Strukturmechanische Berechnungen von Behältnissen für Phasenwechselmaterialien

Abstract

Ziel dieser Masterarbeit ist es, grundsätzliche Designs für das Nachrüsten von Dampfspeichern mit Phasenwechselmaterialbehältern mithilfe Simulationen hinsichtlich ihres strukturmechanischen Verhaltens einschließlich Ermüdungsfestigkeit zu bewerten. Um Wärme zu speichern beziehungsweise wieder verfügbar zu machen, werden diese Phasenwechselmaterialen wiederholt vom festen in den flüssigen Zustand übergeführt. Es wird eine Methode erarbeitet, bei der sowohl der Behälter als auch das Phasenwechselmaterial mit der Finite Elemente Methode für strukturmechanische Analysen modelliert werden, und deren Grenzen aufgezeigt. Die dafür notwendigen Werkstoffkennwerte werden, sofern vorhanden, aus Literaturquellen zusammengefügt oder aus vorhanden Werkstoffkennwerten hergeleitet und abgeschätzt. Für die strukturmechanischen Simulationen der Phasenwechselmaterialbehälter müssen Ausdehnung bzw. Schrumpfung des Phasenwechselmaterials, sowie die dadurch auftretende Spaltbildung berücksichtigt werden. Die entwickelte Methode zur Simulation der Phasenübergänge mit der Finiten Elemente Methode eignet sich nur solange sehr geringe Fließwege vom Phasenwechselmaterial zurückgelegt werden. Selbst bei kurzen Fließwegen können keine komplexen Geometrien simuliert werden, da Konvergenzprobleme auftreten. Als Alternative könnte das Finite Elemente Modell mit einem CFD-Modell (Computational Fluid Dynamics) gekoppelt werden. Von den grundsätzlich vier möglichen Designvarianten können zwei aus wirtschaftlichen Gründen ausgeschlossen werden. Die Variante der geschlossenen vollständig gefüllten Module eignet sich aufgrund der einfachen Geometrie und den kurzen Fließwegen gut, um die entwickelte Methode zur Simulation von Phasenübergängen zu testen. Allerdings treten bei diesem Design große verformungsgesteuerte Ermüdungsbelastungen auf, wegen derer dieses Design ebenfalls ausgeschlossen werden muss. Die verbleibende Designvariante der offenen, teilweise gefüllten Module wird hinsichtlich des Kontaktverhaltens und ihren strukturmechanischen Implikationen auf den nachgerüsteten Dampfspeicher untersucht.

This thesis aims to evaluate basic designs for retrofitting steam accumulators with phase change material containers using simulations regarding structural mechanics behavior including fatigue resistance. To store or to make heat available these phase change materials are repeatedly transition between liquid and solid state. A method is developed, with that as well the container as the phase change material are modelled with the finite element method for structural analyses and limits of the method are shown.The necessary material parameters are, if available, put together from literature or are derived and estimated from available parameters.For the structural simulations of the phase change material containers expansion or rather retraction of the phase change material and thereby occurring gaps need to be considered.The developed method for the simulation of phase transitions with the finite element method is only suited for applications with very short flow paths for the phase change material. Even with short flow paths only simple geometries can be simulated, because of problems with convergence. An alternative approach would be coupling finite elements models with a CFD model (Computational Fluid Dynamics).Of the four basic design variants two are out of question for economic reasons. The variant of closed fully filled modules is suited to test the developed method for the simulation of phase transitions because it has very short flow paths. Unfortunately, in this design large deformation-controlled fatigue loads occur, which lead to dismissing this variant too. The remaining design variant is then investigated for its contact behavior and the structural mechanical implications for the retrofitted steam accumulator.