Kühlschrank für Bohrlöcher Dauerhafte Kühlung von Elektronik bei Temperaturen über 200 C
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- Inge Bayer
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1 Kühlschrank für Bohrlöcher Dauerhafte Kühlung von Elektronik bei Temperaturen über 200 C Benedict Holbein KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
2 Realisierung einer Kompressions-Kältemaschine im Bohrlochformat Wärmeabgabe an die Umgebung Einstellbare Kälteleistung und Kühltemperatur Dauerhafte Kühlung durch reversiblen Kältemaschinen-Prozess Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
3 * W zu Teilprozesse 1 2 Verdampfung (isobar + isotherm) 2 2 * Überhitzung 2 * 3 Verdichtung (überhitzter Dampf) 3 4 Kondensation (isobar isotherm) 4 4 * Unterkühlung 4 * 1 Expansion (isenthalp) Verdampfung unterhalb der einzustellenden Kühlraumtemperatur Verdichtung des Dampfes auf eine Kondensationstemperatur größer der, der Umgebung Expansion des Kondensats auf Ausgangszustand Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
4 Acetone Verdampfungs- Temperatur: < 70 C Kondensations- Temperatur: > 200 C Prozesswerte thermodynamisch Druckverhältnis (-) Massenstrom (g/s) Abgabewärme (W) Kälteleistung (W) Verdichtungsleistung (W) 40,5 1, Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
5 H 2 O Verdichtungsleistung abhängig von: Kondensations-Druck Verdampfungs-Druck Massenstrom Prozesswerte thermodynamisch Druckverhältnis (-) Massenstrom (g/s) Abgabewärme (W) Kälteleistung (W) Verdichtungsleistung (W) 154 0, Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
6 Hexane Phasengrenzkurvenverlauf ist ausschlaggebend für den Expansionsverlauf Nicht alle Stoffe mit passenden Phasenwechsel- Temperaturen sind geeignet Prozesswerte thermodynamisch Druckverhältnis (-) Massenstrom (g/s) Abgabewärme (W) - Kreisprozess nicht möglich - Kälteleistung (W) Verdichtungsleistung (W) Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
7 Ethanol Von Vorteil sind: Hohe Verdampfungsenthalpie Hoher Flüssiganteil nach Expansion Niedriger Kondensations- Druck Prozesswerte thermodynamisch Druckverhältnis (-) Massenstrom (g/s) Abgabewärme (W) Kälteleistung (W) Verdichtungsleistung (W) 124 0, Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
8 Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
9 Cooling While Drilling Hochtemperatur Logging Dauer Monitoring Einsatz Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
10 Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
11 Tracer ph Logging Gamma-Strahlung Monitoring IR Messung Casing Reparatur Nützlich für verschiedenste Bohrloch-Tools Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
12 Modularer integrierbarer Aufbau Nachrüstung für lange Einsatzzeiten Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
13 Glas-Dewar, Duran Polymer, Alpa Sil EH Lagerung des Dewars Protektor, Stahl Glas-Dewars für den Einsatz im Sichtbereich oder auch im Bereich von Sensoren Stahl-Dewars Eigene Dewar-Herstellung mit individueller Geometrie und Eigenschaften Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
14 Untersuchung des Kühlprozesses Testen der Komponenten Umgebungstemperaturen bis 250 C Austauschbare Komponenten Teilprozesse isoliert untersuchbar Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
15 Wärmeübergang von Elektronik Wärmeübertragung an Umgebung/(Mud) Kältemittelauswahl Auslegung der Wärmetauscher Optimierung des Designs Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
16 Untersuchung der Expansion Verschiedene Stoffe und Temperaturen Test unterschiedlicher Drossel- Komponenten Anpassen an gewünschten Massenstroms Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
17 Probleme mit Aufrechterhaltung des Prozesses aufgrund der Verdichtung Suche nach einem geeigneten Dichtungskonzept Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
18 Autoklav für Versuche in realistischer Umgebung Innendurchmesser 250 mm Innenhöhe: 2500 mm Druck: 600 bar Temperatur: 200 C Medium: Wasser Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
19 Peltier Kühlung Wärmeübertragung durch Peltier-Effekt: Elektrischer Strom zwischen dotierten Halbleitern führt zu Wärmetransport PCM Kühlung Wärme wird bei Phasenwechsel des PCM-Stoffes absorbiert Kühlleistung: Q ab = Q Peltier Q Joule Q W.Leitung Wärme -Fluss Metall-Brücke P- Leiter Keramik N- Leiter Metall-Brücke P- Leiter N- Leiter Kühlleistung: Q ab = m PCM t Kühlung h + cp T l T 0 Metall- Brücke Metall-Brücke Keramik - + Metall- Brücke Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
20 Quelle: Deltron AG Peltier Kühlung Der Wärmetransport durch den Peltier-Effekt ist proportional zum Strom. Der elektrische Verlust ist proportional zum Strom im Quadrat. Mit zunehmendem Strom wächst der elektrische Verlust schneller als der Wärmetransport durch den Peltier-Effekt. Ab einer bestimmten Stromstärke steigt Kühlleistung trotz Erhöhung des Strom nicht weiter, sondern nimmt ab. PCM Kühlung Umgebungs- Temperatur Max. Elektronik- Temperatur PCM Start- Temperatur Grund- Wärmeeintrag 200 C 90 C Eis 0 C 100 W Wärmeeintrag durch Speicher- Gehäuse Ges. Wärmeeintr ag Masse Speicher- Länge Einsatz- Zeit 12 W 110 W 2,3 kg 0,8 m 3 h 120 W 220 W 22,8 kg 8,1 m 15 h Wärme bleibt im System Zeitlich begrenzte Kühlung Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
21 Quelle: mikrocontroller.net Volle Nutzbarkeit elektronischer Systeme + Komponenten Optimierte + miniaturisierte Elektronik-Bauteile Schnelle + günstige Entwicklung Quelle: elektronik-labor.de Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
22 Quelle: Bisherige Versuche zur Projektfinanzierung waren erfolglos Die Realisierung des Kühlsystems erfordert Zeit und Geld Ein Verbundprojekt mit Anwendern wird angestrebt IAI Beitrag Kühlsystem Simulation Konstruktion Infrastruktur Fertigungsbegleitung Experimente Projekt Skizzenerstellung Veröffentlichungen Partnersuche Stand Konzept Komponenten-Design Prozess-Berechnung Erprobung Teststände Nötig Anwendung Finanzierung Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
23 Flexible Hochtemperatur Kühlung ohne Zeitlimit Breite Palette der Standardelektronik einsetzbar Kühlung während des gesamten Bohrloch-Zyklus Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
24 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit. Wer einen kühlen Kopf bewahrt, findet bessere Lösungen auch dafür wie man warme Füße bekommt Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
25 Dr. Jörg Isele Neues KIT-Geothermielabor
26 Ergänzung - Mehrstufenkonzept Erweiterung des Temperaturbereichs durch eine 2. Stufe 370 C bspw. mit Kältemittel: Wasser 200 C 220 C 56.4 C Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
27 Ergänzung - Mehrstufenkonzept Kühltemperatur bei steigendem Aufwand erhöhbar 465 C 450 C 420 C 385 C 350 C Benedict Holbein: Kühlschrank für Bohrlöcher GeoTherm Expo & Kongress 2015, Offenburg
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