Wärmetransport

Effizienter Wärmetransport oder auch Wärmeübertragung ist ein Schwerpunkt zahlreicher Arbeiten über eine große Bandbreite unserer Forschungsaktivitäten am Fraunhofer ISE. Die Anwendungen werden sowohl experimentell  als auch simulativ betrachtet.

Wärmetransportvorgänge werden dabei je nach Art der Übertragung unterschiedlich simuliert. Grundlage der Berechnungen sind jeweils räumlich aufgelöste partielle Differentialgleichungen. Reine Wärmeleitung wie z.B. in Feststoffen wird  durch eine Wärmeleitungsgleichung (in vereinfachter Form das Fouriersches Gesetz) gelöst; Freie oder erzwungene Konvektion wird gekoppelt mit einer Strömungssimulation  berechnet; Wärmestrahlung wird auf Basis von Oberflächenbeschaffenheit und Temperaturen berechnet (z.B. Stefan-Boltzmann Gesetz). Untersuchte Medien liegen in allen klassischen Aggregatszuständen (fest, flüssig, gasförmig) vor und erfahren während der Simulationen prozessbedingt auch Phasenwechsel.

Dem Fraunhofer ISE stehen für die Simulationen die Software Comsol Multiphysics®, OpenFOAM und Ansys Fluent / Ansys CFX zur Verfügung. 

FuE-Leistungen für Wärmetransport

In unseren Geschäftsfeldern bieten wir folgende Serviceleistungen im Bereich des Wärmetransports:

• Berechnung von Temperaturfeldern in PV-Modulen und solarthermischen Kollektoren und deren Auswirkung auf z.B. die Mechanik
• Kombinierte Simulation aus Strömung und Wärmeübergang in Wärmeübertragern
• Wärmetransport in thermischen Speichern
• Validierung von simulierten Wärmetransportvorgängen mit experimentellen Tests
• Optimierung der Luftführung und Wärmeübertragergeometrie in Klimageräten
• Simulation von Wärme- und Kältetransport in Adsorptions- und Kompressionsprozessen
• Wärmedurchgangsberechnungen für unterschiedliche Materialkombinationen

Koaxialer Wärmeübertrager für dezentrale Lüftung

Ein koaxialer Wärmeübertrager ist ein Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager. Für die Anwendung in einem Lüftungsgerät wurde das Konzept des Wärmeübertragers neu gedacht und die Fläche zwischen den beiden Luftströmen (Fort- und Zuluft) durch geometrische Veränderung in einem Mittelstück der Rohre deutlich vergrößert (siehe Abbildung). Im Winter wird nun die von außen einströmende Zuluft auf dieser großen Oberfläche durch die warme Fortluft erwärmt und dem Raum zugeführt. Die wesentliche Aufgabe in der Wärmeübertragerentwicklung war es die Geometrie so zu gestalten, dass ein energieeffizientes, kompaktes und geräuscharmes dezentrales Lüftungsgerät ermöglicht wird. Die geometrischen Varianten sind jedoch unzählig (Anzahl der Kanäle, Länge von Übergangsbereichen, Wandstärken, …) , so dass ein iterativer Prozess von Simulation der Strömung und des Wärmeübergangs mittels FEM zusammen mit experimentellen Arbeiten am  Wärmeübertrager angegangen wurde. Dafür war es notwendig die Geometrie unter Randbedingungen zu variieren, die eine additive Fertigung der Komponente und einen einfachen Einbau des Geräts in die Hauswand zuließen.

Weitere Informationen zu diesem Thema

Optimierung der thermischen Belastbarkeit einer Anschlussdose

In der Anschlussdose eines PV-Moduls befinden sich Bypassdioden. Kommt es zu einer Bypassbedingung, kann es durch die hohen Ströme zu großer Wärmeentwicklung in den Bypassdioden kommen. Wird die Wärme nicht gut abgeführt, führt dies zur Überhitzung der Anschlussdosen und damit zum Ausfall des Moduls.