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Ranft, Florian

Zum Einsatz von Kunststoff-Wärmeübertragern in geschlossenen Adsorptionskältemaschinen

Florian Ranft


Geschlossene Adsorptionskältemaschinen (AdsKM) zeigen hervorgehend aus der ressourcen-schonenden Nutzung von Fernwärme, industrieller Abwärme und solarer Wärme, hohes Potential für die zukünftige Kühlung und Klimatisierung von Gebäuden. Geringe Wirkungsgrade und Leistungsdichten sind jedoch u. a. Gründe dafür, weshalb AdsKM mit kleiner bis mittlerer Kälteleistung sich gegenüber elektrisch angetriebenen Kältekompressoren bislang nur wenig am Marktetablieren konnten. Wege zur Steigerung des Wirkungsgrades von AdsKM sind die Maximierung des Stoffumsatzes (Beladungshub) und die Minimierung der Antriebswärme. Auf Letzteres ausgerichtet, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Fragestellung, inwiefern Adsorber-Wärmeübertrager aus ungefüllten und gefüllten Kunststoffen dazu beitragen können, den notwendigen Wärmeumsatz für Aufheiz- und Abkühlvorgänge zu verringern und somit den Wirkungsgrad von AdsKM zu steigern, ohne deren Kälteleistung durch verlängerte Zykluszeiten herabzusetzen.
Die an einfachen Modellsystemen durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die Wärmekapazität von Adsorber-Wärmeübertragern durch die Substitution metallischer Konstruktionswerkstoffe mit Kunststoff-basierten Varianten baugleicher Art um bis zu 60 % reduziert werden kann. Je nach Aufbau des Adsorbers und dessen Einbindung in das Kältesystem sind hierdurch Steigerungen im Wirkungsgrad von AdsKM von 10 bis 30 % zu erwarten. Bei der Verwendung niedriger Antriebstemperaturen in der AdsKM unter 100 °C sind Kunststoff-Wärmeübertrager aus Polyethylen und Polypropylen u. a. aufgrund ihrer niedrigen volumetrischen Wärmekapazität zu bevorzugen.
Nachteilig für die Kälteleistung der AdsKM erweist sich der eingeschränkte Wärmetransport im ungefüllten Kunststoff, einhergehend mit einem um den Faktor Zwei bis Drei verlangsamten Stoffumsatz bei Adsorption. Dem entgegengewirkt werden kann durch eine Füllstoff-induzierte Wärmeleitfähigkeitserhöhung des Kunststoffes. Bei lose aufgebrachter Adsorbensschüttungen ist eine perpendikulare Wärmeleitfähigkeit von ca. 2,5 W/mK bei einer Wanddicke von 2,0 mm für den Wärmetransport zwischen Adsorbens und Wärmeübertragerfluid ausreichend, um keine signifikante Zykluszeitverlängerungen zu generieren. Auf eine Vergrößerung der Oberfläche des Kunststoff-Wärmeübertragers mittels zusätzlicher Rippen sollte grundsätzlich verzichtet werden. Um einen angestrebten Rippenwirkungsgrad von ca. 90 % in Adsorber-Wärmeübertragen zu erzielen, bedarf es bei üblichen Rippendicken kleiner 1,0 mm und Rippenhöhen von 20 bis 30 mm höherer Wärmeleitfähigkeiten von 20 W/mK aufwärts.
Im Bestreben die Wärmeleitfähigkeit von Adsorber-Wärmeübertragern aus Kunststoff durch die Zugabe geringer Anteile thermisch gut leitfähiger Füllstoffpartikel zu erhöhen, erweisen sich anisometrische Füllstoffplättchen aus expandiertem Naturgraphit als besonders vorteilhaft. In den durchgeführten Untersuchungen zeigt sich ein Maximum in der Compoundwärmeleitfähigkeit bei einer mittleren Partikelgröße von 200 µm. Gegenüber Flakes aus delaminiertem Naturgraphit zeichnet sich die expandierte Graphitfraktion bei identischer Partikelgröße durch ihr gesteigertes Aspektverhältnis aus. Dieses trägt zu einer erhöhten Partikelanzahl und somit zu einem dichteren Füllstoffnetzwerk im Bauteilvolumen bei. Dies gilt sowohl für gepresste Kunststoffbauteile ohne Vorzugsrichtung der Füllstoffe als auch für spritzgegossene Kunststoffbauteile mit einer Prozess-induzierten Füllstoffausrichtung über den Bauteilquerschnitt.
Neben einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit gilt es für eine erfolgreiche Implementierung von Kunststoff-Wärmeübertragern in Adsorbern deren konstruktive Auslegung an die werkstofflichen und fertigungstechnischen Gegebenheiten anzupassen. Dünnwandige Platten- und Folien-Wärmeübertrager begünstigen den Wärmetransport und gewährleisten eine Maximierung der Wärmeübertrageroberfläche im vorgegebenen Bauraum des Adsorbers.

 

Seiten: 154

ISBN: 978-3-931864-97-8


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Lydia Lanzl, M.Sc.