Konstruktion und Aufbau eines Reaktormoduls für eine Kältemaschine auf Metallhydridbasis

Kurzfassung

Innerhalb dieser Arbeit soll ein Reaktormodul für eine innovative Kältemaschine für die Fahrzeugklimatisierung konstruiert, aufgebaut und die Auslegung experimentell verifiziert werden. Aufbauend auf bereits abgeschlossenen Forschungsarbeiten und den daraus entstandenen Erkenntnissen soll ein optimierter Prototyp entstehen [1,2]. Die Auslegung und Konstruktion des Prototypen sollte auf einem DoppelrohrWärmeübertrager und gesetzten Randbedingungen basieren. Spätere Betriebsbedingungen lieferten hierfür die Konstruktionsvorgaben. Bei den abgeleiteten Vorgaben handelte es sich um harte und weiche Bedingungen. Die harten Bedingungen bezogen sich im Wesentlichen auf die Festigkeit, Medien Zu- und Abfuhr und die Medienverträglichkeit. Bei den weichen Bedingungen handelt es sich um Dinge wie eine optimierte Wärmeübertragung oder eine reduzierte thermische Masse. Anhand gemachter Vorgaben wurde ein Enddesign entwickelt, welches anschließend experimentell verifiziert wurde. Der Auslegungs- und Konstruktionsprozess wurde innerhalb mehrere Iterationsschleifen durchgeführt. Der iterative Prozess kann in drei Schritte unterteilt werden. Im ersten wurden gemachte Überlegungen zeichnerisch mit Hilfe einer CAD Software umgesetzt und ausgearbeitet. Im nächsten Schritt galt es die gemachten Ideen zu diskutieren und zu optimieren. Abschließend wurden die Optimierungen aufgenommen und eingearbeitet. Dieser Prozess wurde mehrfach wiederholt. Im Hauptteil der Arbeit sind die Vorgaben und die daraus entstandenen konstruktiven Maßnahmen detailliert aufgeführt. Ebenfalls sind die Ausarbeitung und das entstandene Enddesign dokumentiert und vorgestellt. Um den entwickelten Prototypen für einen späteren Einsatz vermessen zu können muss er mit einem für die Anwendung passenden Metallhydrid gefüllt werden. Hierbei fiel die Wahl auf das Material Hydralloy C2 (TiMn2-basierte Legierung). Um seine grobe Eignung zu untersuchen, wurde eine Charge durch einzelne Messungen (Aufnahme von einzelnen KDI bei Betriebsbedingungen) bezüglich seiner thermodynamischen Gleichgewichtseigenschaften charakterisiert. Abschließend wurde eine experimentelle Verifikation des Prototypen durchgeführt. Hierzu gehören Tests bezüglich der Druckfestigkeit und Dichtheit. Dabei wurde der Doppelrohr-Wärmeübertrager gesondert im inneren und äußeren Bereich geprüft. Je nach Bereich wurden die einzuhaltenden Grenzen definiert und kontrolliert. Für den inneren Bereich wurde die Druckfestigkeit bis zu einem Druck von 60 bar nachgewiesen. Anschließend wurde der Bereich in drei Stufen auf Dichtheit geprüft. Darunter fällt ein Test mit Wasser, ein Bläschen Test unter Wasser mit Prüfgas und ein Test mit Leckdetektor und Prüfgas. Alle Stufen wurden bis zum Betriebsdruck von 40 bar geprüft und bestanden. Der äußere Bereich wurde auf eine Stufe der Dichtigkeit, nämlich optischer Dichtheit gegen Wasser, untersucht. Dieser entwickelte Teil des Prototyps hat den Test allerdings nicht bestanden. Es gilt nun innerhalb der Folgearbeiten in einer weiteren Iterationsschleife eine neues Konzept oder eine Optimierung für diesen Bereich zu erarbeiten.