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Impuls- und Energietransport in solarthermischen Systemen

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Thermische Solarenergie

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Zusammenfassung

Die Abschn. 3.3–3.5 behandelten bereits die Berechnung des Kollektorwirkungsgrades und der darin auftretenden Verluste. Dort wurde auf die detaillierte Diskussion der einzelnen passiven wie insbesondere auch aktiven Verlustmechanismen verzichtet. Die Erarbeitung der passiven Mechanismen zur Aufnahme solarer Einstrahlung im vierten Kapitel erlaubt nun einen neuen und fundierteren Einblick in die Beurteilung der konstruktiven Gestaltung sowie der anlagenbaulichen Realisation solarthermischer Systeme. Die darin gewonnen Erkenntnisse zeigen, dass durch die physikalischen Prozesse ein hoher Anteil der solaren Einstrahlung in Wärme umgesetzt werden kann. Begrenzungen ergeben sich hauptsächlich durch konstruktive Rahmenbedingungen sowie materialspezifische Begrenzungen. Bei adäquater Material- und Temperaturwahl sowie konstruktiver Gestaltung lassen sich im passiven Bereich ca. 80 % an Energieumsetzung erreichen. Der Gesamtwirkungsgrad solarthermischer Systeme liegt jedoch deutlich unterhalb dieser Werte. Woran liegt dies? Eine Ursache ist der konvektive Transport des ein- oder mehrphasigen Wärmeträgers in den Rohrleitungen sowie in den im Solarsystem auftretenden Komponenten wie Pumpen, Ventile, Rohrleitungen und/oder Speicher, die alle verlustbehaftet sind und damit zu einer Verringerung des Wirkungsgrads führen.

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Literatur

  • Aicher T, Martin H (1997) New correlations for mixed turbulent natural and forced convection heat transfer in vertical tubes. Int J Heat Mass Transf 40(15):3617–3626 (Elsevier, Hrsg.)

    Article  Google Scholar 

  • Anderson DA, Tannehill JC, Pletcher RH (1984) Computational fluid mechanics and heat transfer. Hemisphere Publishing Co., New York

    MATH  Google Scholar 

  • Arpaci VS, Larsen PS (1984) Convection heat transfer. Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs

    Google Scholar 

  • Baehr HD, Stephan K (2008) Wärme- und Stoffübertragung, 6. Aufl. Ausg. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Baker O (1954) Design of pipe lines for simultaneous flow of oil and gas. Oil Gas J 53:185–195

    Google Scholar 

  • Bankoff SG (1957) Ebullition from solid surfaces in the presence of a pre-existing gaseous phase. Trans ASME 79:735 ff

    Google Scholar 

  • Barenblatt GI, Chorin AJ (1998) Turbulence: an old challenge and new perspectives. Meccanica 33(5):445–468

    Article  MATH  MathSciNet  Google Scholar 

  • Betchov R, Criminale OW (1967) Stability of parallel flows. Academic, New York

    Google Scholar 

  • Bhatti MS (1985) Fully developed temperature distribution in a circular duct tube with uniform wall temperature. Owens-Corning Fiberglas cooperation, Granvile

    Google Scholar 

  • Burmeister LC (1993) Convective heat transfer, 2. Aufl. Ausg. Wiley-Interscience

    Google Scholar 

  • Carteciano LN, Grötzbach G (2003) Validation of turbulence models in the computer code FLUTAN for a free hot sodium jet in different buoyancy flow regimes. Forschungszentrum Technik und Umwelt, Karlsruhe

    Google Scholar 

  • Castaing B, Gunaratne G, Heslot F, Kadanoff L, Libchaber A, Thomae S et al (1989) Scaling of hard thermal turbulence in Raleigh-Benard convection. J Fluid Mech 204:1 ff

    Article  Google Scholar 

  • Cebeci T, Bradshaw P (1977) Momentum transfer in boundary layers. McGraw-Hill Inc.

    Google Scholar 

  • Chen RY (1973) Flow in the entrance region at low reynolds number. J Fluid Eng 95:153–158

    Article  Google Scholar 

  • Chien KY (1982) Prediction of channel and boundary-layer flows with a low-reynolds-number turbulence mode. AIAA J 20(1):33–38

    Article  MATH  MathSciNet  Google Scholar 

  • Cole JD (1968) Perturbation methods in applied mathematics. Blaisdell Publishing Co., Toronto

    MATH  Google Scholar 

  • Collier JG (1988) Evaporators. In: Kakac S, Bergles AE, Oliviera Fernendes E, Sciences NA (Hrsg) Two-phase flow heat exchangers. Springer, S 683–706

    Google Scholar 

  • Collier JG, Thome JR (1996) Convective boiling and condensation, 3. Aufl. Ausg. Oxford University Press

