Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des Einflusses von mikro- und nanostrukturierten Beschichtungen auf das Vereisungsverhalten von Wärmeübertrageroberflächen für den Einsatz in einem Eisspeicher

Motivation dieser Forschung ist die Verbesserung bestehender Eisspeicher durch eine Beeinflussung der Nukleationstemperatur. Bei der Beladung eines Eisspeichers bildet sich bei Erreichen der Nukleationstemperatur Eis auf dem Wärmeübertrager. Durch die wachsende Eisschichtdicke steigt deren Wärmeleitwiderstand an und die Beladungsleistung nimmt ab. Nun soll untersucht werden, inwieweit durch den Einsatz mikro- und nanostrukturierter Beschichtungen auf dem Wärmeübertrager des Eisspeichers die Nukleationstemperatur gesenkt werden kann. Ziel ist, dass sich das Wasser des Eisspeichers unterkühlen lässt bevor Eisbildung einsetzt. Dies ermöglicht eine höhere Beladungsleistung.

Durch die Forschungsergebnisse können sich KMU wie Komponentenhersteller von Wärmeübertragern und Eisspeichern sowie Anlagenbauer von Kälte- und Klimaanlagen sowie Wärmepumpen Wettbewerbsvorteile sichern. Es können neuartige kleinere Wärmeübertrager für Eisspeicher gebaut werden, wodurch Materialkosten eingespart, der Ressourcenverbrauch verringert, die Produktionskosten gesenkt und die Speicherkapazität erhöht wird. Der Speicher kann für die Speicherung derselben Energie kleiner dimensioniert und Investitionskosten gespart werden. Durch die hohe Beladungsleistung ist die Speicherung effizienter mit geringeren Energie- und Betriebskosten.

In einem Modelleisspeicher sollen Rohre aus verschiedenem Material mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit untersucht und die Auswirkungen von z.B. Rauigkeit, Kontaktwinkel und Oberflächenenergie auf das Vereisungsverhalten bestimmt werden. Geeignete Keimstellen zur Initiierung der Eisbildung abseits des Wärmeübertragers sollen gefunden, weitere Einflussfaktoren auf die Eisbildung, wie der Einfluss von Strömungen und die Zusammensetzung des Speicherwassers untersucht und die Langzeitbeständigkeit der Beschichtungen geprüft werden. Neben den experimentellen Untersuchungen soll die Beladung des Eisspeichers auf Basis der Nukleationstheorie modelliert werden

Ergebniszusammenfassung:

Ein Einfluss der Oberflächenrauheit der Wärmeübertrager auf die Nukleationstemperatur konnte nachgewiesen werden. Je rauer die Oberfläche des Rohres ist, desto niedriger ist die Nukleationstermperatur, also die Temperatur, bei der die Vereisung einsetzt. Die Beladung des Eisspeichers wird durch die gespeicherte Energiemenge abgebildet. Diese setzt sich aus der sensiblen und der latenten Energie zusammen. Wird durch die Unterkühlung des Speichermediums die Nukleation verzögert, so sinkt bei gleicher Beladungszeit und gleichen Anfangsbedingungen die gespeicherte Menge Energie im Eisspeicher. Eine Verzögerung der Nukleation ist daher nicht erstrebenswert. Auch bleibt der Wärmeübertrager durch eine Verzögerung der Nukleation nicht eisfrei. In Versuchen mit mehreren Wärmeübertragern kann der Wärmeentzug lokal von der Vereisung entkoppelt werden, allerdings nicht reproduzierbar, da es sich bei unterkühltem Wasser um einen metastabilen Zustand handelt. Auch ist die Entkopplung zeitlich begrenzt, da Eisdendriten von den vereisten Wärmeübertragern zur kältesten Stelle im Speicher wachsen, welche am Wämeentzugswärmeübertrager liegt.