Kältesysteme für miniaturisierte mechatronische Anwendungen

Dosky, Stefan von GND

The current work contains the design, the simulation and the scaling of several refrigerating machines and their components in small geometries. At the beginning all physical principles for refrigeration are systematically analyzed. From that basis the refrigerating machines and their components are derived. It was found out that the group of compressor refrigerating machines are well suitable for the scaling process towards small geometries by using mechatronical criteria. The coefficient of performance of such machines is quite high and it should become possible to use them in small form factors. To enable that, several design and scaling methods are developed and improved. These methods are graphical analyses of the Carnot-cycle, Block-based Simulation, Entropy Generation Analysis and Computational Fluid Dynamics. According to that software and database modules are developed and a dimensioning scheme for refrigerant expansion channels is acquired. The scaling methods are tested and evaluated by the usage of examples that compare conventional and microtechnical compressor refrigerating machines. Several scaling steps of the miniaturized compressor refrigerating machines are developed, constructed and tested using smallest piston compressors, active and passive expansion devices and translucent heat exchangers. Both conventional and microtechnical design methods are used. The results of the calculations and simulations are compared with the measurement results. The knowledge of the investigations of this work is summarized and presented. The scaling borderlines for smallest compressor refrigerating machines for the mechatronical environment are systemized and highlighted.

Kurzfassung: „Kältesysteme für miniaturisierte mechatronische Anwendungen“ Die vorliegende Arbeit umfasst den Entwurf, die Simulation und die Skalierung verschiedener miniaturisierter mechatronischer Kältemaschinen und deren Baugruppen. Zunächst werden sämtliche physikalische Prinzipien zur Kälteerzeugung systematisiert. Daraus lassen sich technische Kältemaschinen und deren Komponenten ableiten. Unter Verwendung mechatronischer Kriterien wird ermittelt, dass die Gruppe der Kaltdampf-Kältemaschinen für eine Skalierung in kleinste Geometrien prädestiniert ist. Die vergleichsweise hohen Leistungszahlen konventioneller Kaltdampf-Kältemaschinen sollen unter bestimmten Voraussetzungen für mikrotechnische Anwendungen verfügbar werden. Um dies zu ermöglichen, werden verschiedene Entwurfs- und Skalierungsmethoden entwickelt und verfeinert. Es finden grafische Kreisprozessanalyse, blockorientierte Simulation, Entropieanalyse und CFD-Modellierung Anwendung. In diesem Zusammenhang erfolgt die Entwicklung geeigneter Software- und Datenbankmodule sowie die Erarbeitung eines Schemas zur Dimensionierung von Kältemittel-Entspannungskanälen. Anhand vergleichender Beispiele zwischen konventionellen und mikrotechnischen Kältemaschinen werden die Skalierungsmethoden erprobt und evaluiert. Die Entwicklung, der Aufbau und die Laboruntersuchung der miniaturisierten Kaltdampf-Kältemaschinen und deren Komponenten erfolgt in verschiedenen geometrischen Skalierungsstufen. Kleinste Hubkolbenkompressoren, aktive und passive Entspannungsorgane sowie transluzente Wärmetauscher werden entwickelt, gebaut und labortechnisch untersucht. Sowohl der konventionelle als auch der mikrotechnische Baugruppenentwurf findet Anwendung. Die Berechnungs- und Simulationsergebnisse werden mit den Messergebnissen verglichen und die Erkenntnisse der Untersuchungen zusammenfassend dargestellt. Die Skalierungsgrenzen für kleinste Kältemaschinen im mechatronischen Umfeld werden mit dieser Arbeit aufgezeigt und systematisiert.

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Dosky, Stefan von: Kältesysteme für miniaturisierte mechatronische Anwendungen. 2007.

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