Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Weltweit gehen über 50% der in industriellen Prozessen verwendeten Primärenergie als Abwärme verloren. Besonders hoch ist das Potenzial der Niedertemperatur-Abwärme unter 80°C, da diese Energie nebst Heizzwecken kaum sinnvoll genutzt werden kann. Der Thermo-Magnetische Motor (TMM) der Firma Swiss Blue Energy AG wandelt Wärme unter 80°C in emissionsfreie Elektrizität um. Im ersten Funktionsmuster TMM K1 wurde das physikalische Prinzip nachgewiesen, durch Nutzung des Curie-Effekts eine Drehbewegung zu erzeugen. Der Leistungsbedarf zum Betrieb der Hilfsantriebe des TMM K1 ist jedoch in vielen Betriebspunkten noch grösser, als die vom TMM K1 erzeugte Ausgangsleistung. Im vorliegenden BFE-Pilotprojekt wird die Pilotanlage TMM K2 entwickelt, welche durch Optimierung des Wirkungsgrades in den relevanten Betriebspunkten eine positive Energiebilanz bei einer Ausgangsleistung
von mind. 1 kW erreicht.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Up to 50% of the primary energy consumed in industrial processes worldwide is lost as waste heat. The potential of low-temperature waste heat below 80°C is particularly high, as this energy cannot be used in a meaningful way, except for heating. The Thermo-Magnetic Motor (TMM) of Swiss Blue Energy AG converts heat below 80°C into emission-free electricity. In the first functional model TMM K1, the physical principle of generating a rotational movement
based on the Curie effect, has been proven. However, the power required for the operation of auxiliaries is currently in the most operating points larger than the power generated by TMM K1. In the present SFOE pilot project, the pilot plant TMM K2 is developed. With efficiency optimizations, this pilot plant with the power output of 1 kW will generate more power than used by its auxiliary in all relevant operating points.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Weiterentwicklung des Thermo-Magnetischen Motors (TMM) erfordert detaillierte Kenntnisse der strömungsmechanischen Effekte während der Erwärmung/Abkühlung des magnetokalorischen Materials im Rotor. Die Modellierung des Prozesses ist aufgrund der transienten Effekte, die in Bezug auf das Strömungsverhalten und insbesondere die Wärmeübertragung eine zentrale Rolle einnehmen, sehr anspruchsvoll und nur mit einem entsprechend komplexen Modell möglich. Mit dem Ziel, den strömungsmechanischen Prozess mittels geeigneter CFD-Simulation abbilden zu können, ergaben sich etliche Herausforderungen, insbesondere im Bereich der Vernetzung infolge der komplexen Geometrie (dünne Blades bzw. schmale Strömungskanäle bei vergleichsweise grossem Rotordurchmesser). Daneben war am Anfang unklar, welche Annahmen und Vereinfachungen im Bereich der Rotor-Stator Interaktion zulässig sind, weshalb während des Projektverlaufs verschiedene Simulationsmethoden untersucht wurden. Zuerst wurde mit dem Frozen Rotor Ansatz (Multiple Reference Frame) gearbeitet, bei dem die rotierenden Bereiche fixiert sind und die Rotation lediglich über entsprechend eingeführte Impulsterme berücksichtigt wird, womit das Problem mit einem stationären Solver gelöst werden kann. Mit dieser Methode werden die transienten Effekte im Falle des TMM-Prozesses allerdings nicht ausreichend berücksichtigt, weshalb dieser Ansatz verworfen werden musste. Die anschliessend durchgeführten, vollständig transienten Simulationen mit gleitendem Netz (Sliding Mesh), wobei die Rotation realitätsgetreu berücksichtigt wird und dementsprechend sämtliche transienten Effekte aufgelöst werden, konnten den TMM-Prozess korrekt abbilden. Die Ergebnisse von drei Simulationen mit unterschiedlichen Randbedingungen (Drehzahl) lieferten wertvolle Erkenntnisse für das allgemeine Verständnis des Prozesses und trugen zur Verbesserung des internen (vereinfachten) Berechnungsmodells bei, welches für die Auslegung der neuen Demonstrationsanlage verwendet wird.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The further development of the Thermo-Magnetic Motor (TMM) requires detailed knowledge of the fluid mechanical effects during heating/cooling of the magnetocaloric material in the rotor. The modelling of the process is very demanding due to the transient effects which play an important role regarding the flow behaviour and the heat transfer in particular. Thus, a suitably complex model is required to simulate the fluid mechanical process using CFD. Several challenges arose, especially regarding the meshing of the complicated geometry (thin blades and narrow channels at a comparatively large rotor diameter). At the beginning it was unknown which assumptions and simplifications were reasonable concerning the rotor-stator interaction hence several different approaches were investigated during the course of the project. Initially the Frozen Rotor approach was used which is a steady-state approximation in which the rotating region does not rotate during the simulation but the rotational effects are incorporated by additional momentum terms. Since this method does not allow for transient effects it does not lead to useful results regarding the TMM process. Subsequently the Sliding Mesh approach was used in which the rotation is fully incorporated by moving the rotating region and thus all transient effects are sufficiently resolved. The results of three simulations with different boundary conditions (rotational speed) provided valuable insights for the general understanding of the process and contributed to the improvement of the internal (simplified) calculation model, which is used for the design of the new demonstration plant.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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La poursuite du développement du moteur thermo-magnétique (TMM) nécessite une connaissance détaillée des effets mécaniques du fluide pendant le chauffage/refroidissement du matériau magnétocalorique dans le rotor. La modélisation du procédé est très exigeante en raison des effets transitoires qui jouent un rôle important dans le comportement de l'écoulement et le transfert de chaleur en particulier. Ainsi, un modèle suffisamment complexe est nécessaire pour simuler le processus mécanique des fluides à l'aide de CFD. Plusieurs défis se sont posés, notamment en ce qui concerne le maillage de la géométrie complexe (pales fines et canaux étroits à un diamètre de rotor relativement grand). Au début, on ne savait pas quelles hypothèses et simplifications étaient raisonnables concernant l'interaction entre le rotor et le stator, c'est pourquoi plusieurs approches différentes ont été étudiées au cours du projet. Au départ, on a utilisé l'approche Frozen Rotor, qui est une approximation stationnaire dans laquelle la région en rotation ne tourne pas pendant la simulation, mais les effets de rotation sont incorporés par des termes d'impulsion supplémentaires. Comme cette méthode ne tient pas compte des effets transitoires, elle n'aboutit pas à des résultats utiles concernant le processus TMM. Par la suite, l'approche de Sliding Mesh a été utilisée, dans laquelle la rotation est entièrement incorporée en déplaçant la région en rotation et ainsi tous les effets transitoires sont suffisamment résolus. Les résultats de trois simulations avec des conditions limites différentes (vitesse de rotation) ont fourni des indications précieuses pour la compréhension générale du processus et ont contribué à l'amélioration du modèle de calcul interne (simplifié), qui est utilisé pour la conception de la nouvelle usine de démonstration.
Zugehörige Dokumente
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