Techn. Univ., Diss.--Braunschweig, 2006.

Kältemaschinen und Wärmepumpen haben in den letzten Jahren ein Wandel bei der Verwendung der Kältemittel erlebt. Die Ursachen für ein Umdenken lagen zum einen im Ozonabbaupotential (ODP) und zum anderen im Treibhauspotential (GWP) der eingesetzten Kältemittel. Die aktuelle Novellierung der F-Gas Verordnung soll den Einsatz von fluorierten Treibhausgasen (F-Gase) einschränken und wurde am 30.03.2023 im EU-Parlament angenommen. Sofern auch der EU-Rat zustimmt, wovon stark ausgegangen wird, tritt die neue Verordnung in Kraft. Die Entscheidung soll im 3.Quartal 2023 fallen. Damit wird der grundsätzliche Einsatz von F Gasen ab 2025 verboten. Zusätzlich wird diskutiert, im Rahmen eines Verbotes von mehr als 10,000 Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), einen Großteil der restlichen Low-GWP Kältemittel zu verbieten. Dies stellt auch die aktuelle Forschung vor neue Herausforderungen. Mit den zuvor beschriebenen gesetzlichen Rahmenbedingungen liegt der Fokus in Zukunft zunehmend auf natürlichen Kältemitteln. Ammoniak (R717), Kohlendioxid (R744), Kohlenwasserstoffe [Isobutan (R600a) z.B.] und Wasser (R718) kommen bereits seit Millionen von Jahren in der Natur vor. Ihr Einsatz in der Industrie – seit über 100 Jahren. Auf Grund dessen erforscht die Forschungsplattform Kälte- und Energietechnik in einem Teilprojekt, Komponenten und Betriebsarten von Kälteanlagen mit dem Kältemittel Ammoniak. Diese Arbeit soll dabei einen Beitrag zu theoretischen Voruntersuchungen an luftbeaufschlagten Verdampfern für Verdampfungsprozesse bis -30 °C leisten. Der Fokus dieser Arbeit liegt dabei auf der Beeinflussung der Strömungsform der 2-Phasenströmung innerhalb des Verdampfers zur Verbesserung der Rohrbenetzung und damit einer Verbesserung des inneren Wärmeübergangskoeffizienten, sowie der Bewertung der Verbesserungsmöglichkeiten.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Methodisches Vorgehen 2 Stand der Technik 2.1 Ammoniak als natürliches Kältemittel 2.2 Grundlagen Kompressionskältekreislauf 2.3 Aufbau von Verdampfern für die Trockenexpansion 3 Analytische Berechnung von Wärmeübertragungsvorgängen in luftbeaufschlagten Verdampfern 3.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 3.2 Äußerer Wärmeübergang 3.3 Berechnungsmodelle für das Strömungssieden zweiphasiger Fluide im horizontalen Rohr 3.3.1 Einführung Strömungssieden 3.3.2 Strömungsformen beim horizontalen Strömungssieden 3.3.2.1 Einfluss der Strömungsform 3.3.2.2 Schichtenströmung 3.3.2.3 Wellenströmung 3.3.2.4 Ringströmung 3.3.2.5 Intermittierende Strömung 3.3.3 Rechnerische Bestimmung der Strömungsform mittels Strömungskarten 3.3.4 Berechnung des inneren Wärmeübergangskoeffizient 3.3.4.1 Asymptotische Modell 3.3.4.2 Strömungsformorientiertes Modell 3.4 Programmierung für die Rechnung mit den Modellen 3.4.1 Funktionsweise 3.4.2 Validierung der Modelle 4 Steigerung des inneren Wärmeübergangskoeffizienten 4.1 Überblick von Modifizierungsmöglichkeiten 4.2 Berechnungen zu Rippenrohr und Ringkanälen 4.2.1 Rippenrohr 4.2.1.1 Parameter von Rippenrohren 4.2.1.2 Berechnungsgrundlagen 4.2.1.3 Vergleich Rippenrohr mit Glattrohr für m ̇ = 27 kg/m²s 4.2.1.4 Vergleich Rippenrohr mit Glattrohr für m ̇ = 9 kg/m²s 4.2.1.5 Ergebnisse und Diskussion 4.2.2 Ringkanäle 4.2.2.1 Parameter von Ringkanälen 4.2.2.2 Berechnungsgrundlagen 4.2.2.3 Vergleich von Ringkanälen mit Rippen- und Glattrohr für M_ref = 10.62 kg/h 4.2.2.4 Vergleich von Ringkanälen mit Rippen- und Glattrohr für M_ref = 3.54 kg/h 4.2.2.5 Ergebnisse und Diskussion 5 Zusammenfassung und Ausblick 6 Literaturverzeichnis

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss.

