In dieser numerischen Arbeit wurden Lamellenrohr-Wärmeübertrager mit ovalen, flachen und kreisförmigen Rohren in versetzter Anordnung untersucht. Dabei wurde die Strömungsgeschwindigkeit, der Lamellenabstand und die Rohrreihenzahl variiert und ihre Wirkung auf den Wärmeübergang und den Druckverlust beobachtet. Neben der globalen Auswertung wurden die lokalen Vorgänge untersucht und dargestellt. Es wurden Korrelationen für den Wärmeübergang und den Druckverlust auf der Grundlage der Verwendung der numerischen Ergebnisse aufgestellt.

In dieser numerischen Arbeit wurden Lamellenrohr-Wärmeübertrager mit ovalen, flachen und kreisförmigen Rohren in versetzter Anordnung untersucht. Dabei wurde die Strömungsgeschwindigkeit, der Lamellenabstand und die Rohrreihenzahl variiert und ihre Wirkung auf den Wärmeübergang und den Druckverlust beobachtet. Neben der globalen Auswertung wurden die lokalen Vorgänge untersucht und dargestellt. Es wurden Korrelationen für den Wärmeübergang und den Druckverlust auf der Grundlage der Verwendung der numerischen Ergebnisse aufgestellt.

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 Herausforderungen der modernen Luftfahrt sind wesentlich bestimmt durch die Ökonomie sowie den Umwelt- und Klimaschutz. Dadurch steht bei der Entwicklung neuer Flugzeuge besonders die Verbesserung der Energieeffizienz bzw. die Reduktion des Brennstoffverbrauchs im Mittelpunkt. Dies soll zu einem großen Teil durch effizientere Triebwerke mit höheren Nebenstromverhältnis, der zunehmenden Elektrifizierung aller Subsysteme sowie der allgemeinen Weiterentwicklung einzelner Subsysteme erreicht werden. Die Herausforderungen machen es damit auch notwendig, neue Ansätze zur Verbesserung der Flugzeugklimaanlage zu betrachten. In aktuell eingesetzten Passagierflugzeugen werden nahezu ausschließlich Flugzeugklimaanlagen auf Basis des Kaltgasprozesses mit pneumatischen Antrieb durch die Triebwerkszapfluft eingesetzt. Der Ersatz des zugrundeliegenden Prozesses durch einen Kaltdampfprozess bietet ein großes Potential zur Erhöhung der Energieeffizienz bei den gegebenen Randbedingungen. Außerdem muss die Verwendung der Zapfluft als Antrieb aufgrund der Verwendung neuer Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis sowie potentieller Gesundheitsrisiken überdacht werden. Eine Möglichkeit ist dabei die Nutzung eines elektrischen Antriebs. Weiterhin kann ein Teil der Kabinenabluft, die normalerweise direkt aus dem Flugzeug geleitet wird, in der Klimaanlage zur zusätzlichen Generierung von Leistung verwendet werden. In dieser Arbeit werden die identifizierten Ansätze zu insgesamt sieben Varianten alternativer Flugzeugklimaanlagen weiter entwickelt. Diese Systeme werden dann besonders im Hinblick auf den Brennstoffverbrauch mit dem aktuell eingesetzten Referenzsystem verglichen und bewertet. Die Berechnung der thermodynamischen Zustände der Klimaanlagen, die für den Vergleich notwendig sind, erfolgt über ein selbst entwickeltes Berechnungsmodell. Auf Basis der verschiedenen Anforderungen und Randbedingungen wird dabei eine zweigeteilte Prozesssimulation für neun Betriebsfälle durchgeführt. Während der vereinfachten Auslegungsrechnung werden die wesentlichen Prozessparameter festgelegt. Die darauf folgende Nachrechnung beinhaltet detaillierte Modelle für Wärmeübertrager und Turbomaschinen. Letztere werden über selbst generierte und optimierte Kennfelder implementiert. Die Ergebnisse zeigen für jede neu konzeptionierte Klimaanlage ein deutliche Verringerung des Brennstoffverbrauchs im Vergleich zum Referenzsystem. Die elektrisch angetriebenen Aggregate erreichen eine Reduktion auf 20 % bis 60 % und die pneumatisch betriebenen Systeme auf 40 % bis 80 %.:Vorwort Kurzfassung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Motivation 1.2 Zielsetzung und methodischer Aufbau der Arbeit 1.3 Historischer Überblick und Stand der Technik 2 Anforderungen und Randbedingungen 2.1 Umgebungsbedingungen und Atmosphärenmodell 2.2 Stau- und Außenluft 2.3 Zapfluft 2.4 Kabinenbedingungen 2.5 Flugprofil 2.6 