Thermische Energiespeicher tragen u. a. zur Erhöhung der Versorgungsicherheit in der
Fernwärmeversorgung und zur Effizienzsteigerung des Fernwärmesystems (z. B. Flexibilisierung
der Erzeuger, Speicherung überschüssiger Wärme, besserer hydraulischer Betrieb) bei. Dafür
eignen sich Druckbehälter, sog. schlanke Heißwasserspeicher (Speichertyp b1). Die oben
genannten Vorteile setzen einen effizienten Speicherbetrieb (niedrige interne und externe
Speicherverluste) voraus. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Minimierung der internen Verluste
durch die Verbesserung des thermischen Schichtungsverhaltens. Eine thermische Schichtung mit
einem möglichst schmalen Übergangsbereich zwischen heißer und kalter Zone ist ein Indikator für
geringe Mischvorgänge während der Beladung. Die Minimierung dieser Mischungsvorgänge bei der
Beladung nimmt eine Schlüsselrolle bei der Minimierung der internen Speicherverluste ein. Lohse
und Brähmer untersuchten die Beladung mit herkömmlichen radialen Diffusor in schlanken
Heißwasserspeicher mit numerischer Strömungssimulation. Die Arbeiten identifizieren aufgrund der
schlanken Speicherform nachteilige Strömungseffekte wie z. B. einen ausgeprägten Wandstrahl.
Dieser Wandstrahl regt Mischvorgänge an und damit steigen die internen Speicherverluste. Zur
Überwindung dieser Strömungsproblematik schlägt die Beladung mit Drall vor. Die Untersuchungen
von Oestreich zeigten das Strömungsverhalten im Diffusor und im Speicher, die Auswirkungen auf
die thermische Schichtung sowie die Vorteilhaftigkeit. Dieser Beitrag soll eine detailliertere
Beschreibung der Strömungsvorgänge liefern. Dieses Wissen ist unbedingt notwendig, um die
Ursachen und Wirkungen bei der Beladung mit Drall und beim Aufbau der thermischen Schichtung
besser zu verstehen. Die Modellierung und Simulation des Diffusors bzw. des Speichers erfolgen
mit ANSYS CFX. Zur Auflösung turbulenter Strukturen findet die Large Eddy Simulation Anwendung.
Dieser Artikel präsentiert erstmalig die Wirbelstrukturen im Diffusor mit Leitelementen zur
Drallerzeugung. Die Speicherströmung weist ein ähnliches Verhalten zu bekannten
Dichteströmungen (z. B. Lappen-Kluft-Struktur, Instabilitäten in den freien Scherschichten) auf, was
bisher nicht bekannt war. Hohe Peclet-Zahlen (hohe Advektionsströme) im Speichermodell führen
zu numerischer Instabilität der Simulation und erfordern deshalb erhöhten Diskretisierungsaufwand. / Thermal energy storage systems contribute, among other things, to increasing the security of supply
in the district heating system and to improving the efficiency of the district heating system (e.g.,
making the generators more flexible, storing waste heat, better hydraulic operation). Pressure
vessels, so-called slim hot water storage tanks (storage type b1) are suitable for this purpose. The
above mentioned advantages require efficient storage operation (low internal and external storage
losses). This paper deals with the minimization of internal losses by improving the thermal
stratification behavior. Thermal stratification with a thermocline between hot and cold zone as narrow
as possible is an indicator of low mixing processes during loading. Minimizing these mixing
processes during loading takes a key role in minimizing internal storage losses. Lohse and Brähmer
investigated loading with conventional radial diffuser in slim hot water storage tanks with numerical
flow simulation. The work identifies adverse flow effects due to the slim tank shape, such as a wall
jet. This wall jet stimulates mixing processes and thus increases the internal storage losses. To
overcome this flow problem, Findeisen et al. proposes swirl loading. The investigations of Oestreich
et al. showed the flow behavior in the diffuser and in the storage, the effects on the thermal
stratification as well as the advantageousness. This paper aims to provide a more detailed
description of the flow processes. This knowledge is essential to better understanding the causes
and effects of swirl loading and the structure of thermal stratification. Modeling and simulation of the
diffuser and storage, respectively, are performed using Ansys CFX. Large eddy simulation (LES) is
applied to resolve turbulent structures. This paper presents for the first time the vortex structures in
the diffuser with internal elements for swirl generation. The storage flow exhibits similar behavior to
known density flows (e.g., head and nose formation, instabilities in the free shear layers), which was
previously unknown. High Peclet numbers (high advection currents) in the storage model lead to
numerical instability of the simulation and therefore require increased discretization efforts.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:91773 |
| Date | 20 June 2024 |
| Creators | Oestreich, Felix, Urbaneck, Thorsten |
| Contributors | Technische Universität Chemnitz |
| Publisher | Universitätsverlag Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:conferenceObject, info:eu-repo/semantics/conferenceObject, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-898394, qucosa:89839 |
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