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Schichtung Thermischer Speicher durch Diffusor-Design

Von: Robert Haberl  (SPF News-Artikel vom 20.05.2021)

Wärmespeicher sind essentielle Bestandteile für die Energiewende. Das SPF Institut für Solartechnik ist im Bereich der Analyse und Optimierung der Temperaturschichtung von Wärmespeicher eine international anerkannte Anlaufstelle. Im Auftrag des Bundesamtes für Energie BFE wurde die Temperaturschichtung von Wärmespeichern bei Beladung über Bogenrohre und horizontale Diffusorrohre genauer betrachtet.

Abbildung Temperaturschichtung von Wärmespeichern

Notwendigkeit von Wärmespeichern

Thermische Energiespeicher werden immer dann eingesetzt, wenn sich Energieangebot und -nachfrage zeitlich nicht decken oder Lastspitzen gedeckt werden müssen. Das gilt insbesondere bei fluktuierenden regenerativen Energiequellen, die starken tages-  und jahreszeitlichen Schwankungen unterliegen.

Die Temperaturschichtung in den eingesetzten Wasserspeichern ist dabei essentiell für einen effizienten Betrieb von Wärme- oder Kälteversorgungssystemen. Eine gute Schichtung erhöht den Ausnützungsgrad des Speichervolumens und verlängert damit die Laufzeiten der Wärme- und Kälteerzeuger. Längere Laufzeiten führen zu weniger Ein- und Ausschaltzyklen, was die Lebensdauer der Anlagen – insbesondere der Erzeuger – erhöht. Eine gute Speicherschichtung führt auch zu weniger Temperaturhub auf Seiten der Erzeuger. Dies steigert die Effizienz und senkt den Energieverbrauch von Solarthermische Anlagen, Wärmepumpen und Kältemaschinen.

Thermische Schichtung

Eine Verteilung von Wärme im Speicher, mit warmem Wasser oben und kaltem Wasser unten, stellt sich naturgemäss ein. Sie ist ein Resultat der mit der Temperatur abnehmenden Dichte des Wassers. Die Verteilung in verschiedenen thermischen Schichten ist gewollt und wird genutzt, um das Speichervolumen optimal auszunutzen, die Effizienz der Be- und Entladung zu erhöhen und auch Wärme für verschiedene Anwendungen auf verschiedenen Höhen in einem Behälter zu speichern. Allerdings wirken verschiedene Faktoren der Schichtung im Speicher entgegen:
Die Diffusion und Wärmeleitung über die Speicherwand, Einbauten im Speicher und auch über das Wasser selbst, eine mitreissende natürliche Konvektion, die entsteht, wenn ein Wärmeeintrag nicht an der passenden Stelle im Speicher stattfindet und – als mit Abstand wichtigster Einflussfaktor – die Durchmischung durch den Impuls der Einströmung, bei einer direkten Beladung des Speichers. Um diese Durchmischung zu verhindern bzw. zur Aufrechterhaltung der thermischen Schichtung in Wasserspeichern werden verschiedene Einbauten zur Strömungsberuhigung verwendet.

Untersuchte Varianten

In den Projekten DiffStrat [1] und DiffStrat2 [2], wurden zwei Typen von Strömungsberuhigungen untersucht: Bogenrohre und horizontale Diffusorrohre / Sprührohre.

Bogenrohre werden in der Praxis zur Wärme-Topladung oder Kälteladung von unten verwendet. Dabei wird das Rohr seitlich in den Speicher und dann in einem Bogen in Richtung Klöpperwölbung geführt. Dabei erfährt das Fluid über den Bogen eine Richtungsänderung und wird in Richtung Klöpperboden oder -deckel geleitet. Bei einer solchen Beladung muss die Eintrittstemperatur jeweils von Beginn weg mindestens der Solltemperatur im Speicher entsprechen und idealerweise über den Ladevorgang konstant bleiben. Zur Unterstützung einer homogenen Kolbenströmung im Speicher, kann der Einströmbereich vom Rest des Speichers über ein Lochblech getrennt werden.

Sprührohre werden teilweise als horizontale Diffusorrohre eingesetzt, um trotz grosser Volumenströme bei der seitlichen Speicherbeladung, ein bereits bestehendes Temperaturprofil nicht zu zerstören. Ein möglicher Anwendungsfall ist ein Kombispeicher zur Warmwasserbereitung und Raumheizung in einem Gerät. Bei der Beladung des mittleren, für die Raumheizung reservierten Bereiches im Speicher, sollte der obere, für die Warmwasserbereitung auf hohem Temperaturniveau gehaltene Speicherbereich, nicht gestört werden.

Abbildung 1: Bogenrohr zur Wärme-Topladung (links) und Sprührohr als Diffusor bei der Beladung des mittleren Speicherbereiches.

Die Untersuchung der Strömungsberuhigung wurde in drei Schritten durchgeführt: Optische Messungen mit der Methode der Particle Image Velocimetry wurden benutzt, um Strömungsbilder, in real im Labor der OST aufgebauten Speichern, aufzunehmen. Diese Messungen dienten der Validierung von CFD-Simulationen, unter identischen Rahmenbedingungen. Darauf aufbauend wurden dann CFD-Simulationen von weiteren Varianten und unter veränderten Randbedingungen durchgeführt.


