Transient response of a packed bed for thermal energy storage

An analysis, with experimental results, for the transient response of a packed bed thermal storage unit is presented. The analysis is in two spatial dimensions and considers the influence of both axial and radial thermal dispersion for arbitrary time and radial variations in the inlet fluid temperature. Both charging and recovery modes are included. Spatial variations in void fraction are found to have significant influence on the dynamic response of both fluid and solid temperatures. An unconditionally stable numerical model is developed that predicts the two-dimensional transient response of both solid and fluid phases. The influence of radial velocity variations, wall heat capacity and wall thermal losses are considered. The analysis is valid for fluids of various Prandtl numbers. Experimental measurements of temperature distributions in a randomly packed bed of uniform spheres, with air as the working fluid, compare favorably with the analytical results over a broad range of Reynolds numbers. Results are presented for full-size rock beds which indicate pronounced effects of void distribution in such systems. On présente l'analyse, avec des résultats expérimentaux, de la réponse transitoire d'un lit fixe pour stockage thermique. L'analyse est bidimensionnelle et elle considère à la fois les dispersions thermiques axiale et radiale pour des variations arbitraires de durée et de température radiale du fluide à l'entrée. On inclut les modes de charge et de récupération. On trouve quedes variations spatiales de fraction de vide ont une influence sensible sur la réponse dynamique des températures du fluide et du solide. Un modèle numérique inconditionnellement stable prédit la réponse transitoire bidimensionnelle des phases solide et fluide. On considère l'influence des variations radiales de vitesse, des capacités thermiques et des pertes thermiques pariétales. L'analyse est valable pour des fluides à différents nombres de Prandtl. Des mesures expérimentales de température dans un lit fixe de sphères uniformes disposées au hasard se comparent favorablement avec les résultats analytiques avec l'air pour un large domaine de nombres de Reynolds. Des résultats obtenus dans des lits de cailloux indiquent un effet prononcé de la distribution des vides dans de tels systèmes. Es wird über eine Berechnung und experimentelle Ergebnisse zum Übertragungs-verhalten eines thermischen Festbettspeichers berichtet. Die Berechnung in zwei räumlichen Dimensionen berücksichtigt die Einflüsse von sowohl axialem wie radialem Wärmetransport für beliebige Zeiten und radial veränderliche Fluideintrittstemperaturen. Sowohl Beladungs- wie Entladungsbetrieb können unter-sucht werden. Unterschiedliche räumliche Anordnungen der Lücken haben, wie sich zeigt, signifikanten Einfluβ auf das dynamische Verhalten von Fluid- und Feststofftemperaturen. Ein absolut stabiles numerisches Modell wurde entwickelt, womit sich das zweidimensionale Übertragungsverhalten von sowohl der festen wie auch der flüssigen Phase berechnen läβt. Die Einflüsse der radialen Geschwindigkeits-verteilung der Wärmekapazität der Wand sowie der Wärmeverluste durch die Wände werden betrachtet. Die Berechnung ist für Fluide innerhalb eines groβen Prandtl-Zahl-Bereiches gültig. Experimentelle Messungen von Temperaturverteilungen in einem Bett zufälliger Packung aus einheitlichen Kugeln mit Luft als Arbeitsfluid stimmen mit den Rechenergebnissen über einen groβen Reynolds-Zahl-Bereich gut überein. Es werden Ergebnisse von Steinspeichern in Normalgröβe vorgelegt, die den deutlich ausgeprägten Einfluβ der Lückenanordnung in solchen Systemen zeigen. Ha ocнoвe экcпepимeитaльныч дaниыч пpoвeдeн aнaлиз нecтaциoнapнoн чapaктepиcтики aккyмyлятopa тeплoвoй энepгии c пэoтным cлoeм диcпepcнoгo мaтepиaлa. Aнaлиз пpoвoдитcя в двyч пpocтpaнcтвeнныч измepeнияч c yчeтoм кaк oceвoгo, тaк и paдиaльнoгo pacceяння тeплa зa пpoнзвoльнын oтpeзoк вpeмeнн пpн paднaльныч нзмeнeнняч тeмпepaтypы жндкocтн нa вчoдe. Paccмoтpeиы peжимы пoдвoдa и oтвoдa тeплa. Haйдeнo, чтo пpocтpaнcтвeниыe нзмeнeиия пopoзнocтн oкaзывaют cyщecтвeннoe влияннe нa динaмнчecкиe тeмпepaтypныe чapaктepнcтикн жидкocтн н твepдoгo мaтepнaлa. Paзpaбoтaнa ycтoнчнвaя чнcлeннaя мoдeль для pacчeтa двyмepныч нecтaцнoнapныч чapaктepнcтнк твepдoн н жндкoн фaз c yчeтoм влняння нзмeнeннн paдиaльнoй cкopocти, тeплoeмкocти cтeики и пoтepь тeплa cтeнкoй. Aнaлиз cпpaвeдлив для жилкocтeй, чapaктepизyющичcя paзличными знaчeииями чиcлa Пpaидтля. Peзyльтaты экcпepимeнтaльныч измepeиий pacпpeдeлeиия тeмпepaтyp в плoтиoм cлoe чaoтичecки pacпoлoжeиныч oднopoдиыч cфep, в кoтopoм в кaчecтвe paбoчeи жидкocти иcпoльзyeтcя вoздyч, чopoшo coглacyютcя c peзyльтaтaми aнaлитичecкич pacчeтoв в шиpoкoм диaпaзoиe измeнeиия чиcлa Peйнoльдca. Пpивeдeиы peзyльтaты для тpeчмepныч cлoeв из гopныч пopoд, cвидeтeльcтвyющиe o вaжиocти yчeтa пopoзиocти в тaкич cиcтeмaч.