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Experimentelle Analyse von horizontalen und leicht geneigten Zwei-Phasen-Thermosiphons für die solarthermische Fassadenintegration

Morawietz, Katharina (2020):
Experimentelle Analyse von horizontalen und leicht geneigten Zwei-Phasen-Thermosiphons für die solarthermische Fassadenintegration.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00011686,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle Analyse von horizontalen und leicht geneigten Zwei-Phasen-Thermosiphons für die solarthermische Fassadenintegration
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Dissertation dient der experimentellen Analyse von horizontalen und leicht geneigten Zwei-Phasen-Thermosiphons für die solarthermische Fassadenintegration. Zwei-Phasen-Thermosiphons, die den Verdampfungs-/Kondensationskreislauf über die Schwerkraft aufrechterhalten, sind in der Lage, auch unter horizontaler Ausrichtung hohe Wärmeleistungen zu erzielen. Die gegenwärtig bestehende Datenlage zu thermischem Widerstand und Leistungsgrenzen von horizontalen und leicht geneigten Zwei-Phasen-Thermosiphons zeichnet jedoch, insbesondere für die Abhängigkeit von Füllgrad und Neigungswinkel, kein einheitliches Bild. Zudem wird ein häufig instationäres Verhalten beim Betrieb um die Horizontale beschrieben. Es ist nicht auszuschließen, dass das instationäre Verhalten von Zwei-Phasen-Thermosiphons im Horizontalen, gepaart mit unterschiedlichen Definitionen und Methoden zur Bestimmung der Leistungsgrenze, seinen Anteil an der unklaren Datenlage hat. Eine allein auf Literaturdaten beruhende Auslegung von Zwei-Phasen-Thermosiphons für die winkelflexible, auch horizontale Fassadenintegration ist folglich nicht möglich. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Definitionen und Messmethoden zur Bestimmung der Leistungsgrenze hinsichtlich ihrer Eignung zur Beschreibung von solaren horizontalen und leicht geneigten Zwei-Phasen-Thermosiphons untersucht. Die Arbeit stellt dabei einen umfassenden Überblick über Definitionen der Leistungsgrenze und den möglichen Einfluss auf die gemessene Leistungsgrenze solarer horizontaler und leicht geneigter Wärmerohre zur Verfügung. Es wird erkannt, dass keine der in der Literatur vorhandenen Definitionen der Leistungsgrenze alleinstehend für die Beschreibung des komplexen instationären Betriebsverhaltens von Zwei-Phasen-Thermosiphons um die Horizontale geeignet ist. Stattdessen wird die Analyse und Bewertung des Grenzbetriebsverhaltens von horizontalen und leicht geneigten Zwei-Phasen-Thermosiphons anhand von sogenannten „Temperaturphänomen-Karten“ vorgeschlagen. Damit wird in der Arbeit eine Methodik entwickelt, mit der das komplexe Betriebsverhalten von horizontalen und leicht geneigten Zwei-Phasen-Thermosiphons abgebildet werden kann und die – in Verbindung mit einer breiten experimentellen Analyse – die Basis für eine fundierte Auslegung von Zwei-Phasen-Thermosiphons um die Horizontale liefern könnte. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein für die Anwendung in einem Test-Fassadenkollektor des Projekts „ArKol“ vorgesehener solarer Zwei-Phasen-Thermosiphon hinsichtlich seines Betriebsverhaltens – auch unter Anwendung der neu entwickelten Methodik der Temperaturphänomen-Karten – analysiert. Es zeigt sich, dass der thermische Widerstand des Test-Thermosiphons für einen Füllgrad von 30 % bei einer Neigung von 0° und +0,5° bei geringen Temperaturen vom erhöhten Widerstand zwischen Verdampfer und adiabater Zone dominiert wird. Für einen Füllgrad von 45 % wird der thermische Widerstand dagegen bei geringen bis mäßigen Temperaturen für alle gemessenen Winkel zwischen 0° und +10° vom Widerstand zwischen der adiabaten Zone und dem Kühlwasser bestimmt. Für 30 % Füllgrad wird in den betreffenden Betriebspunkten eine Austrocknung des Verdampfers, für 45 % Füllgrad eine Teilflutung des Kondensators vermutet. Die zur Analyse des Grenzbetriebsverhaltens herangezogenen Temperaturphänomen-Karten offenbaren, dass für einen Betrieb bei horizontaler Ausrichtung deutlich mehr Betriebspunkte vorliegen, denen ein stationäres oder nur leicht instationäres Verhalten zugeordnet werden kann, als bei geneigter Ausrichtung. Gleichzeitig treten in horizontaler Ausrichtung jedoch häufiger Phänomene hoher Instationarität auf, die den Wärmerohrbetrieb massiv gefährden. Ob eine geringere Leistungsgrenze für horizontale oder leicht geneigte Zwei-Phasen-Thermosiphons erkannt wird, hängt damit von der Definition des Leistungsgrenzphänomens ab. Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen kann ein horizontaler Betrieb des Test-Thermosiphons im Test-Fassadenkollektor nicht ohne das Auftreten von den Wärmerohrbetrieb gefährdenden Temperaturphänomenen garantiert werden. Die Machbarkeit einer leicht geneigten Installation ist aufgrund der unter diesen Winkeln über einen breiten Betriebsbereich auftretenden mäßigen Instationaritäten in Dauer- und Geräuschtests zu prüfen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The purpose of this dissertation is the experimental analysis of horizontal and slightly inclined two-phase thermosiphons for solar thermal façade integration. Two-phase thermosiphons, which maintain the evaporation/condensation circuit by gravity, are able to transfer high amounts of heat even under horizontal orientation. However, the data currently available on thermal resistance and performance limits of horizontal and slightly inclined two-phase thermosiphons does not paint a uniform picture, especially when analysing the dependence on the filling ratio and inclination angle. In addition, a frequently transient behavior is described during operation around the horizontal orientation. It cannot be ruled out that the transient behaviour of two-phase thermosiphons in the horizontal orientation paired with different definitions and methods for the determination of the heat transfer limit may contribute to the unclear data situation. A design of two-phase thermosiphons for an angle-flexible, or even horizontal façade integration simply based on literature data analysis is therefore not possible. In the first part of the present work different definitions and measurement methods for the determination of the heat transfer limit are examined regarding their suitability for the description of horizontal orientated and slightly inclined solar two-phase thermosiphons. The thesis provides a comprehensive overview of definitions of the heat transfer limit and the possible influence on the measured heat transfer limit of horizontal and slightly inclined solar heat pipes. It is recognized that none of the existing definitions of the heat transfer limit in the literature is suitable for the description of the complex transient operating behaviour of two-phase thermosiphons around the horizontal orientation. Instead, the analysis and evaluation of the limiting operating behaviour of horizontal and slightly inclined two-phase thermosiphons is proposed using so-called "temperature phenomenon maps". Thus, the thesis develops a methodology to map the complex operating behaviour of horizontal and slightly inclined two-phase thermosiphons which could provide - in combination with a broad experimental analysis - the basis for a well-founded design of two-phase thermosiphons around the horizontal orientation. In the second part of the work, a solar two-phase thermosiphon intended for application in a test façade collector of the "ArKol" project is analysed with regard to its operating behaviour – along with using the newly developed methodology of temperature phenomenon maps. It is shown that the thermal resistance of the test thermosyphon is dominated by the increased resistance between evaporator and adiabatic zone for a filling ratio of 30 % at an inclination of 0° and +0.5° at low temperatures. For a filling ratio of 45 %, the thermal resistance is determined by the resistance between the adiabatic zone and the cooling water at low to moderate temperatures for all measured angles between 0° and +10°. For the respective operating points for a filling ratio of 30 % a drying out of the evaporator is assumed, while for a filling ratio of 45 % a partial flooding of the condenser is assumed. The temperature phenomenon maps used for the analysis of the limiting operating behaviour reveal that there are considerably more operating points for operation with horizontal than with inclined orientation to which a stationary or only slightly transient behaviour can be assigned. At the same time, however, phenomena of high instability occur more frequently in horizontal alignment, which massively endanger heat pipe operation. Therefore, whether a lower heat transfer limit is detected for horizontal or slightly inclined two-phase thermosiphons depends on the definition of the performance limit phenomenon. On the basis of the investigations carried out, a horizontal installation of the test thermosiphon in the test façade collector cannot be guaranteed without the occurrence of temperature phenomena endangering the heat pipe operation. The feasibility of a slightly inclined installation must be tested in endurance and noise tests due to the moderate instabilities occurring at these angles over a wide operating range.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 10 Jun 2020 11:35
Last Modified: 10 Jun 2020 11:35
DOI: 10.25534/tuprints-00011686
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/116...
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-116869
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter and Schnabel, Dr. Lena
Refereed: 21 April 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11686
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