Die Energiewende in Deutschland ist in vollem Gange. Durch den gezielten Ausbau der erneuerbaren Energien steigt gleichzeitig der Anteil der fluktuierenden Energiequellen entsprechend an. Dies erfordert effiziente und wirtschaftliche Speichertechnologien zum Ausgleich der Diskrepanz zwischen Energieangebot und -nachfrage. Ebenfalls wird eine solche Speichertechnologie zur effizienten Nutzung von thermischer Abwärme benötigt. Als mögliches Konzept wird hierfür ein Latentwärmespeicher betrachtet, der das Prinzip des Direktkontaktes nutzt. Bei diesem Speichertyp steht das Speichermedium, ein Phasenwechselmaterial (PCM), im direkten Kontakt mit dem Wärmeträgerfluid (WTF), zum Beispiel einem Mineralöl. Die Auslegung solcher Systeme ist komplex, da stetig sich ändernde wärmeübertragende Flächen im Speichersystem vorliegen und bisher keine Daten zum Wärmeübergang des 3-phasigen Systems Wärmeträgerfluid, flüssiges PCM, festes PCM bekannt sind. Zur Ermittlung der charakteristischen Kenndaten des Speichersystems wie der wärmeübertragenden Flächen und der Wärmeübergangskoeffizienten ist zu Beginn eine Beschreibung des Schmelz- und Kristallisationsvorgangs erforderlich, da hier unterschiedliche und somit zeitlich veränderliche wärmeübertragende Flächen und Wärmeübergangskoeffizienten vorliegen. Folgende drei Bereiche werden im Direktkontaktlatentwärmespeicher unterschieden: Bereich 1: Das PCM liegt im festen und das WTF im flüssigen Aggregatszustand vor: Bereich 1 liegt zu Beginn des Schmelz- und zum Ende des Kristallisationsvorgangs vor. Das PCM wird erwärmt bzw. abgekühlt. Bereich 2: Das PCM befindet sich im Phasenwechsel und das WTF verbleibt im flüssigen Aggregatszustand. Im Bereich 2 wird das PCM geschmolzen bzw. kristallisiert. Bereich 3: Das PCM wie auch das WTF liegen im flüssigen Aggregatszustand vor: Bereich 3 liegt zu Beginn des Kristallisations- und zum Ende des Schmelzvorgangs vor. Das PCM wird abgekühlt bzw. erwärmt. In den beiden Bereichen 1 und 3 liegen hierbei eindeutige wärmeübertragende Flächen und Wärmeübergangskoeffizienten vor. Im Bereich 2, dem Phasenwechsel, verändern sich die wärmeübertragenden Flächen sowie auch die vorliegenden Wärmeübergangskoeffizienten stetig in Abhängigkeit der Zeit bzw. des Anteils an festem / flüssigen PCM. Zur Ermittlung der unbekannten, aber notwendigen Auslegungsdaten, wie der wärmeübertragenden Flächen und der entsprechenden Wärmeübergangskoeffizienten für die unterschiedlichen Bereiche des Schmelz- und Kristallisationsvorgangs, werden Versuchsaufbauten auf 2 Größenskalen entwickelt und gebaut, an denen die grundsätzlichen Eigenschaften und die upscale-Möglichkeiten erarbeitet werden. Zunächst wird im Labormaßstab das Konzept der direkten Wärmeübertragung nachgestellt, wobei ein Speicherbehälter mit einer PCM-Masse von 0,60 kg und einer WTF-Eintrittsöffnung im Boden des Speicherbehälters realisiert worden ist. Um den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen WTF und festem (Bereich 1) bzw. schmelzendem PCM (Bereich 2) ermitteln zu können, wird ein künstlicher Kanal mit einem Durchmesser von 6 mm innerhalb des PCM erzeugt und abschnittsweise die Öltemperatur innerhalb des Kanals sowie die PCM- Temperatur erfasst, wobei die Erfassung der PCM-Temperatur Rückschlüsse auf die Innenwandtemperatur des Kanals erlaubt. Zur Detektion der Temperatur der im Kanal aufsteigenden Ölphase wird ein neuartiges, am Institut für Prozessmesstechnik und innovative Energiesysteme entwickeltes Messsystem verwendet, welches optisch die Temperatur erfasst. Bei dieser optischen Temperaturerfassung wird die vom Öl emittierte Wärmestrahlung mittels einer 910 µm dicken Glasfaser zu einer Indiumgalliumarsenid-Photodiode geleitet, welche Wärmestrahlung in einem Wellenlängenbereich von 1,1 bis 2,2 µm detektiert. Mit Hilfe von Computertomographie werden die wärmeübertragenden Flächen und die Kanalstruktur innerhalb des PCM für den Bereich 1 experimentell bestimmt. Zur Bestimmung der wärmeübertragenden Fläche für den Bereich 2, wird beispielhaft der Schmelzvorgang für den künstlichen Kanal betrachtet. Durch die Erfassung der Temperatur innerhalb des PCM auf unterschiedlichen Höhen wird ein idealisiertes Aufschmelzmodell des Kanals entwickelt, mit Hilfe dessen die wärmeübertagende Fläche als Funktion der Zeit und der Höhe abgeleitet werden kann. Um den Wärmeübergangskoeffizienten für den Bereich 3 zwischen Öl und flüssigem PCM zu ermitteln, wird das Temperaturprofil in Strömungsrichtung der einzeln im flüssigen PCM aufsteigenden WTF-Tropfen nahinfrarot-optisch mittels der Glasfaser erfasst. Dies ist durch die hohe Messfrequenz des eigens entwickelten Messgerätes von 2000 Temperaturmessungen pro Sekunde möglich. Die wärmeübertragende Fläche für den Bereich 3 wird aus optischen Aufnahmen der Tropfen abgeleitet. Im Anschluss wird an einer Technikumsanlage eines Direktkontaktlatentwärmespeichers mit einer PCM-Masse von 12,0 kg und 18 WTF-Eintrittsöffnungen die Übertragbarkeit der ermittelten charakteristischen Kenndaten aus der Laboranlage gezeigt. Für Bereich 1 und 3 liegen eindeutige wärmeübertragende Flächen als auch Wärmeübergangskoeffizienten vor, welche ermittelt worden sind. Für Bereich 1 beträgt die wärmeübertragende Fläche 168,1 cm² und für den Bereich 3 24,61 cm². Der Wärmeübergangskoeffizient für den Bereich 1 beträgt 87 W/m² K und für Bereich 3 1845 W/m² K. Für Bereich 2 wird beispielhaft das Schmelzen betrachtet. Hier ist die wärmeübertragende Fläche eine Funktion der Zeit und der Kanalhöhe. Der Wärmeübergangskoeffizient im Bereich 2 steigt mit zunehmender Zeit bis zu einem Maximalwert von 459 W/m2 K an und fällt im Anschluss schlagartig ab. Das Abfallen wird mit einer Änderung im Wärmeübergangsmechanismus erklärt. Die anschließende Übertragung der Ergebnisse aus der Labor- auf die Technikumsanlage zeigt eine gute Übereinstimmung.