    Google Scholar 

  • Dimitrova KG (2006) Thermische Effekte im Kollektorfeld solarthermischer Anlagen. Dissertation, Techn. Universität, Fak. Maschinenbau, Chemnitz

    Google Scholar 

  • DIN EN ISO 5167 (2004) Durchflussmessung von Fluiden mit Drosselgeräten in voll durchströmten Leitungen mit Kreisquerschnitt. Beuth Verlag GmbH

    Google Scholar 

  • Donaldson C (1972) Calculation of turbulent shear flows for atmospheric and vortex motions. AIAA J 10:4–12

    Article  MATH  Google Scholar 

  • Eberhart JG, Schnyders H (1973) Application of the mechanical stability condition to the prediction of the limit of superheat für normal alkanes, ether and water. J Phys Chem 77(23):2730

    Article  Google Scholar 

  • Eckert ER, Drake RM (1972) Analysis of heat and mass transfer. Mc Graw-Hill, New York

    MATH  Google Scholar 

  • Friedel L (1979) Improved friction drop correlations for horizontal and vertical two-phase pipe flow. European Two-phase Flow Group Meeting. Paper E2

    Google Scholar 

  • Grigull U, Tratz H (1965) Thermischer Einlauf in ausgebildeter laminarer Rohrströmung. Int J Heat Mass Transf 8:669–678

    Article  MATH  Google Scholar 

  • Guo J, Julien PY (2003) Modified log-wake law for turbulent flow in smooth pipes. J Hydraul Res 41(5):493–501

    Article  Google Scholar 

  • Hanjalic K, Launder BE (1972) A reynolds stress model of turbulence and its application to asymmetric shear flows. J Fluid Mech 52:609–638

    Article  MATH  Google Scholar 

  • Harlow FH, Nakayama PI (1968) Transport of turbulence energy decay rate. Los Alamos Science Lab. University of California, USA

    Book  Google Scholar 

  • Hausen H (1943) Darstellung des Wärmeübergangs in Rohren durch verallgemeinerte Potenzbeziehungen. VDI-Zeitung, Suppl. Verfahrenstechnik, Ausgabe 4. S 91–98

    Google Scholar 

  • Heinzel V (1998) Solare Prozeßwärmeerzeugung -Siedewasserkollektoren. Universität, Karlsruhe

    Google Scholar 

  • Hennecke DK (1968) Heat transfer by hagen-poiseulle flow in the thermal development region. Wärme-und Stoffübertragung 1:177–184

    Google Scholar 

  • Hewitt GF, Roberts DN (1969) Studies of two-phase flow patterns by simultaneous x-ray and flash photography. HMSO. UKAEA, London

    Google Scholar 

  • Hickmann HJ (1974) An asymptotic study of the Nusselt-Graetz problem, Part 1: large x behaviour. Int J Heat Mass Transf 96:354–358

    Article  Google Scholar 

  • Hornbeck RW (1964) Laminar flow in the entrance region of a pipe. Appl Sci Res A13:224–232

    Article  Google Scholar 

  • Hsu CJ (1968) Exact solution to entry region of laminar heat transfer with axial conduction. Chem Eng Sci 23:457–468

    Article  Google Scholar 

  • Huhn J, Wolf J (1975) Zweiphasenströmung – gasförmig/ flüssig. VEB Fachbuchverlag, Leipzig

    Google Scholar 

  • Incropera FP, DeWitt DP (2001) Fundamentals of heat and mass transfer, 5. Aufl. Ausg. Wiley

    Google Scholar 

  • Jischa M (1982) Konvektiver Impuls-,Wärme- und Stoffaustausch. Friedr. Vieweg & Sohn. Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig

    Book  Google Scholar 

  • Jones WP, Launder BE (1972) The prediction of laminarization with a two-equation model of turbulence. Int J Heat Mass Transf 15(2):301–314

    Article  Google Scholar 

  • Kakac S, Aung W, Viskanta R (1985) Natural convection-fundamentals and applications. Hemisphere Publishing Corporation, Washington

    Google Scholar 

  • Kakac S, Shah R, Aung W (1987) Handbook of single phase convective heat transfer. Wiley, New York, (A. W. Publication, Hrsg.)

