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Kurzfassung

Wärmeübertragung zwischen zwei strömenden Fluide

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Hintergrund

Eine im Vergleich zu anderen Konzepten (Druckluft­speicher, Redox-Flow-Batterien) sehr kostengünstige, bis zu Temperaturen von 1100 °C geeignete und beliebig skalierbare Lösung bieten Hochtemperatur(HT)-Wärmespeicher mit kera­mischen Formsteinen, die mit dem nachfolgend vorgestellten HT-Wärmeübertrager hoher Leistung verbunden werden können.

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Bilder & Videos

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Problemstellung

Um den bereits zu beobachtenden weltweiten Klimawandel zu aufzuhalten, ist die Umstellung der weltweiten Energiewirtschaft auf erneuerbare Energien zwingend erforderlich. Da das Angebot an Wind- und Solarenergie großen zeitlichen Schwankungen unterliegt, sind lokale und regionale Energiespeicher mit hoher Speicherkapazität (im Bereich mehrerer 100 MWh) erforderlich, die schnell be- und entladen werden können.

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Lösung

Der HT-Wärmeübertrager ist als Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager ausgeführt. Ein erstes, ein Außenrohr durchströmendes Fluid wird durch eine erste Reihe aus mehreren spiralförmig gebogenen hohlen Wärmeübertragerelementen zu einer Umlenkkammer geführt, dort umgelenkt und durch eine zweite Reihe gleichartiger Wärmeübertragerelemente zum Außenrohr zurückgeführt.
Ein zweites Fluid durchströmt die Lücken zwischen den spiral¬förmigen, eine große Oberfläche und eine geringe Wandstärke aufweisenden Wärme¬übertragerelementen, wodurch eine effiziente Wärmeübertragung zwischen den beiden senkrecht zueinander strömenden Fluiden erzielt wird.
Thermomechanische Spannungen, die zu einer Material¬ermüdung führen könnten, werden durch die spiralförmige Ausführung der Wärmeübertragerelemente und durch eine Teilung der Umlenkkammern in jeweils zwei Abschnitte, die mithilfe eines fluiddichten Verbindungselements nahezu spannungsfrei gegeneinander verdrehbar sind, minimiert.
Alle Komponenten sind aus HT-festem Stahl oder Materialien mit vergleichbarer HT-Festigkeit (z. B. Graphitbänder in den Verbindungselementen) gefertigt.
Beliebig viele HT-Wärmeübertrager können durch Reihen- oder Parallelschaltung zu einer modularen Wärme¬übertrager¬einheit verbunden werden, wodurch anwendungsspezifisch erforderliche Übertragungsleistungen bis hin zu mehreren 10 MW realisierbar sind.

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Vorteile

 

Der HT-Wärmeübertrager zeichnet sich durch eine hohe Robustheit und Temperaturwechsel­beständigkeit aus, woraus eine hohe Zyklenfestigkeit und eine lange Lebensdauer von bis zu 50 Jahren resultieren. Er bildet das ideale Bindeglied zwischen einem HT-Wärmespeicher und einer Kraftwerks­anlage (Gasturbine). Bei Nutzung von Kraft-Wärme-Kopplung ist derzeit ein Wirkungsgrad von 80 % erreichbar. Ein weiteres Einsatzfeld sind Abluftreinigungsanlagen, z. B. an chemischen Reaktoren. Heiße, mit aggressiven Gasen belastete Abluft, wird mithilfe des HT-Wärmeübertragers effizient herunter­gekühlt, sodass Prozesswärme zurückgewonnen wird.

Aufgrund seines modularen Aufbaus kann der HT-Wärme­übertrager an beliebige Anlagengeometrien angepasst werden.

 

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Anwendungsbereiche

• Dynamische Energiespeicher
• Energierückgewinnung