Entwicklung von Stellvertretermodellen für die Beschreibung von latenten thermischen Speichern mit makroverkapseltem Phasenwechselmaterial

• Antragsteller: Dr.-Ing. Andreas König-Haagen
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444616738

Bisher stehen zur Beschreibung eines vollständigen latenten thermischen Energiespeichers mit makroverkapseltem Phasenwechselmaterial (engl. phase change material, PCM) nur stark vereinfachte Modelle zur Verfügung. In umfangreichen Vorarbeiten konnte allerdings gezeigt werden, dass einzelne Kapseln dieser Speicher bereits zufriedenstellend mit Hilfe von CFD-Simulationen beschrieben werden können. Die CFD-Simulation eines vollständigen Speichers ist jedoch aufgrund der benötigten Rechen- und Speicherkapazität nicht umsetzbar. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, basierend auf CFD-Modellen Stellvertretermodelle abzuleiten, welche die Phasenwechselvorgänge in latenten thermischen Energiespeichern mit makroverkapseltem PCM präzise wiedergeben, dabei allerdings nur einen Bruchteil des Rechenaufwandes einer vollständigen CFD-Simulation benötigen. Die zu entwickelnden Stellvertretermodelle gliedern sich dabei in zwei Gruppen. Die erste Gruppe stellen Datenfit-Stellvertretermodelle dar, die wiederum in CFD-Stellvertretermodelle und Echtzeitmodelle unterteilt werden können. In den CFD-Stellvertretermodellen wird das Wärmeträgerfluid explizit simuliert, wohingegen die Kapseln mit Hilfe von Randbedingungen und die daran gekoppelten Datenfits berücksichtigt werden. Die Echtzeitmodelle approximieren im Gegensatz dazu das Verhalten des gesamten Speichers mittels Datenfits. Die zweite Gruppe an Stellvertretermodellen basiert auf einer Projektion eines hochauflösenden Modells auf einen Unterraum, wodurch die Anzahl der zu lösenden Gleichungen stark reduziert wird. Dieses Verfahren wird zuerst in MATLAB auf Stefan-Probleme angewandt und anschließend mit den gewonnen Erkenntnissen auf CFD-Simulationen von latenten thermischen Energiespeichern mit makroverkapseltem PCM übertragen. Im Rahmen dieses Vorhabens sollen die folgenden Fragestellungen beantwortet werden:1. In welchem Umfang sind Anpassungen an bestehenden CFD-Modellen notwendig, um mit diesen Stellvertretermodelle für latente thermische Energiespeicher mit makroverkapseltem PCM ableiten zu können?2. Wie groß sind die Abweichungen zwischen Stellvertretermodellen und CFD-Modell für die Simulation einer Einzelkapsel?3. Eignen sich projektionsbasierte Stellvertretermodelle für eine Anwendung auf latente thermische Energiespeicher mit makroverkapseltem PCM und latente thermische Energiespeicher im Allgemeinen?4. Wie gut ist für einen vollständigen Speicher die Übereinstimmung der Stellvertretermodelle mit Versuchsergebnissen?5. Fallen die Abweichungen von vereinfachten zu detaillierten Stellvertretermodellen in Relation zu den Abweichungen zu Experimenten ins Gewicht?6. Wie wirken sich die Rand- und Startbedingungen auf die drei zuvor genannten Punkte aus?7. Welchen Einfluss hat die Wahl der Übergabeparameter auf den Aufwand bei der Erstellung der Stellvertretermodelle und den Rechenaufwand sowie die Genauigkeit der mit den Stellvertretermodellen durchgeführten Simulationen?

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Spanien
• Gastgeber: Professor Koldobika Martin Escudero