Laminar heat transfer of phase change dispersions

Der globale Umgang mit den limitierten Ressourcen und ihre verantwortungsvolle Verwendung ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Effiziente thermische Energiespeichersysteme haben großes Potential sowohl industrielle als auch nicht industrielle Prozesse energetisch zu optimieren. In diesem Zusammenhang bieten Phase Change Slurries (PCS, auch Phase Change Dispersions genannt) einen vielversprechenden und zugleich innovativen Ansatz. Dieser vereint wesentliche Vorteile der sensiblen sowie der latenten Energiespeicherung, nämlich die Fließfähigkeit der sensiblen Speicher und die hohe Energiedichte der latenten Speicher. PCS bestehen aus einem in ein Trägerfluid (häufig Wasser) dispergiertes Latentwärmespeichermaterial (engl. Phase Change Material; häufig Paraffin). Paraffine sind organische Latentwärmespeicher, die während der fest-flüssig Phasenumwandlung thermische Energie aufnehmen bzw. abgeben. Diese Schmelzenthalpie des Latentwärmespeichers führt zu einer beträchtlichen Erhöhung der Energiedichte im Temperaturbereich des Phasenwechsels. Dieser kann über das eingesetzte Paraffin auf den erforderlichen Temperaturbereich der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Des Weiteren bleibt diese Dispersion pumpbar, auch wenn das Paraffin im Trägerfluid fest vorliegt. Jedoch erschweren die nicht-Newtonschen Fließeigenschaften zusammen mit dem Phasenwechsel der dispergierten Phase die Berechnung des Wärmetransportes dieser PCS. In dieser Arbeit sind Wärmetransporteigenschaften von PCS in laminaren Rohrströmungen untersucht worden. Es ist dazu eine Test-Strecke ausgelegt worden, mit der experimentelle Untersuchungen durchgeführt wurden. Außerdem sind diese Versuche in der CFD-Umgebung von COMSOL Multiphysics ® simuliert worden. Die dafür erforderlichen thermophysikalischen Eigenschaften der PCS (Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Dichte) sind experimentell ermittelt und über geeignete Stoffdatenmodelle in die CFD-Umgebung implementiert worden. Daraufhin wurden die Wärmetransporteigenschaften der PCS über eine Methode ermittelt, die experimentelle Messdaten mit numerisch bestimmten adiabaten Mischtemperaturen kombiniert. Dieses Vorgehen ermöglicht die Berücksichtigung des nicht-Newtonschen Fließverhaltens sowie des Phasenwechsels der dispergierten Phase in die Wärmetransportbetrachtung. Die Ergebnisse zeigen für PCS geringere Wärmeübergangskoeffizienten als für Wasser bei gleichem Massenstrom. Darüber hinaus ist aus den gewonnenen Daten eine Nusselt-Korrelation abgeleitet worden. Diese Korrelation ist in einem Anwendungsbeispiel zur Auslegung eines Wärmeübertragers verwendet worden. In diesem Anwendungsbeispiel wird ein Batteriekühlungskonzept mit PCS als Kühlmedium vorgestellt. Des Weiteren ist der batterieintegrierte Wärmeübertrager ausgelegt und die Energieeffizienz dieses Konzeptes evaluiert worden.