Simulationsergebnisse und Vergleich mit experimentellen Daten . 85

In Abbildung 47 links sind Temperaturprofile aus der Simulation bei unterschiedlichen Luftvolumenströmen dargestellt. Da der Bodenbereich analog zum realen Speicher als un-gedämmt betrachtet wurde, treten dort erwartungsgemäß die niedrigsten Temperaturen auf. Insgesamt ergibt sich eine sehr inhomogene Temperaturverteilung im Sorptionsmateri-al mit einem maximSorptionsmateri-alen Temperaturunterschied von etwa 50 K. Die Simulationsergebnisse spiegeln das experimentell gefundene Verhalten qualitativ wieder. Analog zu den experi-mentellen Ergebnissen zeigt sich auch bei der numerischen Berechnung eine inhomogene Temperaturverteilung in der Zeolithschüttung. Auch hier ergibt sich mit steigendem Luftvolumenstrom eine größere Temperaturspreizung innerhalb der Schüttung und eine geringere mittlere Temperatur. Diese signifikanten Größen werden vom Modell richtig wiedergegeben. Ergänzend dazu geht aus den Simulationsergebnissen hervor, dass die Anordnung der Wärmeübertragerwendeln einen großen Einfluss auf die Temperatur-verteilung hat. Insbesondere im mittleren Speicherbereich treten größere Abstände der Windungen auf, womit sich die in den Experimenten beobachtete Temperaturverteilung

40 m³/h 60 m³/h 80 m³/h

40 m³/h 80 m³/h Abbildung 47: Temperaturverteilung im Sorptionswärmespeicher bei unterschiedlichen

Luftvolumenströmen, ungleichmäßige Anordnung des Wärmeübertra-gers (links), gleichmäßige Anordnung des WärmeübertraWärmeübertra-gers (rechts) erklären lässt. Das Temperaturminimum in der Mitte des Sorptionswärmespeichers ist demnach auf den ungleichmäßigen Abstand der Wärmeübertragerwendeln zurückzufüh-ren.

Die stationären Simulationen entsprechen dem Zustand am Ende des jeweiligen Expe-riments, sofern dort ein annähernd stationärer Zustand erreicht wurde. Ein Vergleich der Temperaturen an den 9 Messpositionen ist in Abbildung 48 dargestellt und zeigt, dass nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation besteht. Eine Ausnahme stellt die äußere Position in der unteren Messebene bei 40 m³/h dar, die in der Simulation überschätzt wird.

Abbildung 48: Temperaturen an 9 Messpositionen im Zeolithbett aus Simulation (◦) und Experiment (annähernd stationärer Zustand) (•), Luftvolumen-strom (a) ˙V = 40 m³/h, (b) ˙V = 60 m³/h, (c) ˙V = 80 m³/h

5.2. WÄRMEÜBERGANG IM QUER ANGESTRÖMTEN KANAL 87 Das Simulationsmodell ist damit für die Erarbeitung von Optimierungsmaßnahmen geeignet. Als naheliegender Schritt wurde eine Wärmeübertragerwendel mit regelmäßiger Steigung untersucht. Das Ergebnis ist in Abbildung 47 rechts gezeigt. Es stellt sich eine deutlich homogenere Temperatur im Speichermaterial mit einem Temperaturunterschied kleiner 10 K ein.

Um dieses noch vorhandene geringe Temperaturgefälle abzubauen, kann der Wärmeüber-trager im oberen Bereich gezielt dichter gewickelt werden (siehe Abbildung 49 c). Tritt die Luft mit einer höheren Temperatur in den Sorptionswärmespeicher ein, etwa wenn die eintretende Luft in einem Wärmeübertrager durch die austretende Luft vorgewärmt wird, wird das Temperaturniveau insgesamt angehoben. Eine Zusammenfassung der Simulationsergebnisse ist in Abbildung 49 gegeben. Die Untersuchungen zeigen, dass mit den entsprechenden Maßnahmen eine einheitliche Temperatur auf hohem Niveau erreichbar ist.

