Latentwärmespeicher-Einrohr-System (LESY) : Auslegung, Konstruktion, Montage sowie Messungen

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein thermischer Energiespeicher konzipiert und gebaut. Die Versuchsanlage wendet das Prinzip der latenten Wärmespeicherung an. Dabei wird die Energie, die bei einem Phasenwechsel (z.B.: von fest auf flüssig) benötigt wird, zur Speicherung verwendet. So lässt sich bei geringeren Temperaturdifferenzen mehr Energie speichern als ohne Phasenwechsel. Dieser so genannte Latentwärmespeicher ist mit einem Speichermedium - in diesem Fall Natriumnitrat (NaNO3) - gefüllt. Das Latentwärmespeicher-Einrohr-System (LESY) ist mit 300 kg Natriumnitrat gefüllt und besteht aus einem vertikal angeordneten Rippenrohr mit drei Metern Länge. Beheizt und gekühlt wird der Speicher von einer Thermoölanlage. Mit der Versuchsanlage wurden unterschiedliche Zyklen getestet, bei denen die Temperaturspreizung zwischen Schmelzpunkt und Vorlauf/Rücklauf variiert. Die Temperaturen des Speichermediums wurden über den Speicher verteilt gemessen. Vorlauf und Rücklauf sind vertauschbar wodurch die Dynamik bei unterschiedlicher Vor-/Rücklaufschaltung untersucht werden konnte. Als wesentliches Ziel konnten Parameter wie die speicherbare Energie, Leistung und Energiedichte ermittelt und mit ähnlichen Versuchsanlagen verglichen werden. Weil der Speicher nur über ein einzelnes Rippenrohr verfügt, konnte der Schmelzvorgang mit vorhandenen Simulationen verglichen werden. Dadurch konnten Asymmetrien beim Schmelzen in vertikaler Richtung bestätigt werden. Außerdem wurde ein Unterschied in der Schaltung von Vor- und Rücklauf festgestellt. Damit wurde ein weiterer Beitrag zu großtechnischer Verwendung von Latentwärmespeichern erbracht.

In the present work, a thermal energy storage was constructed and built. The test-facility uses the principle of latent heat. That means that the energy of a phase change (eg. from solid to liquid) is used as storage capacity. This makes it possible to store more energy in between a smaller temperature difference than without phase change. This so-called latent heat thermal energy storage (LHTES) is filled with a phase change medium (PCM), in this case sodium nitrate (NaNO3). The finned mono-tube latent heat storage system (LESY) is filled with 300 kg of sodium nitrate. Its finned tube has a length of three meters. It is heated and cooled by a thermal oil unit, which replaces the steam in the current stage. With the pilot plant different cycles were tested. The temperature difference between melting point and inlet/outlet flow varies; therefore different temperature-differences were tested. Temperatures in the storage medium distributed over the height of the storage were measured. Inlet and outlet are interchangeable, so the dynamics with changed inlet has been investigated. As a major objective, parameters as the storable energy, power and energy density were determined and compared with similar experimental facilities. The melting process was observed and compared with existing CFD simulations. An asymmetric melting was confirmed in the vertical direction. The difference in the flow direction was established. This work should be part of the investigation in the field of latent thermal energy storage systems.