Einfluss von Beladeeinrichtungen auf die thermische Schichtung in Warmwasserspeichern

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Die thermische Nutzung von Solarenergie kann einen wesentlichen Beitrag zur Substitution von fossilen Energieträgern und damit zur Verringerung von CO2-Emissionen liefern. Dabei spielt die Speicherung der thermischen Energie eine entscheidende Rolle. Eine gute Wärmedämmung des Speichers vorausgesetzt ist ein zuverlässiges Be- und Entladesystem ein wichtiger Bestandteil zur Verringerung der inneren Verluste des Speichers, was sowohl über den ökonomischen Erfolg einer Solaranlage entscheiden kann als auch zur ressourcen-schonenden und effizienten regenerativen Energieversorgung beiträgt. Einen wesentlichen Schwerpunkt der Arbeit bilden die grundlegenden Untersuchungen zu den Strömungsvorgängen innerhalb des Beladesystems (Naheffekte). Vorrangig werden hier Speicher größer 20 m³ betrachtet. Dabei stellen sich die strömungstechnischen Vorgänge in Schichtenbeladesystemen als sehr komplex heraus. Es werden zwei wesentliche Effekte (Ansaugeffekt 1 und Ansaugeffekt 2) herausgearbeitet, die hauptsächlich zur Vermischung von warmem und kaltem Fluid im Belader sowie zum Abbau bzw. zur Zerstörung der thermischen Schichtung führen. Zur Minimierung dieser Effekte werden neue Beladergeometrien entwickelt und getestet. Anhand von umfangreichen Parametervariationen werden zwei Auslegungskriterien für die geometrische Gestaltung des Beladers in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen erarbeitet. Erst dadurch lassen sich das Beladeverhalten wesentlich verbessern und Mischungsvorgänge im Belader vermeiden. Durch die Charakterisierung der Mischungsvorgänge außerhalb des Beladesystems (Ferneffekte) ist es möglich, die Mischungsvorgänge, die durch die Ausströmung des Beladefluids aus dem Schichtenbelader hervorgerufen werden zu berechnen. Dieses bietet die Möglichkeit einer umfassenden Bewertung des Beladeverhaltens der untersuchten Schichtenbeladesysteme unter verschiedenen Bedingungen. Die daraus resultierenden Ergebnisse liefern weitere Erkenntnisse über die günstige Gestaltung und Auslegung des Beladesystems. Ein drittes Auslegungskriterium wird herausgearbeitet, deren Anwendung vor allem das gleichzeitige Ausströmen von Beladefluid an mehreren Auslassöffnungen ausschließen kann. Abschleißend werden die vorrangig aus Simulationen gewonnenen Erkenntnisse in einem 2 m³ großen Versuchsspeicher unter praxisnahen Bedingungen validiert. Die Tests werden für drei Beladevolumenströme und vier verschiedene zeitabhängige Temperaturprofile durchgeführt. Insgesamt acht Beladesysteme werden getestet und das jeweilige Beladeverhalten miteinander verglichen. Dabei zeigten die nach den in dieser Arbeit entworfenen Richtlinien ausgelegten Belader das beste Schichtungsverhalten und die geringsten Mischungseffekte im Speicher. Damit stehen Richtlinien für die Auslegung von Schichtenbeladern für große Warmwasserspeicher zur Verfügung, mit denen ein günstiges Beladeverhalten unter gegebenen Betriebsbedingungen erzielt werden kann.