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Keywords
- Latentwärmespeicher (1)
- Phase diagram (1)
- Thermal analysis (1)
- Thermodynamic modeling (1)
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Göbekli Tepe Newsletter 2014
(2015)
Ein wichtiges Ziel der Bundesregierung ist der Ausbau des Anteils erneuerbarer Energien an der gesamten Stromerzeugung. Die Entwicklung optimierter Wärme- und Kältespeicher stellt einen wichtigen Baustein bei der Erreichung dieser Zielstellung dar. Elektrisch betriebene Wärmepumpen und Kompressionskältemaschinen sowie dezentrale Klein-BHKW bieten in Verbindung mit entsprechend dimensionierten, thermischen Speichern ein großes Potential zum Lastmanagement in Smart Grids und somit zur Netzintegration von Strom aus erneuerbaren Energien. Die im Projekt entwickelte Methodik zur Suche nach neuen Latentspeichermedien kann für ein breites Anwendungsfeld von Heiz- und Kühlanwendungen in Gebäuden bis hin zur Kraftwerkstechnik eingesetzt werden. Innerhalb der Fördermaßnahme „Anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung zur nichtnuklearen Energieforschung“ im 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung wurde durch die Projektarbeiten das Schwerpunktthema Energiespeicher (3.8) adressiert, wobei der Aspekt der Entwicklung neuer Materialien mit reduzierten Kosten für einen wirtschaftlichen Betrieb im Vordergrund stand. Speziell wurden dabei die Unterpunkte 3.8.4 Thermische Speicher zur Weiterentwicklung, Optimierung und Erprobung von PCM sowie 3.8.5 Übergeordnete Themen mit Modellen und Simulationswerkzeugen für die Auswahl und Bewertung neuer Speichermaterialien adressiert.
Die Projektergebnisse besitzen aber auch Berührungspunkte mit den Schwerpunkten 3.12 Energieeffizienz in Industrie, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen sowie 3.4 Solarthermische Kraftwerke, da mit der entwickelten Screening-Methode für diese Anwendungsfälle neue Wärmespeichermaterialien auf der Basis wasserfreier Salze mit höheren Prozesstemperaturen gefunden werden können.
Durch den Einsatz von Methoden zur Modellierung und Simulation von Prozessen erfolgt gleichermaßen die Umsetzung einer energie- und ressourcenschonenden Forschungstätigkeit. Das im Projekt entwickelte Vorgehen hilft dabei, einen äußerst sparsamen Einsatz von Chemikalien, eine niedrige Belastung der Umwelt durch verringerten Entsorgungsaufwand der verbrauchten Stoffe sowie einen deutlich geringeren Aufwand und Energieeinsatz für die Messtechnik zu ermöglichen. Damit wurde zugleich das Schwerpunktthema 3.8.5 Modelle und Simulationswerkzeuge für die Auswahl und Bewertung neuer Speichermaterialien angesprochen.
Within the Framework of the "TurboFuelCell (TFC)" a highly integrated and compact energy conversion system based on Micro Gas Turbine Solid Oxide Fuel Cell (MGT-SOFC) hybrid process is being developed by the team at BTU-Cottbus Senftenberg. This work focuses on the extension of the pre-design process of a primary surface heat exchanger (PSHX), which is a key component for the coupling between MGT and SOFC, using an 1D/3D hybrid simulation method for the understanding of its behaviour under the influence of heat radiation. In a MGT-SOFC hybrid process the high temperature heat exchanger plays an important role in preheating the fresh air to a minimum operation temperature necessary for SOFC. Due to the special location of this PSHX in the TFC, it is constantly exposed to heat radiation from the SOFC module, which requires additional consideration of its influence for better model accuracy. A first design, which is later extended through an 1D Flow network model, based on 𝜖 − 𝑁𝑇𝑈 method is presented. A complete 3D-CFD simulation with consideration of heat radiation is initially employed for the whole flow process to examine the first design. However, this approach proves to be highly computationally expensive due to the large dimensional difference between the plenum for cathode exhaust air and the fine channels in the PSHX.
To reduce the computational effort, the flow and heat transfer in the PSHX is modelled by 1D elements. The flow in the plenum is simulated by 3D-CFD, which better accounts for convection and thermal radiation. A comparison between 3D-CFD and 1D/3D hybrid model is performed. A significant reduction of simulation time and computing resources can be achieved for well calibrated hybrid model without compromising on accuracy. In the talk, the effect of insulation layer thickness variations on the heat transfer on the plenum side due to heat radiation and their influence on the heat exchanger efficiency are discussed. Consequently, design improvements are realized based on the previous findings. Finally, the 1D/3D hybrid simulation method is evaluated and prepared for the general applications in thermal management of machines based on coupled MGT-SOFC process.