Der Trend der Miniaturisierung führt dazu, dass elektronische Geräte auf kleinstem Raum verbaut werden und gleichzeitig einen erhöhten Funktionsumfang erfüllen müssen. Um die geforderten Leistungsdichten zu realisieren, werden zunehmend moderne Leistungshalbleiter mit sehr kleinen Abmessungen verwendet. Durch die Miniaturisierung der Leistungselektronik ist vor allem die Wärmespreizung von kleinen Heizquellen von Interesse, d.h. die Heizquelle befindet sich in der Mitte und die Wärme wird über eine größere Fläche verteilt. Mit sogenannten plattenförmigen pulsierenden Heatpipes (PHPs) kann die Wärme effizient verteilt werden. Innerhalb der PHP stellt sich eine selbstoszillierende Zweiphasenströmung ein, sodass sowohl der konvektive Wärmetransport als auch der Phasenwechsel genutzt wird.
Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, optimierte PHP-Designs zur Wärmespreizung von kleinen Heizquellen zu entwickeln.
Aktualisiert: 2022-06-16
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Ausgehend von einem temperaturabhängigen Materialmodell werden die Einflüsse von Wärmerohren auf das Temperatur- und Spannungsfeld einer Turbinenscheibe mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode aufgezeigt. Das Wärmerohr ist als Festkörper mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit modelliert. Es werden an einer Ringscheibe sowohl die geometrischen Einflüsse, wie unterschiedliche Wärmerohrlängen und Wärmerohrdurchmesser, als auch die Einflüsse verschiedener Randbedingungen, wie die vorherrschende Scheibenkühlung und der Wärmeeintrag am Scheibenrand, untersucht. Die durch die Wärmerohrkavität ausgelösten Kerbspannungen und Spannungsüberhöhungen werden lokalisiert, klassifiziert und durch konstruktive Möglichkeiten minimiert. Auch der Einfluss des Wärmerohrbetriebsdruckes auf die Scheibe wird evaluiert. Des Weiteren werden vereinfachte Flugzyklen zur Untersuchung der transienten Temperaturspannungen simuliert und mit Hilfe des Schädigungsparameters nach Smith, Watson und Topper eine Lebensdauerberechnung hinsichtlich Kurzzeitermüdung durchgeführt. Abschließend werden die Potenziale der Konfiguration in Bezug auf eine Reduktion der Kriechschädigung dargelegt.
Aktualisiert: 2019-12-27
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Die Verwendung von Wärmerohren (engl. heat pipes) in Kollektoren bietet gegenüber direkt durchströmten Kollektoren den Vorteil einer einfacheren hydraulischen Verschaltung des Solarkreises bei gleichzeitiger Minderung der Anlagenbelastung im Stagnationsfall. Die Optimierungspotentiale der Technologie und damit die möglichen Vorteile sind allerdings noch nicht ausgeschöpft bzw. zum Teil nicht bekannt. Die Entwicklungen von Bewertungsverfahren für Wärmerohre und Sammler - als Komponenten des Nutzwärmestrompfades - sind Schwerpunkte dieser Arbeit. Diese führen zu einem vertieften Verständnis der Wärmetransporteigenschaften der Komponenten sowie deren Einflüsse auf das Gesamtverhalten eines Sonnenkollektors. Zur messtechnischen Bewertung von Wärmerohren und Sammlern sind neue Prüfstände entwickelt worden. Des Weiteren wird ein Berechnungsverfahren zur Ermittlung des thermischen Leitwerts von Gravitationswärmerohren vorgeschlagen, welches auf hier angepassten empirischen Korrelationsgleichungen der Wärmeübergänge im Wärmerohr beruht. Zusätzlich wird eine neue Berechnungsvorschrift bzgl. der Austrocknungsgrenze von Gravitationswärmerohren hergeleitet. Die neu entwickelten Modelle werden angewendet, um den Wärmetransport in Wärmerohren zu analysieren und zu optimieren. Des Weiteren werden neuartige Wärmerohrlösungen für Flachkollektoren ausgelegt. Durch Umsetzung und Vermessung von mehreren Flachkollektorprototypen wird die grundsätzliche Machbarkeit der Integration von Wärmerohren in Flachkollektoren aufgezeigt. Die Kollektorprototypen weisen eine eigensichere Temperaturbegrenzung bei Stagnation auf max. 140°C am Sammler und damit im Solarkreisfluid auf.
Aktualisiert: 2019-12-12
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