Untersuchung eines Latentwärmespeichers für Prozesswärmeanwendungen

Der Einsatz von thermischen Speichern bietet eine Möglichkeit, Effizienzsteigerungen in Prozesswärmeanwendungen im Temperaturbereich zwischen ca. 100 °C und 250 °C zu erzielen und damit den Ausstoß von CO2-Emissionen zu verringern. Beispiele für Prozesswärmeanwendungen sind Pasteurisierungs- oder Sterilisationsprozesse, eine Einsatzbranche ist z. B. die Lebensmittelindustrie. Bei Temperaturen über 100 °C kann Wasser nur als Druckwasserspeicher verwendet werden, was zu hohen Kosten führt. Alternative drucklose Wärmespeicher basieren z. B. auf Thermalöl, Gesteinen, Beton oder Keramiken, die alle eine geringe spezifische Wärmekapazität aufweisen. Eine weitere drucklose Alternative sind Latentwärmespeicher. Sie speichern Wärme im Phasenwechsel des Speichermediums, meist von fest nach flüssig. Dadurch speichern sie annähernd isotherm und weisen eine hohe Speicherdichte innerhalb einer geringen Temperaturdifferenz auf. Im Prozesswärmebereich sind derzeit nur wenige Latentwärmespeicherkonzepte vorhanden. Deshalb müssen einerseits Latentspeichermaterialien weiterentwickelt werden, andererseits müssen geeignete Wärmeübertrager zur Be- und Entladung des Speichers zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wird ein Latentwärmespeicher basierend auf durchströmten Platten, die bisher noch nicht in Latentwärmespeichern eingesetzt worden sind, untersucht. Als Latentspeichermaterial wird der Zuckeralkohol D-Mannitol verwendet. Dieser wird im Labormaßstab unter verschiedenen Randbedingungen auf seine thermische Stabilität und damit seine Eignung als Latentspeichermaterial untersucht. In Kontakt mit Sauerstoff zeigt das Material eine zu kurze Lebensdauer für die meisten Speicheranwendungen. In inerter Atmosphäre kann die thermische Stabilität erhöht werden. Deshalb hängt die Eignung in einer inerten Atmosphäre von der geforderten Lebensdauer des Materials in der Speicheranwendung ab. Ein Prototyp des Plattenspeichers wird in einem Teststand vermessen. Zum Verständnis der Vorgänge im Speicher wird ein detailliertes physikalisches Simulationsmodell erstellt, das mit Messdaten validiert wird. Weiterhin wird ein vereinfachtes Widerstands-Kapazitäten-Simultionsmodell erstellt, das eine um den Faktor 20 bis 30 schnellere Simulationszeit aufweist als das detaillierte Modell. Beide Modelle können die in der flüssigen Phase des Speichermaterials auftretende freie Konvektion während der Speicherbeladung simulieren. Ein Vergleich der beiden Modelle zeigt, dass das vereinfachte Modell das Verhalten des Speichers ausreichend genau darstellt, um es für Speicherauslegungen und -optimierungen verwenden zu können. Mit dem Widerstands-Kapazitäten-Modell wird eine Parametervariation durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Variation des Plattenabstands und der Prozessparameter eine flexible Speicherauslegung zulässt und so unterschiedliche Werte für die charakteristischen Kenngrößen des Speichers erzielt werden können, um verschiedene Anwendungen zu bedienen. Um den Plattenspeicher mit dem Stand der Technik vergleichen zu können, wird weiterhin ein Lamellenwärmeübertrager mit dem gleichen Speichermaterial im Teststand vermessen, ein detailliertes physikalisches Modell sowie ein Widerstands-Kapazitäten-Modell erstellt und validiert. Ein simulativer Vergleich des Platten- mit dem Lamellenspeicher zeigt, dass sich die Kennwerte des Plattenspeichers in einer ähnlichen Größenordnung befinden wie die des Lamellenspeichers. Durch verschiedene Geometrieparameter können die Kenngrößen der beiden Speicher verändert werden, wodurch der eine oder der andere Speicher vorteilhafter für eine geforderte Anwendung sein kann.