Analyse der Übertragungsleistung eines neuartigen Wärmeübertragers bei Veränderung konstruktiver Maßnahmen

Abstract

Der Einsatz von regenerativen Energiequellen als Primärenergieträger in der Energieversorgung ist ein wichtiges Ziel in naher Zukunft. Ein großes Problem stellt dabei die planbare Energieversorgung von regenerativen Energiequellen dar. Um eine kontinuierliche Versor-gungssicherheit, auch bei schwacher Energieerzeugung von erneuerbaren Energien zu ermöglichen, ist der Einsatz von Energiespeichern notwendig. Der Einsatz von thermischen Speichern ist bei der Bewältigung dieser Aufgabe notwendig, um Energie aus solarthermi-schen Kraftwerken bei einer Überproduktion speichern zu können. Thermische Speicher können Wärme zurzeit in sensibler, latenter oder thermochemischer Form speichern. Bei latenten Wärmespeichern ergibt sich der Vorteil von geringen Energie Verlusten aufgrund der isothermen Speichermöglichkeit. Der Einsatz dieser Speichertechnologie eignet sich daher besonders bei direktverdampfenden Kraftwerken, wo ein zweiphasiges Arbeitsmedium zirkuliert und auch einen isothermen Phasenwechsel vollzieht. Jedoch weisen alle latenten Speichermedien eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf, was beim Entlade- und Beladevorgang nur mit großen Wärmeübertragerflächen ausgeglichen werden kann. Dies stellt eine Erhöhung der Kosten und damit eine unwirtschaftliche Betriebsführung dar, was den kommerziellen Einsatz verhindert. Um den Einsatz dieser Speichertechnologie voran zu treiben, wird am Fraunhofer ISE ein solcher Speicher entwickelt. Ein wichtiger technischer Schritt ist die Entkopplung der Wärmübertragerflächen von der Speicherkapazität. Dies wird durch einen Schneckenwärmeübertrager erreicht. Das Speichermedium wird durch Schneckenwellen, während das Speichermedium einen Phasenwechsel vollzieht, in den Speichertank gefördert. Für den Einsatz der Schneckenwellen in einem direktverdampfenden Kraftwerk, und den damit verbundenen hohen Arbeitsdrücken, ist aufgrund von zu hoher Beanspruchung der Schneckenwellen nicht ohne einen großen Kostenanstieg machbar. Die Geometrie der Schneckenwellen wird daher in zwei Bereiche unterteilt, in einen Hochdruckraum mit 100 bar, in dem Wasser und Wasserdampf zirkuliert und einen Niedrigdruckraum, der nur das Flügelvolumen der Schneckenwelle beinhaltet. In dem Niedrigdruckraum muss die Wärme-übertragung von dem Hochdruckraum zum Speichermedium erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit soll die Wärmeübertragung des Niedrigdruckraums untersucht werden. Dazu wird ein Teststand unter dem Vorbild eines Wärmerohres aufgebaut und optimiert, um bei gegebenen Betriebsbedingungen Versuche durchzuführen. Die Durchführung der Versuche soll den Ein-fluss einer im Teststand enthaltenen Kapillarstruktur und einer unterschiedlichen Menge eines Arbeitsfluides auf den Wärmeübertragungsprozess untersuchen. Der konstruktive Aufbau sowie der Aufbau der elektrischen Komponenten werden in dieser Arbeit vorgestellt. Anschließend wird methodisch die Durchführung von Versuchen vorbereitet und erläutert. Am Schluss werden die erhaltenen Messergebnisse aufgearbeitet und interpretiert.

The use of renewable energy sources as a primary energy source is an important objective in the near future. An inherent problem in this case is the predictable energy supply from re-newable energy sources. Energy storage is necessary in order to allow a continuous supply even in low power generation from renewable energy sources. Thermal storage can be used to tackle this task and save energy from solar thermal power plants with an overproduction. Thermal storage can currently store sensible, latent and thermochemical heat. Latent heat storage systems are advantageous due to low energy losses associated with isothermal re-actions. Therefore, the use of this storage technology is especially suitable for direct steam generation power plants, where a two-phase working medium circulates and performs an iso-thermal phase change. However, latent storage media have poor thermal conductivity, which can be compensated only with large heat transfer surfaces. This results in an increase in costs, and is therefore not economical, which hinders commercial use. In order to encourage the use of this type of storage, the technology is being developed at Fraunhofer ISE. An im-portant technical step is the decoupling of the heat transfer surface from the storage capac-ity. This can be achieved by a screw heat exchanger. The storage medium is conveyed by an auger into the storage tank, while simultaneously undergoing a phase change. The use of the screw shafts in a direct steam generation solar energy power plant and the associated high working pressures are not possible without a large material cost increase due to high stresses experienced by the screw geometry. The screws are therefore divided into two ar-eas: a high-pressure chamber, where water and steam circulate and a low-pressure cham-ber, which includes only the volume of the auger. In the low-pressure chamber, the heat transfer must take place from the high-pressure chamber to the storage medium. In this study, the heat transfer in the low-pressure chamber is investigated. A test stand is con-structed based on the model of a heat pipe and is optimized to perform experiments at given operating conditions. The tests were designed to examine the influence of a capillary struc-ture within the screws and different quantities of working fluid in the heat transfer process. The design and construction of the electrical components are presented in this work. The conduct of research is then methodically prepared and explained. Finally, the obtained mea-surement results are reviewed and interpreted.