Contribution to the research of the influence of process and geometric parameters on temperature stratification and efficiency of large volumetric sensible heat storage tank : doctoral thesis

Daljinsko grijanje sastavni je dio budućih „pametnih“ energetskih sustava, te u kombinaciji s ostalim tehnologijama kojima se stvara ušteda energije osigurava značajnu dobrobit za čovječanstvo i okoliš. Sustavi daljinskog grijanja četvrte generacije imati će značajnu ulogu u budućim održivim energetskim sustavima, s ciljem smanjenja uvoza fosilnih goriva u zemljama EU. Akumulacijski stratifikacijski spremnici osjetne topline velikog volumena sastavni su dio tih sustava te pozitivno utječu na dinamičke karakteristike sustava daljinskog grijanja. Istraživanje utjecaja geometrijskih i procesnih parametara na temperaturnu stratifikaciju, širinu termoklina, toplinske gubitke, toplinsku i financijsku učinkovitost stratifikacijskih akumulacijskih spremnika osjetne topline velikoga volumena i pada tlaka u radijalnom pločastom difuzoru numeričkim metodama, daje znanstveni doprinos izučavanju toplinskih i hidrauličkih pojava unutar spremnika i difuzora. Istraživanje utjecaja geometrijskih i procesnih parametara na toplinske i hidrauličke pojave unutar spremnika i difuzora provedeno je za akumulacijski stratifikacijski spremnik osjetne topline velikog volumena koji se koristi za komunalno daljinsko grijanje velikih gradova, te akumulacijske stratifikacijske spremnike koji se koriste za akumulaciju otpadne topline u industriji nafte. Analizirana je prenamjena dva spremnika teškog loživog ulja u akumulacijske spremnike topline. Pored analize utjecaja geometrije difuzora na temperaturnu stratifikaciju i toplinsku učinkovitost, analiziran je i utjecaj na pad statičkog i ukupnog tlaka unutar gornjeg ulaznog difuzora kao jednog od najvažnijih elemenata akumulacijskog spremnika. U doktorskoj disertaciji također su navedeni potrebni dijelovi i uređaji za neometan rad spremnika, te je shematski prikazan njihov smještaj na samom spremniku. Validacija matematičkih modela provedena je usporedbom rezultata numeričkih simulacija sa eksperimentalnim podacima mjerenja uzetim iz literature i podacima dobivenih mjerenjem na akumulacijskom spremniku osjetne topline koji se nalazi u TE-TO Zagreb. Kvaliteta dobivenih rezultata i točnost predikcije omogućava uvid u funkcijsku ovisnost temperature i pada tlaka o geometrijskim i procesnim parametrima akumulacijskog spremnika i radijalnog pločastog difuzora.District heating is an integral part of future smart energy systems, and in combination with other technologies that create energy savings, it provides significant benefits for humanity and the environment. Fourth-generation district heating systems will play a significant role in future sustainable energy systems, with the aim of reducing fossil fuel imports in EU countries. Large volumetric stratified sensible heat storage tanks are an integral part of these systems and ensure optimal solution of the dynamic characteristics of district heating systems. Research by numerical methods of the influence of geometric and process parameters on temperature stratification, thermocline width, heat losses, thermal and financial efficiency of large volumetric stratified sensible heat storage tanks and pressure drop in radial plate diffuser, gives scientific contribution to the study of thermal and hydraulic phenomena inside tank and diffuser. Research of geometric and process parameters on thermal and hydraulic phenomena inside tank and diffuser was done for large volumetric stratified sensible heat storage tanks used for municipal district heating, and heat storage tanks used for waste heat storage in the oil industry. The conversion of two tanks of heavy fuel oil into heat storage tanks was analyzed. In addition to analyzing the influence of diffuser geometry on temperature stratification and thermal efficiency, the influence on the static and total pressure drop inside the upper inlet diffuser as one of the most important elements of heat storage tank was also analyzed. The doctoral thesis bring up the necessary parts and devices for the smooth tank operation too, and their location on heat storage tank is schematically shown. Validation of mathematical models was performed by comparing the results of numerical simulations with experimental measurement data taken from the literature and data obtained by measurement on the sensible heat storage tank located in TPP-HP Zagreb. The quality of the obtained results and accuracy of the prediction provide insight into the functional dependence of temperature and pressure drop on the geometric and process parameters of the heat storage tank