Untersuchung der Wärmeübertragungseigenschaften eines Phasenwechselmaterials bei abgeschabter Oberfläche in Hinblick auf die Verwendbarkeit des Latentwärmespeichers in solarthermischen Kraftwerken

Abstract

Um regenerative Primärenergieträger als hauptsächliche Energiequellen zu verwenden, ist eine kontinuierliche Strombereitstellung von entscheidender Bedeutung um die derzeitig benötigte Energiemenge bereitzustellen. Die Entwicklung von thermischen Speichern ist zur Erreichung dieses Ziels von hoher Bedeutung. Wärme kann sensibel, latent oder thermochemisch gespei-chert werden. Fluktuationen der bereitgestellten Sonnenenergie können durch den Speicher ausgeglichen werden. Durch den Einsatz von thermischen Speichern kann ein wirtschaftlicher und vor allem versorgungssicherer Betrieb realisiert und diese Energieumwandlungstechnologie in seiner Entwicklung vorangetrieben werden. Latente Wärmespeicherung weist eine hohe Speicherkapazität bei isothermen Bedingungen auf. Zweiphasige Arbeitsmedien, wie sie zum Beispiel in direktverdampfenden solarthermischen Kraftwerken vorkommen, weisen die gleiche isotherme Charakteristik auf. Dadurch qualifiziert sich die latente Wärmespeicherung für den Einsatz in direktverdampfenden solarthermischen Kraftwerken. Um die schlechte Wärmeleitfä-higkeit des Phasenwechselmaterials zu kompensieren, benötigt es in bisher untersuchten Kon-zepten große Wärmeübertragungsflächen. Da dies mit hohen Kosten verbunden ist, ist bisher der kommerzielle Einsatz dadurch verhindert worden. Der am Fraunhofer ISE entwickelte Schne-ckenwärmeübertrager entkoppelt die Wärmeübertragerfläche von der Speicherkapazität, was die Wirtschaftlichkeit erhöht. Bei gleichzeitiger Förderung vollzieht das Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel von flüssig nach fest bzw. umgekehrt. Die beim Kristallisationsvorgang aufwachsende Schicht des Phasenwechselmaterials auf der Wärmeübertragerfläche wird durch die Schneckenwellen kontinuierlich abgeschabt. Ziel der Arbeit ist es die Wärmeübergangskoef-fizienten der Schmelze während des Kristallisationsvorgangs zu bestimmen. Um die Vorgänge im SWÜ nachzubilden, wurde ein Kratzwärmeübertrager entwickelt. In diesem wird der Wärme-übergang untersucht. Geeignete Methoden zur Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten werden auf Grundlage der Vorgänge erarbeitet und vorgestellt. In Laborversuchen wird der Einfluss der aufwachsenden Schicht des Phasenwechselmaterials ermittelt. Die während der Versuchsdurchführung und der anschließenden Auswertung erlangten Ergebnisse werden disku-tiert und vorgestellt.

To use regenerative primary energy carriers as pimary energysources, a continuous supply of current is essential to provide the amount of energy needed. The development of thermal stor-age is fundamental for the success of this process. Heat can be stored with low losses in three ways: sensitive, latent or thermochemically. Fluctuations of the power provided by solar energy can be compensated through the storage. Through thermal storage, running a profitable and uninterrupted solar thermal power plant is made possible and the development of this energy transformation technology can be driven forward. Latent heat storage has a high thermal reser-voir capacity when deployed under isothermal conditions. Biphase working fluids, which are for example used in directly vaporizing solar thermal power plants, show the same isothermal char-acteristic. Therefore, latent heat storage qualifies for the usage in directly vaporizing solar ther-mal power plants. In order to deal with the poor thermal conductivity of the phase change material, a large surface for the heat transmission is currently essential. But because this is di-rectly linked to high production costs, the commercial application of the technology has not been possible yet. The screw heat exchanger, developed at Fraunhofer ISE, uncouples the heat transmitting surface from the thermal reservoir capacity. Under continuous conveyance, the phase change material changes its phase from liquid to solid or vice versa. The layer of phase change material building up on the heat transmission surface, in the process of crystallization, is continually being chipped off by the worm shaft. The goal of this thesis is to evaluate the heat transfer coefficient of the smelter during the process of crystallization. The processes occurring during the phase change are therefore simulated in a scraping heat exchanger. Methods for the calculation of the heat transfer coefficient are worked out on the basis of these findings. The effect of the growing layer of phase change material on the heat transmission surface is determined in laboratory experiments. The results gained in the experimental procedure are finally discussed and presented.