Komponentenentwicklung mit besonderem Blick auf die energetische Optimierung)

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1 Deutsche Kälte- und Klimatagung am November 2015 Vortragsinteresse (Arbeitsabteilung II.2 Anlagen und Komponenten der Kälte- und Wärmepumpentechnik - Komponentenentwicklung mit besonderem Blick auf die energetische Optimierung) Titel: Verwendung durchströmter Bauteile zur aktiven Schaltung der effektiven Wärmeleitfähigkeit Autoren: Sabine Döge*, Christian Friebe, Andreas Hantsch, Ralph Krause Kurzfassung: In vielen technischen Prozessen ergibt sich die Notwendigkeit, im zeitlichen Verlauf die effektive Wärmeleitfähigkeit eines Bauteiles verändern zu können. Wird z. B. für einen Aufheizvorgang eine gute Wärmedämmung benötigt, kann für die Abkühlung eine gute Wärmeleitung für den Prozess vorteilhaft sein. Es wurde untersucht, inwiefern ein Bauteil durch Variation eines strömenden Fluides seine effektive Wärmeleitfähigkeit ändern kann. Das Fluid selbst kann während des Prozesses ausgetauscht und/oder einen unterschiedlichen Massenstrom aufweisen. Dabei sind neben der Wärmeleitfähigkeit auch weitere Größen wie die Wärmekapazität relevant. Es werden die Ergebnisse experimenteller und numerischer Untersuchungen vorgestellt. Diese zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit bzw. der Wärmedurchgang bis zu einem Faktor 50 verändert werden kann (siehe Abbildung). * Korrespondenzautor und Referent: Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Hauptbereich Luft- und Klimatechnik Dr.-Ing. Sabine Döge Bertolt-Brecht-Allee Dresden Tel.: sabine.doege@ilkdresden.de

2 Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Verwendung durchströmter Bauteile zur aktiven Schaltung der effektiven Wärmeleitfähigkeit Sabine Döge, Christian Friebe, Andreas Hantsch, Ralph Krause

3 Inhalt 1. Motivation und Zielstellung 2. Experimentelle Untersuchungen 3. Numerische Untersuchungen 4. Ergebnisse 5. Zusammenfassung 2

4 Motivation 1. Wärmetransporteigenschaften spielen für viele technische Geräte und Anlagen große Rolle 2. Häufig ist variable Gestaltung des Wärmetransports von Vorteil dynamische Anpassung an die Erfordernisse 3. Ermöglicht energetische Einsparungen bei thermischen Prozessen oder durch optimale Einstellung für Phasenübergang bei Kondensationsvorgängen 4. Realisierung z. B.: Wärmeleitfähigkeit einer Trennwand zwischen zwei Medien wärmeleitend oder wärmedämmend je nach Bedarf 5. Anwendung z. B.: bei Temperierung von Fassaden oder bei Haushaltgeräten 3

5 Zielstellung Ziel ist Entwicklung eines Verbundbauteils mit schaltbaren Wärmetransporteigenschaften Zweck ist die Effizienzsteigerung in thermodynamischen Prozessabläufen (Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten, Speichern ) Schaltbare Eigenschaften sind Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Schaltbar sind Fluid im Verbundbauteil Massenstrom 4

6 Wie kann der Wärmetransport praktisch beeinflusst werden? (1) Zustand wärmedämmend funktionale Ebene (z.b. Schalldämmmatte oder Gehäuse) Zustand wärmeleitend vorheriger Luftraum jetzt gefüllt oder durchströmt mit gut wärmeleitendem Fluid kleiner Wärmestrom großer Wärmestrom durch das Bauteil ruhende Luftschicht Kondensationsfläche Wärmedurchgangskoeffizient für das Verbundbauteil: k DWE = i λ i s i 5

7 Wie kann der Wärmetransport praktisch beeinflusst werden? (2) Zustand Wärmekapazität klein Zustand Wärmekapazität groß Speichermasse Fluidströmung zur Ankopplung der Speichermasse kleiner Wärmestrom großer Wärmestrom funktionale Ebene (z.b. Isolierung) Luftschichten zur Wärmedämmung Speicherbeladung/ -entladung mittlere Wärmekapazität für das Verbundbauteil: c DWE = i c i m i i m i 6

8 Experimentelle Untersuchungen 7

9 Vom Modell zum realen Durchströmten Wandelement (DWE) Fluid Wärmedämmmaterial mit Schichtdicke s WD und Wärmeleitfähigkeit λ WD Kanalwand 8

