Untersuchung der Adhäsionskräfte bei Latentwärmespeichern mit bewegter Erstarrungsoberfläche und deren Einfluss auf den Wärmeübergang

Kurzfassung

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. in Stuttgart forscht an der Wärmeübertragung an einem Latentwärmespeicher mit bewegter Erstarrungsoberfläche zur Ausspeicherung von latenter thermischer Energie. Das Ziel der Forschung ist die Entwicklung eines Phasenwechselwärmespeichers, der mit konstanter Leistung entladen werden kann. Das wird durch eine teilweise in flüssiges Phasenwechselmaterial eingetauchte temperierte Trommel realisiert, an der das Phasenwechselmaterial erstarrt. Für die konstante Entladeleistung wird das erstarrte Phasenwechselmaterial vor Wiedereintritt in das flüssige Phasenwechselmaterial von der Trommeloberfläche abgeschabt. Während des Betriebs können Adhäsionseffekte beim Austauchen der Walzenoberfläche beobachtet werden. Dieses an dem erstarrten Phasenwechselmaterial haftende flüssige Phasenwechselmaterial erstarrt nach dem Austauchen der Walzenoberfläche und vergrößert damit die effektive Erstarrungsoberfläche. Die vorliegende Masterarbeit untersucht den Einfluss der Adhäsion auf die Leistungsfähigkeit der Rotating Drum. Dazu wird der bestehende Versuchsstand um eine Gummilippe erweitert, um Messungen der Leistung sowie der Schichtdicke mit und ohne Adhäsion durchzuführen. Weitere Modifikationen werden vorgenommen, um das nötige Moment zur Entfernung des erstarrten Phasenwechselmaterials von der Trommeloberfläche zu quantifizieren. Zusätzlich erfolgt die Untersuchung der Temperaturschichtung des flüssigen Phasenwechselmaterials im Phasenwechselmaterialbecken. Durch Einfluss der Adhäsion kann bei einer Temperaturdifferenz von 5 K zwischen der Walze und der Erstarrungstemperatur des Phasenwechselmaterials maximal eine Leistungszunahme von 47,1 % gemessen werden. Die Temperaturdifferenz zwischen flüssigem Phasenwechselmaterial und dem Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterials beträgt dabei 10 K. Mit steigender Drehzahl der Rotating Drum steigt der Einfluss der Adhäsion auf die thermische Leistung und auf die gemessene Adhäsionsschichtdicke. Die reine Adhäsionsschicht beträgt bis zu 0,145 mm bei einer Schichtdicke ohne Adhäsion von 0,087 mm. Dabei kann das Vorhandensein von flüssigem, noch nicht erstarrtem Phasenwechselmaterial am Ort der Messung nicht ausgeschlossen werden. Zur Entfernung der erstarrten Phasenwechselmaterialschicht auf der Trommeloberfläche müssen bis zu 420 Nm aufgewendet werden. Die Untersuchung hinsichtlich einer möglichen Temperaturschichtung des Phasenwechselmaterials ergibt eine Schichtung von kalt nach warm von unten nach oben. Die gemessenen Adhäsionsschichtdicken werden mit zwei analytischen Berechnungsansätzen verglichen. Ohne Berücksichtigung von zurückfließendem, nicht erstarrten Phasenwechselmaterial überschätzt der analytische Ansatz die gemessenen Werte durchschnittlich um den Faktor 5,4. Wird das Zurückfließen berücksichtigt tritt abhängig der eingestellter Temperaturkonfiguration eine Unterschätzung um durchschnittlich 35 % oder eine Überschätzung um durchschnittlich 107 % auf.