Sicherheitsanforderungen und Designziele 2.7 Betriebskennfeld 3 Konzepte zur Verbesserung der Energieeffizienz 3.1 Anwendung des Kaltdampfprozesses 3.2 Pneumatischer und elektrischer Antrieb 3.3 Kabinenabluftnutzung 3.4 Umluftkühlung 3.5 Kältemittelauswahl 4 Neu entwickelte Prozesse der Flugzeugklimaanlagen 4.1 Pneumatisch angetriebene Systeme 4.1.1 System PN1 ohne Kabinenabluftnutzung 4.1.2 Systeme PNK1, PNK2 und PNK3 mit Kabinenabluftnutzung 4.2 Elektrisch angetriebene Systeme 4.2.1 Systeme EL1 und EL2 ohne Kabinenabluftnutzung 4.2.2 System ELK1 mit Kabinenabluftnutzung 5 Prozesssimulation 5.1 Aufbau des Berechnungsmodells 5.2 Thermodynamische Grundlagen 5.3 Elemente im Prozess 5.3.1 Wärmeübertrager 5.3.2 Turbomaschinen 5.3.3 Mischung 5.3.4 Aufteilung 5.3.5 Wasserabscheider 5.3.6 Drosselorgan und Druckminderer 5.4 Validierung 6 Wärmeübertragermodell 6.1 Wärmeübertragergeometrie und Diskretisierung 6.2 Berechnungsverfahren und iterativer Löser 6.2.1 Energieerhaltung mit Wärmedurchgangsberechnung 6.2.2 Impulserhaltung mit Druckverlustberechnung 6.3 Programmablaufpläne 6.4 Validierung 7 Turbomaschinenmodell 7.1 Vereinfachte Auslegung der Turbomaschinen 7.1.1 Turbine 7.1.2 Radialverdichter 7.2 Erstellung und Optimierung der Turbomaschinenkennfelder 7.2.1 Kennfelderstellung 7.2.2 Grundlagen evolutionärer Algorithmen 7.2.3 Kennfeldoptimierung 7.3 Einbindung des Turbomaschinenmodells in die Prozesssimulation 8 Berechnungsergebnisse und Bewertung der Flugzeugklimaanlagen 8.1 Grundlagen der Bewertung 8.1.1 Zusätzlicher Brennstoffverbrauch durch Zapfluftentnahme 8.1.2 Zusätzlicher Brennstoffverbrauch durch Entnahme von Wellenleistung 8.1.3 Zustätzlicher Brennstoffverbrauch durch Lufteinlässe 8.2 Ergebnisse der Auslegung und Berechnung der Flugzeugklimaanlagen 8.2.1 Massenströme 8.2.2 Elektrische Leistungsaufnahme 8.2.3 Abschätzung der Systemmasse 8.3 Bewertung und Vergleich der Effizienz 8.4 Auswertung der neu entwickelten Flugzeugklimaanlagen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Mathematische und physikalische Ergänzungen A.1 Herleitungen A.1.1 Druckverlauf der isothermen Atmosphäre A.1.2 Druckverlauf der adiabatischen Atmosphäre A.2 Ergänzungen A.2.1 Isentropenbeziehungen A.2.2 Adiabatische Rohrströmung mit Reibung Anhang B Wärmeübergangs- und Druckverlustkorrelationen B.1 Wärmeübergang B.1.1 Gültigkeitsgrenzen B.1.2 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang im Rohr B.1.3 Korrelationen für das Strömungssieden im Rohr B.1.4 Korrelationen für die Strömungskondensation im Rohr B.1.5 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang an Lamellenrohrwärmeübertragern mit eingeschlitzten Lamellen B.1.6 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang an Lamellenrohrwärmeübertragern mit wellenförmigen Lamellen B.1.7 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang im Plattenwärmeübertrager B.1.8 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang im Rippenplattenwärmeübertrager B.2 Druckverlust B.2.1 Gültigkeitsgrenzen B.2.2 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust im Rohr B.2.3 Korrelationen für den zweiphasigen Druckverlust im Rohr B.2.4 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust an Lamellenrohrwärmeübertragern mit eingeschlitzten Lamellen B.2.5 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust an Lamellenrohrwärmeübertragern mit wellenförmigen Lamellen B.2.6 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust im Plattenwärmeübertrager B.2.7 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust im Rippenplattenwärmeübertrager Anhang C Schaltbilder C.1 Pneumatisch angetriebene Kaltluftkühlsysteme C.2 Pneumatisch angetriebene Kaltdampfkühlsysteme C.3 Elektrisch angetriebene Kaltdampfkühlsysteme Anhang D Modellparameter D.1 Betriebskennfeld D.2 Systemparameter Anhang E Berechnungsergebnisse und ausgelegte Bauteile E.1 Prozesssimulation E.2 Lufteinlässe und -kanäle E.3 Wärmeübertrager E.4 Turbomaschinen Anhang F Sonstiges F.1 Selbstständigkeitserklärung

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.