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Abbildung 49: Temperaturverteilung im Sorptionswärmespeicher aus Simulation, Luft-volumenstrom 40 m³/h

5.2 Wärmeübergang im quer angeströmten Kanal mit Strömungshindernissen

Die im Sorptionswärmespeicher gespeicherte Energie wird an den Warmwasserspeicher übertragen, wenn aus diesem der Bedarf an Trinkwarmwasser nicht mehr gedeckt werden

kann. Eine gute Wärmeübertragung während des Adsorptionsprozesses ist die Voraus-setzung für einen effizienten Betrieb. Die Übertragung der Adsorptionswärme an den Warmwasserspeicher erfolgt durch die erwärmte Luft, die in radialer Richtung aus dem Sorptionsmaterial austritt und durch den ringspaltförmigen Luftkanal an der Sorptions-wärmespeicherwand entlang nach oben strömt (vergleiche Abbildung 50). Der Ringspalt wird im Folgenden als Luftkanal bezeichnet.

Der luftseitige Wärmeübergang stellt den limitierenden Faktor beim Wärmetransport vom Sorptionswärmespeicher an den Warmwasserspeicher dar. In Kapitel 4 wurde deutlich, dass in den Experimenten am realisierten Prototypspeicher nur mäßige Wärmeströme erreicht werden. Daher werden Maßnahmen zur Steigerung des Wärmeübergangs im Luft-kanal des Sorptionswärmespeichers untersucht. Der Wärmeübergangskoeffizient hängt von der Reynolds-Zahl ab und ist bei turbulenter Strömung größer als bei laminarer.

Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit durch Erhöhung des Volumenstroms bei gleicher Querschnittsfläche des Luftkanals bewirkt somit unter Umständen eine Steige-rung des Wärmeübergangskoeffizienten. Durch den Einsatz von Strömungshindernissen, sogenannten Turbulenzpromotoren, kann die Wärmeübertragung durch die Anregung von Turbulenz weiter gesteigert werden. Mit diesen Maßnahmen geht aber auch eine Erhöhung des Druckverlusts einher.

Als Strömungshindernisse können durch Walzen oder Prägen aufgebrachte Strukturen in der Wand des Sorptionswärmespeichers dienen, wie sie beispielhaft in Abbildung 51 abgebildet sind. Solche Profilbleche werden in zahlreichen Formen und Anordnungen standardmäßig hergestellt. Für die praktische Umsetzung bietet die Verwendung von profilierten Blechen im Vergleich zur aufgefalteten Wand des Prototypspeichers eine Vereinfachung für die Fertigung. Eine experimentelle Untersuchung verschiedener Strö-mungshindernisse am realen Prototyp wäre sehr aufwändig. Zielführender ist es, den Einfluss verschiedener geometrischer Veränderungen der Sorptionswärmespeicherwand

Abbildung 50: Ringspaltförmiger Luftkanal im kombinierten Warmwasser-Sorptions-wärmespeicher, schematische Darstellung der Sorptionswärmespeicher-wand mit Oberflächenstrukturen

5.2. WÄRMEÜBERGANG IM QUER ANGESTRÖMTEN KANAL 89

Abbildung 51: Beispiele für profilierte Bleche

detailliert mittels CFD-Methoden zu untersuchen, um so Informationen zum Optimie-rungspotential zu erlangen.

