Untersuchung der thermischen Speicherung
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EOLIOS optimiert Wärmespeicher :
- Entwurf, Analyse, Optimierung
- Temperaturverteilung
- Dicke der Thermokline
- Untersuchung der Unterteilungen
- Transiente Studie
- Energieoptimierung
- Optimierung der GAP
- Berechnung von Druckverlusten
- Laminare Strömung
Studie zum Wärmespeicher
Wärmespeicherung durch Pufferspeicher
Ein Pufferspeicher ist eine vielfach erprobte Technologie, um überschüssige Wärmeenergie (heiß oder kalt) in verkehrsarmen Zeiten zu speichern. Ein solcher thermischer Speicher kann mit Kühlsystemen (Wärmepumpe) gekoppelt werden, wodurch es möglich ist, diese gespeicherte Energie zu Spitzenlastzeiten zu nutzen, wodurch die Verbrauchskosten minimiert und Strombedarfsspitzen geglättet werden.
Betrieb
Thermische Speicherung von Wasser
Bei einem System zur Speicherung von gekühltem Wasser speichert das System Wärmeenergie in Form von kaltem Wasser. Dies erfordert eine Vorrichtung zur Speicherung von Wärmeenergie, die als Puffertank bekannt ist.
Der geschichtete Speichertank funktioniert, indem er kaltes und warmes (rücklaufendes) Wasser in einem einzigen Tank speichert. Während des Ladevorgangs wird das gekühlte Wasser durch die an den Speicher angeschlossenen Leitungen in den unteren Teil des Behälters gepumpt, während eine gleiche Menge warmes Wasser aus dem oberen Abschnitt entnommen wird. Während des Entladens wird das gekühlte Wasser von unten abgezogen, während die gleiche Menge an heißem Wasser von oben eingefüllt wird. Beim Be- und Entladen kommt es zu einem natürlichen Phänomen, das als thermische Schichtung bezeichnet wird, d. h. heißes Wasser (geringe Dichte) bleibt oben, während sich kaltes Wasser (hohe Dichte) am Boden des Behälters absetzt.
Zeitliche Entwicklung der Wärmespeicherung
CFD-Simulation der Temperaturverteilung im Laufe der Zeit
Wie optimiert man einen Wärmespeicher?
Optimierung der Höhe der Thermokline
Als Ergebnis der thermischen Schichtung wird ein Übergangsbereich (Temperaturgradient), die sogenannte Sprungschicht, zwischen den warmen und kalten Bereichen mit einer Temperatur zwischen dem Eiswasservorlauf und dem Eiswasserrücklauf gebildet. Diese lauwarme Zone hat wenig Energiewert. Die Thermocline bewegt sich beim Laden allmählich von unten nach oben und beim Entladen von oben nach unten. Die Dicke der Sprungschicht stellt die Ineffizienz des Pufferspeichers dar. Je effizienter der Pufferspeicher ist, desto dünner wird die Sprungschicht.
Die Leistung des Pufferspeichers hängt nur von der thermischen Schichtung ab, die von folgenden Faktoren beeinflusst wird:
- Temperaturverlust in der Umgebung aufgrund von Wärmeleitung. (Falsche Isolierung)
- Tank-Design. (Gewünschte Höhe und Durchmesser – dies ermöglicht eine bessere Schichtung)
- Gestaltung der Ein- und Austrittsöffnung des Diffusors. (was eine laminare Strömung ermöglicht, um das Mischen von Fluidregionen zu verhindern und so die Schichtung zu fördern)
- Einrichtung einer physischen Kompartimentierung und Auswahl spezifischer Diffusoren zur Förderung der laminaren Strömung.
Optimierung durch CFD-Simulation
Mit Hilfe einer numerischen Simulation der Strömungsdynamik (CFD) unterstützt Sie EOLIOS bei der Konzeption Ihrer Speicher.
- Die Temperaturverteilung des Tanks kann kartiert werden.
- Die Vorhersage der Dicke der Sprungschicht, die mit Hilfe von Testsimulationen optimiert werden kann.
- Design, Analyse und Optimierung von Ballons
- Visualisierung der Physik der Flüssigkeitsströmung im gesamten Puffertank
- Entwurf und Optimierung der Anzahl der Unterteilungen,
- Die Temperatur, die Geschwindigkeit und der Druck an jedem Punkt des Tanks können zu jedem Zeitpunkt des Prozesses vorhergesagt werden.
- Weitere Beobachtungen und Schlussfolgerungen können aus jeder gegebenen Designbedingung gezogen werden.
CFD-Simulation eines thermischen Wasserspeichers
Untersuchung der Temperaturentwicklung des Wasserkreislaufs
Um die Temperaturentwicklung eines Wasserkreislaufs am Ausgang eines Wärmespeichers zu berechnen, müssen mehrere physikalische Phänomene berücksichtigt werden. Hier sind die wichtigsten Schritte der Berechnung:
- Energiebilanz des Pufferspeichers: Zunächst muss eine Energiebilanz des Pufferspeichers erstellt werden, um die zwischen dem Wasser und dem Speicher ausgetauschte Energie zu ermitteln. Diese Bilanz berücksichtigt in der Regel die Wärmekapazität des Wassers, die Wärmeverluste des Speichers und die Energiegewinne oder -verluste durch die Wärmetauscher innerhalb des Speichers.
- Wärmeverluste: Die Wärmeverluste des Speichers müssen in Abhängigkeit von seiner Konstruktion, seiner Isolierung und dem Temperaturunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Speichers berechnet werden. Diese Verluste können je nach Wärmeaustauschfläche, Wärmeleitfähigkeit des Materials und anderen Umgebungsbedingungen variieren.
- Wasserfluss in der Schleife: Um die Temperaturentwicklung der Wasserschleife am Ausgang des Speichers zu berücksichtigen, muss der Wasserfluss in der Schleife bekannt sein. Diese Durchflussmenge kann von vielen Faktoren beeinflusst werden, wie z.B. der Leistung des Wärmetauschers, dem Temperaturunterschied zwischen dem ein- und austretenden Wasser und dem hydraulischen Widerstand des Kreislaufs.
- Wärmeaustausch mit der Umgebung : Wenn das Wasser durch den Kreislauf zirkuliert, kann es auch Wärmeenergie verlieren oder gewinnen, je nach den Umgebungsbedingungen. Wenn der Wasserkreislauf beispielsweise einem kalten Luftstrom ausgesetzt ist, kann sich das Wasser schneller abkühlen. Der Wärmeaustausch mit der Umgebung muss daher bei der Berechnung der Temperaturentwicklung berücksichtigt werden.
In Abhängigkeit von diesen Faktoren und der Dynamik des Wasserkreislaufs kann ein mathematisches Modell erstellt werden, um die Temperaturentwicklung im Laufe der Zeit zu berechnen. Diese Modellierung kann komplex sein und Differentialgleichungen erfordern, um alle beteiligten Variablen und physikalischen Phänomene zu berücksichtigen.
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