Hierarchisch durchströmte Wärmeübertrager mit offenporösen Faserstrukturen für instationäre Prozesse

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Emmerich Tempfli

Einen wesentlichen Anteil des Gesamtprimärenergieverbrauchs stellt der Bereich der Bereitstellung von Niedertemperaturwärme sowie von Nutzkälte in Gebäuden dar, weshalb das Einsparpotential und die damit zusammenhängende, mögliche CO2 -Reduktion hier besonders hoch ist.
Ein Weg zur effizienten Nutzung von Primärenergieträgern, sowie Abwärme und solarerzeugter Wärme zur Raumheizung bzw. -klimatisierung ist der Einsatz thermisch angetriebener Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen. Eine vielversprechende Möglichkeit auf diesem Weg bietet die Adsorptionstechnik, welche ein verhältnismäßig großes Entwicklungspotential beinhaltet.
Der zugrunde liegende Mechanismus ist der exotherme Prozess der Adsorption. Hier wird über die Anlagerung eines gasförmigen Adsorptivs (z.B. Wasserdampf) an ein mikroporöses Adsorbens (z.B. Zeolith) Wärme freigesetzt, welche über die Ankopplung an einen Fluidkreis abtransportiert wird. Der Adsorptionsprozess ist ein reversibler Vorgang, d.h. durch Zufuhr von Wärme (über den thermisch angekoppelten Fluidkreis) kann das Adsorbens vollständig desorbiert, d.h. regeneriert werden. Durch die zyklische Abfolge von Adsorption und Desorption lässt sich eine Wärmepumpe bzw. Kältemaschine realisieren.
Eine Limitierung der Leistungsfähigkeit gründet auch auf der nicht optimierten thermischen Ankopplung an den Fluidkreis. Zudem stellt die zeitlich stark variierende Wärmeübertragung eine besondere Herausforderung für eine leistungsfähige Wärmeübertragerstruktur dar.
Aufbauend hierauf besteht das Ziel des Dissertationsprojektes in der Entwicklung eines neuartigen, hierarchischen Wärmeüber- tragers, welcher den speziellen Anforderungen der Adsorptionswärmepumpe angepasst ist und eine deutlich verbesserte thermische Ankopplung an den Fluidkreis erzielt.
Zur Lösung dieser Problematik wird ein - von der Natur inspirierter - Ansatz gewählt. Die Fluidkanäle durchziehen dabei die Adsoberplatte in einer fraktalen Struktur, wobei der Wärmeaustausch durch Einbringen offenporöser Verbindungsstrukturen
zwischen den zu- und abführenden Kanälen verstärkt wird. Dieser bionische Ansatz gründet auf den "Wärmeübertragerstruktren" im organischen Gewebe in welchen u.a. der Wärmeaustausch über ein kapillares Verbindungsgeflecht (5 - 15 µm) von Arterien zu den Venen erfolgt. (Im Vergleich zu Kapillaren lassen sich in offenporigen Schwamm-/Faserstrukturen Porenabmessungen bis herunter zu ca. 100 µm erreichen.)
In der aktuellen Forschung werden die hierarchischen Wärmeübertragungsebenen getrennt untersucht und auf einfachere Modelle abgebildet. Basierend auf den einfacheren Modellfunktionen wird eine multikriterielle Optimierung des Gesamtsystems unter den speziellen Randbedingungen durchgeführt um die optimale Wärmeübertragerstruktur zu erhalten.

Förderzeitraum:
01.07.2011 - 30.06.2014

Institut:
Karlsruher Institut für Technologie Fachgebiet Strömungsmaschinen (FSM)

Betreuer:
Prof. Dr. Martin Gabi

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