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Das Ziel dieses Promotionsvorhabens ist es, die Adsorptionskälteanlage zu optimieren und die großen Entwicklungshindernisse der Adsorptionskältetechnik zu überwinden. Beispiele hierfür sind die geringe Leistungszahl und die lange Zykluszeit zur Erzeugung des Kältemittels, die sich je nach den verwendeten Arbeitspaaren und der Fahrtemperatur unterscheidet. Ein weiteres Problem stellt das intermittierende Arbeitsprinzip für den einfachsten Zyklus eines Adsorptionskühlsystems dar. Daher wird in dieser Arbeit eine analytische, thermodynamische und numerische Untersuchung eines Neubaus einer Adsorptionskälteanlage für Gefrieranwendungen vorgestellt. Dieses neuartige System, das in dieser Promotion als kombiniertes Adsorptions- Eisproduktionssystem (com-AIP-System) bezeichnet wird, verwendet zwei verschiedene Adsorptionsmaterialien zusammen in einer Maschine. Die Hauptziele der vorliegenden Arbeit sind: Erhöhung der pro Zyklus erzeugten Eismenge, Erzeugung von kontinuierlicher Kälteleistung, Verbesserung der Zykluszeit und Einsparung der erforderlichen Eingangswärme durch Erhöhung der Massenstromrate des Kältemittels. Dieses Kältemittel verlässt den Adsorptionsreaktor und fließt in Richtung des Kondensators. Um dies zu erreichen, umfasst das com-AIP-System zwei Adsorptionsreaktoren. Der erste Adsorptionsreaktor ist mit Silikagel und der zweite mit Aktivkohle als Adsorptionsmittel gefüllt. Methanol wurde als Adsorbat und Kühlmittel mit beiden Reaktoren verwendet. Das com-AIP-System ermöglicht die Nutzung der Vorteile der physikalischen Eigenschaften der Adsorbentien SG und AC. Diese vorgeschlagene Strategie des AIP-Systems unterscheidet sich vollständig von den herkömmlichen Adsorptionsreaktoren, die mit einem Adsorptionsmittel in einem oder in zwei Reaktoren gefüllt sind. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine numerische und analytische Untersuchung der Wirkung der HTF-Strömung vorgestellt. Die Desorption und Leistung des Adsorptionsreaktors wird ausgewertet. Die Wirkung der HTF-Natur wird für die gleichen Adsorptionsreaktoren (SG- und AC-Reaktoren) betrachtet, die zum Desorbieren von 1 kg Methanol erhitzt wurden. Um den HTF-Flow-Natur-Effekt zu untersuchen, wurde die Variation der Reynolds-, Nusselt- und Biot-Zahlen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Temperaturverteilung durch beide Reaktoren beobachtet. Die Verwendung der thermischen Heizung, wie Abwärme oder Solarenergie der Industrie, hat einige schwerwiegende Nachteile bei der Entwicklung der Adsorptionstechnologie. Der größte Nachteil ist, dass der Adsorptionsreaktor eine lange Zeit von etwa einer Stunde benötigt um die erforderliche Menge des Adsorbats zu desorbieren. Darüber hinaus hat der Adsorptionsreaktor einen komplexen Aufbau, welcher aus Rohren mit heißem Wasser und einer Vielzahl an Heizrippen besteht. Um die Probleme konventioneller Methoden (thermisches Heizen) zu überwinden, wird im Rahmen dieser Arbeit ein neues Design vorgestellt. Dieses besteht aus zwei gleichen Adsorptionsreaktoren mit einer neuen Wärmequelle (Induktionserwärmung). Das Dissertationsprojekt behandelt auch eine mathematische Modellierung und numerische Simulation eines Induktionsheizsystems für zwei Adsorptionsreaktoren, gefüllt mit Silikagel und Aktivkohle als Adsorptionsmaterial sowie Methanol als Adsorbat. Der Zweck dieser Untersuchung war die Verwendung der elektromagnetischen Induktionstechnologie als eine neue Wärmequelle des Adsorptionseis-Produktionssystems. Die Induktionsheizung wird mit der thermischen Beheizung verglichen. Dazu werden die beiden thermischen und induktiven Adsorptionsreaktoren ausgelegt, um die gleiche desorbierte Kältemittelmenge von 1 kg zu erzeugen. Dieser Aufbau wurde unter gleichen Betriebs- und Randbedingungen getestet. Für die numerische und mathematische Modellierung werden die Programme ANSYS Electronics, ANSYS Fluent und MATLAB verwendet.

