MSE Wärme- und Kältetechnik

Nicht nur in Klimaanlagen und Heizungen für den Hausbedarf wird Wärme- und Kältetechnik verwendet, sondern auch in vielen industriellen Prozessen sowie zur Kühlung elektronischer Systeme. Im Moment gibt es auch vielfältige Aufgaben im Bereich der Elektromobilität. Schwerpunkte im modern ausgerüsteten Labor des Instituts für Energiesysteme sind die Simulation, das Design sowie die Labor- und Feldmessungen in thermodynamischen und strömungstechnischen Projekten. Dabei werden Aufgaben von der ersten Idee bis zum Prototypenstadium und weiter hinaus begleitet. Das IES verbindet dabei eine Vielzahl an Kompetenzen (Simulationen, Anlagenbau, Konstruktion, Sensorik, Regelungstechnik, Programmieren) die von jedem Studenten in der Praxis angewendet und erlernt werden.    

Unser junges Team von wissenschaftlichen Mitarbeitern ist nicht nur um eine enge Kollaboration mit lokaler und internationaler Industrie bestrebt, sondern auch um die enge Integration unserer MSE-Studenten. Diese enge Zusammenarbeit spiegelt sich während des Studiums durch Vertiefungsprojekte und die Masterthesis wieder, welche gemeinsam mit Industrie­unternehmen durchgeführt werden, um einen hohe Praxisbezug zu erreichen. Für interessierte und motivierte Studenten bieten wir zudem die Möglichkeit, einen Auslandaufenthalt in den USA durchzuführen.

  • Purdue Poster 1 - The Visiting Scholar Theory (Link)
  • Purdue Poster 2 - The Visiting Scholar Experience (Link)

Um Studenten ein Einkommen zu ermöglichen, bieten wir Teilzeitanstellungen als wissenschaftliche Mitarbeiter an unserem Institut, wo zusätzlich weitere interessante und anspruchsvolle Projekte für die Industrie bearbeitet werden können.

Projekte von Master-Studenten:

 

  • Umrichterkühlung mittels Heatpipes (Link)
  • Emulsionsverdampfer (Link)
  • Destillation mit Wärmepumpenenergie (Link)

 

 

Beispielmodulewahl (Theoriemodule)

Theoretische Vertiefung

  • Heat- and mass transfer with two phase flow
  • Prozessintegration und Pinch-Analyse
  • Advanced Thermodynamics
  • Computational Fluid Dynamics
  • Multiphysics Modeling and Simualtion
 

Grundlagen

 

  • Ordinary Differential Equations and Dynamical Systems
  • Energy: Production, Consumption and Management
  • Optimization

 

Kontextmodule

  • Management of Complex Processes
  • Global Markets and Intercultural Competence
  • Blockmodul in Sursee

 

BILDER

Umrichterkühlung mittels Heatpipes:

Inhalt dieser Master-Thesis ist die Entwicklung eines Kühlsystems auf Basis einer Heatpipe für einen Frequenzumrichter. Eine Heatpipe kann auf drei verschiedene Arten arbeiten, einerseits als ein Thermosyphon, eine Dampfblasenpumpe oder eine Heatpipe mit Docht. Zugeschnitten auf die gestellte Aufgabe wurden verschiedene Konzepte erstellt. Die Thermosyphons sorgen für eine bessere Wärmeverteilung in der Grundplatte des Frequenzumrichters. Mittels Dampfblasenpumpe kann Wärme direkt mittels Kältemittel zu einem Wärmetauscher transportiert werden. Die Heatpipes mit Docht arbeiten lageunabhängig, aber es sind nur relativ kleine Leistungen möglich. Auf Basis einer Vergleichsstudie wurde eine Dampfblasenpumpe mit Kältemittelkanälen direkt in der Grundplatte, verbunden mit einem leichten Lamellenwärmetauscher, ausgewählt. Die Verlustenergie der elektronischen Bauteile kann direkt in der Grundplatte, sehr nahe bei den Bauteilen weggeführt werden.