Im Folgenden wird zunächst der Wärmeübergang im ringspaltförmigen Luftkanal des Pro-totypspeichers mit CFD-Methoden untersucht und die Ergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen aus Kapitel 4 verglichen. Durch den Einsatz von Strömungshindernissen kann die Strömung im Luftkanal turbulent werden. Anhand eines Vergleichs mit Lite-raturdaten wird ein geeignetes Turbulenzmodell ausgewählt. In der Literatur werden Strömungshindernisse in Flügelform als gut geeignet beschrieben, um eine Erhöhung des Wärmeübergangs bei gleichzeitig geringer Erhöhung des Druckverlusts zu erreichen [30], [69]. In dieser Arbeit wird daher ein durchströmter ebener Kanal mit flügelför-migen Strömungshindernissen unter 2-dimensionaler Betrachtung untersucht und der Einfluss von Höhe, Länge und Abstand der Strömungshindernisse auf die Wärmeüber-tragung aufgezeigt. Da die Anströmung des Kanals, entsprechend der Verhältnisse im Prototypspeicher, quer zur Hauptströmungsrichtung erfolgt wird ein solcher Kanal im Folgenden auch als quer angeströmter Kanal bezeichnet. Am Ende des Kapitels werden schließlich 3D-Simulationen von Kanälen mit verschieden strukturierten Oberflächen gezeigt.¹

5.2.1 Wärmeübergang im Luftkanal des Prototypspeichers

Um einen Vergleich zwischen Simulation und Experiment vornehmen zu können, wurde ein Modell des Luftkanals des Prototypspeichers erstellt. Die Sorptionswärmespeicher-wand des realisierten Prototypspeichers besitzt keine Strömungshindernisse als Turbu-lenzpromotoren, die Auffaltung der Sorptionswärmespeicherwand erfolgt in vertikaler Richtung (vgl. Abbildung 15 oder 52) und führt lediglich zu einer größeren Mantelfläche des Sorptionswärmespeichers. Für die Simulation wurde der Luftkanal zwischen dem Sorptionsmaterial und dem Sorptionswärmespeichermantel abgebildet und dabei die Symmetrie des Speichers ausgenutzt, d.h. es wurde nur ein „aufgefaltetes Element“ (siehe Abbildung 52 links) betrachtet. Das entsprechende Simulationsgebiet ist in Abbildung 52 rechts blau dargestellt. Als Randbedingungen wurde eine gleichförmige

Luftgeschwin-1Vorarbeiten zu Kapitel 5.2 wurden in [7] und [61] durchgeführt

Abbildung 52: Sorptionswärmespeicher mit Mantel aus aufgefaltetem Blech im Schnitt (links), Simulationsgebiet, Ausschnitt des Luftkanals (rechts)

digkeit am Eintritt in das Gebiet mit einer Temperatur von 60 °C vorgegeben, für die Außenseite des Mantels eine Wassertemperatur von 20 °C bei einem konstanten Wär-meübergangskoeffizient von 300 W/(m²K). Bei einem Luftvolumenstrom von 60 m³/h werden in der Simulation 230 W über den aufgefalteten Speichermantel übertragen, was im Vergleich mit dem Experiment einen plausiblen Wert darstellt. Dort wurde bei ähnlichen Bedingungen ein Wärmestrom in der Größenordnung von 300 W über Mantel und Deckel des Sorptionswärmespeichers erreicht (siehe Abbildung 53).

Abbildung 53: Mittlere Temperatur im Warmwasserspeicher und Wärmestrom vom Sorptionswärmespeicher an den Warmwasserspeicher während eines Adsorptionsexperiments

5.2. WÄRMEÜBERGANG IM QUER ANGESTRÖMTEN KANAL 91 Die maximale Reynolds-Zahl, die bei einem Volumenstrom von 60 m³/h am oberen Ende des Luftkanals auftritt, beträgt Re_max = 1150. Berechnungen unter der Annahme einer laminaren Strömungsform sind daher gerechtfertigt. Mit höherem Volumenstrom steigt die Geschwindigkeit im Kanal und damit die Reynolds-Zahl. Die kritische Reynolds-Zahl für den Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung wird für den ebenen Spalt mit 2200 bis 3600 angegeben [72]. Turbulenz kann aber insbesondere bei Vorhandensein von Strömungsstörern bereits früher auftreten. Für die folgenden Berechnungen wird daher ein Turbulenzmodell benötigt.