SolaRück-Abschlussworkshop

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1 SolaRück-Abschlussworkshop Entwicklung eines Rückkühlers auf Basis von Kapillarrohrmatten aus Kunststoff André Große Björn Nienborg, Hannes Fugmann (Fraunhofer ISE) Dresden,

2 1. MOTIVATION EINSATZ VON KUNSTSTOFF ALS WÄRMEÜBERTRAGER 2 Allgemeine Ziele: Entwicklung eines kompakteren und leichteren Rückkühlsystems bei bestehenden wärmetechnischen Rahmenbedingungen à Gewichts- und Kostenreduzierung, Verkleinerung Footprint Referenz: RCS08 (WÜ-Fläche 220m²; Nennleistung 21kW)

3 1. MOTIVATION EINSATZ VON KUNSTSTOFF ALS WÄRMEÜBERTRAGER 3 Vorteile keine Korrosion, geringes Fouling geringere Dichte als Metall breite Anwendung in Industrie Nachteile? Thermische Wärmeleitfähigkeit Kunststoff (0,23W/m/K für PE) << Kupfer (380W/m/K) à bei geringen Materialstärken nicht ausschlaggebend für Wärmeübergangskoeffizient (λ/d) Diffusionsdichtheit à Einsatz von Inhibitoren à Beschichtung der Wärmemedium führenden Rohre

4 2. EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN KAPILLARSTRUKTUREN 4 Abmaße 35x26 cm 7 Matten á 26 Rohre (Ø 3,35mm) konst. Wasservolumenstrom Nennpunkt Referenz: 1,8m/s 42W/m²K Bei idealer Strömungsführung ca. 105 m² nötig für 21 kw Luftseitiger Wärmeübergang in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft

5 3. PLANUNG EINES VERSUCHSMUSTERS AUFBAU 5 5 Matten á 12m x 1,2mà ca. 38m² WÜ-Fläche Stellmaß 0,8 m² (Referenz 2m²) Vorgabe: ca. 1/3 Nennleistung max. 1m/s Strömungsgeschwindigkeit Luft

6 4. EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN VERSUCHSMUSTER 6 Rückkühlleistung bei Nennbedingung max. Ventilatordrehzahl dv_wasser = 4100 l/h Bei Nennbedingung 2,5 K à 5 kw Rückkühlleistung 5 kw Variation Lüfterdrehzahl Erkennbares Plateau bei bestimmtem Drehzahlfrequenzbereich à Einsparung Ventilatorleistung

7 4. EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN VERSUCHSMUSTER 7 Variation Wasservolumenstrom Luftvolumenstrom von 1000 bzw. 5000m³/h wasserseitiger Wärmeübergang nicht entscheidend à Einsparung Pumpenleistung

8 4. EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN VERSUCHSMUSTER 8 Druckverlust Luftseitig Bei 10V Steuersignal oben ca. 35-mal höherer Druckverlust als unten à Ungleichverteilung Strömungsgeschwindigkeit Wü-Höhe Geschwindigkeit

9 5. PROBLEMANALYSE UNGLEICHVERTEILUNG SIMULATION LUFTSTRÖMUNG 9 Analyse der Strömungsverteilung durch Comsol Strömungsform durch Simulation bestätigt Gleichverteilung der Druckdifferenzen durch Struktur möglichà Gesamtdruckerhöhung bis 25% Erhöhung des Wärmestroms um ca. 15% durch Gleichverteilung Bedingung: v in, bottom / v in, top <0,25

10 5. PROBLEMANALYSE UNGLEICHVERTEILUNG SIMULATION GLEICHVERTEILUNG 10 Möglichkeiten der Gleichverteilung Einsatz von Lochblech im oberen Außenbereich zur Druckverteilung Fall 1: - Lochblech mit 60% Durchlass - Ungleichverteilung liegt bei 0,19 - geringe Druckverluste - gleichbedeutend wie kein - Lochblech Fall 2: - Lochblech mit 20% Durchlass - Ungleichverteilung liegt bei 0,44 - Erhöhung des Druckverlustes um - 4-fache - Gesamtdruckerhöhung lediglich - 5%

11 5. PROBLEMANALYSE UNGLEICHVERTEILUNG SIMULATION GLEICHVERTEILUNG 11 Möglichkeiten der Gleichverteilung Einsatz von linear verdichtendem Lochblech über gesamten inneren Bereich zur Druckverteilung Fall 3: - Strömungsgitter nicht mit konstantem Durchlass - optimaler Wert 70%/m Ohne Lochblech (wie Fall 1)

12 6. SKALIERUNG DES RÜCKKÜHLSYSTEMS SIMULATION STEIGERUNG WÜ- FLÄCHE 12 Variation der Wicklungen-Druckverlust 13 Wicklungen = 0,036m Packdicke = 41m² WÜ-Fläche 28 Wicklungen = 0,077m Packdicke = 89m² WÜ-Fläche 42 Wicklungen = 0,116m Packdicke = 137m² WÜ-Fläche ca. 10 Pa Druckdifferenz bei 8000 m³/h (20% Gesamtdruckerhöhung) wesentlichen Druckverluste folglich immer noch innerhalb des Hohlzylinders

13 6. SKALIERUNG DES RÜCKKÜHLSYSTEMS SIMULATION STEIGERUNG WÜ- FLÄCHE 13 Variation der Wicklungen-Einfluss Wärmeübertragung Keine signifikante Änderung aufgrund relativ gleichem Strömungsverhaltens Mit 137 m² WÜ-Fläche demnach eine Rückkühlleistung von etwa 20 kw möglich bei Nennpunkt (Tendenz)

14 7. FAZIT/EMPFEHLUNG 14 Einsatz der Kapillarrohrstrukturen aus Kunststoff für Rückkühler geeignet à durch Simulationen und Messungen bestätigt kompakter&leichter Rückkühler durch zylindrische Bauform möglich (Footprint) à Kostensenkung? Empfehlung: Wirkmechanismen aus Simulationen am realen Versuchsmuster evaluieren Aufbau eines Wärmeübertragerbündels entsprechend Nennleistung

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! André Große Dresden,