Das gewählte Konzept wurde grob ausgelegt und mit Simulations-Tools verfeinert. Es wurden mehrere Versionen des Systems aufgebaut und messtechnisch ausgewertet. Die Ergebnisse der Messungen zeigten die limitierenden Parameter des Systems auf. Basierend darauf wurden verschiedene Verbesserungsmöglichkeiten entwickelt und soweit möglich im Versuch umgesetzt. Die letzte Version des Aufbaus schafft die geforderte Bedingung einzuhalten. Die maximale Oberflächentemperatur erreicht bei einer Verlustleistung von 1750 W und einer Umgebungstemperatur von 30°C maximal 98°C. Mit dieser guten Kühlung kann die Lebensdauer der elektronischen Bauteile verlängert werden und das Gewicht des Umrichters massiv verkleinert werden.

Im Abschluss wurden Optimierungsmöglichkeiten diskutiert und ein mögliches Design vorgestellt. Das Kühlsystem mit einer Dampfblasenpumpe kann mit der gleichen Baugrösse des Frequenzumformers erstellt werden. Dabei ist eine Gewichtseinsparung von bis zu 42% möglich. Auch für Details wie die Verbindung zwischen Wärmetauscher und Grundkörper wurden Lösungen entwickelt und dokumentiert.

 

 

 

Vakuumverdampfer:

Die Entwicklung eines Vakuumverdampfers für kleine Destillationsleistungen von 6 l/h und mit möglichst tiefen Investitionskosten war das Ziel dieser Arbeit. Die Firma Adlos möchte einen solchen Vakuumverdampfer in den Verkehr bringen zur Trennung und Aufbereitung von Flüssigkeiten. Dazu wurde nach der gesetzlichen Abklärung und Beurteilung anderer Verfahren ein Kreislauf entwickelt, der nach dem Prinzip der indirekten Brüdenverdichtung läuft. Die Wärmezufuhr und -abfuhr erfolgt über einen einfachen und robusten Kältekreislauf und das Vakuum wird durch eine Wasserstrahlpumpe erzeugt. Eine Simulation ermöglichte die Auslegung der Komponenten und den Aufbau eines Prototyps. Nach der Inbetriebnahme wurde die Leistung über mehrere Arbeitsbereiche vermessen. Ein optimaler Bereich wurde aus den Messungen ermittelt. Bei einem Vakuum von 90 mbar absolut stellt sich einen Destillationsstrom von 4.8 l/h und eine Destillationsenergie von 0.2 kWh/l ein. Die Erkenntnisse aus dem Betrieb werden für die geplante Industrialisierung der Anlage verwendet.

 

Destillation mittels Wärmepumpenenergie:

Ziel der Masterarbeit war die Evaluation von alternativen Methoden zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen. Im Fokus lag dabei der Kundennutzen, d.h. die Anwenderfreundlichkeit der Trennverfahren.

Eine ausführliche Literaturrecherche ergab die folgenden vier, sich eignenden Systeme: eine Mikrofluidikvorrichtung, Pervaporation, Destillation mit einem indirekten Wärmepumpensystem und Kapillarelektrophorese. Alle Prozesse wurden ausgearbeitet und anhand vordefinierter Kriterien bewertet. Anhand dieser Bewertungsskala weisst das indirekte Wärmepumpensystem das höchste Potential auf und wurde anschliessend ausgelegt, aufgebaut und getestet.

Für den Vergleich mit existierenden Anlagen, wurde ein maximaler Kondensationstest definiert und für verschiedene Arbeitspunkte durchgeführt. Für einen optimalen Prozess war eine stabile Regelung der Kompressordrehzahl, des Öffnungsgrades des elektronischen Expansionsventils und der Lüftergeschwindigkeit über den Enthitzer erforderlich.

Mit dem indirekten Wärmepumpensystem konnten je nach Arbeitspunkt die maximale Kondensationsmenge um 30 % bis 60 % gesteigert werden, was direkt eine Erhöhung des Kundennutzen zur Folge hat.