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Hydrodynamische Prozesse in einem einfachen Schichtenlader für thermische Energiespeicher: Teil 2 – Einfluss auf Ausströmverhalten und thermische Schichtung im Speicher sowie Variation der Beladergeometrie

Hydrodynamic processes in a simple stratification device for thermal energy storages: Part 2—Influence on the outflow and thermal stratification in the storage tank and variation of the stratification device

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Forschung im Ingenieurwesen Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Auswirkungen des im ersten Teil identifizierten oszillierenden Dichtesprungs in einem einfachen Schichtenlader auf die Schichtungsqualität eines Warmwasserspeichers sind bisher nicht erforscht. Eine detaillierte Untersuchung des dadurch ebenfalls fluktuierend ausströmenden Beladefluids lässt jedoch einen relativ geringen Einfluss auf die thermische Schichtung erkennen. Modifikationen am Schichtenlader verdeutlichen eine starke Abhängigkeit der Eindringdynamik des Dichtesprungs von der geometrischen Gestalt des Schichtenladers.

Abstract

Oscillating density gradient in stratification devices identified in the first part. Effects on the stratification quality of hot water stores are not yet known. A detailed examination of the resulting fluctuating outflowing hot water shows an influence on the thermal stratification. Modifications to the stratification device illustrate a strong dependence of the dynamics of the density gradient on geometric parameters.

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Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5
Abb. 6
Abb. 7
Abb. 8
Abb. 9
Abb. 10
Abb. 11
Abb. 12
Abb. 13
Abb. 14
Abb. 15
Abb. 16
Abb. 17

Notes

  1. Die für einen Wärmestrom notwendige Temperaturdifferenz nimmt bei einem thermischen Ausgleichsvorgang im zeitlichen Verlauf zwar immer mehr ab, jedoch kann diese aufgrund des dann fehlenden Potentials nicht auf 0 K sinken. Demzufolge kann h* = 1,0 auch bei adiabaten Bedingungen und unendlich langer Zeit nicht erreicht werden. Hinzu kommen Wärmeverluste an die Umgebung.

Abbreviations

Ar [–]:

Archimedes-Zahl

a [Pa]:

Schwankungsamplitude des Druckverlustes

c 1, c 2 [–]:

Koeffizienten für Druckverlustberechnung

c W [J/(kgK)]:

spezifische Wärmekapazität des Wassers

d [m]:

Durchmesser

eDS [mm/s]:

Eindringgeschwindigkeit des Dichtesprungs

f [Hz]:

Frequenz

ζ [–]:

Druckverlustbeiwert

g [m/s2]:

Erdbeschleunigung

gradh * [m−1]:

Gradient des normierten spezifischen Enthalpieverlaufs

H [J]:

Enthalpie

h i [J/kg]:

spezifische Enthalpie einer Schicht

h i * [–]:

normierte spezifische Enthalpie einer Schicht

k [mm]:

Rohrrauheit

l [m]:

Länge

\(\dot{m}\) [kg/h]:

Massenstrom

∆p v [Pa]:

Druckverlust

r [m]:

Radius

T [K]:

Temperatur

T ∞ [K]:

Umgebungstemperatur

T 0 [K]:

Anfangstemperatur des Strahls

t [s]:

Zeit

Tu [–]:

Turbulenzgrad

U [m/s]:

Geschwindigkeit

U 0 [m/s]:

Anfangsgeschwindigkeit des Strahls

u [m/s]:

Geschwindigkeitskomponente in x-Richtung

V [m3]:

Volumen

v [m/s]:

Geschwindigkeitskomponente in y-Richtung

α [°]:

Winkel der Horizontalen gegenüber der Mittellinie des Auslassstutzens

β [°]:

Krümmungswinkel des Rohrbogens

γ [K−1]:

Raumausdehnungskoeffizient

ϑ [°C]:

Temperatur

θ rel [–]:

relative spezifische Enthalpieabweichung

λ [–]:

Rohrreibungswert

ρ [kg/m3]:

Dichte

η [Pas]:

dynamische Viskosität

x [m]:

Speicherbreite

y [m]:

Speicherhöhe

As:

Auslassstutzen

Be:

Belader

Bf:

Beladefluid

ges:

Gesamtvolumen

K:

Krümmung

max:

maximal

min:

minimal

nutz:

nutzbar

oG:

oberere Grenzwert

Pfr:

Pfropfenprofil

Ref:

Referenz

S:

Siedetemperatur

Sch:

Schicht

Sp:

Speicherfluid

uG:

unterere Grenzwert

Üz:

Übergangszone

wZ:

warme Zone

Literatur

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Authors and Affiliations

  1. Professur Technische Thermodynamik, Technische Universität Chemnitz, Reichenhainer Straße 70, 09107, Chemnitz, Deutschland

    Marcus Buhl, Jonathan Rausendorf & Bernd Platzer

Authors
  1. Marcus Buhl
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  2. Jonathan Rausendorf
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  3. Bernd Platzer
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Buhl, M., Rausendorf, J. & Platzer, B. Hydrodynamische Prozesse in einem einfachen Schichtenlader für thermische Energiespeicher: Teil 2 – Einfluss auf Ausströmverhalten und thermische Schichtung im Speicher sowie Variation der Beladergeometrie. Forsch Ingenieurwes 83, 65–79 (2019). https://doi.org/10.1007/s10010-019-00300-5

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