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2008

Universiẗat, Diss., 1999--Paderborn.

Die Erfindung der Kältemaschine macht es möglich, dass heute zu beliebiger Zeit Kälte in benötigter Menge und gewünschter Temperatur erzeugt werden kann. Aber für die Kälteerzeugung braucht man Antriebsenergie. Das Ziel dieser Doktorarbeit besteht darin, mit einer intelligenten Kombination von thermostatischem Expansionsventil (TEV) und innerem Wärmeübertrager (IWÜ) den Energieverbrauch von Kälteanlagen deutlich zu verringern, ohne dass dies zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit oder wesentlichen Mehrkosten führt. Bis heute gelten die beiden bekannten Komponenten TEV und IWÜ als inkompatibel miteinander, weil die einfache Aneinanderreihung zu einem instabilen Regelverhalten führt. Nach detaillierter Analyse der Ursachen dieser Instabilität wird die Hypothese aufgestellt, dass durch eine absichtliche „Verschlechterung“ des IWÜ ein stabiler Arbeitsbereich gefunden werden kann. Bei dieser „Verschlechterung“ kann es sich z. B. um den Bypass eines Teils des Hochdruckstromes oder um eine Gleichstromanordnung der Ströme im Wärmeübertrager handeln. Diese Hypothese wurde primär durch Experimente, aber zusätzlich auch durch Simulationsrechnungen bestätigt. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit welchem verschiedene Konfigurationen und Regelstrategien getestet wurden. Es wurde eine deutliche Verringerung des Energieverbrauchs gegenüber herkömmlichen Anordnungen erreicht.

Die Erfindung der Kältemaschine macht es möglich, dass heute zu beliebiger Zeit Kälte in benötigter Menge und gewünschter Temperatur erzeugt werden kann. Aber für die Kälteerzeugung braucht man Antriebsenergie. Das Ziel dieser Doktorarbeit besteht darin, mit einer intelligenten Kombination von thermostatischem Expansionsventil (TEV) und innerem Wärmeübertrager (IWÜ) den Energieverbrauch von Kälteanlagen deutlich zu verringern, ohne dass dies zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit oder wesentlichen Mehrkosten führt. Bis heute gelten die beiden bekannten Komponenten TEV und IWÜ als inkompatibel miteinander, weil die einfache Aneinanderreihung zu einem instabilen Regelverhalten führt. Nach detaillierter Analyse der Ursachen dieser Instabilität wird die Hypothese aufgestellt, dass durch eine absichtliche „Verschlechterung“ des IWÜ ein stabiler Arbeitsbereich gefunden werden kann. Bei dieser „Verschlechterung“ kann es sich z. B. um den Bypass eines Teils des Hochdruckstromes oder um eine Gleichstromanordnung der Ströme im Wärmeübertrager handeln. Diese Hypothese wurde primär durch Experimente, aber zusätzlich auch durch Simulationsrechnungen bestätigt. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit welchem verschiedene Konfigurationen und Regelstrategien getestet wurden. Es wurde eine deutliche Verringerung des Energieverbrauchs gegenüber herkömmlichen Anordnungen erreicht.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Dissertation stand die Herstellung von organischen Leuchtdioden und Passiv-Matrix-Displays an einer neuartigen Durchlauf-Depositionsanlage. Die Abscheidung von "small molecule" Materialien im Hochvakuum wurde dabei mittels organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) durchgeführt. Um effiziente Leuchtdioden zu erzielen, sind die Bauelemente als Mehrschichtsystem aufgebracht worden. Als Grundstruktur kam eine Schichtenfolge zur Anwendung, die als Löchertransporter aus dem Starburst-Derivat 2-TNATA, daran anschließend einem tertiären Arylamin, dem elektronenblockierenden a-NPB sowie dem Oxinat-Komplex Alq3 