Speicherung latenter Wärme mit Trennung von Leistung und Kapazität: Experimentelle Demonstration des PCMflux-Konzepts H. Pointner, W.D. Steinmann Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Technische Thermodynamik Stuttgart

Anwendungsbereiche für Latentwärmespeicher im Bereich mittlerer und hoher Temperaturen (130 – 350 °C)

Systeme mit Dampf als Arbeitsmedium: Minimierung der Temperaturdifferenz zwischen Be- und Entladen => Minimierung Druckreduzierung zwischen Beladedampf und Entladedampf

Wärmetransport wird bestimmt durch niedrige Wärmeleitfähigkeit der Nitratsalze (<1.0 W/mK)

Entwicklung von Latentwärmespeichern Nitratesalze als Speichermaterialien (phase change material,PCM)

NaNO3 bei Raumtemperatur

Steam

solid PCM

liquid PCM

Entladung PCM-Speicher über dampfführendes Rohr

Flüssiges PCM

Festes PCM

Dampf

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350Temperature [°C]

Enth

alpy

[J/g

]

KNO3

NaNO3NaNO2

KNO3-NaNO3

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100 150 200 250 300 350Temperature [°C]

Enth

alpy

[J/g

]

KNO3

NaNO3NaNO2

KNO3-NaNO3

LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3

Wärmeübertragungskonzept für Latentwärmespeicher Stand der Technik: Integrierter Rippenrohr-Wärmeübertrager

Dampfströmung

Latentspeichermaterial (PCM)

Rohr

Rippe

Einzelrohr PCM-Speicher

Rohre mit Radialrippen (ohne PCM)

Wärmeübertragungskonzept für Latentwärmespeicher Stand der Technik: Integration von Rippenrohr-Wärmeübertragern in das Speichervolumen

Pilotspeicher: NaNO3 als PCM, Aluminiumrippen Tschmelz 305°C Latentwärme 175 kJ/kg 1.4m x 1m x 6m PCM Masse: 14 t Kapazität: ca. 700 kWh

• Erhöhung der Kapazität erfordert Vergrößerung Wärmeübertrager • Leistung nicht konstant bei gleichbleibendem Dampfdruck • Wärmeübertrager nicht zugänglich

axial finned tubes

Aktives Speicherkonzept für Latentwärme

• Transport des Speichermaterials (feste + flüssige Phase) • Wärmeübertragungsflächen und Speichermaterial sind mechanisch getrennt • Konstante Leistung möglich • Kapazität und Leistung sind unabhängig

liquidsolidfest flüssig

PCMflux Konzept Grundkonzept

• Trennung PCM und Wärmeübertrager durch Zwischenfluid • Wärmeleitung durch Zwischenfluid • Transport des PCM in dünnwandigen Behältern

solid PCMliquid PCM

Container

Steam intermediate fluid layerfin

tube

Flüssiges PCM Festes PCM

Behälter

Zwischenfluid

Behälter

Rohr

Rippe Dampf

PCMflux Konzept Grundkonzept

feed rate

feed rate

central heat exchanger

distributed heat exchanger

Typische Vorschubgeschwindigkeit: 50-100 mm/h

Vorschub

Zentraler Wärmeübertrager

Vorschub

Verteilter Wärmeübertrager

PCMflux Konzept Grundkonzept

horizontal vertikal rotierend

Theoretische Analyse Vergleich PCMflux mit Stand der Technik (stationär)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

28000 33000 38000 43000 48000 53000 58000

Wär

mes

trom

dich

te in

W/m

2 W

ärm

estro

mdi

chte

[W

/m²]

Zeit [s]

PCMflux stationär

• PCMflux liefert konstante Leistung • Masse Wärmeübetrager bei PCMflux

geringer

Theoretische Analyse Zusammenhang Leistung/Vorschubgeschwindigkeit

feed rate

trans

ferre

d th

erm

al po

wer

too slow too fastoperating range

woptimal

Zu langsam Betriebsbereich Zu schnell

Vorschubgeschwindigkeit

Optimale Vorschubgeschwindigkeit woptimal

Zent

rale

r Wär

meü

bertr

ager

Thermischer Widerstand Zwischenfluid

Laborexperiment

𝑇𝑇𝑃𝐶𝑀

Ceramicspacers

PCM

HeatExchanger

Pipe

Fluid

𝑇𝑇1 𝑇𝑇1 𝑇𝑇1

𝑇𝑇2𝑇𝑇2𝑇𝑇2

Δ𝑇𝑇�̇�𝐻𝑏

𝑊𝑏

𝐻𝐹𝐹

Thermischer Widerstand Zwischenfluid

0.25

0.20 0.15 0.10

0.05

0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Dicke Fluidschicht [mm]

Ther

mis

cher

Wid

erst

and

[W/K

]

𝑅𝑅𝑡𝑡𝑡 =Δ𝑇𝑇𝐹𝐹�̇�𝑄

Thermischer Widerstand

Direktkontakt: Widerstand ohne Zwischenfluid = 10 × Widerstand mit Fluid

Experimentelle Ergebnisse: Hitec als Zwischenmedium

Ohne Zwischenfluid

mit Zwischenfluid

Laborexperiment mit bewegtem PCM Rinnenförmige Rippe befüllt mit Zwischenmedium

solid PCM

liquid PCMContainer

Steam intermediate fluid layerfin

tube

flüssiges PCM

festes PCM

Behälter mit PCM

Rinnenförmige Rippe

Rohr

Zwischenfluid

PCMflux im Labormaßstab

Guide System

Fluid

Wire

Fin Heat Exchanger Pipe

PCM

Container

InsulationTransport Mechanism

IR-Kamera

Guide System

Fluid

Wire

Fin Heat Exchanger Pipe

PCM

Container

InsulationTransport Mechanism

Behälter für PCM

PCMflux im Labormaßstab Meßprimzip

Isolierung

Rohr mit Rippe

Sichtglas für IR-Kamera

Bearbeitetes Bild

fest flüssig

PCMflux im Labormaßstab Position stationäre Phasenfront abhängig von Vorschub (Entladung)

Vorschub = 0.7 woptimal

Vorschub = woptimal

Vorschub = 1.3 woptimal

fest flüssig

Demonstration 10 kW Testspeicher Aufbau Einzelebene

500 mm

pan for intermediate fluidintermediate fluid

fin

tube

IR-cameraIR-Kamera

Rohr mit Dampf Rippe

Zwischenfluid

Wanne für Zwischenfluid

Aufbau 10 kW Testspeicher

• 30 parallele Rohre • NaNO3/KNO3(eutekt.)

als PCM • Distanz Bewegung

0.5 m • 400 kg PCM

Zusammenfassung und Ausblick

• PCMflux bietet verschiedene Vorteile: - konstante Leistung - reduzierter Wärmeübertrager (zugänglich) - kein direkter Kontakt zwischen PCM und druckführenden Rohren - nur niedrige Geschwindigkeiten, Bewegung über geringe Distanzen - Leistung kann über Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden

• Status: - Entwurfsgrundlagen wurden durch Experiment und numerische ermittelt - Funktionsnachweis im Labormaßstab - 10 kW Testspeicher kurz vor Inbetriebnahme