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Ausgewählte Ausgabe: 02-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Radiale Diffusoren in Warmwasserspeichern – Funktionale Optimierung mittels CFD

Radialdiffusoren dienen der Be- und Entladung von Warmwasserspeichern und haben einen signifikanten Einfluss auf die Ausbildung der thermischen Schichtung. Mittels moderner Berechnungsmethoden werden Möglichkeiten zur Anordnung des Beladers im Speicher diskutiert und darauf aufbauend Optimierungen der Beladegeometrie durchgeführt. Dieser Beitrag liefert Empfehlungen zur Gestaltung von Radialdiffusoren.


In Teil 1 dieser Reihe [1] wurden Grundlagen und physikalische Effekte beim Be- und Entladen von Warmwasserspeichern beschrieben sowie ein geeignetes Simulationsmodell vorgestellt. Als Untersuchungsobjekt dient der sog. Demonstrator, dies ist ein Testspeicher in verkleinertem Maßstab1) für eine neuartige Speicherkonstruktion. Er erlaubt umfangreiche Tests und Messungen unter definierten Betriebsbedingungen. Der Demonstrator wird im Rahmen des OBSERW-Projekts (Oberirdische Speicher in Segmentbauweise für Wärmeversorgungssysteme) entwickelt [2]. Das Vorhaben ist in der Energiespeicherinitiative der Bundesregierung angesiedelt [3]. In [4] findet sich eine ausführliche Beschreibung der Konstruktion des Warmwasserspeichers. Als wesentliche Neuerung [5] ist die Verwendung einer Schwimmdecke zu nennen, wobei sich der Radialdiffusor direkt an der Speicherdecke befindet. Dieser Beitrag befasst sich mit den Besonderheiten dieser Anordnung, vor allem
- der Wirkung der Montage des Diffusors direkt an der Schwimmdecke auf die Qualität der thermischen Schichtung im Speicher insbesondere im Vergleich zu anderen Speicherkonstruktionen,
- einem aus der reduzierten hydrostatischen Druckauflastung folgendem Strömungsabriss im Entladefall und
- wie diesem mit einer Geometrieoptimierung begegnet werden kann.

Anordnung des Beladers im Speicher

Die Montage von Radialdiffusoren erfolgt bei Warmwasserspeichern in Flachbodentankbauweise üblicherweise fest im Speicher (Systeme ohne bewegliche Teile) oder schwimmend unterhalb der Wasseroberfläche (z. B. sogenannte Hedbäck-Systeme2) [6]). Einen schematischen Vergleich dieser herkömmlichen Varianten gegenüber der in diesem Beitrag vorgestellten neuen Konstruktion mit Schwimmdecke zeigt Bild 1.

Bild 1 Übersicht zur Anordnung von Be- und Entladesystemen in Warmwasserspeichern; a) fester Belader, b) zeigt die Variante nach Hedbäck, c) die neue Konstruktion

Bild 1
Übersicht zur Anordnung von Be- und Entladesystemen in Warmwasserspeichern; a) fester Belader, b) zeigt die Variante nach Hedbäck, c) die neue Konstruktion


Bei den Varianten a und b in Bild 1 ergibt sich aus der Positionierung des Beladers3) ein wesentlicher Nachteil gegenüber c. Befindet sich der Belader in größerem Abstand von der Wasseroberfläche bzw. der Speicherdecke, entsteht zunächst ein sich ungünstig auswirkender, nicht-isothermer Freistrahl. Dieser verursacht eine starke Vermischung von heißem Beladefluid und kälterem Speicherfluid oberhalb des Beladers und mindert so signifikant die Schichtungsqualität. Für den Speicherbetrieb resultieren weitere Nachteile:
- Das warme Fluid oberhalb des Beladers lässt sich nicht entnehmen. Dementsprechend wird das Speichervolumen und die dort gespeicherte Wärme nicht genutzt.
- Bei Abkühlung des Fluids oberhalb des Beladers kann thermische Inversion die Schichtung im Speicher nachhaltig zerstören.
Die Beladung direkt entlang der Speicherdecke eliminiert diese Nachteile vollständig und verspricht daher wesentliche Verbesserungen, auch da die Schwimmdecke gut gedämmt ist [4].

Untersuchte Varianten

Die vorgestellten Anordnungsmöglichkeiten unterscheiden sich durch den Abstand des Beladers von der Speicherdecke bzw. der freien Wasseroberfläche. Die Klassifizierung der Varianten erfolgt daher über den Deckenabstand. Vereinfacht wird keine freie Wasseroberfläche simuliert4). Betrachtet werden folgende Fälle:
- a) Beladung entlang der Schwimmdecke (Deckenabstand 0 m),
- b) Beladung in geringem Abstand zur Speicherdecke (Deckenabstand 0,1 m),
- c) Beladung in großem Abstand zur Speicherdecke (Deckenabstand 0,5 m)5),
- d) Beladung mit einem vertikalen Rohr in großem Abstand zur Speicherdecke (Deckenabstand 0,5 m).
In Anlehnung an die Untersuchungen von Panthaloorkan [7] wird den Ergebnissen der Radialdiffusoren das Resultat bei Beladung mit einem einfachen, vertikalen Rohr gegenübergestellt (vgl. mit d). Die dort durchgeführten Untersuchungen [7] zeigten keinen Vorteil des Radialdiffusors gegenüber dem vertikalen Rohr. Dies soll hier nochmals überprüft werden.

HA194-Bildartikel- Tabelle-1

Tabelle 1
Betriebsbedingungen und geometrische Parameter für den Demonstrator (Details zur Auslegung sind im Teil 1 beschrieben [1])

Das Modell zur Simulationen des Einflusses des Deckenabstands besitzt ein konstantes Geschwindigkeitsprofil am Eintritt in den Speicher (entspricht dem Beladerauslass). Die Randbedingungen am Eintritt sowie die Anfangsbedingung im Speicher ergeben sich aus den in Tabelle 1 genannten Betriebsbedingungen des Speichers (Annahme: konstanter Volumenstrom und konstante Beladetemperatur). Der Belader wird hier zunächst noch nicht simuliert. Weitere Details zur Modellierung sind in Teil 1 [1] nachzulesen.

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Autoren

M.Sc. Fabian Findeisen

(Jahrgang 1987) ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur Technische Thermodynamik (Bereich Thermische Energiespeicher) an der TU Chemnitz, Fakultät Maschinenbau.

PD Dr.-Ing. habil. Thorsten Urbaneck

(Jahrgang 1969) ist Bereichsleiter Thermische Energiespeicher an der Professur Technische Thermodynamik, TU Chemnitz, Fakultät Maschinenbau.

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Platzer

(Jahrgang 1952) ist Leiter der Professur Technische Thermodynamik an der TU Chemnitz, Fakultät Maschinenbau.

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