besteht. Dabei diente das Aluminium-Oxinat als Elektronenleiter und Emissionsmaterial. Mit dem Quinacridon-Derivat QAD als Dotierstoff wurde außerdem eine OLED-Struktur mit Gast-Wirtsystem realisiert Eine kontrollierte und reproduzierbare Deposition der organischen Materialien ist eine unabdingbare Voraussetzung, um organische Leuchtdioden kommerziell als Mehrschichtbauelemente herstellen zu können. Dazu wurde ein Hochvakuumsystem der Firma Applied Films installiert und in Betrieb genommen. Die VES 400/13-Entwicklungsanlage ist als Vertical Evaporation and Sputtering Durchlaufsystem für bis zu 400 mm hohe Substrate mit 11 individuellen Prozesskammern sowie zwei daran anschließenden Stickstoffboxen konzipiert. Diese Technologie ermöglicht das Aufdampfen einer oder nacheinander mehrerer Schichten auf beliebiges Substratmaterial. Entsprechend den Erfordernissen sind wichtige Prozessparameter wie Depositionsrate, Transportgeschwindigkeit des Substrates sowie Filmdicke der funktionellen Schichten in einem weiten Bereich frei einstellbar. Neben einer ausgeglichenen Löcher- und Elektroneninjektion werden die Eigenschaften der hergestellten Leuchtdioden durch die Dicken der einzelnen Schichten, der Beweglichkeit der Ladungsträger in den verwendeten organischen Materialien sowie der energetischen Lage der höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbitale der Halbleiter bestimmt. Als undotierte OLED-Struktur wurde eine Schichtenfolge aus ITO / 2-TNATA / NPB / Alq3 / Mg verwendet. Die Stärke der elektrischen Kontakte betrug jeweils etwa 150 nm für ITO bzw. Magnesium. Die organischen Halbleiterfilme verfügten über Lagendicken von 60 / 10 / 60 nm. Eine derart aufgebaute Leuchtdiode zeigte ein grünes Emissionsspektrum, dessen Mittenwellenlänge bei etwa 537 nm lag und eine Halbwertsbreite von circa 112 nm aufwies. Für die Betriebsspannung, die Leuchtdichte, die Strom- sowie die Leistungseffizienz ergaben sich für die beiden Stromdichten von 3 mA/cm² und 30 mA/cm² optimierte Werte zu 5,3 V bzw. 9,4 V, 100 cd/m² bzw. 1317 cd/m², 3,3 cd/A bzw. 4,4 cd/A sowie 2 lm/W bzw. 1,5 lm/W. Das Sperr- oder Gleichrichtungsverhältnis Gv wurde für die beiden gemessenen Maximal-spannungen von ±10 Volt zu <5 x 107 bestimmt. Durch die Dotierung der Alq3-Emissionsschicht mit etwa 1 mol% des Quinacridon-Derivats QAD und Hinzufügen einer separaten Elektronentransportschicht konnte eine Steigerung der Elektrolumines-zenz erreicht werden. Der OLED-Aufbau des Gast-Wirt-Systems verfügt über einen Schichtenstapel mit den Lagen ITO / 2-TNATA / NPB / Alq3 + QAD / Alq3 / Mg. Die Filmdicken der organischen Schichten der OLED mit den besten Eigenschaften betragen 60 / 10 / 35 / 25 nm. Die anorganischen elektrischen Kontakte waren jeweils etwa 150 nm dick. Die dotierten Bauelemente zeigen ein bei einer Mittenwellenlänge von 527 nm emittierendes, grünes Spektrum. Mit einer geringen Halbwertsbreite von 28 nm ist die Bedingung einer schmalen Emissionsbreite für die Anwendung in OLED-Displays erfüllt. Die Betriebsspannung, die Leuchtdichte, die Strom- und die Leistungseffizienz ergeben für die beiden Stromdichten von 6,2 mA/cm² und 45,6 mA/cm² optimierte Werte zu 10,8 V bzw. 17,0 V, 445,4 cd/m² bzw. 3816,7 cd/m², 7,2 cd/A bzw. 8,4 cd/A sowie 2,1 lm/W bzw. 1,6 lm/W.