The energy revolution in Germany is in full swing. At the same time, the targeted expansion of renewable energies is increasing the proportion of fluctuating energy sources accordingly. This requires efficient and economical storage technologies to balance the discrepancy between energy supply and demand. Such a storage technology is also required for the efficient use of thermal waste heat. A latent heat storage system using the principle of direct contact is considered as a possible concept. In this storage system, the storage medium, a phase change material (PCM), is in direct contact with the heat transfer fluid (WTF), for example a mineral oil. The dimensioning of such systems is complex, since continuously changing heat transfer surfaces are present in the storage system and no data on heat transfer of the 3-phase system heat transfer fluid, liquid PCM, solid PCM are known so far. In order to determine the characteristic data of the storage System such as the heat transfer surfaces and the heat transfer coefficients, a description of the melting and crystallization process is required at the beginning, since different and thus temporally variable heat transfer surfaces and heat Transfer coefficients are present. The following three sections are distinguished in the direct contact latent heat storage system: Section 1: The PCM is in the solid state and the WTF in the liquid state: Section 1 is present at the beginning of the melting process and at the end of the crystallization process. The PCM is heated or cooled. Section 2: The PCM is in phase change and the WTF is in liquid state. In this section, the PCM is melted or crystallized. Section 3: The PCM as well as the WTF are in the liquid state: This happens at the beginning of the crystallization process and at the end of the melting process. In this section the PCM is either cooled or heated. In both sections, 1 and 3, there are clear heat transfer surfaces and heat Transfer coefficients. In section 2, the phase change, the heat transfer surfaces as well as the existing heat transfer coefficients change continuously as a function of time or the proportion of solid / liquid PCM. In order to determine the unknown yet necessary dimensioning data, such as the heat Transfer surfaces and the corresponding heat transfer coefficients for the different sections of the melting and crystallization process, experimental set-ups on two size scales are developed and built on which the basic properties and upscale possibilities are elaborated. First, the concept of direct heat transfer is simulated on a laboratory scale, whereby a storage tank with a PCM mass of 0.60 kg and one WTF inlet opening in the bottom of the storage tank has been realized. In order to determine the heat transfer coefficient between WTF and solid (section 1) or melting PCM (section 2), an artificial channel with a diameter of 6 mm is created within the PCM and the oil temperature within the channel and the PCM temperature are recorded in sections, whereby the recording of the PCM temperature allows conclusions to be drawn about the internal wall temperature of the channel. In order to determine the temperature of the oil phase rising in the channel, an innovative measuring System developed at the Institute for Process Control and Innovative Energy Conversion is used, which measures the temperature optically. In the process, the thermal radiation emitted by the oil is conducted to an indium gallium arsenide photodiode by means of a 910 µm thick glass fiber, which detects thermal radiation in a wavelength range from 1.1 to 2.2 µm. Computer tomography is used to experimentally determine the heat transfer surfaces and the channel structure within the PCM for section 1. To determine the heat transfer area for section 2, the phase change, the melting process for the artificial channel is considered as an example. By measuring the temperature within the PCM at different heights, a melting model of the channel is developed, which can be used to derive the heat transfer surface as a function of time and height. In order to determine the heat transfer coefficient for the section 3 between oil and liquid PCM, the temperature profile in the direction of flow of the WTF droplets rising individually in the liquid PCM is measured near-infrared optically by means of the glass fiber. This is possible due to the high measuring frequency of the specially developed measuring device of 2000 temperature measurements per second. The heat transfer surface for section 3 is derived from optical images of the drops. Subsequently, the transferability of the determined characteristic data from the laboratory plant will be demonstrated at a pilot plant of a direct contact latent heat storage system with a PCM mass of 12.0 kg and 18 WTF inlet openings. For sections 1 and 3 there are clear heat transfer surfaces as well as heat transfer coefficients which have been determined. For section 1 the heat transfer area is 168.1 cm² and for section 3 24.61 cm². The heat transfer coefficient for section 1 is 87 W/m² K and for section 3 1845 W/m² K. For section 2, melting is considered as an example. In this case, the heat transfer surface is a function of time and channel height. The heat transfer coefficient in section 2 increases with time up to a maximum value of 459 W/m² K and then drops suddenly. The drop is explained by a change in the heat transfer mechanism. The subsequent transfer of the results from the laboratory to the pilot plant shows good agreement.