LBE-cooled tube receiver performance - Design aspects and high-flux operation in a solar furnace

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.
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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.

The potential of molten lead bismuth eutectic (LBE) as heat-transfer fluid in tubular thermal central receivers in concentrating solar power plants is assessed in this thesis. Two approaches are taken: a) the theoretical review of LBE's properties and existing design tools and b) the design, construction, commissioning and early operation of a solar furnace and a small scale LBE-cooled receiver therein with a thermal solar power of 10kW.

LBE has several advantageous as well as some unfavorable properties for its application in large-scale, commercial application in thermal receivers: a high thermal conductivity and low viscosity, however, its average mass specific heat capacity and very high density lead to higher minimum entropy generation of LBE during convective heat transfer compared to two alternative heat transfer fluids, solar salt and sodium. ... mehrLBE is also expensive.

The requirement of a controlled oxygen content for corrosion protection in stainless steel tubes limits the operation temperature range: Either LBE's low melting temperature or its potential for operation at a higher upper temperature limit compared to solar salt cannot be utilized.

A literature review indicates furthermore that fluids with low Prandtl numbers, and LBE in particular, show a high sensitivity with regard to non-uniform heat flux boundary conditions. In conventional thermal tubular receivers the coolant flow is subject to heat flux along only half of the tubes' circumference. For low-Prandtl number fluids, and in case of LBE quite significanty, the application of Nusselt number correlations for uniform heat flux and fully turbulent flow will lead under such condition to a significant under-estimation of the maximum wall temperature and the resulting thermo-mechanical stresses in the steel wall. Alternative design methods are presented.

The experimental operation of the LBE loop indeed shows higher-than-expected outer wall temperatures of the receiver tubes for operation with LBE. However, LBE is also inherently safer than for example sodium and therefore well suited as a model fluid for the investigation of liquid metal heat transfer characteristics and model receiver operation.

The design of key LBE-loop components is described and first-hand experimental results presented. During commissioning of the loop, heat fluxes of 4 MW/m$^2$ have been successfully applied to the thermal receiver.

Furthermore, a flux scanner was developed which utilizes an un-cooled heat flux micro sensor (HFM) to scan the solar flux distribution by means of a circular and superimposed linear motion pattern. It was designed, build and finally calibrated in the solar simulator of the German Aerospace Center (DLR) in Cologne, Germany.