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Dissertation stand die Herstellung von organischen Leuchtdioden und Passiv-Matrix-Displays an einer neuartigen Durchlauf-Depositionsanlage. Die Abscheidung von "small molecule" Materialien im Hochvakuum wurde dabei mittels organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) durchgeführt. Um effiziente Leuchtdioden zu erzielen, sind die Bauelemente als Mehrschichtsystem aufgebracht worden. Als Grundstruktur kam eine Schichtenfolge zur Anwendung, die als Löchertransporter aus dem Starburst-Derivat 2-TNATA, daran anschließend einem tertiären Arylamin, dem elektronenblockierenden a-NPB sowie dem Oxinat-Komplex Alq3 besteht. Dabei diente das Aluminium-Oxinat als Elektronenleiter und Emissionsmaterial. Mit dem Quinacridon-Derivat QAD als Dotierstoff wurde außerdem eine OLED-Struktur mit Gast-Wirtsystem realisiert Eine kontrollierte und reproduzierbare Deposition der organischen Materialien ist eine unabdingbare Voraussetzung, um organische Leuchtdioden kommerziell als Mehrschichtbauelemente herstellen zu können. Dazu wurde ein Hochvakuumsystem der Firma Applied Films installiert und in Betrieb genommen. Die VES 400/13-Entwicklungsanlage ist als Vertical Evaporation and Sputtering Durchlaufsystem für bis zu 400 mm hohe Substrate mit 11 individuellen Prozesskammern sowie zwei daran anschließenden Stickstoffboxen konzipiert. Diese Technologie ermöglicht das Aufdampfen einer oder nacheinander mehrerer Schichten auf beliebiges Substratmaterial. Entsprechend den Erfordernissen sind wichtige Prozessparameter wie Depositionsrate, Transportgeschwindigkeit des Substrates sowie Filmdicke der funktionellen Schichten in einem weiten Bereich frei einstellbar. Neben einer ausgeglichenen Löcher- und Elektroneninjektion werden die Eigenschaften der hergestellten Leuchtdioden durch die Dicken der einzelnen Schichten, der Beweglichkeit der Ladungsträger in den verwendeten organischen Materialien sowie der energetischen Lage der höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbitale der Halbleiter bestimmt. Als undotierte OLED-Struktur wurde eine Schichtenfolge aus ITO / 2-TNATA / NPB / Alq3 / Mg verwendet. Die Stärke der elektrischen Kontakte betrug jeweils etwa 150 nm für ITO bzw. Magnesium. Die organischen Halbleiterfilme verfügten über Lagendicken von 60 / 10 / 60 nm. Eine derart aufgebaute Leuchtdiode zeigte ein grünes Emissionsspektrum, dessen Mittenwellenlänge bei etwa 537 nm lag und eine Halbwertsbreite von circa 112 nm aufwies. Für die Betriebsspannung, die Leuchtdichte, die Strom- sowie die Leistungseffizienz ergaben sich für die beiden Stromdichten von 3 mA/cm² und 30 mA/cm² optimierte Werte zu 5,3 V bzw. 9,4 V, 100 cd/m² bzw. 1317 cd/m², 3,3 cd/A bzw. 4,4 cd/A sowie 2 lm/W bzw. 1,5 lm/W. Das Sperr- oder Gleichrichtungsverhältnis Gv wurde für die beiden gemessenen Maximal-spannungen von ±10 Volt zu <5 x 107 bestimmt. Durch die Dotierung der Alq3-Emissionsschicht mit etwa 1 mol% des Quinacridon-Derivats QAD und Hinzufügen einer separaten Elektronentransportschicht konnte eine Steigerung der Elektrolumines-zenz erreicht werden. Der OLED-Aufbau des Gast-Wirt-Systems verfügt über einen Schichtenstapel mit den Lagen ITO / 2-TNATA / NPB / Alq3 + QAD / Alq3 / Mg. Die Filmdicken der organischen Schichten der OLED mit den besten Eigenschaften betragen 60 / 10 / 35 / 25 nm. Die anorganischen elektrischen Kontakte waren jeweils etwa 150 nm dick. Die dotierten Bauelemente zeigen ein bei einer Mittenwellenlänge von 527 nm emittierendes, grünes Spektrum. Mit einer geringen Halbwertsbreite von 28 nm ist die Bedingung einer schmalen Emissionsbreite für die Anwendung in OLED-Displays erfüllt. Die Betriebsspannung, die Leuchtdichte, die Strom- und die Leistungseffizienz ergeben für die beiden Stromdichten von 6,2 mA/cm² und 45,6 mA/cm² optimierte Werte zu 10,8 V bzw. 17,0 V, 445,4 cd/m² bzw. 3816,7 cd/m², 7,2 cd/A bzw. 8,4 cd/A sowie 2,1 lm/W bzw. 1,6 lm/W.