Eine Steigerung der Effizienz von Wärmeübertragern birgt das Potenzial Energiebedarf, Material, Bauraum und Kosten zu reduzieren. Luftgekühlte Motorkühlungswärmeübertrager wie sie bei Bau- und Landmaschinen eingesetzt werden zeichnen sich durch ein Betriebsumfeld aus, das von Verschmutzungspartikeln wie Staub und Pflanzenmaterial geprägt ist. Sie müssen gegenüber Verunreinigungen resistent und mittels Druckluft zu reinigen sein. Deshalb werden auf ihrer Luftseite tiefengewellte Wellrippen eingesetzt. Die bestehenden Korrelationen zur Beschreibung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes in Abhängigkeit der tiefengewellten Rippengeometrie genügen allerdings bisher nicht den Ansprüchen bei einer präzisen Auslegung von Wärmeübertragern. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer neuen Methodik vorgestellt, die die Designfreiheitsgrade des Selektiven Laserschmelzens (SLM) nutzt, um eine experimentelle Analyse des thermohydraulischen Verhaltens von praxisrelevanten Geometrieparametern wie Amplitude, Wellenlänge und Grundform bei tiefengewellten Wellrippen durchzuführen. Der Einfluss dieser Geometrieparameter auf Leistung und Druckverlust wird anhand experimenteller, thermodynamischer Leistungsmessungen analysiert. Im Zuge der Arbeit wird hierfür ein Prüfstand zur Untersuchung SLM-gefertigter Versuchselemente mit Wellrippenstrukturen entwickelt. Mit hoch genauen, reproduzierbaren Messungen werden anhand von und Darcy friction factor Wärmeübertragung und Druckverlust der Wellrippen analysiert. Dabei werden kleinskalierte Versuchselemente gefertigt und hinsichtlich Maßhaltigkeit, Porosität und Oberflächenrauigkeit untersucht. Es wird der Effekt der erhöhten Oberflächenrauigkeiten des SLM experimentell und mit numerischen Simulationen behandelt. Die maßhaltige Realisierung der Geometrieparametervariationen in feinen Schritten bildet eine engmaschige Versuchsmatrix für den relevanten Parameterbereich der Wellenausprägungen verschiedener tiefengewellter Grundformen. Die bei konventioneller Rippenfertigung auftretenden Effekte, wie der des Anstellwinkels sowie der Wellenmodulation werden untersucht. Auf Basis der Messdaten können neue, präzisere empirische Korrelationen entwickelt werden, welche zuverlässig und präzise das Verhalten von tiefengewellten Wellrippen modellieren. Somit kann eine optimale Auslegung von Wärmeübertragern erfolgen.

To improve performance of heat exchangers for vehicle applications, it is necessary to increase the air side heat transfer. Selective laser melting gives rise to be applied for fin development due to: i) independency of conventional tooling ii) a fast way to conduct essential experimental studies iii) high dimensional accuracy iv) degrees of freedom in design. Therefore, heat exchanger elements with wavy fins were examined in an experimental study. Experiments were conducted for air side Reynolds number range of 1400-7400, varying wavy amplitude and wave length of the fins at a constant water flow rate of 9.0 m^3/h. Heat transfer and pressure drop characteristics were evaluated with Nusselt Number Nu and Darcy friction factor [psi] as functions of Reynolds number. Heat transfer and pressure drop correlations were derived from measurement data obtained by regression analysis.