Resultate Bogenrohre

Die Grafiken in Abbildung 2, zeigen Simulationsresultate der Beladung eines 800 l Speichers, über ein Bogenrohr mit einem Durchsatz von 2000 kg/h und einer Eintrittstemperatur von 50 °C, jeweils vier Minuten nach Start der Beladung. Beide Speicher hatten zu Beginn der Beladung eine Temperatur von 45 °C unterhalb der Einströmzone. In der Variante ohne Lochblech (links), erwärmt sich ein grösserer Speicherbereich, als in der Variante mit Lochblech (rechts), jedoch ist die Temperatur dieses Bereichs geringer. Dies deutet auf grossräumigere Durchmischungen im Speicher hin, welche dadurch entstehen, dass sich das einstöhmende, 50-grädige Wasser entlang der Speicherwand bewegt und eine Strömungswalze bildet. Dabei durchmischt es sich mit dem kälteren Wasser unterhalb der Thermokline. Später steigt die Temperatur knapp über dem Lochblech wieder an, da sich die Thermokline und somit das kältere Wasser nach unten verschiebt. Durch das Lochblech (rechts) wird die Strömungswalze daran gehindert, sich bis in den kälteren Bereich unterhalb dieses Trennblechs auszudehnen. Es findet unterhalb des Lochblechs kaum Durchmischung statt und es entsteht eine weitgehend homogene Kolbenströmung. Dadurch kann von Beginn weg für eventuelle Wärmebezüger eine Temperatur von 50 °C aus dem Speicher zur Verfügung gestellt werden.

Abbildung 2: Temperatur- und Strömungsbilder (oben, respektive unten), der Beladung eines 800 l Speichers über ein Bogenrohr, mit einem Massenstrom von 2000 kg/h. Gezeigt wird der Zustand 4 Minuten nach dem Start der Beladung. Links: ohne Lochblech, rechts: mit Lochblech, zur Trennung des Einströmbereichs vom Rest des Speichers.

Die Verwendung eines Lochblechs kann also die Strömung stark beruhigen. Die Temperaturschichtung wird auch bei grossen Massenströmen kaum gestört und es wird eine homogene Kolbenströmung durch den Speicher erreicht. Ohne Lochblech gibt es eine starke Durchmischung bereits bei 1500 kg/h. Diese nimmt mit zunehmendem Belade-Volumenstrom weiter zu.


Resultate Sprührohre

Wie bereits beschrieben, werden Sprührohre manchmal eingesetzt, um ein bestehendes Temperaturprofil in einem Speicher zu erhalten. Die CFD-Simulationen in Abbildung 3, zeigen den Vergleich zwischen einem einfachen Loch in der Wand und drei verschiedenen Varianten von Sprührohren. Die Variante mit grossen seitlichen Austrittsöffnungen, führt trotz einer sehr ungleichmässig über die Löcher verteilten und nach vorne gerichteten Strömung, zu einem etwas besseren Resultat, im Vergleich zu einem Loch in der Wand. Letztendlich war aber keine der getesteten Varianten von Sprührohren zufriedenstellend. Bereits nach kurzer Zeit findet eine Durchmischung des Speichers statt. Als Referenz für eine gute Schichtung bei seitlicher Einströmung, können die Resultate von Gwerder et al. 2016 [3] herangezogen werden. Diese belegen sehr gute Ergebnisse für eine andere Art von Diffusor-Design: Prallplatten, die nach oben und unten geschlossen sind und das Fluid sowohl seitlich umlenken, als auch auf eine mittlere Fliessgeschwindigkeit < 0.1 m/s beruhigen.

Abbildung 3: Strömung, in horizontaler Schnittebene, eines Speichers, auf der Höhe der Einströmung. Referenz ohne Sprührohr (Loch in der Wand, oben links) und drei verschiedene Sprührohre mit unterschiedlicher Anzahl und Durchmesser der seitlichen Austrittsöffnungen.

Take-home messages

  • Die Einströmung in den Speicher, über Bogenrohre in Richtung Klöpperboden oder -deckel, führt zu einer ausgeprägt schichtenden Be- oder Entladung, wenn der Einströmbereich vom restlichen Speicherbereich durch ein Lochblech getrennt ist.
  • Die gleiche Anordnung ohne Lochbleche, führt zu einer Durchmischung im Speicher, welche mit zunehmendem Massenstrom grösser wird.
  • Über einfache, horizontale Sprührohre ohne Lochbleche, kann in der Regel keine schichtende Be- oder Entladung erzielt werden.

 

 

Danksagung

Die hier vorgestellten Resultate wurden ermöglicht durch die Unterstützung des Bundesamtes für Energie (BFE), Forschungsprogramm Solarthermie und Wärmespeicher. Vertrag SI/500315-03.

Referenzen

[1]    R. Haberl, D. Amstad, I. Caduff, A. Reber, M. Haller, DiffStrat - Stratification of Thermal Storage Tanks by Diffusor Design, SPF Institut für Solartechnik, Rapperswil, 2019. www.spf.ch/diffstrat

[2]    R. Haberl, D. Amstad, M. Haller, DiffStrat 2 – Schichtung Thermischer Speicher durch Diffusor Design: CFD und Validierung, SPF Institut für Solartechnik, Rapperswil, 2021. www.spf.ch/diffstrat

[3]    C. Gwerder et al., Horizontal Inlets of Water Storage Tanks With Low Disturbance of Stratification, J. Sol. Energy Eng. 138 (2016) 051011–051019. https://doi.org/10.1115/1.4034228

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