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Forschungsarbeit

Wärmeübergang und Druckverlust beim Strömungssieden von

CO2 in festen Schwämmen

von Sonja Weise (25.02.2015)

Seit Juli forscht die Absolventin des Max Weber-Programms am Karlsruher Institut für Technologie an ihrem Promotionsthema „Wärmeübergang und Druckverlust beim Strömungssieden von CO2 in festen Schwämmen“: Etwa 6,8 % des Primärenergieverbrauchs in Deutschland entfallen auf die Kältetechnik [1]. Die Kälte, die beispielsweise zur Kühlung von Lebensmitteln, Klimatisierung von Räumen und zur Durchführung industrieller Prozesse benötigt wird, wird hauptsächlich mit Kompressionskältemaschinen erzeugt [2]. Dabei nimmt ein Kältemittel, welches im Kreis gefördert wird, durch Verdampfung Wärmeleistung auf einem niedrigen Temperaturniveau auf. Durch Kompression wird die Siedetemperatur des Kältemittels erhöht. Dadurch kann die zugeführte Leistung auf einem höheren Temperaturniveau an die Umgebung abgeführt werden.

[Bildunterschrift / Subline]: Vereinfachtes Fließbild einer Kompressionskältemaschine. Der Kompressor verdichtet das Kältemittel, beispielsweise CO2. Seine Leistung Pel setzt sich zusammen aus der Verdichtungsleistung und der Kompensation der Druckverluste in den Rohrleitungen. Das komprimierte Kältemittel kondensiert im Kondensator und gibt dabei Wärme ab auf einem hohen Temperaturniveau an die Umgebung ab. Durch Entspannung in der Drossel wird der Druck und damit die Siedetemperatur des Kältemittels reduziert. Dadurch kann das Kältemittel durch Verdampfung auf einem niedrigen Temperaturniveau Wärme zu von dem zu kühlenden Medium, z.B. dem Inneren eines Kühlschrankes, aufnehmen. Die Verdampfung findet in Verdampferrohren statt, in die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens eine Schwammstruktur integriert werden soll.

Es wird zwischen synthetischen halogenierten Kältemitteln wie R507A oder R134a und natürlichen Kältemitteln wie beispielsweise CO2 unterschieden. Im Gegensatz zu den meisten halogenierten Kältemitteln weist CO2 ein niedriges Treibhauspotential auf. Zudem ist CO2 nicht brennbar und vergleichsweise ungiftig. Trotz des niedrigen Treibhauspotentials kann ein ökonomischer sowie ökologischer Vorteil nur erreicht werden, wenn das Gesamtsystem, in dem CO2 als Kältemittel eingesetzt wird, energetisch effizient ist. [3]

Eine Möglichkeit zur Effizienzsteigerung einer Kompressionskältemaschine ist die gleichzeitige Optimierung des Wärmeübergangs an das Kältemittel und des Druckverlusts desselben im Verdampfer. Stand der Technik ist der Einsatz von innenberippten Verdampferrohren, die trotz des größeren Druckverlusts aufgrund des erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten effizienter sind als Glattrohre [4]. Eine weitere Effizienzsteigerung könnte erreicht werden, indem metallische Schwämme in die Verdampferrohre integriert werden. Metallische Schwämme sind hochporöse, offenzellige und daher durchströmbare Netzwerkstrukturen. Durch den Einsatz von Schwämmen hoher Porosität kann bei gleichzeitig geringer Zunahme des Druckverlusts die innere Oberfläche vergrößert, die Durchmischung verbessert und die Anzahl der Blasenkeimstellen erhöht werden.

Ziel des Forschungsprojektes ist die Beurteilung des Potentials von metallischen Schwämmen für den Einsatz in Kältemaschinen. Dazu wird der Einfluss von Schwammstrukturen auf den Druckverlust, den Wärmeübergang sowie die Strömungscharakteristik beim Strömungssieden in horizontalen Rohren mit integrierten Schwämmen untersucht. Dabei sollen sowohl Betriebsparameter wie Massenstromdichte, Wärmestromdichte und Strömungsdampfgehalt als auch Schwammeigenschaften wie Porosität und Porengröße berücksichtigt werden. Die Herausforderung liegt in der Konstruktion einer geeigneten Messstrecke, der Messtechnik und der Modellierung sowie der Interpretation der Ergebnisse. Dies ist vor allem begründet durch die Komplexität der dem Strömungssieden in Schwämmen zugrunde liegenden Phänomene. Zusätzlich zur zweiphasigen Durchströmung einer unregelmäßigen Feststoffstruktur muss der Wärmetransport sowie der Siedevorgang berücksichtigt werden.

Literatur
[1] G. Preuß, Energiebedarf für Kältetechnik in Deutschland 2011.
[2] C. Heinrich et al., Nachhaltige Kälteversorgung in Deutschland an den Beispielen Gebäudeklimatisierung und Industrie, Dessau-Roßlau 2014.
[3] G. Lorentzen, International Journal of Refrigeration 1994, 17 (5), 292.
[4] A.-E. Schael, M. Kind, International Journal of Refrigeration 2005, 28 (8), 1186.


mailto: Sonja Weise
Sonja Weise
* 1989

Wissenschaftlicher Werdegang
  • seit 2014
  • Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Thermische Verfahrenstechnik
  • 2011-2014
  • M.Sc. Chemie- und Bioingenieurwesen, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
  • 2011
  • Auslandsaufenthalt, FAU Campus Busan, Busan, Republik Korea
  • 2008-2012
  • B.Sc. Chemie- und Bioingenieurwesen, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg