Numerische Simulation eines Schmelz- und Erstarrungsprozesses in einem Latentwärmespeicher

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Aufschmelz- bzw.<br />Erstarrungsverhalten eines Phasenwechselmaterials (PCM - Phase Change Material) in einem Latentwärmespeicher numerisch untersucht. Das verwendete Modell, bestehend aus drei Komponenten, entspricht in der Konstruktion sowie in den Materialeigenschaften exakt dem des bereits im Labor des Instituts in Betrieb genommenen Versuchsstandes. An einem vertikalen Stahlrohr wird die Innenäche mit einer vorgegebenen Dampftemperatur (ober- bzw. unterhalb der Schmelztemperatur des PCM) beaufschlagt. Die auf das Stahlrohr aufgepressten Aluminiumrippen leiten die Wärme weiter an das Speichermaterial (Natriumnitrat NaNO3), welches bei einer Temperatur von 308°C einen Phasenwechsel zwischen festem und üssigem Aggregatszustand erfährt.<br />Die Berechnung erfolgt dreidimensional, unter Einuss der Schwerkraft und wird mit der kommerziellen CFD-Software Ansys FLUENT durchgeführt.<br />Verwendet werden zwei mathematische Modelle. Das Enthalpie-Porositäts-Modell, mit dem der Phasenübergang Einuss in die Impulsbilanz bekommt und das Volume-of-Fluid-Modell, das die horizontale Grenzschicht von PCM und Luft simuliert und somit eine Ausdehnung des PCMs während des Aufschmelzens ermöglichen soll.<br />Ziel der Arbeit ist es herauszufinden, mit welchen Einstellungen im Ansys FLUENT die bestmöglichen Ergebnisse erzielt werden. Zudem werden die während des Aufschmelzens auftretenden Strömungen im geschmolzenen Speichermaterial sowie die tatsächliche Ausbreitung der Schmelzfront untersucht und mit der bereits durchgeführten zweidimensionalen Simulation verglichen.<br />

The present work numerically investigates the melting process of a phase-change material (PCM) in a latent thermal heat storage system.<br />The model which is used for the simulation is equal to the geometry of the pilot plant. Heat is transferred to the unit through a vertical steelpipe, with vertical aluminium fins made attached to it. The phase-change material is stored between the fins. Its properties used in the simulation, including a melting point at 308° C, are based on Sodium nitrate (NaNO3).<br />The numerical analysis is carried out three-dimensionally, therefore gravitation forces will be taken into account. Two mathematical models are used. Firstly, the enthalpy-porosity formulation involves the phase change of the storage material to gain impact on the momentum balance.<br />Additionally, the volume-of-fluid-model (VOF-Model), allows the simulation of the behaviour of two or more fluids.<br />The aim of the present work is to figure out which settings in the software are required to obtain the most favourable CFD-results.<br />Furthermore the performance of the PCM during the melting and the solidification process is investigated and compared with the existing two-dimensional simulations.