Wärmerückgewinnung aus Partikeln mittels kugelförmiger Wärmeträgermedien in solaren thermochemischen Kreisprozessen

Felinks, Jan; Scherer, Viktor; Hoffschmidt, Bernhard

doi:HT019597102

Wärmerückgewinnung aus Partikeln mittels kugelförmiger Wärmeträgermedien in solaren thermochemischen Kreisprozessen = Heat recovery from particles using spherical heat transfer media in solar thermochemical cycles

Felinks, Jan^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan Felinks

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (IX, 198 Seiten)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Hoffschmidt, Bernhard (Thesis advisor)^RWTH* ; Scherer, Viktor (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-05-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-220684
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/715061/files/715061.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solare Komponenten (DLR) (421010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
thermochemischer Kreisprozess (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird ein Wärmerückgewinnungssystem für einen solar betriebenen thermochemischen Kreisprozess zur Produktion von Wasserstoff bzw. Synthesegas untersucht. Die Rückgewinnung der sensiblen Wärme aus dem eingesetzten Redoxmaterial kann den Prozesswirkungsgrad deutlich steigern. Zunächst wurde ein Konzept entwickelt, um Wärme aus einem partikelförmigen Redoxmaterial zurückzugewinnen. Dazu wird ein festes, kugelförmiges Wärmeträgermedium genutzt, welches die Wärme vom reduzierten auf das oxidierte Redoxmaterial überträgt. Durch direkten Kontakt des Redoxmaterials und des Wärmeträgermediums in einer Mischung kann Wärme sehr effizient übertragen werden. Mit einer Kombination von mehreren Gleichstromwärmeübertragern wird so ein Quasigegenstromprinzip erreicht. Eine Analyse zeigt die maximal erreichbare Wärmerückgewinnungsrate dieses Konzepts. Anschließend wurde der Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Redoxmaterial und dem Wärmeträgermedium untersucht. Dafür wurde ein in der einschlägigen Literatur weit verbreitetes analytisches Modell auf die charakteristischen Eigenschaften der binären Mischung angepasst. Darüber hinaus wurde ein Teststand entwickelt, um den Wärmetransport experimentell zu untersuchen. Für die Planung und Auswertung der Experimente wurde die Methode der statistischen Versuchsplanung genutzt. Dabei zeigte sich, dass Wärmeverluste unvermeidbar sind und durch zusätzliche Versuche ermittelt werden mussten, um die Messwerte zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten zu korrigieren. Das Ergebnis ist ein empirisches Modell, welches einen signifikanten Einfluss der untersuchten Einflussfaktoren und Wechselwirkungen auf den Wärmeübergangskoeffizienten beschreibt. Unter Berücksichtigung des Wärmeübergangskoeffizienten und der Materialeigenschaften wurde das untersuchte Wärmerückgewinnungssystem im Detail berechnet. Dabei wurden die verschiedenen Stufen einzeln betrachtet. Unter der Annahme einer Geometrie für das System konnten weiterhin die Wärmeverluste bestimmt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das untersuchte Konzept das Potenzial hat eine zufriedenstellende Wärmerückgewinnungsrate zu erreichen und somit den Prozesswirkungsgrad deutlich zu steigern. Schlussendlich wurde analysiert, wie die Wärmerückgewinnungsrate weiter erhöht werden kann. Dazu wurden Vorschläge unterbreitet die Eigenschaften der verwendeten Materialien und die Atmosphäre im System anzupassen. Darüber hinaus wurden zwei abgewandelte Konzepte vorgestellt, mit deren Einsatz die maximal erreichbare Wärmerückgewinnungsrate des untersuchten Konzepts übertroffen werden kann. Auf Basis des kugelförmigen Wärmeträgermediums wurde außerdem ein Reaktorkonzept beschrieben, welches mit dem untersuchten Wärmerückgewinnungssystem kombiniert werden kann.

In the present work, a system to recover heat from a solar driven thermochemical cycle for hydrogen or syngas production was investigated. The recovery of the sensible heat from the used redox material can increase the process efficiency significantly. In the beginning, a concept was developed to recover heat from a particulate redox material. Therefore, a solid, spherical heat transfer medium is used, which transports the heat from the reduced to the oxidised redox material. Because of the direct contact between the redox material and the heat transfer medium in a mixture, heat can be transferred efficiently. In a combination with several co-current heat exchangers a quasi-counter-current principle is reached. An analysis shows the maximum achievable heat recovery rate of this concept. Afterwards, the heat transfer coefficient between the redox material and the heat transfer medium was investigated. Therefore, a well-known analytic model from the relevant literature was adapted to the characteristic properties of the binary mixture. Furthermore, a test rig was developed to examine the heat transfer experimentally. The method design of experiments was used to plan and analyse the experiments. It was found that heat losses are unavoidable and that they had to be identified by further tests to correct the measured values, which are necessary to determine the heat transfer coefficient. The result is an empirical model that describes the influence of the investigated factors and interactions on the heat transfer coefficient. Taking the heat transfer coefficient and the material properties into consideration, the heat recovery system was calculated in detail. Every single stage was examined separately. Assuming a geometry for the system, the heat losses were determined. The results show that the analysed concept has the potential to reach a satisfactory heat recovery rate and to increase the process efficiency significantly. Finally, it was examined how the heat recovery rate can be further increased. It was proposed to change the properties of the used material and the atmosphere in the system. Furthermore, two modified concepts, which can reach a higher maximum heat recovery rate than the investigated concept, were introduced. Based on the spherical heat transfer medium, a reactor concept, which can be combined with the analysed heat recovery system, was described.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)