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Mikrowärmeübertrager in der Kältetechnik

BMWi

2019 - 2021

Dr. Olaf Hempel

+49-351-4081-600

laufend

3D-Fertigung von Mikrowärmeübertragern

Auch bei Wärmeübertragern führt die Verkleinerung der Strukturen und Bauteile zu einer Verbesserung der Leistung. Mikrowärmeübertrager bieten mehr Oberfläche pro Volumen und erreichen höhere Wärmedurchgangskoeffizienten. Die kleinen Kanäle in diesen Wärmeübertragern sorgen dafür, dass die beiden Fluidströme möglichst nahe aneinander vorbei geführt werden. Schlüssel für solche Wärmeübertrager sind die entsprechenden Fertigungsverfahren.

Vorarbeiten

In einem Vorlaufforschungsprojekt des BMWi EURONORM InnoKom-Ost wurden die konstruktiven und technologischen Grenzen für die Herstellung von Mikrowärme-übertragern ausgetestet. Dabei wurden folgende Erkenntnisse gewonnen:

  • Mikrowärmeübertrager ermöglichen größere Kompaktheit als der Stand der Technik.
  • Probewärmeübertrager erreichen ein Oberflächen-Volumen Verhältnis von bis zu 7300m²/m³.
  • Wärmedurchgangskoeffizienten von bis 12000 W/m²K können beobachtet werden.
  • Gegenüber den gelöteten Plattenwärmeübertragern ist somit eine Reduzierung des Bauvolumens um den Faktor 25 möglich.
  • Kanalabmessungen von ca. 50 bis 200 µm sind realisierbar.

Für die Fertigung der komplizierten inneren Geometrie des Mikrowärmeübertragers sind additive Fertigungsverfahren besonders geeignet. Insbesondere die 3D-Laserschmelzverfahren (Selective Laser Melting - SLM) sind interessant. Dieses Verfahren hat in den letzten 10 Jahren große Fortschritte hinsichtlich der verfügbaren Maschinen und Werkstoffe gemacht.

Im folgenden Verbundvorhaben FunGeoS-Fluid innerhalb des "Zwanzig20"-Konsortiums "AGENT-3D" wurden spezielle Lösungen für die Fertigung von Mikrowärmeübertragen entwickelt. In Zusammenarbeit mit dem LIM e.V. Mittweida wurde das Patent EP2647942 entwickelt, eingereicht und erteilt. Zusammen mit den Partnern LHM, 3Dmicroprint und CIM wurden in diesem Projekte folgende Erkenntnisse gesammelt:

  • Das 3D Drucken von Mikrowärmeübertragern aus Edelstahl ist möglich.
  • Rohrleitungen können dicht und zuverlässig an Mikrowärmeübertrager angelötet (bevorzugt) bzw. angeschweißt werden.
  • Reproduzierbare Dichtheit der inneren Strukturen muss verbessert werden.

Aktuelle Arbeiten

Im nächsten Schritt erfolgt im Rahmen eines BMWi EURONORM InnoKom-Ost Projektes die Untersuchung von Mikrowärmeübertragern als Verflüssiger in Kälteanlagen. Im Rahmen eines BMWi ZIM-Projektes wird zudem die anspruchsvolle Aufgabe eines Mikrowärmeübertragers als Verdampfer bearbeitet. In den beiden vorhergehenden Projekten standen die grundsätzliche Machbarkeit der Wärmeübertrager und deren Fertigungsverfahren im Vordergrund. Bei diesen Projekten liegt der Fokus auf der spezifischen konstruktiven Anpassung für Kondensations- und Verdampfungsvorgänge und deren Untersuchung.

Prüfstände

Während die Fertigung von Mikrowärmeübertragern durch Partnerinstitute und -firmen erfolgt, übernimmt das ILK die Erprobung und Vermessung der Prüflingsmuster. Dazu verfügt das ILK über einen extra Prüfstand für Wasser/Wasser Versuche an Mikrowärmeübertragern. Mit diesem Prüfstand können die Druckverluste und die Wärmübertragung gemessen werden.

Zur Vermessung der Mikrowärmeübertrager mit Kältemittel steht ein angepasster Aufbau am „großen“ Wärmeübertrager Prüfstand zur Verfügung. Dieser Prüfstand wird mit R134a betrieben und kann kleine Verflüssiger und kleine Verdampfer vermessen.


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