    Google Scholar 

  • Kasagi N, Ohtsubo Y (1992) Direct numerical simulation of low Prandtl number thermal field in a turbulent channel flow. In: F Durst et al. (Hrsg) Turbulent shear flows, Bd. 8. Springer, Berlin, S 97–119

    Google Scholar 

  • Kawamura H, Abe H, Matsuo Y (1999) DNS of turbulent heat transfer in channel flow with respect to Reynolds and Prandtl number effects. Int J Heat Fluid Flow 20(3):196–207

    Article  Google Scholar 

  • Kays WM (1994) Turbulent Prandtl number. Where are we? J Heat Transf Trans ASME 116:284–296

    Article  Google Scholar 

  • Keenan JH (1970) Thermodynamics, 14. Aufl. Ausg. MIT Press

    Google Scholar 

  • Kek V, Müller U (1993) Low Prandtl number convection in layers heated from below. Int J Heat Mass Transf 36(11):2795–2804

    Article  Google Scholar 

  • Koehler W, Kastner W (1988) Two-phase pressure drop in boiler tubes. In: Kakac S, Bergles AE, Oliviera Fernendes E (Hrsg) Two-phase flow heat exchangers. NATO ASI Series E: Applied Sciences. Springer, London, S 575–594

    Chapter  Google Scholar 

  • Lamb H (1993) Hydrodynamics, 6. Aufl. Ausg. Cambridge University Press, Cambridge

    MATH  Google Scholar 

  • Launder BE, Reece G, Rodi W (1975) Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. J Fluid Mech 68(3):537–566

    Article  MATH  Google Scholar 

  • Launder BE, Spalding DB (1974) The numerical computation of turbulent flows. Comp Meth Appl Mech Eng 3:269–289

    Article  MATH  Google Scholar 

  • Lin CC (1961) The theory of hydrodynamic stability. Cambridge University Press

    Google Scholar 

  • Lustig K (2002) Experimentelle Untersuchungen zum Stillstandsverhalten thermischer Solaranlagen. Dissertation, Universität Karlsruhe, Fak. Maschinenbau, Karlsruhe

    Google Scholar 

  • Martinelli RC (1947) Heat transfer to molten metals. Trans ASME 69:947 ff

    Google Scholar 

  • Michelsen ML, Villadsen J (1974) The Graetz problem with axial conduction. Int J Heat Mass Transf 17:1391–1402

    Article  MATH  Google Scholar 

  • Müller U, Ehrhard P (1999) Freie Konvektion und Wärmeübertragung. Müller-Verlag, Heidelberg

    Google Scholar 

  • Ng KH, Spalding DB (1972) Turbulence model for boundary layers near walls. Phys Fluid 15:20–30

    Article  MATH  Google Scholar 

  • Otic I, Grötzbach G, Wörner M (2005) Analysis and modelling of the temperature variance equation in turbulent natural variance equation in turbulent natural. J Fluid Mech 525:237–261 (C. U. Press, Hrsg.)

    Article  MATH  Google Scholar 

  • O’Toole JL, Silveston PL (1961) Correlation of convective heat transfer in confined horizontal layers. Chem Eng Prog Symp Ser 67:81 ff

    Google Scholar 

  • Parry WT, Gallagher Bellows JC, Harvey AH (2000) ASME International Steam Tables for Industrial Use. American Society of Mechanical Engineers (ASME)

    Google Scholar 

  • Pederson RJ, May EK (1982) Flow instability during direct steam generation in a line-focus solar collector system. Solar Energy Research Institute Report

    Google Scholar 

  • Piller M, Nobile E, Hanratty TJ (2002) DNS study of turbulent transport at low Prandtl numbers in a channel flow. J. Fluid Mech 458:419–441

    MATH  Google Scholar 

  • Polifke W, Kopitz J (2005) Wärmeübertragung: Grundlagen, analytische und numerische Methoden. Pearson Studium

    Google Scholar 

  • Reichhardt H (1951) Vollständige Darstellung der turbulenten Geschwindigkeitsverteilung in glatten Leitungen. Z Angew Math Mech 31(7):208 ff

    Article  Google Scholar 

  • RELAP Code Development Team (1995) RELAP5/MOD3 Code Manual Volume I-IV: Code structure, system models, and solution methods. Idaho National Engineering Laboratory, Lockheed Idaho Technologies Company, Idaho

    Google Scholar 

  • Remmers K-H (2001) Große Solaranlagen: Einstieg in Planung und Praxis, 2. Aufl. Solarpraxis AG

    Google Scholar 

  • Reynolds WC (1976) Computation of turbulent flows. Ann Rev Fluid Mech 8:183–208

    Article  Google Scholar 

  • Rodi W (1981) Progress in turbulence modelling for incompressible flows. AIAA J Paper 81-0045

    Google Scholar 

  • Rodi W (1993) Turbulence models and their application: a state of the art review. Monograph International Association for Hydraulic Research (IAHR). A.A. Balkema, The Netherlands

    Google Scholar 

  • Rommel M, Siems T, Schüle K, Mehnert S, Thoma C (2007) Entwicklung von Techniken zur Beherrschung des Stillstandsbetriebs. Freiburg. www.solarkombianlagen-xl.info

