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P. Drochter:
"Auslegung, Konstruktion und Errichtung eines Festbettregenerators";
Supervisor: H. Walter; Insitut für Energietechnik und Thermodynamik, 2016; final examination: 2016-01.

Due to sustainable industrial power plants, energy storage systems are now more significant for
the industrial energy process and the ambient environment. Therefore, a regenerator energy
storage unit was designed, constructed and erected for the Institute for Energy Systems and
Thermodynamics (IET) of the Vienna University of Technology. The specific properties and the
dynamic performance of such an energy storage system can be evaluated and analysed with the
measurement system installed.
The pilot plant consists of the following main components: blower-machine, air heater, butterfly
valves and the heat storage container. Furthermore, pressure-, temperature- and mass flow
measurement instruments have been installed to accumulate data on the physical behaviour of
the inserted heat storage material.
There are two operation modes for the fixed bed regenerator: charging and discharging of energy.
Within the charging mode, energy in form of heat is stored by the storing material. Air is sucked
from the surrounding environment with the help of a blower and leaves it in direction of the pipe
network of the test rig. Within the tube network different arranged valves define the flow pass
through the network. During the charging mode the air flows from the blower through the air
preheater, where the air is heated up to the maximal allowed system temperature of the fixed bed
regenerator. The heated air enters the fixed bed regenerator at the top and leaves it at the bottom
in direction to the chimney. During the air flow through the storage container heat is transferred
from the air to the storage material. The charging process is finished, if the air temperature at the
storage outlet has reached a defined temperature. After that, the valves changes their position and
the discharging process starts. During the discharging process the sucked air bypasses the air
preheater and enters the storage device with ambient temperature at the bottom. The air is heated
up during it is flows through the storage unit. The heated air leaves the fixed bed regenerator at
the top in direction to the chimney.
In an initial step, an analytical and a numerical dimensioning was realised for the pilot plant
design. Important specific parameters, for example, the pressure loss over the storage device and
the electrical power of the air heater, were centralized in analytical functions for a dependence
analysis. Due to the importance of the storage material properties with regards to the non-steady
state numerical temperature calculation, a storage material has been selected as initial parameter.
The non-steady state calculation method Step-based method II, proposed by Hausen [1], has been
used for the prediction of the temperature distribution inside the storage material. The unknown
geometrical parameters of the storage material shape and the container referred to the procedural parameters with analytical functions. With these functions, an iterative approach has been realised to get the necessary geometrical inputs for the construction part of this thesis.
Due to the thermo mechanical requirements which depend on the storage material, two storage containers were developed and built for the regenerator pilot plant. The first container is designated for bricks, the second for bulk material.
The designed pilot plant has been erected for initial operation in the research lab provided by IET.
First measurements with the bulk material container have been successfully realised with a large amount of loose gravel. The measurement results are presented at the end of this thesis for an
initial analysis.

Energiespeicher spielen in der heutigen Zeit eine besondere Rolle in Bezug auf einen nachhaltigen
industriellen Anlagenbetrieb. Im Zuge dieser Diplomarbeit ist eine Festbett-Regenerator
Versuchsanlage für das Institut für Energietechnik und Thermodynamik (IET) der TU Wien
konzipiert, konstruiert, gebaut und errichtet worden. Die Dynamik des Ein- und
Ausspeicherungsverhaltens innerhalb eines solchen Wärmespeichers können mit der gebauten
Versuchsanlage vermessen und analysiert werden.
Die Versuchsanlage kann vereinfacht auf die Komponenten Gebläse, Luftheizregister, Absperrklappen
und Speichermaterialbehälter reduziert werden. Um die physikalischen Gegebenheiten
abzubilden sind Messtechnikkomponenten für Durchfluss-, Temperatur- und Druckmessung
eingebaut.
Das Gebläse fördert kalte Umgebungsluft mit einem konstanten Massenstrom in das
Rohrleitungssystem. Je nach Betriebszustand, schalten die eingebauten Absperrklappen den Heizoder
Kühlbetrieb. Im Heizbetrieb wird die geförderte kalte Umgebungsluft über die dafür
eingestellte Absperrklappenstellung in das im Rohrnetzwerk integrierte Luftheizregister auf die
gewünschte Einspeicherungstemperatur gebracht. Das Luftheizregister heizt elektrisch mit den
darin befindlichen Widerstandsheizwendeln den Luftmassenstrom. Die somit an die Luft
abgegebene Wärme wird im Speicherungsbetrieb an das im Festbett-Regenerator befindliche
Speichermaterial abgegeben.
Für die Versuchsanlagen Auslegungsrechnung wurden analytische und numerische Berechnungsmethoden
herangezogen. Wichtige Kennwerte, wie in etwa der Druckverlust und die benötigte
Heizleistung, wurden in Bezug auf die zu wählenden geometrischen Abmessungen in einer
funktionalen Abhängigkeit dargestellt. Des Weiteren dienen die analytischen Berechnungsschritte
für die Eingabe der numerischen Temperaturverteilungsrechnung. Hierfür wurde das von
Hausen vorgestellte Stufenverfahren II [1] herangezogen und verwendet. Mittels einer iterativen
Vorgehensweise wurde mit dem erstellten Formelwerk eine Auswahl für die konstruktiven und
verfahrenstechnischen Anlagenparameter gefunden. Die Festlegung der geometrischen Faktoren,
wie zum Beispiel die Speicherhöhe und der Leer-Strömungsquerschnitt, stellen die Eingabeparameter
für den in Folge durchgeführten konstruktiven Prozess dieser Arbeit dar. Neben den
in der Auslegung geometrisch gewählten Parametern, bildet die Wahl des Speichermaterials eine
fundamentale Berechnungsgrundlage für den Wärmeübergang und den Druckverlust. Somit
bildet die Speichermaterialwahl den wichtigen Grundstein für die weitere Anlagenauslegung.
Aufgrund von thermomechanischen Speichermaterialanforderungen wurden zwei Speichermaterialbehälter
entwickelt und gebaut. Ein Behälter ist für die Lagerung von Formsteinen mit
einem quadratischen Strömungsquerschnitt ausgeführt, der zweite Behälter ist mit einem konisch konzipierten Mantel für die Schüttungslagerung gebaut. Neben den eigens für die Anwendung konstruktiv erstellten Anlagenkomponenten, sind die benötigten Zukaufkomponenten beschafft worden. Messtechnik sowie das Luftheizregister bilden den an dieser Stelle zu erwähnenden
Anteil der zugekauften Komponenten.
Für erste Analysen sind bereits in dieser Arbeit erste Messungen der Versuchsanlage präsentiert.

sensible Wärmespeicher , Konstruktion, Errichtung, Festbettregenerator

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_248016.pdf