Im Forschungsprojekt „Solare magnetische Klimatisierung von Gebäuden (SOMAK)" wurden Flexibilisierungspotentiale von DEC-Klimaanlagen analysiert. Im Speziellen wurden Komponenten für eine magnetokalorische Wärme- und Kälteanlage (MKK) konstruiert und vermessen. Genutzt wurde hierbei ein „Hardware in the Loop"-Versuchsstand. In einem weiteren Entwicklungsschritt wurden numerische Modelle zur MKK-Einheit entwickelt und deren Verhalten in einer komplexen Gebäudesimulation energetisch bewertet.
Die Arbeiten besitzen Grundlagencharakter und ermöglichen eine Einschätzung der Megnetokalorik für regenerative Klimaanlagen.
Aktualisiert: 2023-03-14
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Gegenwärtig werden fast alle Kühlsysteme mit Kompressionskältemaschinen betrieben. Diese haben einen signifikanten Anteil von 15% am globalen Energieverbrauch. Sie erreichen typischerweise 50% der Carnot-Effizienz und sind auf Kältemittel angewiesen. Hingegen können magnetokalorische Materialien, die in Festkörperkühlsystemen eingesetzt werden, eine Materialeffizienz von über 90% erreichen. Die meisten der in der Literatur beschriebenen magnetokalorischen Systeme verwenden das Prinzip der ''Aktiven Magnetokalorischen Regeneration''. Für diese Systeme ist es jedoch nahezu unmöglich, sowohl hohe Zyklusfrequenzen und damit hohe spezifische Kühlleistungen als auch große Systemeffizienzen zu erreichen. Eine alternative Lösung für ein magnetokalorisches Kühlsystem, das Prinzip der ''Aktiven Magnetokalorischen Heatpipe'', wird in dieser Arbeit erstmalig realisiert. Dabei wird der Wärmeübertrag durch latente Wärme mittels eines kondensierenden und verdampfenden Wärmeübertragsfluids realisiert. Der Wärmestrom wird durch Rückschlagventile, welche als thermische Dioden fungieren, gleichgerichtet. Mit der Realisierung dieses Konzeptes in einem experimentellen System konnte eine spezifische Kühlleistung von 12,5 W pro Gramm magnetokalorischem Material bei einer Zyklusfrequenz von 20 Hz erreicht werden. Beide Werte sind um eine Größenordnung höher als der Stand der Technik.
Aktualisiert: 2021-08-12
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Magnetokalorische Materialien bilden die Grundlage für neuartige Kühlsysteme, welche, im Vergleich zu kompressorbasierten Systemen, sowohl effizienter sein können, als auch ohne schädliche flüssige Kältemittel auskommen. Der derzeitige Systemansatz für magnetokalorische Kühlsysteme – das Durchströmen eines magnetokalorisch aktiven Regenerators mit einer Flüssigkeit – weist jedoch fundamentale Limitierungen in Bezug auf die Effizienz und die Leistungsdichte auf. Ziel dieser Arbeit ist es einen neuartigen Systemansatz basierend auf thermischen Dioden zu modellieren, um dessen Potential abzuschätzen und den Einfluss von verschiedenen Designparametern herauszuarbeiten. Die thermischen Dioden werden mittels Ventilen in einem Zweiphasenfluid realisiert. Es wird ein stufenweiser und modularer Modellierungsansatz gewählt. Das System wird als thermisches Ersatzschaltbild abgebildet. Dieses wird um ein thermodynamisch konsistentes und auf Messwerten basierendes Materialmodell für das magnetokalorische Material, sowie Betrachtungen zur Hysterese eben dieser Materialien erweitert. Daraus lassen sich Aussagen über das dynamische Verhalten, die Effizienz und die Leistungsdichte eines magnetokalorischen Kühlsystems basierend auf thermischen Dioden ableiten. Das dynamische Verhalten lässt sich mit einer Analogie zu einem Tiefpassfilter beschreiben und es wird ein gegenläufiges Verhalten von Leistungsdichte und Effizienz aufgezeigt. Außerdem kann erstmals ein direkter Zusammenhang zwischen der thermischen Hysterese der magnetokalorischen Materialien und einer möglichen Systemeffizienz gezeigt werden.
Aktualisiert: 2020-07-01
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