, jede verfügbare Maßnahme zur Verringerung der Emissionen und zum effizienteren Energieeinsatz zu ergreifen, dabei kann der Latentwärmespeicher eine wichtige Rolle spielen.