Elastokalorisches Klimamodul
Material
Elastokalorische Materialien
sind eine Klasse von Festkörper, die unter der
Wirkung mechanischer Belastung Wärme- bzw. Kälteeffekte
zeigen. Die nachfolgende Abbildung zeigt Wärmebild-Aufnahmen dieses Effekts in einem
Nickel-Titan Draht: Unter Zugbelastung gibt der Draht Wärme an die
Umgebung ab, d.h. es
tritt eine Heizwirkung ein. Bei
Zugentlastung nimmt der Draht Wärme aus der Umgebung auf, d.h. es tritt
eine Kühlwirkung ein:
Aufgrund der erzielbaren Arbeitstemperaturen kann dieses
Material besonders gut im Bereich der Gebäudeklimatisierung eingesetzt werden,
speziell in der Kombination mit Lüftungsanlagen. In
diesem Fall passt der technisch benötigte Temperaturhub sehr gut zu der
Leistungscharakteristik des elastokalorischen Materials. Die Wärme wird von
dem Material direkt an die Raumluft abgegeben, so dass zusätzliche,
Wärmetransport-bedingte Temperaturverluste weitgehend
entfallen. In Kombination mit einem intelligenten Lüftungsmanagement
hat die elastokalorische Technologie hier das Potential, die Klimatisierung und
Beheizung moderner Gebäude vollständig zu decken. Dabei kann die elastokalorische
Technologie sowohl zum Heizen im Winter, als auch zum Kühlen im Sommer verwendet werden. Das
Umschalten zwischen Sommer- und Winterbetrieb in derselben Baueinheit ist ohne
prinzipielle Änderungen des zu Grunde liegenden elastokalorischen Kreisprozesses möglich.
Verfahrenskonzept
Die Elastokalorik GmbH entwickelt ein elastokalorisches Klimamodul für den
Einsatz in Raum Lüftungssystemen. Das Patent für das folgend beschriebene Verfahren
wurde im November 2021 vom
Deutschen Patent- und Markenamt veröffentlicht.
Das Klimamodul verwendet das elastokalorische Material in Form von
Drähten, Folien oder Filmen, die zu einer Schlaufe geschlossen werden. Die
Schlaufe wird durch zwei
parallele Rollen unter einem gewissen Abstand aufgespannt, wie diese Abbildung zeigt:
Durch die Rollen wird die Materialschlaufe mittels Motor und Getriebe (nicht dargestellt) in einem kontinuierlich umlaufenden
Kreisprozess betrieben. Der
Antrieb wird dabei so geführt, dass die Rollen ungleiche Geschwindigkeiten erfahren. Die Differenz der Geschwinddigkeiten bewirkt entlang der freien Lauflänge von der langsameren zur
schnelleren Rolle eine Zugbelastung der elastokalorischen Ma-
terialschlaufe. Auf der anderen Seite bewirkt der Geschwindigkeitsunterschied
der Rollen eine Zugentlastung der Materialschlaufe. Durch die so geschaffenen
Belastungs-/Entlastungsstrecken tritt
der elastokalorische Wärmeeffekt lokalisiert ein: Auf der Belastungsseite gibt das elastokalorische Material Wärme
ab und auf der Entlastungsseite nimmt das elastokalorische Material Wärme
auf.
Im Anwendungsfall als Wärmepumpe
wird Heizwärme entlang des Strömungspfades W1 - W2 -
W3
an die Zuluft abgegeben und es wird Quellenwärme entlang des Pfades
K1 - K2 - K3 aufgenommen. Derselbe Prozess kann auch
Klimatisierungskälte liefern: Durch Vertauschung der Strömungspfade kann
die Zuluft in diesem Fall gekühlt werden.
Für das skizzierte Elastokalorisches Klimamodul gibt es heute
kein technisches Vorbild am Markt. Das technische Konzept wurde mit wissenschaftlichen Methoden in ein
physikalisch-mathematisches
Anlagenmodell überführt, anhand dessen die theoretische
Machbarkeit überprüft wurde.
Die erforderlichen technischen Entwicklungsschritte bis zur Marktreife wurden
identifiziert.
Materialtechnische Herausforderung
Eine Herausforderung besteht in dem ingenieurs- und
materialtechnischen Management der Materialermüdung
des elastokalorischen Arbeitsmaterials. Es ist bekannt, dass zyklische mechanische
Belastungen die Arbeitskennlinie des elastokalorischen Material verschieben
kann (funktionale Ermüdung). Die Ermüdungsphänomene sind besonders für
Nickel-Titan Legierungen intensiv beforscht worden, da diese Materialklasse auch für die
Medizintechnik ein wichtiger Grundwerkstoff ist.
Für die Verwendung als elakastokalorisches
Kältemittel wurden in den vergangenen Jahre
neue, verbesserte Legierungssysteme entwickelt. Die Ergebnisse dieser
Forschungsarbeit zeigen, dass die verbesserten Legierungen bereits heute akzeptable
Ermüdungscharakteristiken aufweisen, die einen Einsatz in elastokalorischen
Wärmepumpen/Kältemaschinen ermöglichen. Trotz dieser Erfolge
müssen die
verbleibenden Ermüdungserscheinungen durch geeignete Massnahmen zu
kontrolliert werden. Die Elastokalorik GmbH verfolgt mehrere Lösungsrouten, von der grundlegende Prozessauslegung, über die
Auswahl der eingesetzten Materialien bis zur Entwicklung
eines geeigneten Wartungskonzepts des Endprodukts.
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