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Reducing uncertainties in the numerical simulation of melting processes in phase change materials by a systematic model analysis using temperature dependent material properties

Subject Area Technical Thermodynamics
Term from 2017 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 338765414
 
Final Report Year 2023

Final Report Abstract

Latente thermische Energiespeicher können durch das wiederholte Erstarren und Schmelzen eines Phasenwechselmaterials große Mengen thermischer Energie in einem kleinen Temperaturintervall speichern. Dadurch sind sie für viele Anwendungsgebiete attraktiv. Zur Dimensionierung dieser Speicher kommen neben teuren Experimenten auch numerische Methoden zum Einsatz. Bisher war die Vorhersagegenauigkeit dieser numerischen Methoden nicht bekannt. Da viele Parameter Einfluss auf die Ergebnisse der numerischen Methoden haben, bietet es sich an die Methoden systematisch zu untersucht und dadurch Möglichkeiten und Wege aufzuzeigen sie zu verbessern. In diesem Projekt wurde dazu ein auf CFD-Simulationen von Einzelkapseln beruhendes, schnell-rechnendes Modell eines makroverkapselten latenten thermischen Energiespeichers erstellt und die Parameter mit dem größten Einfluss identifiziert. Weiterhin wurden die damit erzielten Ergebnisse mit Versuchsdaten verglichen, um die Genauigkeit der Simulationsergebnisse dazulegen. Im Projektantrag wurden einige Forschungsfragen aufgestellt, die wie folgt zu beantworten sind: • Kann mit einem vereinfachten Modell für makroverkapselte thermische Energiespeicher, unter Berücksichtigung der Unsicherheiten, eine Übereinstimmung mit einer Abweichung von maximal ±10 % mit Experimenten garantiert werden? Nein. Hauptsächlich wegen des unsicheren Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Wärmeträgerfluid und Kapsel liegt die maximale Abweichung sowohl bei der thermischen Leistung als auch bei der Beladedauer über 10 %. • Welche Unsicherheiten in den Randbedingungen und den Stoffdaten haben den größten Einfluss und müssen daher in erster Linie genauer bestimmt werden, um die Unsicherheit zu verringern? Beim vereinfachten Modell des makroverkapselten Energiespeichers hat der Wärmeübergangskoeffizienten im Speicher mit sehr großem Abstand den größten Einfluss auf die thermische Leistung und die Beladedauer. Er muss daher genauer bestimmt werden um die Unsicherheit der Simulationsergebnisse zu verringern. Dies kann dadurch geschehen, dass der Wärmeübergangskoeffizient durch gezielte Experimente oder auch Simulationen an die tatsächlich vorliegende Geometrie und Randbedingung angepasst wird. • Ist die Validierung von Modellen für makroverkapselte Speicher ebenso in Frage zu stellen wie für viele CFD-Modelle, die das Aufschmelzen mit natürlicher Konvektion beschreiben? Für das vereinfachte Speichermodell ist die Validierung in Frage zu stellen (siehe Frage 1). Im Gegensatz dazu ist die Übereinstimmung bei der CFD-Simulation des Kontaktschmelzens in einer Einzelkapsel sehr gut. Die relative Abweichung der Aufschmelzdauer liegt unter 5 %. Da die CFD-Simulationen einer Einzelkapsel gute Ergebnisse liefern, jedoch die Verknüpfung mit dem Wärmeträgerfluid über den Wärmeübergangskoeffizienten für die große Unsicherheit sorgt, bietet es sich an das Wärmeträgerfluid in die CFD-Simulationen einzubinden. Dadurch würde auf Kosten der Rechenzeit die Modellgenauigkeit deutlich erhöht.

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