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. 

Drahtwärmeübertrager
© Fraunhofer ISE
Links: Simulation der Druck, Geschwindigkeits- und Temperaturfelder einer Luftströmung um hintereinander angeordnete metallische Drähte mit Durchmesser 100µm. Die Drähte werden durch eine zweite, warme Luftströmung in einem separaten Kanal erwärmt und leiten die Wärme in die hier dargestellt Luftströmung. Rechts: Ausschnitt aus einem Wärmeübertrager mit Drahtstrukturen zur Wärmeleitung zwischen zwei Luftströmungen.

FuE-Leistungen für Wärmetransport

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

Anwendungsbeispiele

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

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Koaxialer Wärmeübertrager für die dezentrale Gebäudeklimatisierung. Links: Visualisierung der Geometrie und eines Strömungsausschnitts. Rechts: Additiv gefertigtes Muster zur Vermessung und Validierung der Simulation.

Kurzbeschreibung:

  • Ziel
    • Entwicklung einer Wärmeübertragergeometrie die additiv gefertigt thermische und hydraulische Leistungssteigerungen ermöglicht
    • Erhöhung des Wärmerückgewinnungsgrads bei dezentralen Lüftungsgeräten
    • Reduzierung der Geräuschemissionen durch leise, langsam und kontinuierlich arbeitende Ventilatoren
  • Vorgehen
    • Umsetzen der Grundgeometrie in einem spezifischen Dateiformat für die additive Fertigung und CFD-Simulation mit geometrisch freien Parametern
    • Simulation der Bypassbedingung
    • Einlesen der Datei in die CFD-Software Comsol Multiphysics®
    • Bestimmung von Luftströmungen (Fort- und Zuluft), Druckverlusten und Wärmeströmen im Lüftungsgerät mittels CFD
    • Bestimmung von Kennzahlen zur Bewertung der Geometrie
    • Veränderung der Geometrie in Schritt 1 (auf Basis von Simulationen und Messungen) und Wiederholen des Prozesses bis gewünschte Leistungssteigerung erreicht wird
  • Ergebnis
    • Geometrie und Muster eines koaxialen Lüftungsgerätes mit hohen Leistungszahlen

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. 

FEM-Simulation der thermischen Belastbarkeit einer Anschlussdose
© Fraunhofer ISE
FEM-Simulation der thermischen Belastbarkeit einer Anschlussdose.

Kurzbeschreibung:

  • Ziel
    • Optimierte Wärmeabfuhr von den Bypassdioden in einer PV-Modul Anschlussdose
  • Vorgehen
    • 3D-Modell der Anschlussdose auf Grundlage eines CAD-Modells
    • Simulation der Bypassbedingung
    • Validierung mittels Temperaturmessung mit einer IR-Kamera
    • Simulation verschiedener Füllstoffe
  • Ergebnis
    • Reduktion der Anschlussdosen-Temperatur
    • Identifikation geeigneter Füllstoff-Materialien

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema

FuE-Infrastruktur

Zentrum für Wärme- und Kältetechnologien

Forschungsprojekt

Fenopthes

Füllkörperentwicklung und -optimierung für thermische Speicher

Forschungsprojekt

SubSie-Plattform

Sorptions-Verdampfer für Siedetemperaturen unter 0°C

Forschungsprojekt

safeSENSE

Entwicklung und Bewertung einer innovativen Sicherheitseinrichtung für Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln basierend auf Sorptionselementen und neuartiger Sensorik