LBE-cooled tube receiver performance - Design aspects and high-flux operation in a solar furnace
Creators: name: Flesch, Jonathan
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Solarthermie
konzentrierende Solarthermie
Flüssigmetalle
Blei-Bismut
Blei-Wismut
Eutektikum
LBE
flüssig
Test
Entwurf
Planung
Bau
Betrieb
Hochtemperatur
Wärmeträgermedium
Wärmeträgerfluid
Turmreceiver
Receiver
Rohrströmung
Wärmestromdichte
Natrium
Parabolspiegel
Spiegel
DNI
Turbulenz
Nusselt
Nusselt-Korrelation
Prandtl
Wärmeübergang
Kosten
solar
thermal
conentrating
liquid metal
lead-bismuth
eutectic
liquid
heat transfer fluid
tower receiver
central receiver
pipe flow
turbulence
turbulent
solar flux
dlux density
sodium
correlation
cost
parabolic
mirror
concentrator
temperature
high temperature
operation
test
design
construction

description: Diese Arbeit untersucht die Eignung von flüssigem Blei-Bismut (Pb-Bi) als Wärmetransport-Medium in zentralen Rohr-Receivern von konzentrierenden solarthermischen Kraftwerken. Dazu werden zwei Ansätze verfolgt: a) auf theoretischer Ebene werden anhand existierender Literatur die Materialeigenschaften von Pb-Bi und existierende Auslegungswerkzeuge für Flüssigmetall-Anwendungen betrachtet und b) anhand eines Praxisbeispiels wird die Auslegung, der Bau, die Inbetriebnahme sowie erste Betriebserfahrung eines Pb-Bi-gekühlten Modellkreislaufs in einem eigens errichteten Solar-Ofen im Technikumsmaßstab erprobt. Der Pb-Bi-gekühlte Solarreceiver dieses Kreislaufs besitzt eine thermische Leistung von 10 kW. Pb-Bi besitzt einige hervorragende und einige ungünstige Stoffeigenschaften für seine Anwendung in Solarreceivern im kommerziellen Groß-Maßstab: eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine geringe Viskosität stehen einer durchschnittlichen Wärmekapazität und einer sehr hohen Dichte gegenüber. Diese führen für Pb-Bi im Vergleich mit Alternativ-Wärmetransportmedien Solarsalz und Natrium beim Einsatz in Receiver-Rohren zu den höchsten Entropie-Erzeugungsraten. Pb-Bi ist darüber hinaus teuer. Im Pb-Bi muss eine definierte Sauerstoffkonzentration eingestellt werden, um die Korrosion der Edelstahl-Rohrwerkstoffe zu begrenzen. Dadurch wird allerdings der Bereich der Einsatztemperaturen eingeschränkt: Infolge dessen kann entweder der Vorteil einer geringen Schmelztemperatur von Pb-Bi nicht ausgenutzt werden, oder aber eine Betriebstemperatur oberhalb der Temperaturgrenze von Solarsalz kann nicht erreicht werden. Nach dem aktuellen Stand der Technik dient Solarsalz als Wärmetransportmedium. Die Literaturrecherche dieser Arbeit gibt deutliche Hinweise darauf, dass Fluide mit niedrigen Prandtl-Zahlen und insbesondere Pb-Bi empfindlicher als "konventionelle" Medien auf Randbedingungen mit inhomogener Wärmestromdichteverteilung reagieren. Tatsächlich werden die Rohrströmungen in konventionellen Solarreceivern nur einseitig beheizt. Unter dieser Randbedingung führen klassische Nusselt-Korrelationen, die für homogen beheizte, voll-turbulente Rohrströmung entwickelt wurden, bei Medien geringer Prandtl-Zahl zu einer deutlichen Unterschätzung der Wandtemperatur und damit einhergehend zu einer Unterschätzung der thermischen Spannungen in der Rohrwand. Daher werden alternative Auslegungsmethoden präsentiert. Erste Messungen am Pb-Bi-Kreislauf zeigen tatsächlich äußere Wandtemperaturen der Receiver-Rohre, die höher sind als von klassischen Nusselt-Korrelationen vorhergesagt. Trotz dieses Befundes hat Pb-Bi für seinen Einsatz in einem Modell-System seine Berechtigung, da es im Vergleich zu bspw. Natrium inhärent deutlich sicherer ist und kann für Receiver-Betrieb und die Untersuchung von Phänomenen, die spezifisch für Flüssigmetalle sind, verwendet werden. Diese Arbeit beschreibt die Auslegung der wichtigsten Teile des Pb-Bi-Kreislaufs und die ersten experimentellen Ergebnisse, darunter auch solche bei einer Wärmestromdichte von etwa 4 MW/m$^2$. Zur Messung derart hoher Wärmestromdichten wurde im Rahmen der Arbeit ein passiv-gekühlter Wärmestrom-Scanner entwickelt, dessen Funktion auf einem einzigen Heat-Flux-Mocro-Sensor basiert. Dieser Sensor bewegt sich während des Scannens auf einer Spiral-Bahn durch die Messebene. Dieses Messgerät wurde vor Messbeginn im Solarofen des DLR in Köln für den Betrieb kalibriert.