Studium der Wärmespeicherung
EOLIOS optimiert Wärmespeicher:
- Design, Analyse, Optimierung
- Temperaturverteilung
- Thermocline-Dicke
- Studium der Kompartimentierung
- Übergangsstudium
- Energieoptimierung
- HP-Optimierung
- Berechnung von Druckverlusten
- Laminare Strömung
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Studie zum Thermalreservoir
Thermische Speicherung 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.
Funktion
Thermische Wasserspeicherung
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
Wie optimiert man einen Wärmespeicher?
Höhe der Sprungschicht optimieren
Als Folge der thermischen Schichtung bildet sich zwischen dem warmen und dem kalten Bereich mit einer Temperatur zwischen Eiswasservorlauf und Eiswasserrücklauf ein Übergangsbereich (Temperaturgradient), der als Sprungschicht bezeichnet wird. 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 ausschließlich von der thermischen Schichtung ab, die von diesen Faktoren beeinflusst wird:
- Temperaturverlust in der Umgebung aufgrund von Wärmeleitung. (Falsche Isolierung)
- Reservoir-Design. (Gewünschte Höhe und Durchmesser – was eine bessere Schichtung ermöglicht)
- 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)
- Implementierung einer physikalischen Kompartimentierung und Auswahl eines spezifischen Diffusors zur Förderung der laminaren Strömung.
Optimierung durch CFD-Simulation
Mithilfe einer numerischen Simulation der Fluiddynamik (CFD) unterstützt Sie EOLIOS bei der Konzeption Ihrer Speicher.
- Die Reservoirtemperaturverteilung kann abgebildet werden.
- Die Vorhersage der Dicke der Sprungschicht, die mit Testsimulationen optimiert werden kann.
- Design, Analyse und Optimierung von Ballons
- Visualisierung der Physik der Flüssigkeitsströmung im gesamten Puffertank
- Gestaltung und Optimierung der Fächeranzahl,
- Temperatur, Geschwindigkeit und Druck an jedem Punkt des Reservoirs können zu jedem Zeitpunkt des Prozesses vorhergesagt werden.
- Aus jeder gegebenen Designbedingung können weitere Beobachtungen und Schlussfolgerungen 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 im Inneren des Speichers.
- Wärmeverluste: Die Wärmeverluste des Speichers müssen aufgrund seiner Konstruktion, seiner Isolierung und des Temperaturunterschieds zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Speichers berechnet werden. Diese Verluste können je nach Wärmeaustauschfläche, Wärmeleitfähigkeit des Materials und anderen Umweltbedingungen variieren.
- Im Kreislauf zirkulierender Wasserdurchfluss: Um die Temperaturentwicklung des Wasserkreislaufs am Ausgang des Speichers zu berücksichtigen, muss der im Kreislauf zirkulierende Wasserdurchfluss bekannt sein. Diese Durchflussmenge kann von vielen Faktoren beeinflusst werden, z. B. von der Leistung des Wärmetauschers, dem Temperaturunterschied zwischen Ein- und Austrittswasser und dem hydraulischen Widerstand des Kreislaufs.
- Wärmeaustausch mit der Umwelt : Wenn Wasser durch den Kreislauf fließt, kann es je nach Umgebungsbedingungen auch Wärmeenergie verlieren oder gewinnen. Wenn die Wasserschleife z. B. einem kalten Luftstrom ausgesetzt ist, kann das Wasser schneller abkühlen. Der Wärmeaustausch mit der Umgebung muss daher bei der Berechnung der Temperaturentwicklung berücksichtigt werden.
In Abhängigkeit von diesen verschiedenen 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.
