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Entwicklung eines kapillar gepumpten Wärmeübertragersystems für einen Mikroenergiewandler

Schilder, Boris :
Entwicklung eines kapillar gepumpten Wärmeübertragersystems für einen Mikroenergiewandler.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung eines kapillar gepumpten Wärmeübertragersystems für einen Mikroenergiewandler
Language: German
Abstract:

Ziel des Projektes ’Mikroenergiewandlung’ ist die Entwicklung eines miniaturisierten Kraftwerks, das elektrischen Strom zur Versorgung von portablen oder mobilen elektronischen Geräten generiert. Als Energiequelle für den Mikroenergiewandler wird der flüssige Brennstoff Methanol verwendet. Der Brennstoff wird zunächst in einem Wärmeübertragersystem verdampft, mit Luft gemischt und in einer Mikrobrennkammer verbrannt. Die frei werdende Wärme wird über einen Thermogenerator in elektrischen Strom umgewandelt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des Wärmeübertragersystems für den Mikroenergiewandler. Dieses hat die Aufgaben, die Mikrobrennkammer mit gasförmigem Brennstoff zu versorgen und den Thermogenerator zu kühlen. Der gesamte Mikroenergiewandler soll ohne bewegliche Teile funktionieren; der Brennstoff wird daher nicht mit einer Pumpe, sondern mit Hilfe von Kapillarkräften gefördert. Zwei unterschiedliche Konzepte für ein kapillar gepumptes Wärmeübertragersystem werden vorgestellt. Beim ersten Konzept wird die nötige Kapillarkraft mit einer Rillenstruktur aufgebaut, es ähnelt in der Funktion einer Heat Pipe. In dem zweiten Konzept kommt eine poröse Struktur als Kapillarstruktur zum Einsatz. Der Aufbau dieses Systems ähnelt einem Capillary Pumped Loop (CPL). Beide Wärmeübertragersysteme werden experimentell charakterisiert, optimiert und verglichen. Dabei stehen der für die Versorgung der Brennkammer nötige Dampfmassenstrom und die für die Kühlung des Thermogenerators erreichbare Wärmestromdichte im Vordergrund. Die Ergebnisse zeigen, dass das Wärmeübertragersystem mit poröser Struktur besser für den Einsatz im Mikroenergiewandler geeignet ist als das System mit Rillenstruktur. Das System erfüllt alle Anforderungen, die für eine Integration in den Mikroenergiewandler gestellt werden. (Dampfmassenstrom >= 9 g/h, Wärmestromdichte >= 15 W/cm2). In dem Wärmeübertragersystem mit poröser Struktur treten Druckoszillationen aufgrund von Phasenwechselphänomenen auf. Diese führen zwar zu unerwünschten Schwankungen im Dampfmassenstrom, die Ergebnisse deuten jedoch an, dass sie die Wärmeübertragung im Verdampfer durch hochfrequente Benetzungsvorgänge positiv beeinflussen. Eine Analyse der Oszillationen weist daraufhin, dass sie für die sehr hohen gemessenen Wärmedurchgangskoeffizienten von bis zu 16.5 W/(cm2 K) verantwortlich sind. Das Wärmeübertragersystem mit poröser Struktur wird schrittweise in den Mikroenergiewandler integriert und das Gesamtsystem experimentell untersucht, wobei ein stabiler Betrieb erreicht wird. Bei einer thermischen Brennkammerleistung von 53W wird eine Temperatur von 326 °C an der heißen Seite des Thermogenerators gemessen. Die kalte Seite des Thermogenerators bleibt dabei dank des hohen Wärmedurchgangskoeffizienten des Verdampfers im Wärmeübertragersystem auf einem relativ geringen Temperaturniveau von 73 °C. Mit einem Blei-Tellurid-Thermogenerator kann das System unter diesen Bedingungen einen Gesamtwirkungsgrad von 4.7 % und eine elektrische Leistung von 2.51 W erreichen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The goal of the project ’micro energy conversion’ is the development of a miniaturized power plant to supply mobile electronics. Liquid methanol is used as the energy source. The fuel is evaporated in a heat exchanger system, mixed with air and burnt in a micro combustor. The generated heat is converted to electrical energy by means of a thermoelectric generator. This work is focused on the development of the heat exchanger system for the micro energy converter. The tasks of the heat exchanger system are generation of gaseous fuel for the combustion process and cooling of the thermoelectric generator. The micro energy converter is supposed to work without moving parts. For this reason, the transport of the liquid fuel relies on capillary forces. Two different capillary pumped heat exchanger concepts are presented. The first concept employs micro grooved structures and its layout resembles a classical heat pipe. In the second concept the capillary structure is made of porous materials. It is constructed following the example of a capillary pumped loop (CPL). Both heat exchanger systems are characterized, optimized and compared. Vapor generation and heat transfer performance are studied experimentally. The results show that the system with porous structures is superior to the system with grooved structures concerning implementation in the micro energy converter. The system with porous structures offers a high heat transfer performance and fulfils all requirements for the implementation (vapor mass flux >= 9 g/h, heat flux >= 15 W/cm2). Pressure oscillations as a result of phase change phenomena are observed and investigated in the heat exchanger system. These pressure oscillations induce objectionable fluctuations of the vapor mass flux guided into the combustion chamber. However, the results also imply that the heat transfer performance of the evaporator is enhanced by the oscillations, due to high frequent liquid wetting of the evaporator wall. The analysis of the oscillations indicates that they are the reason for the high evaporator heat transfer coefficients of up to 16.5 W/(cm2 K). The heat exchanger system with porous structure is integrated into the micro energy converter and the complete system is studied experimentally. Stable operation of the micro energy converter is proved. During operation at a combustor thermal power of 53 W a thermoelectric generator hot side temperature of 326 °C is measured, while the temperature at the cold side of the thermoelectric generator is comparatively low (73 °C), as a result of the high heat transfer performance of the evaporator inside the heat exchanger system. Employing a lead-telluride thermoelectric generator the micro energy converter enables a total efficiency of up to 4.7 % and an electrical power of 2.51 W.English
Uncontrolled Keywords: MEMS, Heat Pipes, CPL, LHP, Verdampfung, Dünnfilmverdampfung, Kondensation, Wärmeübertragung, Wärmeübertrager, Thermoelektrischer Effekt, Mikroenergiewandlung, Oszillationen, Kapillarität, poröse Struktur, tragbare Energieversorgung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
MEMS, Heat Pipes, CPL, LHP, evaporation, thin film evaporation, condensation, heat transfer, heat exchanger, thermoelectric effect, micro energy converter, oscillations, capillarity, porous structur, portable energy sourceEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Fachbereich Maschinenbau > Technische Thermodynamik
Zentrale Einrichtungen > Center of Smart Interfaces (CSI)
Date Deposited: 16 Aug 2011 13:14
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-26530
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Stephan, Prof. Dr.- Peter and Hardt, Prof. Dr. Steffen
Refereed: 4 May 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2653
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