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Titelaufnahme

Titel
Systeme und Geometrien von Wärmeübertragungsapparaten zur Latentwärmespeicherung / eingereicht von Dipl.-Ing. Philipp Wiesauer
Weitere Titel
Systems and Geometries of Heat Exchangers for Latent Heat Storage
AutorInnenWiesauer, Philipp
Beurteiler / BeurteilerinSamhaber, Wolfgang ; Werner, Andreas
ErschienenLinz, April 2016
Umfang149 Blätter : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Latentwärmespeicher / Latentwärmespeicherung / Phasenwechsel / Doppelrohr-Wärmeübertrager / Plattenwärmeübertrager / PCM / Phasenwechsel / PCM-Schicht / Glaubersalz
Schlagwörter (EN)latent heat storage tank / latent heat storage / phase change / shell-and-tube heat exchanger / plate heat exchange / PCM / phase change / PCM-layer / Glauber's salt
Schlagwörter (GND)Latentwärmespeicher / Wärmeübertragung / Apparat / Phase-Change-Technologie / Natriumsulfat
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-9597 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
Dateien
Systeme und Geometrien von Wärmeübertragungsapparaten zur Latentwärmespeicherung [14 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Phasenwechselmaterialien oder Phase-Change-Materialien (PCMs) sind Stoffe, die geeignet sind, ihren Aggregatszustand in einem bestimmten Temperaturbereich reversibel zu verändern. Schmelzen und Kristallisieren solcher PCMs ist mit Aufnahme bzw. Abgabe von Energie verbunden, die als Wärmeenergie im technischen Maßstab genutzt werden kann. Reviews listen mehrere 1000 organische und anorganische Stoffe und Eutektika auf, die als technische PCMs in Betracht kommen. Thermische, physikalische, chemische, kinetische und wirtschaftliche Voraussetzungen und Grenzen bestimmen, ob ein Material als PCM für bestimmte Anwendungen geeignet ist. Verschiedene Systeme zur Wärmeübertragung für Latentwärmespeicher wurden sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Die Anordnung des PCM unterscheidet sich dabei, ob das Speichermaterial im Festbett oder im Bewegtbett geführt wird, ob das Speichermaterial in indirektem oder in direktem Kontakt mit dem Wärmeträgerfluid steht und ob das PCM bzw. das Wärmeträgerfluid durch natürliche oder erzwungene Konvektion bewegt wird. Gegenstand aktueller Untersuchungen ist die Verbesserung der Wärmeübertragung in PCM-Speichertanks durch Erhöhen der thermisch aktiven Oberfläche. Entwicklungen der speziellen Rohrgeometrien sind Ripprohre, bürsten- und kapillarartige Geometrien und Rohrbündel. Als schichtförmige PCM-Geometrien werden Paneele, Plattenpakete und Platten mit speziell strukturierter Oberfläche untersucht. Die experimentellen Untersuchungen von Shell-and-tube-Wärmeübertragern mit PCM im Ringraum und von schichtförmig angeordnetem PCM wurden mit PCM auf Basis von Glaubersalz durchgeführt. Die Temperatur- und Leistungskurven der unterschiedlichen Anordnungen und WÜT-Geometrien wurden vermessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Shell-and-tube-Wärmeübertrager für das untersuchte PCM nicht oder nur eingeschränkt geeignet sind. Durch die PCM-Schichtdicke von mehreren cm war der Wärmetransport herabgesetzt. Weiters wandelten sich 31,2 % des PCM irreversibel in metastabile Hydrate bzw. gesättigte Lösung um, was zum Verlust von 50 % der Speicherfähigkeit führte. Versuche mit dem schichtförmig angeordneten PCM zeigten bestimmte Vorteile dieser Anordnung. Die thermisch aktive Schichtdicke nahm mit steigender Zyklenzahl bis zu einem stabilen Minimum ab. Dieses Minimum wurde für die 10-mm-Schicht mit 8,5 mm, für die 8-mm-Schicht mit 6,9 mm bestimmt. Die PCM-Schicht konnte eine höhere durchschnittliche Lade- und Entladeleistung erzielen und in kürzerer Zeit eine größere Energiemenge laden und entladen als eine gleich dicke Schicht Wasser. Für die Modellierung der Temperatur- und Leistungskurven der Shell-and-tube-Wärmeübertrager und schichtförmigen Anordnung des PCM wurden bestimmte Vereinfachungen getroffen. Dadurch ergab sich eine Abweichung von den experimentellen Ergebnissen beim Entladen des PCM, da der Effekt der Unterkühlung im Modell nicht erfasst wurde. Verglichen mit den experimentellen Daten zeigte sich eine weitere Abweichungen im Bereich des sensiblen Ladens/Entladen von flüssigem PCM, da das Modell konvektiven Wärme- und Stofftransport nicht berücksichtigte. Im Bereich des sensiblen Ladens/Entladens von festem PCM und des Ladens/Entladens von Latentwärme konnte bei Eingabe der bekannten Stoffdaten und der Start- bzw. Endtemperaturen Übereinstimmung zwischen Rechenmodell und den experimentellen Daten erzielt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Phase change materials (PCMs) are materials capable of reversibly changing their state of phase. Melting and crystallization of PCMs is connected with intake and release of energy that can be used as thermal energy in technical applications. More than 1000 organic and inorganic substances and eutectic mixtures are known to be potentially applicable as technical PCMs. Thermal, physical, chemical, kinetic and economic preconditions and limits determine whether a certain material is suitable as a PCM for specific applications. Several heat transfer systems for latent heat storage have been studied both experimentally and numerically. The arrangement of the PCM differs thereby in fixed-bed or moving-bed array, in indirect or direct contact heat exchange with the heat transfer fluid (HTF), and in natural or forced convection of the PCM and the HTF. Improvement of heat transfer in PCM-storage tanks by increasing the thermally active surface is subject of recent investigations. Finned tubes, brushed tubes, capillary tubes and tube bundles are developments among special pipe geometries. Among layer-shaped PCM geometries, panels, plate packs and plates with special surface structure are investigated. Experimental investigations of shell-and-tube heat exchangers with PCM in the annular gap and of layer-shaped PCM were conducted with PCM based on Glauber`s salt. Temperature curves and thermal performance curves were measured for the different PCM arrangements. Results showed limited to no suitability of the shell-and-tube heat exchangers for the chosen PCM. Due to the PCM layer thickness of several centimeters, heat transfer was limited. Furthermore, 31.2 % of the PCM were irreversibly converted to metastable hydrates and saturated aqueous solution, leading to a loss of storage capacity of 50 %. Experiments with the layer-shaped PCM showed certain advantages of this arrangement. The thermally active layer thickness decreased with increasing number of melting-crystallizing-cycles until a stable minimum was reached. This minimum was determined for the 10 mm layer at 8.5 mm, for the 8 mm layer at 6.9 mm. With the PCM layer, a higher average charging/discharging performance was achieved in comparison to an aqueous layer. Moreover, the PCM layer could charge and discharge more energy in a shorter time than an aqueous layer. For modeling temperature and thermal performance curves, certain simplifications have been made. Therefore, the calculated result deviated from the experimental results regarding discharging of the PCM, as subcooling was not considered in the calculations. Charging and discharging of liquid PCM also deviated from the experimental data, because convective mass and heat transfer was not considered in the calculations. By accounting for the PCM properties as well as the starting and final temperatures in the calculation, consensus between experimental results and calculations was found for sensible charging/discharging and charging/discharging of latent heat.

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