Kompakte Wärmeübertrager

Motivation und Service

© Fraunhofer IFAM Dresden

(1) Aluminium-Faserstrukturen (70 % porös), (2) Hochporöser Aluminiumschaum, (3) 3D-Metalldraht-Sandwich aus Kupfer, (4) Nickelschaum auf einem Verdampfer-Prüfkörper, (5) Siebgedruckter Mikrokühler [(3) & (4) nicht am Fraunhofer IFAM Dresden hergestellt]

Wärmeübertrager sind Komponenten, die Wärme von einer Wärmequelle an eine Wärmesenke übertragen. Dabei können beide ein Fluid sein (Kühl-/Heizmedium), oft ist die Wärmequelle jedoch ein zu kühlendes Bauteil. Sollen große Wärmemengen pro Fläche übertragen werden sind kompakte Wärmeübertrager erforderlich.

Sowohl die am Fraunhofer IFAM Dresden entwickelten pulvermetallurgisch basierten Werkstoffe als auch additive Fertigungsverfahren bieten ideale Möglichkeiten für das Design effizienter Kompaktwärmeübertrager:

• Einsatz zellularer Metalle für Wärmeübertrager bei gasförmigen Medien (offenzellige Metalle),
• Strukturierte Verdampferoberflächen auf Basis pulvermetallurgischer Verfahren,
• Fertigung von Mikrokühlern bzw. Wärmerohren mittels additiver Fertigungsverfahren (z. B. Kühlung elektronischer Bauteile).

Wir bieten Ihnen Service aus einer Hand: Analyse der Wärmetransportaufgabe, wärmetechnische Simulation und Werkstoffauswahl, prototypische Fertigung von Kompaktwärmeübertragern und experimentelle Validierung im wärmetechnischen Labor

Zellulare Metalle für Kompaktwärmeübertrager

© Fraunhofer IFAM Dresden

(1) Thermografische Aufnahme eines Kühlers hergestellt aus Alu-Flachrohr und Aluschaum (Kontrolle thermische Kontaktierung), (2) Temperaturverteilung in einer einseitig beheizten, luftdurchströmten Aluschaumprobe, (3) Aluschaum-Sandwich für Wärmeübergangsmessungen

Offenzellige Metalle wie Metallschaum-, Metallfaser- oder Metalldrahtstrukturen vereinen zahlreiche Eigenschaften, die für die Übertragung großer Wärmeströme pro Flächeneinheit in Wärmeübertragern sehr wichtig sind:

• Gute Durchströmbarkeit,
• Extrem hohe volumenbezogene innere Oberfläche,
• Hohe Wärmeleitfähigkeit des Grundwerkstoffes.

Zur Auswahl geeigneter Werkstoffe können die wichtigsten strömungs- und wärmetechnischen Kenngrößen im wärmetechnischen Labor messtechnisch bestimmt werden:

• Druckverluste beim Durchströmen – eine wichtige Kenngröße für den Betrieb,
• Wärmeübergangskoeffizienten bezogen auf die Kontaktfläche zum Wärmeträgerkanal,
• Effektive Wärmeleitfähigkeit der zellularen Struktur.

Auf Basis dieser Werkstoffeigenschaften werden für spezielle Anwendungen maßgeschneiderte Wärmeübertrager mit hohen Leistungsdichten ausgelegt, gefertigt und als Prototyp getestet.       

Versuchsanlagen

© Fraunhofer IFAM Dresden

Links: Flacher Strömungskanal aus Acryl mit drehzahlregelbarem Lüfter. Die Metallfaserprobe (Detail) wird von oben und unten zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten elektrisch beheizt. Rechts: Vorkonfektionierte Aluschaum- und Alufaserproben

Zur Untersuchung der strömungs- und wärmetechnischen Eigenschaften von Werkstoffen und der Leistungsdaten prototypischer Kompaktwärmeübertrager steht eine hochwertige messtechnische Ausstattung zur Verfügung:

• Verschiedene Massendurchflussregler für Luftströmungen bzw. drehzahlregelbare Lüfter,
• Luftkanäle mit flexiblem Strömungsquerschnitt für flache und zylindrische sowie optional beheizbare Materialproben,
• Lufterhitzer verschiedener Leistungsklassen bis 20 kW für Druckluft,
• Coriolis-Mess-/Regelsystem für Wasserströmungen bis 5 Liter/min,
• Strömungskanäle für Wasserströmungen.

Neben der Erzeugung definierter Luft- bzw. Wasserströmungen in variablen Strömungskanälen existiert die zur energetischen Bilanzierung benötigte Messtechnik: Sensorik für Geschwindigkeit, Druck (absolut/relativ) und Temperatur (Wand/Fluid).