Viele Anwendungen der Hochtemperatur-Supraleitung arbeiten vorteilhaft im Temperaturbereich zwischen 30 - 50 K. Für diesen Temperaturbereich existieren nur wenige geeignete Kältemaschinen mit kleiner Kälteleistung (1-2 W) u. gutem Wirkungsgrad. Neon ist aufgrund seiner Stoffeigenschaften ein hervorragendes Kältemittel für diesen Temperaturbereich, wie z.B. anhand einer realisierten Joule-Thomson (JT) Demonstrationsanlage deutlich wird. Als Ergebnis einer Prozessanalyse wird ein Kreislauf vorgestellt, der speziell den Eigenschaften von Neon angepasst ist. Durch die Überlagerung von Wärmeübertragung u. arbeitsleistender Expansion sowie der Einbeziehung einer JT-Stufe kann auch mit wenig effizienten Komponenten ein vergleichsweise hoher Gütegrad erreicht werden. Durch die Integration von Wärmeübertragerflächen in eine Kolbenexpansionsmaschine wird ein neues Konzept vorgeschlagen, um Kälte in einem großen Temperaturbereich in vielen Expansionsschritten zu erzeugen, ohne dafür viele Expander zu verwenden. Diese Einheit wird als Wärmeübertrager-Expander (WE) bezeichnet. Mit einem Arbeitsraum in konischer Grundform wird der Wärmeübergangskoeffizient günstig gestaltet u. die Wärmeübergangsfläche vergrößert. Mehrere Versuchsmaschinen wurden untersucht. Anhand der Versuche konnten die wesentlichen Verlustquellen u. Problembereiche identifiziert werden. Es wurde im Rahmen der Versuchsbedingungen nachgewiesen, dass für das vorgesehene Druckverhältnis eine nahe isotherme Expansion u. Kompression möglich ist. Es werden Möglichkeiten zur Verringerung der Längswärmeleitung vorgestellt. Zwei Simulationsprogramme wurden verwendet. Mit Hilfe des Wärmeübertrager-Programms wurden die Wärmeübertragungsvorgänge unter Berücksichtigung der Längswärmeleitung simuliert. Hierbei geht die Expansionsarbeit als stationäre Wärmesenke ein. Der im Ergebnis vorliegende stationäre Temperaturverlauf ist die Grundlage für die Berechnung der Expansionsarbeit unter Berücksichtigung der Realgaseigenschaften im Expander-Programm. Für die Neon-Tieftemperaturvariante wurde eine Grundvariante des WE definiert. Anhand dieser wurde mit Hilfe der Programme der Einfluss verschiedener Parameter auf Kälteleistung u. Gütegrad untersucht. Der WE wird als Teil des beschriebenen Prozesses mit einer JT-Stufe betrachtet. Die Kälteleistung weist sowohl in Abhängigkeit vom Massestrom als auch vom Hub ein Maximum auf. Der Shuttle-Verlust verschiebt durch Wärmetransport mittels des Kolbens die effektive Kälteleistung zu kleineren Hüben. Die durch die Güte (NTU) des JT-Wärmeübertragers bestimmte Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms in den WE hat einen großen Einfluss auf die Kälteleistung. Mit steigender Eintrittstemperatur steigen der NTU-Wert für den Arbeitsraum u. somit auch die Kälteleistung. Das Maximum der Kälteleistung stimmt nicht mit dem Optimum für den Gütegrad überein. Der Gütegrad strebt mit sinkenden Masseströmen einem Optimum zu. Durch den zunehmenden Einfluss der Längswärmeleitung u. begrenzt durch die Minimalfüllung der Maschine aufgrund des Schadraumes ergibt sich ein Optimum. Der Einfluss des Massestroms ist entscheidend. Als untergeordnete Größen beeinflussen die Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms u. der Hub den optimalen Gütegrad. Der Einfluss der Längswärmeleitung auf Kälteleistung u. Gütegrad wird exemplarisch anhand von vergleichenden Rechnungen gezeigt. Konkret kann für einen Eintrittsdruck von 200 bar, einen Austrittsdruck von 60 bar bei einer Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms von 80 K für die Grundvariante eine maximale effektive Kälteleistung von 1,3 W mit einem Massestrom von 0,22 g/ s bei einem Hub von ca. 17 mm ausgewiesen werden. Der effektive Gütegrad für diese Bedingungen beträgt ca. 14%. Kommerzielle Split-Stirlingkühler erreichen bei 42 K einstufig