10 Versuchsvarianten Lfd. Nr. Medium dämmend Medium leitend Wärmedämmmaterial 1 Wasser Wasser WD1 2 Luft Wasser WD1 3 Luft Wasser WD2 4 Luft Luft WD1 5 Luft Luft WD2 6 Referenz 1 WD3 7 Referenz 2 WD4 9

11 Messgrößen und Sensorpositionen 10

12 Berechnung der Wärmeleitfähigkeit λ aus Messwerten Wärmedämmbetrieb Wärmeleitbetrieb q = λ WD s WD θ Zw θ O,a q = m c p θ F,a θ F,e A WÜ k DWE = q θ O,i θ O,a λ DWE = k DWE s DWE θ O,i Wandtemperatur DWE innen in C θ O,a Wandtemperatur DWE nach außen in C θ Zw Temperatur zwischen Wärmedämmmaterial und Fluid in C θ F,e Eintrittstemperatur des Fluides in C θ F,a Austrittstemperatur des Fluides in C A WÜ Wärmeübertragerfläche in m² λ WD Wärmeleitfähigkeit des Wärmedämmmaterials in W/(m K) s WD Schichtdicke des Wärmedämmmaterials in m c p Wärmekapazität des Fluides in J/(kg K) m Massenstrom des Fluides in kg/s s DWE Schichtdicke des gesamten Wandelementes in m λ DWE effektive Wärmeleitfähigkeit für das durchströmte Wandelement DWE in W/(m K) 11

13 Numerische Berechnungen 12

14 Modellierung eines durchströmten Wandelementes Numerisches Modell Berechnung 2-dimensionaler instationärer Wärmeleitung Wandelement aus 4 Teilen Kanal ist Rechteckprofil aus Polycarbonat Wärmedämmung aus verschiedenen Materialien Fluid: Im Wärmedämmbetrieb: Luft oder Wasser Im Wärmeleitbetrieb: Luft oder Wasser Kanalwand Fluid Kanalwand Wärmedämmung 13

15 Modellierung eines durchströmten Wandelementes Variantenrechnung Ausgangs- und Randbedingungen: ϑ Umgebung gemäß Experiment ϑ Fluid,in gemäß Experiment ϑ i gemäß Experiment Strömungsgeschwindigkeit gemäß Experiment (0 m/s: Wärmedämmbetrieb) Netz: verschiedene Netze: u.a. 32x(4; 1; 4; 64), 64x(32; 1; 32; 128) Variantenvergleich zum Experiment: Permutationen von Luft und Wasser im Wärmedämm- und -leitbetrieb: Luft-Luft Luft-Wasser Wasser-Wasser 14

16 Modellierung eines durchströmten Wandelementes Ergebnisse Wärmedämmbetrieb ruhende Luft ϑ W,a ϑ fl ϑ W,i ϑ i Q Bedingungen: ϑ i =60 C, u=0 m/s, Luft im Wärmedämmbetrieb im DWE-PC2 15

17 Ergebnisse 16

18 Experimentelle Ergebnisse für die Wärmeleitung und -dämmung 17

19 effektive Wärmeleitfähigkeit des DWE mit Luft [W/mK] Vergleich Experiment Berechnung (nur Luft-Luft) Einfluss Massenstrom 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Exp.-WD1 Berech.-WD1 Exp.-WD2 Berech.-WD Luftgeschwindigkeit im DWE [m/s] 18

20 Zusammenfassung 1 Schaltung zwischen Dämmung und Leitung wurde erfolgreich realisiert Schaltbereich variiert von 1:12 bis 1:50 Beste Werte für die Kombination Luft-Wasser bei WD1 und WD2 erreicht; technische Realisierung des wechselnden Mediums und der WD ist zu beachten! Numerisches Berechnungsmodell bildet Vorgang bereits gut ab, insbesondere für den Fall der Wärmedämmung Abweichungen Experiment Berechnung für den Fall der Wärmeleitung sind noch zu klären 19

21 Zusammenfassung 2 Mögliche Einsatzbereiche: Temperierung von Wänden / Bauteilaktivierung Transport und Lagerung von Kühlgut Gehäuse für Wärmeprozesstechnik Umsetzung schnell wechselnder Temperaturprofile in der Prozesstechnik 20

22 Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbh Bertolt-Brecht-Allee 20, Dresden Dr.-Ing. Sabine Döge Tel.: / sabine.doege@ilkdresden.de 21