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Forced convective heat loss from cavities of multi-megawatt scale solar receivers = Erzwungen-konvektiver Wärmeverlust von Cavities von Solarturmsystemen der Multi-Megawatt-Klasse
2018 & 2019
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-31
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-231862
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/752081/files/752081.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CSP (frei) ; CSTE (frei) ; cavity (frei) ; concentrated solar power (frei) ; concentrated solar thermal energy (frei) ; convection (frei) ; heat loss (frei) ; solar receiver (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Cavity-Receiver können den Wirkungsgrad von Solarturmsystemen erhöhen, da sie im Vergleich zu externen Receivern weniger Wärme durch Wärmestrahlung verlieren. Für große Cavity-Receiver von Solarturmsystemen der Multi-Megawatt-Klasse ist das Verständnis der erzwungenen und gemischten Konvektion jedoch noch nicht so weit fortgeschritten, dass der konvektive Wärmeverlust präzise bestimmt werden kann. Darum werden in dieser Doktorarbeit folgende Schwerpunkte untersucht: (i) der Wärmeübergang im erzwungen-konvektiven Extremum (Ri << 1) für große Cavity-Receiver (Re >= 10^6); (ii) der Wärmeübergang im gemischt-konvektiven Regime (Ri ~ 1) für große Cavity-Receiver (Gr >= 10^10, Re >= 10^6); und (iii) mögliche Maßnahmen zur Reduktion des konvektiven Wärmeverlusts. Der erzwungen-konvektive Wärmeverlust von 5 geometrischen Konfigurationen und 3 Reduktionsmaßnahmen wurde in einem Hochdruckwindkanal gemessen. Alle Modelle waren skaliert und enthielten den relevanten Teil des Turms. Das Experiment umfasste Reynoldszahlen von 1.5 x 10^6 bis 6 x 10^6, basierend auf dem Durchmesser der Cavity. Für die Messungen wurden neuartige, ringförmige Heißfilmsensoren entwickelt und auf der Innenseite der Cavity angebracht. Diese Sensoren wurden mit einem Constant-Temperature Anemometry (CTA) System betrieben. Zusätzlich wurde ein numerisches Modell anhand einer Auswahl von Windkanalmesspunkten validiert. Das numerische Modell wurde dann angepasst, um auf der Originalskala Simulationen von Cavity-Receivern der Multi-Megawatt-Klasse im gemischt-konvektiven Regime durchzuführen. Die Messungen ergaben, dass der erzwungen-konvektive Wärmeverlust einer Cavity ohne Reduktionsmaßnahme je nach Windgeschwindigkeit und -richtung mit einem Faktor von bis zu 6.1 variiert. Mit einer Reduktionsmaßnahme kann der erzwungen-konvektive Wärmeverlust für einzelne Windrichtungen um mehr als 50% reduziert werden. Zudem wurde beobachtet, dass die erzwungene Konvektion in der Cavity durch die externe Strömung direkt außerhalb der Apertur bestimmt wird. Die simulierten Fälle zeigten, dass der erzwungen-konvektive Wärmeverlust maßgeblich zum gemischt-konvektiven Wärmeverlust beiträgt. Der gemischt-konvektive Wärmeverlust ist von gleicher Größenordnung wie der Wärmeverlust durch Strahlung. Abschließend wurde gefolgert, dass eine Designoptimierung eines Cavity-Receivers eines Solarturmsystems der Multi-Megawatt-Klasse hinsichtlich des konvektiven Wärmeverlusts möglich ist, wenn der Standort und dessen meteorologischen Randbedingungen hinreichend bekannt sind.Cavity receivers may increase the efficiency of concentrated solar thermal energy (CSTE) systems because they lose less heat via thermal radiation compared to external receivers. For large CSTE cavity receivers on the multi-megawatt scale, the understanding of forced and mixed convection has not advanced enough to predict the heat loss accurately. Hence, this doctoral thesis focuses on investigating (i) the heat transfer in the forced convection limit (Ri << 1) for large cavity receivers (Re >= 10^6); (ii) the heat transfer in the mixed convection regime (Ri ~ 1) for large cavity receivers (Gr >= 10^10, Re >= 10^6); and (iii) possible convective heat loss reduction measures. The forced convective heat loss from 5 geometrical configurations and 3 reduction measures was measured in a high-pressure wind tunnel. All models were scaled and included the relevant part of the tower. The experiment covered a Reynolds number range of between 1.5 x 10^6 and 6 x 10^6, based on the cavity diameter. For the measurements, novel ringlike hot-film sensors were designed and mounted on the inside of the cavity. These sensors were operated with a constant-temperature anemometry (CTA) system. In addition, a numerical model was validated with a selection of the wind tunnel measurement points. The numerical model was then adapted to the original scale for simulations of multi-megawatt cavity receivers in the mixed convection regime. The measurements showed that the forced convection from a cavity without reduction measures strongly varies with a factor of up to 6.1 depending on the wind speed and its direction. With a reduction measure a reduction of more than 50% of the forced convective heat loss may be achieved for specific wind directions. Further, it was observed that the forced convection in the cavity is governed by the external flow characteristics in direct vicinity of the aperture. The simulated cases revealed that the forced convective heat loss contributes substantially to the mixed convective heat loss. The mixed convective heat loss results to be of the same order of magnitude as the radiative heat loss. Finally, it was deduced that the optimization of the design of a multi-megawatt CSTE cavity receiver with respect to convective heat loss is possible when a specific site is given and its meteorological boundary conditions are well known.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019922274
Interne Identnummern
RWTH-2018-231862
Datensatz-ID: 752081
Beteiligte Länder
Germany
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