Gütegrade von ca. 7%. Mit der vorgeschlagenen Konfiguration wird ein Konzept vorgestellt, das trotz technologisch offener Fragen das Gütegradniveau bekannter Kryokühler übertreffen kann. / Many applications of high temperature superconductivity are working advantageously within a temperature range between 30 K and 50 K. But for this temperature range only few suitable cryocooler with small refrigerating capacity (1-2 W) and good efficiency exist.Due to its properties Neon is an excellent refrigerant for this temperature level as an example with realised Joule-Thomson plant shows. A process analysis results in the presented cycle which is especially adapted to the properties of Neon. By combination of heat exchange and work extracting expansion and integration of a Joule-Thomson stage a high efficiency could be reached in spite of less efficient components.By arranging heat exchanger surfaces into a piston expansion machine a new concept is suggested to produce refrigeration in a large temperature range with a lot of expansion steps with reduced number of expanders. This unit is referred hereinafter to as heat exchanger-expander.The conical shaped working space results in an increase of the heat transfer coefficient and the heat transfer area.Several test machines were investigated. By means of testing the main loss sources and critical zones could be identified. The test results prove the opportunity of a near isothermal expansion and compression for the specified pressure ratio.Options to reduce the axial heat conduction are presented.Two simulation programs were utilised. Using the heat exchanger program the heat transfer is simulated in consideration of the axial heat conduction. Thereby the expansion work is considered as a stationary heat sink. The resulting stationary temperature pattern is the base for the expansion work calculation using the real gas properties in the expander program. Referring to the defined basic neon low temperature application the influence of different parameters on refrigerating capacity and efficiency was researched with the programs. The heat exchanger-expander is part of the described process with a Joule-Thomson stage. The refrigerating capacity shows a maximum depending as well from the mass flow as from the stroke. In result of the shuttle loss smaller strokes lead to better capacity due to heat transport with the piston.The inlet temperature of the low pressure flow influenced by the quality (NTU) of the Joule-Thomson heat exchanger has a large influence on the refrigerating capacity. With increasing inlet temperature the number of transfer units (NTU) for the fluid in the working volume increases and so the refrigerating capacity, too. The location of refrigerating capacity maximum and efficiency optimum is different. While decreasing mass flow efficiency is increasing to an optimum caused by the increased influence of axial heat conduction but limited by the minimum charge of the machine due to the dead space. The influence of the mass flow is dominating. As lower range values the inlet temperature of the low pressure flow and the stroke are influencing the optimal efficiency. The influence of axial heat conduction on refrigerating capacity and efficiency is shown using comparing calculations.For an inlet pressure of 200 bar, an outlet pressure of 60 bar, an inlet temperature of the low pressure flow of 80 K, a mass flow of 0,22 g/ s and a stroke of about 17 mm for the basic version of heat exchanger-expander a maximal effective refrigerating capacity of 1,3 We could be shown. The effective efficiency therefore is 14 %. Current commercial split Stirling cryocooler reach with single stage operation efficiencies of about 7 % at 42 K. The suggested configuration represents a concept that could be able to master the efficiency level of known cryocooler.

