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Simulative Analyse zum Hystereseverhalten von Phasenwechselmedien in Latentwärmespeichern anhand des thermischen Leistungsverlaufs
Studniorz, Alexander Roland
Latent heat storages based on phase change materials (PCM) are able to store thermal energy almost isothermally, i.e. in a narrow temperature interval. This enables efficient use of low-exergy heat sources with low temperature levels. By using the solid-liquid phase change for energy storage, latent heat storages can be realized more compact with regard to small temperature strokes than with sensible storage media. PCMs are available for many temperature ranges. For successful system integration of PCM storages, the potential and limitations of this technology must be correctly taken into account already in the design and thus in the modeling stage. A special property of PCM is the hysteresis, which describes the phenomenon that the crystallization process takes place at a lower temperature than the melting process. The model-based consideration of the hysteresis behavior requires a high implementation effort, since it is necessary to toggle between two valid h(T)-curves with the aid of an additional hysteresis model.
In model-based studies of PCM storage systems, the hysteresis is often neglected by assuming an averaged h(T)-curve. Since the neglect of the hysteresis does not follow any systematic process, verifiability of the correctness of this decision is limited. In the present work, a model of a PCM storage was built and validated using experimental data. The model was then used to compare and evaluate the calculated performance curves of 120PCMs each with and without the use of the averaged h(T)-curve. Finally, potential ordering criteria were investigated that can qualitatively account for the hysteresis behavior and correlate with the calculated deviations. The difference between the mean temperatures of the melting and solidification processes was found to be a reliable criterion.
Latentwärmespeicher auf Basis von Phasenwechselmaterialien (engl.: phase change material, PCM) ermöglichen eine nahezu isotherme Speicherung thermischer Energie, d. h. in einem schmalen Temperaturintervall. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung niederexergetischer Wärmequellen mit geringem Temperaturniveau. Durch die Ausnutzung des fest-flüssig Phasenwechsels zur Energiespeicherung können bei kleinen Temperaturhüben zudem deutlich kompaktere Speicher realisiert werden als mit sensiblen Speichermedien. Dabei stehen PCM für viele Temperaturbereiche zur Verfügung. Für eine erfolgreiche Systemintegration von PCM-Speichern müssen das Potenzial und die Grenzen der Technologie bereits in der Auslegung und damit bei der Modellierung korrekt berücksichtigt werden. Als besondere Eigenschaft von PCM ist hierbei die Hysterese zu nennen, welche das Phänomen beschreibt, dass der Kristallisationsvorgang bei einer niedrigeren Temperatur durchlaufen wird als der Schmelzvorgang. Die modellbasierte Berücksichtigung des Hystereseverhaltens erfordert einen hohen Implementierungsaufwand, da zwischen zwei gültigen Enthalpie-Temperatur-Kurven (h(T)-Kurven) mithilfe eines zusätzlichen Hysteresemodells hin- und hergeschaltet werden muss.
In modellbasierten Untersuchungen zu PCM-Speichern wird die Hysterese durch die Annahme einer gemittelten h(T)-Kurve oft vernachlässigt. Die Entscheidung zur Vernachlässigung der Hysterese folgt dabei keiner Systematik, was die Überprüfbarkeit der Ergebnisse einschränkt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein PCM-Speichermodell erstellt und anhand experimenteller Daten validiert. Mithilfe des Modells wurden dann die berechneten Leistungsverläufe von 120 unterschiedlichen PCM je mit und ohne Verwendung der gemittelten h(T)-Kurve verglichen und ausgewertet. Schließlich wurde ein Ordnungskriterium gesucht, welches das Hystereseverhalten qualitativ erfasst und mit den berechneten Abweichungen korreliert.
