Numerical and Experimental Investigation of Transient Two-phase Flow Phenomena in Concentrated Solar Power Plants with Direct Steam Generation

Hoffmann, Alexander; Hampel, Uwe; Pitz-Paal, Robert

doi:36687

Numerical and Experimental Investigation of Transient Two-phase Flow Phenomena in Concentrated Solar Power Plants with Direct Steam Generation = Numerische und experimentelle Untersuchung von transienten Zweiphasenströmungsphänomenen in solarthermischen Kraftwerken mit Direktverdampfung

Hoffmann, Alexander^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexander Hoffmann

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (xvi, 184 Seiten) : Illustrationen, Diagramma

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitz-Paal, Robert (Thesis advisor) ; Hampel, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-10-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-09613
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/708050/files/708050.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/708050/files/708050.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solartechnik (DLR) (412910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
1D-simulation (frei) ; ATHLET (frei) ; direct steam generation (frei) ; parabolic trough collector (frei) ; solar once-through boiler (frei) ; two-fluid model (frei) ; two-phase flow (frei) ; wire-mesh sensor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei der Direktverdampfung in Parabolrinnenkollektoren wird Wasser erwärmt und verdampft, der entstehende Dampf wird anschließend überhitzt und kann einer Dampfturbine zugeführt werden. Der Betrieb eines solchen Systems im Zwangsdurchlaufkonzept wurde inder Vergangenheit erfolgreich gezeigt und die Wirtschaftlichkeit für großskalige Kraftwerke bestätigt. Dennoch existieren Wissenslücken über die vorherrschende Zweiphasenströmung in den Receiverrohren, die die Kommerzialisierung eines solchen Systems verlangsamen können. Der Zwangsdurchlaufbetrieb zeigt nachweislich Temperaturoszillationen im Übergangsgebiet von der Zweiphasenströmung zur einphasigen Dampfströmung. Diese verursachen thermische Spannungen in den Receiverrohren und reduzieren mitunter deren Lebensdauer. Für eine belastbare Wirtschaftlichkeitsanalyse bedarf es einer genauen Kenntnis darüber.Die vorliegende Arbeit schließt Wissenslücken über spezielle Phänomene der Zweiphasenströmung, die unter den typischen Randbedingungen von Parabolrinnenkollektoren mit Direktverdampfung auftreten können. Intermittierende Strömungsformen und Wellenströmungen, die Siphoninstabilität und Strömungsinstabilitäten werden hinsichtlich ihrer Relevanz auf das Verdampfungsende untersucht, wobei spezielle numerische und experimentelle Methoden angewendet werden. Für die numerischen Simulationen wird ein eindimensionales Zweifluid Modell eingesetzt, welches einen tieferen Einblick in die Zweiphasenströmung im Vergleich zu homogenen Strömungsmodellen gibt. Die Experimente werden mit einem Gittersensor durchgeführt, der erstmalig direkt die instationäre Dampfverteilung im Querschnitt des Receiverrohres ermittelt. Die Durchführung der Versuche findet im Verdampferbereich der DISS Versuchsanlage auf der Plataforma Solar de Almería in Spanien statt. Eine analytische Untersuchung des Zweifluid Modells bestätigt, dass es eine instabile Phasengrenze unter bestimmten Bedingungen erkennen kann und damit den Übergang zu einer nicht-stratifizierten Strömung identifiziert. Die Simulationen zum Strömungsregime werden mit den Experimenten validiert. Darüber hinaus zeigen die numerischen Ergebnisse, dass intermittierende oder wellige Strömungen den Verdampfungsendpunkt beeinflussen können. Mit dem Gittersensor werden Schwallströmungen, Wellenströmungen mit großen Amplituden, Wellenströmungen und stratifizierte Strömungen im Druckbereich von 30 − 80 bar gemessen. Die Siphoninstabilität kann numerisch nicht in den U-förmigenVerbindungsleitungen unter üblichen Betriebsbedingungen nachgewiesen werden. Dabei war der hohe Betriebsdruck das ausschlaggebende Kriterium. Die präsentierten Ergebnisse vergrößern das Wissen über den Verdampfungsprozess in den Receiverrohren und steigern die Vertrauenswürdigkeit in die Technologie. Folgende Forschungsarbeiten sollten die Gittersensormessungen im Verdampferbereich fortsetzen und auf das Übergangsgebiet von der Zweiphasenströmung zur einphasigen Dampfströmung erweitern. Damit kann die Datenbasis vergrößert werden und die Belastbarkeit und Reproduzierbarkeit unter den vielfältigen Einflussparametern verbessert werden.

The direct steam generation process in parabolic trough collectors of CSP plants heats and evaporates water to obtain steam that is subsequently superheated to feed a steam turbine. Recently, this process was proven in economic and operational perspectives in the once-through mode to be a promising option for large-scale commercial plants. Nevertheless, knowledge gaps about the two-phase flow could deter the deployment of this type of power plant. The once-through mode implies temperature oscillations at the transition region from two-phase flow to superheated steam that induces thermal stresses in the receiver and could reduce the receiver's lifetime. The uncertainties complicate a reliable economic analysis. The thesis aims to enrich the existing pool of knowledge about the two-phase flow under specific conditions in state-of-the-art parabolic trough facilities with direct steam generation. The objective is to state the relevance of intermittent flows and wavy flows, severe slugging, and flow instabilities regarding the implications at the end of the two-phase flow region by means of advanced numerical and experimental tools. The numerical simulations use the capabilities of a one-dimensional two-fluid model that gives a deeper insight into the two-phase flow compared to the previously used homogeneous equilibrium models. The unique experiments are performed with a single wire-mesh sensor, which measures the local instantaneous void fraction and has been installed in the low-quality region of the DISS test facility at the Plataforma Solar de Almería in Spain for the first time. It is analytically shown that the two-fluid model can identify unstable liquid-gas interfaces in certain conditions that would initiate the transition to a non-stratified flow. The numerical results of intermittent and wavy flow are validated by wire-mesh sensor experiments, suggesting that thermal oscillations at the end of the two-phase flow are linked to the transient two-phase flow pattern in the evaporator. The wire-mesh sensor measures slug flow, roll waves, wavy flow, and stratified-wavy flow in the horizontal receiver pipes within pressures of 30 to 80 bar.In the simulation, severe slugging could not be observed in the U-shaped connection pipes under typical operating conditions - this can mainly be ascribed to high-pressure conditions. The obtained findings enhance the understanding of the evaporation process in the receiver pipes and improve the confidence in this technology. Subsequent research should increase the number of experiments in the low-quality region and extend the measurements towards the high-quality region. These efforts will yield a full collection of reliable and reproducible data for the investigated system that is affected by many and various influencing parameters.

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