Viele Anwendungen der Hochtemperatur-Supraleitung arbeiten vorteilhaft im Temperaturbereich zwischen 30 - 50 K. Für diesen Temperaturbereich existieren nur wenige geeignete Kältemaschinen mit kleiner Kälteleistung (1-2 W) u. gutem Wirkungsgrad. Neon ist aufgrund seiner Stoffeigenschaften ein hervorragendes Kältemittel für diesen Temperaturbereich, wie z.B. anhand einer realisierten Joule-Thomson (JT) Demonstrationsanlage deutlich wird. Als Ergebnis einer Prozessanalyse wird ein Kreislauf vorgestellt, der speziell den Eigenschaften von Neon angepasst ist. Durch die Überlagerung von Wärmeübertragung u. arbeitsleistender Expansion sowie der Einbeziehung einer JT-Stufe kann auch mit wenig effizienten Komponenten ein vergleichsweise hoher Gütegrad erreicht werden. Durch die Integration von Wärmeübertragerflächen in eine Kolbenexpansionsmaschine wird ein neues Konzept vorgeschlagen, um Kälte in einem großen Temperaturbereich in vielen Expansionsschritten zu erzeugen, ohne dafür viele Expander zu verwenden. Diese Einheit wird als Wärmeübertrager-Expander (WE) bezeichnet. Mit einem Arbeitsraum in konischer Grundform wird der Wärmeübergangskoeffizient günstig gestaltet u. die Wärmeübergangsfläche vergrößert. Mehrere Versuchsmaschinen wurden untersucht. Anhand der Versuche konnten die wesentlichen Verlustquellen u. Problembereiche identifiziert werden. Es wurde im Rahmen der Versuchsbedingungen nachgewiesen, dass für das vorgesehene Druckverhältnis eine nahe isotherme Expansion u. Kompression möglich ist. Es werden Möglichkeiten zur Verringerung der Längswärmeleitung vorgestellt. Zwei Simulationsprogramme wurden verwendet. Mit Hilfe des Wärmeübertrager-Programms wurden die Wärmeübertragungsvorgänge unter Berücksichtigung der Längswärmeleitung simuliert. Hierbei geht die Expansionsarbeit als stationäre Wärmesenke ein. Der im Ergebnis vorliegende stationäre Temperaturverlauf ist die Grundlage für die Berechnung der Expansionsarbeit unter Berücksichtigung der Realgaseigenschaften im Expander-Programm. Für die Neon-Tieftemperaturvariante wurde eine Grundvariante des WE definiert. Anhand dieser wurde mit Hilfe der Programme der Einfluss verschiedener Parameter auf Kälteleistung u. Gütegrad untersucht. Der WE wird als Teil des beschriebenen Prozesses mit einer JT-Stufe betrachtet. Die Kälteleistung weist sowohl in Abhängigkeit vom Massestrom als auch vom Hub ein Maximum auf. Der Shuttle-Verlust verschiebt durch Wärmetransport mittels des Kolbens die effektive Kälteleistung zu kleineren Hüben. Die durch die Güte (NTU) des JT-Wärmeübertragers bestimmte Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms in den WE hat einen großen Einfluss auf die Kälteleistung. Mit steigender Eintrittstemperatur steigen der NTU-Wert für den Arbeitsraum u. somit auch die Kälteleistung. Das Maximum der Kälteleistung stimmt nicht mit dem Optimum für den Gütegrad überein. Der Gütegrad strebt mit sinkenden Masseströmen einem Optimum zu. Durch den zunehmenden Einfluss der Längswärmeleitung u. begrenzt durch die Minimalfüllung der Maschine aufgrund des Schadraumes ergibt sich ein Optimum. Der Einfluss des Massestroms ist entscheidend. Als untergeordnete Größen beeinflussen die Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms u. der Hub den optimalen Gütegrad. Der Einfluss der Längswärmeleitung auf Kälteleistung u. Gütegrad wird exemplarisch anhand von vergleichenden Rechnungen gezeigt. Konkret kann für einen Eintrittsdruck von 200 bar, einen Austrittsdruck von 60 bar bei einer Eintrittstemperatur des Niederdruckstroms von 80 K für die Grundvariante eine maximale effektive Kälteleistung von 1,3 W mit einem Massestrom von 0,22 g/ s bei einem Hub von ca. 17 mm ausgewiesen werden. Der effektive Gütegrad für diese Bedingungen beträgt ca. 14%. Kommerzielle Split-Stirlingkühler erreichen bei 42 K einstufig Gütegrade