  • Rotta JC (1972) Turbulente Strömungen. Teubner, Stuttgart

    Book  MATH  Google Scholar 

  • Scheuren J (2008) Untersuchungen zum Stagnationsverhalten solarthermischer Kollektorfelder. Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau

    Google Scholar 

  • Schlichting H, Gersten K (2000) Boundary-Layer theory, 8. Aufl. Ausg. Springer, Berlin

    Book  MATH  Google Scholar 

  • Schulenberg FJ (1969) Wärmeübergang und Druckänderung bei der Kondensation von strömendem Dampf in geneigten Rohren. Dissertation, Universität Stuttgart

    Google Scholar 

  • Schulenberg T, Stieglitz R (2010) Flow measurement techniques in heavy liquid metals. Nucl Eng Des 240:2077–2087

    Article  Google Scholar 

  • Selmi M, Al-Khawaja M, Marafia A (2008) Validation of CFD simulation for flat plate solar energy collector. Renew Energy 33:383–387

    Article  Google Scholar 

  • Shah RK, London AL (1978) Laminar flow forced convection in ducts: a source book for compact heat exchanger analytical data (Bde. Advances in heat transfer., Supplement 1). Academic, New York

    Google Scholar 

  • Sparrow EM, Patankar SV, Shahrestani H (1978) Laminar heat transfer in a pipe subjected to circumferentially varying external heat transfer coefficients. Num. Heat Transf 1:117–127

    Google Scholar 

  • Stieglitz R (2007) Low Prandtl number thermal hydraulics. In: Nuclear Energy Agency NEA-OECD (Hrsg) Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties, materials, compatibility, thermalhydraulics and technologies. NEA-OECD, S 399–478

    Google Scholar 

  • Streicher W (1991) Simulation des instationären Verhaltens von Kompressionswärmepumpen. Universität Graz, Fakultät für Maschinenbau

    Google Scholar 

  • Taitel Y, Duckler AA (1976) A model for predicting flow regime transitions in horizon- tal and near horizontal gas-liquid flow. AIChE J 22(1):47–55

    Article  Google Scholar 

  • Truckenbrodt E, Schlichting H (2001) Grundlagen aus der Strömungsmechanik- Aerodynamik des Tragflügels 1. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Van Driest ER (1956) On turbulent flow near a wall. J Aeron Sci 23:1007–1011

    Article  MATH  Google Scholar 

  • van Dyke M (1975) Perturbation methods in fluid mechanics/Annotated edition/. Parabolic Press, Stanford

    Google Scholar 

  • Van Wylen GJ, Sonntag RE (1986) Fundamentals of classical thermodynamics. Wiley

    Google Scholar 

  • VDI (2005) VDI-Wärmeatlas-Berechnungsblätter für den Wärmeübergang, 10. Aufl. Ausg. Springer-Verlag GmbH, (D. D. V, Hrsg)

    Google Scholar 

  • Walz A (1966) Strömungs- und Temperaturgrenzschichten. Braun, Karlsruhe

    MATH  Google Scholar 

  • White FM (1991) Viscous fluid flow, 2. Aufl. Ausg. McGraw-Hill Science/Engineering/Math

    Google Scholar 

  • Wilcox DC (1986) Multiscale model for turbulent flows. (A. I. Astronautics, Hrsg.) Proc. 24th AIAA Aerospace Sciences Meeting, S 1311–1320

    Google Scholar 

  • Wilcox DC, Traci RM (1976) A complete model of turbulence. NASA

    Google Scholar 

  • Zagarola MV, Smits AJ (1998) Mean flow scaling of turbulent pipe flow. J Fluid Mech 373:33–79

    Article  MATH  Google Scholar 

  • Zierep J (1991) Ähnlichkeitsgesetze und Modellregeln der Strömungslehre, 3. Aufl. Ausg. Braun, Karlsruhe

    Book  Google Scholar 

  • Zierep J, Bühler K (1991) Strömungsmechanik. Springer, Berlin

    Book  Google Scholar 

  • Zörner W (2010) Strömungssimulation von Absorberkonzepten in thermischen Kollektoren. Fachhochsule Ingolstadt, KOMPETENZZENTRUM SOLARTECHNIK

    Google Scholar 

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Authors and Affiliations

  1. Institut für Neutronenphysik und Reaktortechnik (INR) Karlsruher Institut für Technologie, Eggenstein-Leopoldshafen, Deutschland

    Robert Stieglitz & Volker Heinzel

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  1. Robert Stieglitz
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  2. Volker Heinzel
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Stieglitz, R., Heinzel, V. (2012). Impuls- und Energietransport in solarthermischen Systemen. In: Thermische Solarenergie. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-29475-4_5

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