Daniel Hummel

Entwicklung und Implementierung eines numerischen Modells zur Untersuchung von Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgängen beim Schmelzen und Erstarren von makroverkapselten Phasenwechselmaterialien

Thermische Energiespeicher, die einen Phasenwechsel eines Speichermaterials ausnutzen, auch als Latentwärmespeicher bezeichnet, bieten das Potential, die Energieeffizienz in einer Vielzahl von Anwendungen zu erhöhen. Für die Auslegung und Optimierung derartiger Speicher ist das Verständnis der zugrundeliegenden Transportvorgänge erforderlich. So bilden sich zum Beispiel beim Schmelzen und Erstarren von makroverkapselten Phasenwechselmaterialien (engl.: phase change materials, PCM), je nach verwendetem Werkstoff und Randbedingungen, starke Konvektionsströmungen aus, die den Wärmeübergang vom Arbeitsfluid auf das PCM und damit die Be- und Entladecharakterisik des thermischen Speichers, maßgeblich beeinflussen. Darüber hinaus müssen unter anderem eine mögliche Bewegung des während des Schmelzvorgangs verbleibenden Festkörpers und Kontaktschmelzeffekte berücksichtigt werden. Im Rahmen der Arbeit werden insbesondere Speicher betrachtet, bei denen auch im Arbeitsfluid während des Be- und Entladevorgangs ein Phasenwechsel stattfindet. Ziel des Vorhabens ist es, ein Modell zu entwickeln und zu implementieren, das eine detaillierte Untersuchung der Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge beim Schmelzen und Erstarren von makroverkapselten Phasenwechselmaterialien ermöglicht.

MITGLIED IM KOLLEG

von 01.07.2017 bis 18.07.2023

Verbundkolleg Energie

Betreuer Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden:

Betreuer Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg:

Die Abbildung enthält vier horizontal angeordnete Bilder. Die Bilder repräsentieren Ergebnisse aus einer durch den Autor durchgeführten Simulation mit der Enthalpie-Porositätsmethode, in der das Schmelzen von Phasenwechselmaterial in einer Makroverkapselung prognostiziert wurde. Das in der Simulation verwendete Material ist n-Octadekan, die Makroverkapselung eine kugelförmige, hohle Glaskapsel. In der Simulation weist die Glaskapsel uniform und konstant eine Temperatur auf, die höher liegt als der Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterials. Dies führt zum Abschmelzen des Phasenwechselmaterials, das im Ausgangszustand, also zu einem Zeitpunkt t0, sich vollständig im festen Zustand befindet und das gesamte Volumen der Glaskapsel füllt. Jedes der Bilder zeigt diese transparente Glaskapsel in einer dreidimensionalen Darstellung aus ein und derselben Perspektive. Das erste Bild von links zeigt die Glaskapsel zu einem Zeitpunkt t1. In der Glaskapsel befindet sich ein weißer, matter Festkörper, der annähernd Kugelform aufweist, annähernd zentrisch in der Glaskapsel schwebend angeordnet ist und in etwa drei Viertel des Volumens der Glaskapsel einnimmt. Das übrige Volumen ist mit bereits geschmolzenem Phasenwechselmaterial gefüllt und ist, da n-Oktadekan im flüssigen Zustand transparent ist, nicht sichtbar. Auf der Unterseite des Körpers sind unregelmäßig nach oben hin verlaufende, vom Zentrum der Unterseite ausgehende Furchen zu sehen, die durch natürliche Konvektionsströmung im flüssigen Phasenwechselmaterial entstehen. Das zweite Bild von links entspricht im Wesentlichen dem ersten Bild, allerdings zeigt es den Schmelzvorgang zu einem Zeitpunkt t2. Der Festkörper ist weiter abgeschmolzen und nimmt nur noch etwas die Hälfte des Volumens der Glaskapsel ein, der Rest ist geschmolzen und nicht mehr sichtbar. Das Zentrum des Festkörpers, der annähernd die Form einer an der Unterseite abgeflachten Kugel aufweist, liegt nun unterhalb des Zentrums der Glaskapsel. Die Furchen an der Unterseite sind nun tiefer und etwas stärker unregelmäßig. Das dritte Bild korrespondiert mit dem ersten Bild, das vierte mit dem zweiten. Die Darstellung der Glaskapsel und den darin enthalten Festkörpers ist jeweils identisch, das dritte Bild zeigt Zeitpunkt t1, das vierte Bild den Zeitpunkt t2. Der einzige Unterschied zu den Bildern eins und zwei besteht darin, dass Stromlinien der flüssigen Phase ergänzt sind. Das heißt, dass eine Vielzahl dünner Linien in der Glaskapsel gezeichnet sind, die den überstrichenen Pfad von fiktiven, masselosen Partikel repräsentieren, die reibungsfrei der Strömung im flüssigen Phasenwechselmaterial folgen und so die Strömung der flüssigen Phase sichtbar machen. Die Stromlinien verlaufen im Wesentlichen bei beiden Bildern vom Zentrum der Unterseite der Glaskapsel zum Zentrum der Oberseite der Glaskapsel hin und dann entlang des Festkörpers wieder nach unten. Oberhalb des Festkörpers zeigt sich zum Zeitpunkt t1 eine Rezirkulation der Partikel. Im vierten Bild, also dem Zeitpunkt t2, ist dieser Effekt noch etwas stärker sichtbar. Die Stromlinien sind stufenlos eingefärbt, wobei ein dunkles blau die dimensionslose Geschwindigkeit vom Wert 0, weiß vom Wert 0,5 und rot vom Wert 1 repräsentiert. Zwischen diesen Werten findet ein kontinuierlicher Übergang der Farben statt. Die Stromlinien sind beim dritten und vierten Bild mehrheitlich blau bis dunkelblau, nur im Bereich der Unterseite der Festkörper sind wenige rot eingefärbte Linien, also Bereiche hoher Strömungsgeschwindigkeit, zu sehen.

Daniel Hummel

Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden

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