Dynamic simulation of a thermochemical energy storage system for ovens

Abstract

As part of a funded research project, BSH Hausgeräte GmbH and the Institute of Energy Systems and Thermodynamics of TU Wien are researching a thermochemical storage system that is to be installed into the wall of a household oven. The proposed thermochemical material is calcium oxalate, which reacts with water in a hydration reaction to supply heat to the oven.Within the framework of this project, a dynamic simulation of the storage system and the oven wall was carried out in this thesis in order to compare different options for the storage system. The tool used for the simulation was Simscape. Variations, in which different materials, accuracies, and geometric formations and sizes were modelled and simulated with a simplified heat flow input. The heat flow was chosen experimentally so the inner layers of the wall reached realistic temperatures of a normal baking process.The results of all the simulated variations were then each compared to the original design in which the containment of the storage system is a box that is integrated within the thermal insulation of the oven. Specifically, the temperatures of the thermochemical storage material, the temperatures of the outer part of the containment of the storage system and the heat flow rate, that the oven transfers to the environment around it (the oven was assumed to be in an open space) were plotted and compared between all variations. The full potential of the storage system could not be utilised in any of the variations, as the temperature of the thermochemical material was not above the minimally required temperature for dehydration for enough time after the oven was switched off. The calcium oxalate could therefore not dehydrate completely.The model was also altered for the implementation into a complete model of an oven with realistic heat flow input of BSH Hausgeräte GmbH. The results of this simulation are presented at the end of this thesis. Here, the dehydration reaction could not be fully completed either. The difference between the full potential and actual amount of heat stored was by far too large, as the calcium oxalate would not be able to supply a substantial amount of heat in the next baking process. Suggestions and proposals for the improvement of the model are given at the end of this thesis, with the hope that these lead to the complete dehydration of the thermochemical material.

Im Rahmen eines Förderprojekts untersuchen BSH Hausgeräte GmbH und das Institut für Energiesysteme und Thermodynamik der TU Wien ein thermochemisches Speichersystem, das in die Wand eines Haushaltsbackofens eingebaut werden soll. Bei dem vorgeschlagenen thermochemischen Material handelt es sich um Kalziumoxalat, das mit Wasser in einer Hydratationsreaktion reagiert und den Backofen mit Wärme versorgt.Als Teil dieses Projekts wurde in dieser Arbeit eine dynamische Simulation des Speichersystems und der Ofenwand durchgeführt, um verschiedene Optionen für das Speichersystem zu vergleichen. Das verwendete Werkzeug für diese Simulation war Simscape. Variationen, mit unterschiedlichen Materialien, Genauigkeiten, sowie geometrische Ausformungen und Größen wurden modelliert und mit einem vereinfachten Wärmestrominput simuliert. Der Wärmestrom wurde experimentell so bestimmt, dass die inneren Schichten der Wand realistische Temperaturen eines normalen Backvorgangs erreichten.Die Ergebnisse aller simulierten Varianten wurden dann jeweils mit dem ursprünglichen Entwurf verglichen, bei dem der Behälter des Speichersystems, der in die Wärmedämmung des Ofens integriert ist, kastenförmig ist. Insbesondere wurden die Temperaturen des thermochemischen Speichermaterials, die Temperaturen des äußeren Teils des Behälters des Speichersystems und der Wärmestrom, den der Ofen an die Umgebung abgibt (der Ofen wurde in einem offenen Raum angenommen), von allen Varianten aufgetragen und verglichen. Das volle Potenzial des Speichersystems konnte bei keiner der Varianten ausgeschöpft werden, da die Temperatur des thermochemischen Materials nach dem Abschalten des Ofens nicht lange genug über der minimal erforderlichen Temperatur für die Dehydratisierung lag. Das Calciumoxalat konnte daher nicht vollständig dehydratisieren.Das Modell wurde auch für die Implementierung in das komplette Ofenmodell mit realistischem Wärmestrominput der BSH Hausgeräte GmbH abgeändert. Die Ergebnisse dieser Simulation werden am Ende dieser Arbeit vorgestellt. Auch hier konnte die Dehydratisierungsreaktion nicht vollständig abgeschlossen werden. Die Differenz zwischen der vollen potenziellen und der tatsächlich gespeicherten Wärmemenge war bei weitem zu groß, da das Calciumoxalat beim nächsten Backvorgang nicht genügend Wärmemenge liefern könnte. Vorschläge zur Verbesserung des Modells werden am Ende dieser Arbeit gegeben, in der Hoffnung, dass diese zur vollständigen Dehydratisierung des thermochemischen Materials führen.