Simulation des Wärmeübergangs bei der Erstarrung in Latentwärmespeichern mit bewegter Erstarrungsoberfläche

Kurzfassung

Das Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, den Wärmeübergang des aktiven Latentwärmespeicherkonzepts „Rotating Drum“ des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt als mathematisches Modell darzustellen und numerisch mit MATLAB zu simulieren. Die „Rotating Drum“ ist ein innen von einem Wärmeträgerfluid durchströmter zylindrischer Wärmeübertrager, der teileingetaucht in einem Bad aus flüssigem Phasenwechselmaterial rotiert. Während der Rotation erstarrt je nach Temperierung Phasenwechselmaterial an der Außenseite des Zylinders. Dieses wird nach jeder Rotation von einem feststehenden Schaber entfernt. Ziel ist es, den Wärmeleitwiderstand der an der Wärmeübertragerwand erstarrten festen Schicht aus Phasenwechselmaterial durch Minimierung der Schichtdicke zu reduzieren und damit den Wärmestrom zu maximieren. Das Modell wird auf Basis der Wärmeleitungsgleichung mit einer sogenannten moving boundary aufgebaut, denn durch erstarrendes Phasenwechselmaterial verschieben sich die Simulationsgrenzen und damit die Randbedingungen. Dieses mathematische Problem ist auch als Stefan-Problem bekannt. Als numerischer Lösungsansatz wird ein implizites Verfahren mit variablem Zeitschritt verwendet. Der Lösungsansatz wird mit alternativen mathematischen Lösungsansätzen, einer quasistationären Lösung und einem exakten Lösungsansatz nach Stefan für vereinfachte Randbedingungen, verifiziert. Die Validierung der Simulation wird anhand experimenteller Ergebnisse mit Caprinsäure einer vorherigen Arbeit durchgeführt. Es werden Simulationen für verschiedene Variationen der Temperaturen des Phasenwechselmaterial Bads und des Wärmeträgerfluids durchgeführt. Aus dem simulierten Temperaturverlauf werden der Wärmestrom, die Wärmestromdichte sowie der Schichtaufbau für verschiedene Drehzahlen bestimmt. Diese zeigen für gewählte Stoffdaten eine Abweichung der simulierten zu den experimentellen Werten von 8 % bis 20 %. Die „Rotating Drum“ kann demnach innerhalb der Messtoleranzen von dem Simulationsmodell abgebildet werden.