Pulsierende Wärmerohre sind keine ‚Black Box‘ mehr
Die Umweltbelastung durch mit fossilen Brennstoffen betriebene Flugzeuge ist enorm. Die EU hat sich zu einem klimaneutralen Luftverkehr verpflichtet, und die Umstellung auf vollelektrische Flugzeuge ist bereits im Gange. Unterdessen starten immer mehr Elektroflugzeuge in die Lüfte. Wie allgemein bekannt ist, erzeugen Elektrogeräte Wärme und erfordern daher ein effizientes Wärmemanagementsystem. Da bei Hybridantrieben immer mehr elektronische Komponenten integriert werden, steigt auch der Kühlbedarf. Eine unkonventionelle Wärmetauscherkonfiguration, das pulsierende Wärmerohr (auch oszillierendes Wärmerohr genannt), könnte die Antwort sein. Es wurde in den frühen neunziger Jahren erfunden, ist relativ simpel, lässt sich mühelos herstellen und ist äußerst effizient im Umgang mit extrem hohen Wärmeströmen. Ihre spezifische Form und Funktionsweise führen jedoch zu sehr komplexen physikalischen Phänomenen, und bis heute gibt es keine technischen Instrumente, um ihre Leistung zu simulieren. Das EU-finanzierte Projekt PHP2 hat eine umfangreiche Datenbank mit Versuchsergebnissen und Instrumenten zum besseren Verständnis und zur Unterstützung der Industrie in der Vorentwurfsphase geschaffen.
Pulsierende Wärmerohre: Eine neue Richtung für das Wärmemanagement
Wärmerohre bestehen aus einem Rohr, das eine Flüssigkeit (Wasser oder Kühlmittel) enthält, die verdampft, wenn sie durch die Quelle erhitzt wird. In herkömmlichen Wärmerohren bewegt sich der an der Wärmequelle entstehende Dampf durch das Rohr und kondensiert an der kalten Quelle. Die dadurch entstehende Flüssigkeit kehrt dann durch Schwerkraft oder Kapillarwirkung zur Wärmequelle zurück. Dabei verlaufen die Wege von Dampf und Flüssigkeit voneinander getrennt. Laut Projektkoordinatorin Gaëlle Mouret von Capgemini Engineering sind „pulsierende Wärmerohre sinusförmig angeordnete Schleifen, die zum Teil mit Flüssigkeit und zum Teil mit Dampf gefüllt sind. An der Wärmequelle wird noch verdampft und an der Kältequelle kondensiert, aber die Gasbläschen und die Flüssigkeit werden vermischt. Durch die Zustandsänderung der Flüssigkeit kommt es im Mikrobereich zu Druckänderungen, die ein Ungleichgewicht erzeugen und die Bläschen in Schwingung versetzen. Ohne Instrumente zur Simulation der Leistung sahen sich die Interessengruppen der Industrie mit einer Entwicklungshürde konfrontiert. Das ist jetzt anders.
Umfassende Instrumente für die Modellierung anhand komplexer Versuchsdaten
Pulsierende Wärmerohre wurden bisher vor allem im Hochschulbereich erforscht und entwickelt. Die Konstruktion erfolgreicher Prototypen stellte eine ziemliche Herausforderung dar, da viele Erstentwürfe misslangen. Letztendlich konnten zehn funktionierende Prototypen eine umfangreiche Versuchskampagne unterstützen, aus deren Datenbasis zwei Instrumente für die Vorkonstruktion konzipiert und geprüft wurden. Das physische 1D-Modell von PHP2 ermöglicht eine detailgenaue Simulation des dynamischen Verhaltens pulsierender Wärmerohre. Eine entsprechende Berechnung dauert etwa eine Stunde. „Auf der Grundlage einer umfangreichen Versuchskampagne haben wir ein vereinfachtes mathematisches Modell erstellt, das maschinelles Lernen nutzt, mit der Versuchsdatenbank geschult und mit dem physikalischen 1D-Modell validiert wurde. Mit elf Eingangsparametern berechnet es die Leistung eines pulsierenden Wärmerohrs (d. h. dessen Wärmewiderstand) in weniger als einer Sekunde mit einem Fehler von etwa 20 %, was unser ursprüngliches Ziel von 50 % bei weitem übertrifft“, erklärt Mouret. Der Einsatz von Brennstoffzellen in Flugzeugen für mehr Elektroflugzeuge setzt ein hochentwickeltes Wärmemanagement voraus. „Pulsierende Wärmerohre bieten eine vielversprechende Kühltechnologie für mehr Elektroflugzeuge. Mit den Instrumenten für die Vorkonstruktion und der Versuchsdatenbank von PHP2 werden die pulsierenden Wärmerohre aus dem Bereich der akademischen Studien in den Bereich der industriellen Projekte überführt, was wiederum zu einem saubereren und umweltfreundlicheren Luftverkehr beitragen wird“, so Mouret abschließend.
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