Latentwärmespeicher-Einrohr-System mit Längs- und Querrippen (LESY2) – Design, Montage und experimentelle Analyse

Abstract

Für die einschränkungsfreie und effiziente Nutzung erneuerbarer Energien in industriellen Prozessen ist der Einsatz von thermischen Speichersystemen notwendig. In Kraftwerken, welche Solarenergie nutzen, können Latentwärmespeicher die Diskrepanz zwischen bereitstehender Energie und Nachfrage überbrücken. Im Vergleich zu den bereits gut erforschten sensiblen thermischen Energiespeichern können Latentwärmespeicher größere Mengen an Energie bei einem konstanten Temperaturniveau speichern. In dieser Arbeit fndet sich eine Übersicht der in der Literatur vorgeschlagenen Techniken und Designmöglichkeiten zur Verbesserung des Wärmeübergangs und der Gesamtperformance des Systems. Es wird auf die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten eingegangen und für detaillierte Informationen auf Publikationen anderer Autoren verwiesen. Im Rahmen dieser Arbeit am Institut für Energietechnik und Thermodynamik der Technischen Universität Wien wurde ein Hochtemperatur-Latentwärmespeicher des Shell-and-Tube-Typs konstruiert und errichtet. Als Phasenwechselmaterial wurden 280 kg Natriumnitrat (NaNO3) mit einem Schmelzpunkt von 306 °C verwendet. Die Neuerung dieses Speichers zur Verbesserung des Wärmeübergangs ist die vergrößerte Wärmeaustauscherfläche, welche durch Längs und Querrippen realisiert wurde. Das bisherige System war nur mit Längsrippen ausgestattet. Über 40 Temperatursensoren ermöglichen die radiale und axiale Beobachtung der Temperaturverteilung im Speicher. Auf diese Art und Weise wird das dynamische Schmelz und Erstarrungsverhalten in der Testanlage ermittelt.

For the restriction-free and efficient use of renewable energy in industrial processes, the use of thermal storage systems (TES) is undoubtedly necessary. In solar energy power plants latent heat storages (LHS) are able to close the gap between available energy and demand. Compared to the already well-researched sensible heat storages, LHS can store larger amounts of energy at a constant temperature level. This work gives a short review of the techniques and design options proposed in literature for improving the heat transfer and the systems overall performance. Various possibilities for application are mentioned and for further information the reader is referred to publications of other authors. As part of this work at the Institute for Energy Systems and Thermodynamics (IET) at the TU Wien, a high-temperature latent heat storage of the shell-and-tube type was designed and erected. As a phase change material (PCM) 280 kg of sodium nitrate (NaNO3) with a melting point of 306 °C was used. The innovation of this system is the enlarged heat exchanger surface, which was realized by longitudinal and radial fns. The previous system had only been equipped with longitudinal fns. Over 40 temperature sensors provide the opportunity for radial and axial observation of the temperature gradient inside the storage container. In this manner, the dynamic melting and solidification behavior of the test rig is determined.