Development of a novel particle reactor/heat-exchanger technology for thermal energy storages

Abstract

In dieser Dissertation wird eine neuartige Wirbelschicht-Waermetauscher Technologie eingeführt, die es ermöglicht eine dichte Partikel-Gas Suspension in Form einer horizontalen Propfenströmung durch einen Apparat zu transportieren. Solche Strömungsverhältnisse sind Voraussetzung für die Umsetzung eines Gegenstrom-Wärme-Tauschers oder eines Stromrohr-Reaktors; jeweils die effizientesten Konzepte für Wärme- und Stoffaustausch. Ein spezieller Düsen- beziehensweise Gasverteiler Boden und ein Mechanismus, um das Bett-niveau zu regeln und auch den Fluss der Partikel-Gas Suspension zu beinflussen/pumpen, wurde entwickelt. Diese Technologie wird unter den englischen Begriffen sandTES-Technology und sandTES-Active-Fluidization-Concept publiziert und bekannt gemacht. Die sandTES-Technologie wurde ursprünglich in einem Projekt entwickelt, dessen Ziel die Schaffung eines innovativen Thermischen Energie Speichers, war. Darum beginnt diese Arbeit mit einer Diskussion über den imperativen Charakter von Energie-Speichern innhalb der Wertschöpfungskette von elektrischer Energie und den Bestrebungen von Wärmeruckgewinnungen. Des weiteren wird ein Überblick über die vielversprechensten Speicher-Technologien bereitgestellt, welche in drei Bewertungsmatrizen gebenübergestellt werden. Ein Kapitel ist der Bereitstellung aller theoretischen Grundlagen, auf welchen diese Arbeit beruht, gewidmet. Das Herzstück dieser Arbeit ist die Einführung der sandTES-Technologie and ihrer technologischen Realisierungen. Um die Performance und das Betriebsverhalten dieser Technologie abzuschätzen, sind alle maßgebenden Effekte in einem numerischen Tool aggregiert. Dieses numerische Tool ist darüber hinaus als Auslegungs-Werkzeug konzipiert, welches alle Ergebnisse so weit aufbereitet, sodass diese zu realisierenden Konstruktionen herangezogen werden koennen. Die Entwicklung der sandTES-Technologie wurde von Kleinversuchen verangetrieben. Die wichtigsten Kleinversuche and deren Beitrag zum Forschungsprojekt sandTES werden diskutiert. Für einen vollen Machbarkeits-Nachweis wurde eine Pilot-Anlage im semi-industriellen Maßstab entwickelt. Deren zu Grunde liegnder Design-Prozess und alle darin zu erwartenden Effekte werden erörtert, als auch die geplanten oder gewünschten experimentellen Ergebnisse. Das letzte Kapitel ist der Verwendung von Partikel innerhalb der Solar-Industrie gewidmet: die derzeitigen Trends and der aktuelle status-quo werden diskutiert. Die vielversprechensten Kreisläufe oder Konzepte um den Stand der Technik mittels Partikel und der sandTES-Technologie voran zu treiben werden vorgestellt.

A novel fluidized-bed heat-exchanger or reactor technology is introduced in this thesis, enabling the creation of a horizontal plug-flow of a dense particle-suspension through an apparatus; thus the creation of a counter-current flow heat-exchanger or plug-flow reactor, which are the most efficient concepts for heat- and mass exchange. Therefore a specialized nozzle-distributor floor and a mechanism, for controlling the bed-level or enhancing the particle-suspension-flow, has been developed. For this technology the term sandTES-technology or sandTES-Active-Fluidization-Concept has been coined. The sandTES-technology has been developed within the context of finding a novel Thermal Energy Storage concept. Consequently this thesis starts with a discussion of the imperative need of Energy Storages within the electric value chain and the pursuit of heat-recovery. Furthermore an overview of the most promising storage technologies is provided, which are summarized via three tables, benchmarking all these technologies. A chapter is dedicated for examining all relevant fundamentals for introducing the sandTES-technology. The core of this work covers the introduction of this technology and its major technological realizations. For assessing its operation behaviour and performance, all identified governing effects have been modelled and aggregated within a numerical tool. This numerical tool is furthermore aimed as a design tool, processing all results in a form that allow an immediate drafting of a real apparatus. The development of the sandTES-technology was significantly supported or even led by experimental activities. The most important test-rigs and their contribution to the research process are examined. For a full proof of concept a pilot plant at semi-industrial scale has been designed. Its designing process and all expected effects, as well as all sought experimental data from the pilot plant are discussed. The last chapter deals with the application of particles within the solar industry. Therefore the current landscape and trends of the solar industry are discussed. Promising cycles improving the state-of-the-art technology via the application of particles and the sandTES-technology are examined.