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T. Mitterlehner:
"Untersuchung thermomechanischer Spannungen in den Schüttungen und an Behälterwänden von Festbett- Wärmespeichern";
Supervisor, Reviewer: G. Kartnig, M. Haider, M. Egger; Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung, 2021; oral examination: 2021-06-14.

Scope of work:
Heating processes in packed bed thermal energy storages lead to an expansion of the heat storing medium (bulk material). These thermal expansions cause an increase in stress in the bulk material and between the bulk material and the energy storage wall. The magnitude of these stress increases (compression between materials) shall be determined with numerical simulations. The influence of several thermal alternating stresses - also known as "thermal ratcheting phenomenon" - shall also be investigated by calculations. Before these calculations are performed, the material characteristics of the bulk material to be used must be determined. Finally, DEM simulations with different energy storage geometries are performed.

Result:
A DEM simulation model was designed in EDEM to represent the heating and cooling processes. This calculation model serves as a basis for the investigation of thermal alternating stresses in packed bed energy storages. The material properties were determined by using the draw-down test. Depending on the flow direction (vertical and horizontal flow), different heat storage geometries can be analysed in order to achieve the most favourable stress conditions in the bulk material or in the walls of the energy storage. By comparing these thermo-mechanical stresses with the permissible stresses of the bulk material and the energy storage wall, a statement about possible damages can be made. Considering thermodynamic functionality and construction costs, a solution with inclined outer walls in the range of 10° to 20° can be derived for the vertically or horizontally packed bed thermal energy storage from a mechanical point of view.

Aufgabenstellung:
Erwärmungsvorgänge in Festbett-Wärmespeichern führen zu einer Ausdehnung des wärmespeichernden Mediums (Schüttgut). Diese Wärmeausdehnungen bewirken einen Spannungsanstieg in der Schüttung und zwischen Schüttung und Behälterwand. Das Ausmaß dieser Spannungszunahme (Pressung zwischen den Materialien) soll mit numerischen Simulationen ermittelt werden. Auch der Einfluss mehrerer thermischer Wechselbeanspruchungen - auch als "Thermal-Ratcheting-Phänomen" bekannt - soll in Berechnungen untersucht werden. Bevor diese Berechnungen stattfinden, müssen die Materialkennwerte des zu verwendenden Schüttguts bestimmt werden. Abschließend folgen DEM-Simulationen mit unterschiedlichen Wärmespeicher-Geometrien.

Ergebnis:
Zur Darstellung der Erwärmungs- bzw. Abkühlvorgänge wurde ein DEM-Simulationsmodel in EDEM entworfen. Dieses Berechnungsmodell dient als Grundlage für die Untersuchung thermischer Wechselbeanspruchungen in Festbett-Wärmespeichern. Die Bestimmung der Materialkennwerte erfolgte über den Draw-Down-Versuch. Unter Berücksichtigung der Durchströmungsrichtung (vertikale und horizontale Durchströmung) werden unterschiedliche Wärmespeicher-Geometrien untersucht, um möglichst günstige Spannungszustände in der Schüttung bzw. in den Wänden des Wärmespeichers zu erzielen. Unter Berücksichtigung der thermodynamischen Funktionalität und der Baukosten kann aus festigkeitstechnischer Sicht eine Lösung mit geneigten Außenwänden im Bereich von 10° bis 20° für den vertikal bzw. horizontal durchströmten Festbett-Wärmespeicher abgeleitet werden.

Festbett-Wärmespeicher, DEM, Diskrete-Elemente-Methode