Untersuchung des Wärmeübergangs bei der Erstarrung in Latentwärmespeichern mit bewegter Erstarrungsoberfläche

Kurzfassung

In dieser Masterthesis wird der Wärmeübergang bei der Erstarrung von Latentwärmespeichern mit bewegter Erstarrungsoberfläche untersucht. Es handelt sich dabei um eine rotierende Trommel, die teilweise in flüssiges Phasenwechselmaterial eingetaucht ist. Durch Temperieren der Trommel erstarrt das Phasenwechselmaterial an der Außenseite der Trommel und wird periodisch mit jeder Umdrehung durch einen feststehenden Schaber entfernt. Neben dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines Versuchstandes zu experimentelle Untersuchung des Wärmeübergangs wird dafür ein analytisches Modell für die Berechnung des Wärmeübergangs aufgestellt. Der analytische Ansatz basiert auf dem Wärmeleitungsproblem für das Erstarren ebener Schichten nach Stefan. Dabei wird die quasistationäre Lösung des Stefan-Problems für die Erstarrungszeit einer ebenen Schicht nach der zeitabhängigen Schichtdicke umgestellt. Durch eingeführte Randbedingungen und den Mittelwertsatz der Differentialgleichung kann so die bei der Erstarrung anwachsende erstarrte Schicht berechnet werden. Daraus lässt sich die theoretisch am Versuchstand übertragene Leistung durch den Phasenwechsel ermitteln. So kann mit dem analytischen Ansatz eine mit steigender Drehzahl abnehmende Dicke der erstarrten Schicht und damit einhergehend eine steigende übertragende Wärmeleistung durch Erstarrung errechnet werden. Weiterhin wird gezeigt, dass die übertragene Leistung mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen dem Phasenwechselmaterial und der rotierenden Trommel zunimmt. Um die theoretisch ermittelten Leistungswerte validieren zu können, wird zusätzlich ein Versuchstand zur experimentellen Untersuchung des Wärmeübergangs aufgebaut. Der Versuchsstand ermöglicht eine Untersuchung der übertragenen Wärmeleistung für eine Vielzahl verschiedener Einstellparameter. Hauptsächlich werden dafür Versuche für verschiedene Temperaturdifferenzen zwischen dem Phasenwechselmaterial und der rotierenden Trommel sowie für verschiedene Rotationsgeschwindigkeiten der Trommel durchgeführt. Es wird so gezeigt, dass der analytische Ansatz richtig ist, jedoch einige wichtige Faktoren vernachlässigt. Diese Faktoren sind aufgrund der Rotation stattfindende Adhäsionsprozesse und ein nicht rein auf dem Phasenwechsel basierender Wärmetransport. Die während der Versuche ermittelten Leistungen am Versuchstand liegen dabei zwischen 30 und 50% über den theoretisch ermittelten Leistungswerten.