von ca. 7%. Mit der vorgeschlagenen Konfiguration wird ein Konzept vorgestellt, das trotz technologisch offener Fragen das Gütegradniveau bekannter Kryokühler übertreffen kann. / Many applications of high temperature superconductivity are working advantageously within a temperature range between 30 K and 50 K. But for this temperature range only few suitable cryocooler with small refrigerating capacity (1-2 W) and good efficiency exist.Due to its properties Neon is an excellent refrigerant for this temperature level as an example with realised Joule-Thomson plant shows. A process analysis results in the presented cycle which is especially adapted to the properties of Neon. By combination of heat exchange and work extracting expansion and integration of a Joule-Thomson stage a high efficiency could be reached in spite of less efficient components.By arranging heat exchanger surfaces into a piston expansion machine a new concept is suggested to produce refrigeration in a large temperature range with a lot of expansion steps with reduced number of expanders. This unit is referred hereinafter to as heat exchanger-expander.The conical shaped working space results in an increase of the heat transfer coefficient and the heat transfer area.Several test machines were investigated. By means of testing the main loss sources and critical zones could be identified. The test results prove the opportunity of a near isothermal expansion and compression for the specified pressure ratio.Options to reduce the axial heat conduction are presented.Two simulation programs were utilised. Using the heat exchanger program the heat transfer is simulated in consideration of the axial heat conduction. Thereby the expansion work is considered as a stationary heat sink. The resulting stationary temperature pattern is the base for the expansion work calculation using the real gas properties in the expander program. Referring to the defined basic neon low temperature application the influence of different parameters on refrigerating capacity and efficiency was researched with the programs. The heat exchanger-expander is part of the described process with a Joule-Thomson stage. The refrigerating capacity shows a maximum depending as well from the mass flow as from the stroke. In result of the shuttle loss smaller strokes lead to better capacity due to heat transport with the piston.The inlet temperature of the low pressure flow influenced by the quality (NTU) of the Joule-Thomson heat exchanger has a large influence on the refrigerating capacity. With increasing inlet temperature the number of transfer units (NTU) for the fluid in the working volume increases and so the refrigerating capacity, too. The location of refrigerating capacity maximum and efficiency optimum is different. While decreasing mass flow efficiency is increasing to an optimum caused by the increased influence of axial heat conduction but limited by the minimum charge of the machine due to the dead space. The influence of the mass flow is dominating. As lower range values the inlet temperature of the low pressure flow and the stroke are influencing the optimal efficiency. The influence of axial heat conduction on refrigerating capacity and efficiency is shown using comparing calculations.For an inlet pressure of 200 bar, an outlet pressure of 60 bar, an inlet temperature of the low pressure flow of 80 K, a mass flow of 0,22 g/ s and a stroke of about 17 mm for the basic version of heat exchanger-expander a maximal effective refrigerating capacity of 1,3 We could be shown. The effective efficiency therefore is 14 %. Current commercial split Stirling cryocooler reach with single stage operation efficiencies of about 7 % at 42 K. The suggested configuration represents a concept that could be able to master the efficiency level of known cryocooler.

The Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy (AEGIS) at the European Organization for Nuclear Research (CERN) is an experiment investigating the influence of earth’s gravitational force upon antimatter. To perform precise measurements the antimatter needs to be cooled to a temperature of 100 mK. This will be done in a Penning trap, formed by several electrodes, which are charged with several kV and have to be individually electrically insulated. The trap is thermally linked to a mixing chamber of a 3He-4He dilution refrigerator. Two link designs are examined, the Rod design and the Sandwich design. The Rod design electrically connects a single electrode with a heat exchanger, immersed in the helium of the mixing chamber, by a copper pin. An alumina ring and the helium electrically insulate the Rod design. The Sandwich uses an electrically insulating sapphire plate sandwiched between the electrode and the mixing chamber. Indium layers on the sapphire plate are applied to improve the thermal contact. Four differently prepared test Sandwiches are investigated. They differ in the sapphire surface roughness and in the application method of the indium layers. Measurements with static and sinusoidal heat loads are performed to uncover the behavior of the thermal boundary resistances. The thermal total resistance of the best Sandwich shows a temperature dependency of T-2,64 and is significantly lower, with roughly 30 cm2K4/W at 50 mK, than experimental data found in the literature. The estimated thermal boundary resistance between indium and sapphire agrees very well with the value of the acoustic mismatch theory at low temperatures. In both designs, homemade heat exchangers are integrated to transfer the heat to the cold helium. These heat exchangers are based on sintered structures to increase the heat transferring surface and to overcome the significant influence of the thermal resistance (Kapitza resistance). The heat exchangers are optimized concerning the adherence of the sinter to the substrate and its sinter height, e.g. its thermal penetration length. Ruthenium oxide metallic resistors (RuO2) are used as temperature sensors for the investigations. They consist of various materials, which affect the reproducibility. The sensor conditioning and the resulting good reproducibility is discussed as well.

The Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy (AEGIS) at the European Organization for Nuclear Research (CERN) is an experiment investigating the influence of earth’s gravitational force upon antimatter. To perform precise measurements the antimatter needs to be cooled to a temperature of 100 mK. This will be done in a Penning trap, formed by several electrodes, which are charged with several kV and have to be individually electrically insulated. The trap is thermally linked to a mixing chamber of a 3He-4He dilution refrigerator. Two link designs are examined, the Rod design and the Sandwich design. The Rod design electrically connects a single electrode with a heat exchanger, immersed in the helium of the mixing chamber, by a copper pin. An alumina ring and the helium electrically insulate the Rod design. The Sandwich uses an electrically insulating sapphire plate sandwiched between the electrode and the mixing chamber. Indium layers on the sapphire plate are applied to improve the thermal contact. Four differently prepared test Sandwiches are investigated. They differ in the sapphire surface roughness and in the application method of the indium layers. Measurements with static and sinusoidal heat loads are performed to uncover the behavior of the thermal boundary resistances. The thermal total resistance of the best Sandwich shows a temperature dependency of T-2,64 and is significantly lower, with roughly 30 cm2K4/W at 50 mK, than experimental data found in the literature. The estimated thermal boundary resistance between indium and sapphire agrees very well with the value of the acoustic mismatch theory at low temperatures. In both designs, homemade heat exchangers are integrated to transfer the heat to the cold helium. These heat exchangers are based on sintered structures to increase the heat transferring surface and to overcome the significant influence of the thermal resistance (Kapitza resistance). The heat exchangers are optimized concerning the adherence of the sinter to the substrate and its sinter height, e.g. its thermal penetration length. Ruthenium oxide metallic resistors (RuO2) are used as temperature sensors for the investigations. They consist of various materials, which affect the reproducibility. The sensor conditioning and the resulting good reproducibility is discussed as well.

Die Effektivität keramischer Wärmeübertrager kann durch eine feinere Strukturierung der Oberflächen gesteigert werden. Dies kann durch die Integration textiler Urformen anstatt der konventionell im Schlickguss hergestellten gröberen Geometrien erfolgen. Für Strukturierungen in Form von wandgebundenen Halbbögen werden die Ergebnisse umfangreicher experimenteller und numerischer Untersuchungen zu den wärmetechnischen und strömungsmechanischen Eigenschaften vorgestellt. Basierend auf den Erkenntnissen der mittels numerischer Simulation durchgeführten Parameterstudie werden verschiedene Empfehlungen für eine optimierte Anordnung der Halbbögen gegeben, um das Verhältnis von Wärmeübergang zur Druckverlust zu verbessern. Die experimentellen Ergebnisse belegen die Richtigkeit der gewählten Randbedingungen und Vereinfachungen im numerischen Modell. Des Weiteren wurden die Strömungsstrukturen mit laserdiagnostischen Messmethoden umfangreich charakterisiert.