Title: Experimentelle Untersuchungen zum Teilzyklenverhalten eines Hochtemperaturlatentwärmespeichers
Other Titles: Experimental Investigation on Partial Cycle Operation of High Temperature Latent Heat Thermal Energy Storage Systems
Language: Deutsch
Authors: Schwarzmayr, Paul 
Qualification level: Diploma
Advisor: Walter, Heimo 
Issue Date: 2020
Number of Pages: 58
Qualification level: Diploma
Abstract: 
In dieser Arbeit wird das Be- und Entladeverhalten eines Hochtemperaturlatentwärmespeichers ausgehend von teilbe- oder entladenen Speicherzuständen untersucht. Solch ein Speichertyp kann beispielsweise in modernen thermischen Solarkraftwerken oder Kraftwerken zur Kraft-Wärme Kopplung zum Einsatz kommen. Im Unterschied zu Experimenten im Labormaßstab wird sich ein thermischer Speicher in einem thermischen Solarkraftwerk zum Großteil der Zeit in einem teilbe- oder entladenen Zustand befinden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist daher die Untersuchung des Betriebsverhaltens eines Latentwärmespeichers ausgehend von teilbe- bzw. entladenen Zuständen. Der Versuchsaufbau besteht aus einem Doppelrohrwärmetauscher mit einer maximalen Speicherkapazität von 7.91 kWh. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs wird eine Kombination aus Längs- und Querrippen, welche aus Aluminium gefertigt werden, verwendet. Als Phasenwechselmaterial wird Natriumnitrat, welches einen Schmelzpunkt von 306 C aufweist, verwendet. Durch eine Thermoölanlage wird der Versuchsaufbau mit einer maximalen Heizleistung von 280 kWth und einer maximalen Kühlleistung von 205 kWth versorgt.Für die Bestimmung des Ladezustandes des Speichers wird, basierend auf einer Verteilungsfunktion für die Schmelzenthalpie, eine mathematische Formulierung für den Ladegrad (englisch: state of charge) entwickelt. Um das Betriebsverhalten des untersuchten Latentwärmespeichers zu bewerten, wird aus den gemessenen Daten die Leistung des Speichers berechnet und in Abhängigkeit des Ladegrades graphisch dargestellt. Weiters wird eine Energiebilanz für den Speicher aufgestellt, um damit die Messwerte zu validieren und um eine Aussage über die Anwendbarkeit der entwickelten Ladegradformulierung für die Charakterisierung eines Latentwärmespeichers machen zu können. Die Ergebnisse der Datenauswertung sind sehr vielversprechend. Die mittlere Leistung beträgt 6.78 kW (95.45 % Konfidenzintervall=±1.14 kW) für den Ladeprozess und -5.62 kW (95.45 % Konfidenzintervall=±1.36 kW) für den Entladeprozess. An dieser Stelle sollte man herausheben, dass die Innovation dieser Arbeit nicht die gemessenen Leistungen, sondern viel mehr die kleinen Konfidenzintervalle sind. Die geringste Leistung wird für den vollen Zyklus am Ende des Be-/Entladeprozesses gemessen. Grund dafür ist, dass sich in den äußersten Bereichen des Speichers keine Aluminiumrippen mehr befinden, was sich negativ auf den Wärmetransport in diesem Bereich auswirkt. Aus der Energiebilanz geht hervor, dass sich die entwickelte Ladegradformulierung sehr gut für die Beschreibung eines Ladeprozesse eignet, jedoch nicht für die eines Entladeprozesses. Die Energiedichte für den untersuchten Speicher beträgt 110 kWhm-3 und die mittlere Ladeleistung für die Rippenrohre ist mit 2.28 kWm-1 gegeben. Diese Ergebnisse sind sehr vielversprechend für die weitere Entwicklung und Anwendung von Latentwärmespeichern im industriellen Maßstab.

This thesis examines a high temperature latent heat thermal energy storage system at partial cycle operating conditions. A storage system of this type could find use in modern concentrated solar power- and combined heat and power plants. In contrast to lab-scale experiments, which only operate at full charging/discharging cycles, utility-scale storage systems will also have to deal with partial charging/discharging cycles. Therefore the behaviour of a latent heat thermal energy storage at partial cycle operating conditions is the focus of this thesis.The examined test rig consists of a single shell-and-tube heat exchanger with a storage capacity of 7.91 kWh. The heat exchanger surface is equipped with a combination of arborescent longitudinal and transversal aluminium fins for heat transfer enhancement. Sodium nitrate, with a melting temperature of 306 C, is utilized as phase change material and a thermal oil plant provides the storage system with 280 kWth of heating- and 205 kWth of cooling power.For the characterization of the storage, a formulation for the state of charge which is based on a distribution function of the enthalpy of fusion is developed. Power rates are calculated from the measured data and plotted against the state of charge in order to make a statement of the partial cycling behaviour of the examined thermal energy storage. For validation of the measured data and accuracy assessment of the state of charge formulation, the energy balance for the storage tank is calculated. The data analysis shows promising results like constant power rates for every state of charge and all the examined partial cycle operation modes. The mean power rates for charging and discharging are 6.78 kW and -5.62 kW respectively. The 95.45% confidence interval is ±1.14 kW for charging and ±1.36 kW for discharging. At this point it should be emphasized that the innovation of this work is not the measured power rate, but rather the low confidence intervals. The lowest power rate is measured for the full cycle at the end of charging/discharging. It is caused by a narrow volume, which is not penetrated by fins, near the perimeter of the cylindrical heat exchanger. The energy balance shows that the developed state of charge formulation very well correlates with the measured data for a charging process. For a discharging process, the state of charge formulation shows a significant deviation from the measured data which has to be carefully taken into account when considering the results. The energy density is as high as 110 kWhm-3 and a mean discharging power rate of 2.28 kWm-1 for the finned tube is confirmed. These values are highly promising for further development and application of latent heat thermal energy storage systems.
Keywords: Experimentelle Untersuchungen; Latentwärmespeicher; Teilzyklenverhalten
Experimental analysis; Latent thermal energy storage; part cycle operation
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2020.78907
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16576
DOI: 10.34726/hss.2020.78907
Library ID: AC16114005
Organisation: E302 - Institut für Energietechnik und Thermodynamik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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