Bionische Wärmetauscherstrukturen – „FracTherm“
Wärmetauscher stellen wichtige Komponenten technischer Systeme sowohl bei der Nutzung fossiler als auch erneuerbarer Energieträger dar. Dazu zählen auch Sonnenkollektoren, in denen die Solarstrahlung absorbiert und an das Wärmeträgermedium abgegeben wird. Die Energieeffizienz eines solchen Wärmetauschers wird einerseits durch die thermische Effizienz (Übertragung auf das Fluid) als auch andererseits durch die zur Durchströmung benötigte hydraulische Leistung (primärenergetisch bewertet) bestimmt. Dabei kann die Steigerung der thermischen Effizienz auch zu einer erhöhten Beadrf an hydraulischer Leistung führen, so dass sich hieraus ein Optimierungsproblem ergibt.In konventionellen Wärmetauschern sind die Strömungskanäle üblicherweise seriell (Mäander- oder Serpentinenabsorber) oder parallel (Harfenabsorber) angeordnet. Natürliche Konstruktionen dagegen – z. B. Blutbahnen – weisen meist mehrfach verzweigte Strukturen („Fraktale“) auf. Dem Promotionsvorhaben lag die Idee zugrunde, diese Strukturen auf die Technik zu übertragen (bionischer Ansatz) und mit den konventionellen Bauarten zu vergleichen.Zu Beginn wurde ein Algorithmus entwickelt, der in der Lage ist, auf einer vorgegebenen Fläche mit Fluidein- und -austritt ein mehrfache verzweigtes Hydrauliknetzwerk zu erzeugen. Dieser inzwischen patentierte Algorithmus bildet die Basis des Programms „FracTherm“, mit dem es auch möglich ist, den Druckverlauf sowie die Volumenstromverteilung (und damit die benötigte hydraulische Leistung) im fraktalen Hydrauliknetzwerk zu berechnen. Unter Verwendung dieser Ergebnisse kann anschließend der so genannte Kollektorwirkungsgradfaktor F‘ ermittelt werden, der ein in der Solartechnik übliches Maß zur Beurteilung der thermischen Effizienz darstellt. Mit Hilfe des so genannten Rollbond-Verfahrens wurden Testabsorber (0,59 m x 1 m) unterschiedlicher Kanalgeometrie (Mäander-, Harfen- und FracTherm-Absorber) aus Aluminium gefertigt und hinsichtlich Durchströmung (mittels Thermografie), Druckverlust und thermischer Effizienz (durch Messungen im Solarsimulator des Fraunhofer ISE) miteinander verglichen. Der FracTherm-Absorber zeigte eine gleichmäßigere Durchströmung und bei hohen Massenströmen einen deutlich reduzierten Druckverlust gegenüber dem Harfenabsorber. Die thermische Effizienz war bei allen Varianten aufgrund geringer Kanalabstände sehr hoch. Mit Hilfe qualitativer Strömungsversuche mit Tinte und CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) wurden innerhalb der Arbeit auch Strömungsphänomene an Verzweigungen untersucht.Die Dissertation wurde im Internet unter folgender Adresse veröffentlicht:http://www.ubka.uni-karlsruhe.de/cgi-bin/psview?document=2005/maschinenbau/31