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Ausgewählte Ausgabe: 06-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Radiale Diffusoren in Warmwasserspeichern – Funktionale Optimierung mittels CFD

Radialdiffusoren dienen der Be- und Entladung von Warmwasserspeichern. Dieser Beitrag untersucht mittels moderner Berechnungsmethoden den Einfluss verschiedener Beladervarianten und Speichergrößen auf die Qualität der thermischen Schichtung und beschreibt ausführlich die auftretenden Strömungseffekte im Belader sowie im Speicher.


Thermische Energiespeicher können in Wärmeversorgungsnetzen Überschüsse speichern und dem Verbraucher bei Bedarf wieder zur Verfügung stellen1). Zur Trennung von Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen wird dessen Dichteunterschied genutzt, woraus eine natürliche Schichtung im Speicher resultiert [2]. In einem nach dem Verdrängungsprinzip arbeitendem Speicher erfolgt die direkte Be- und Entladung mittels Wasseraustausch. Die Qualität der thermischen Schichtung hängt dabei entscheidend von der Position des Beladers im Speicher ab, wie die Betrachtungen zum Deckenabstand in Teil 2 der Veröffentlichungsreihe zeigten [3]. Eine neuartige Speicherkonstruktion mit Schwimmdecke [4] ermöglicht hierbei eine signifikante Verbesserung der Schichtungsqualität sowie eine Maximierung des nutzbaren Speichervolumens durch die Montage des Beladers direkt an der gut gedämmten Decke. Als Herausforderung erwies sich der Wegfall einer hydrostatischen Druckauflastung. So bestand die Gefahr eines Unterschreitens der Dampfdruckgrenze2), wodurch im Entladefall instationäre Effekte (z. B. Strömungsabriss oder Kavitation) das Betriebsverhalten ungünstig beeinflussen konnten. Die Geometrieoptimierung lieferte eine strömungsgünstige Freiform des Diffusors. Mit der optimierten Form auf Basis zahlreicher Simulationen mittels CFD (Computational Fluid Dynamics) konnten viele nachteilige Effekte eliminiert werden.
In diesem Teil erfolgt für die in Teil 2 vorgestellten Geometrievarianten eine Bewertung ihres Beladeverhaltens. Außerdem findet mit Hilfe von LES3) (Large Eddy Simulation) eine noch detailliertere Betrachtung der auftretenden Strömungseffekte während des Schichtungsaufbaus statt.

Lesen Sie hier Teil 2 des Artikels.

Geometrieoptimierung im Beladefall

HA217-Bildartikel-Tabelle-1

Tabelle 1
Betriebsbedingungen und geometrische Parameter für den Demonstrator (Details zur Auslegung siehe [1])

Analog zum letzten Teil [3] dient zunächst der Demonstrator (vgl. mit Tabelle 1) als Untersuchungsobjekt. Unter Demonstrator verstehen die Autoren einen Versuchsspeicher in verkleinertem Maßstab4), welcher im Rahmen des OBSERW-Projekts (Oberirdische Speicher in Segmentbauweise für Wärmeversorgungssysteme) entwickelt und gebaut wurde [5]. Das Vorhaben ist in der Energiespeicherinitiative der Bundesregierung angesiedelt [6]. Eine ausführliche Beschreibung der Speicherkonstruktion liefert [7]. Zur Auswertung der Schichtungsqualität werden später auch Großspeicher mit einem vielfach größeren Volumen betrachtet. Die Simulationen orientieren sich am Auslegungspunkt der Anlage.

Wirkung im Belader

Bild 1 Geschwindigkeitsfeld und -vektoren im Querschnitt des zweidimensionalen, axialsymmetrischen Simulationsmodells, Belader BES_4opt mit Freiformgestaltung

Bild 1
Geschwindigkeitsfeld und -vektoren im Querschnitt des zweidimensionalen, axialsymmetrischen Simulationsmodells, Belader BES_4opt mit Freiformgestaltung

Im letzten Teil der Veröffentlichungsreihe [3] zeigte die Freiformgestaltung BES_4opt Vorteile beim Entladeverhalten. Der großzügig gestaltete Übergangsbereich konnte die aus dem Speicher kommende Strömung sanft umlenken und damit hohe Beschleunigungen sowie ein Ablösen der Strömung verhindern. Dies minimierte eine lokale Druckabsenkung und beugt daher einem Strömungsabriss oder auch Kavitation vor, so dass sich die Betriebssicherheit der Anlage erhöht. Aufgrund des größeren Übergangsbereichs besteht für den in diesem Beitrag untersuchten Beladefall jedoch die Gefahr der Ausbildung ausgedehnter Rezirkulationsgebiete und ungünstiger Sekundärströmungen. Nachfolgend wird daher untersucht, ob ein Kegel im Übergangsbereich des Freiformbeladers BES_4opt durch eine Strömungsumlenkung dies verhindern kann. Bild 1 zeigt das Geschwindigkeitsfeld im Querschnitt von BES_4opt mit und ohne Kegel.

Seite des Artikels
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.