@PhdThesis{duepublico_mods_00073360,
  author = 	{Andretzky, Michael},
  title = 	{Entwicklung eines neuartigen Herstellungsprozesses f{\"u}r Latentw{\"a}rmespeicherhalbzeuge und -module},
  year = 	{2020},
  month = 	{Nov},
  day = 	{16},
  keywords = 	{Kraft-W{\"a}rme-Kopplung; Extrudieren; Kunststoffverarbeitung; Konstruktion; Latentw{\"a}rmespeicher; W{\"a}rmespeicher; Blockheizkraftwerk},
  abstract = 	{Die Energiewende, zu deren Zielen die Reduktion des CO2-Aussto{\ss}es, die Unabh{\"a}ngigkeit der Energieversorgung von endlichen Energietr{\"a}gern, der Ausstieg aus der Kernenergie, die Erh{\"o}hung des Anteils an erneuerbaren Energien am gesamten Stromanteil sowie die Dezentralisierung der Energieversorgung geh{\"o}ren, ruft eine Vielzahl an zu l{\"o}senden technischen Problemen zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit hervor. Hierzu werden verschiedene energieversorgende Systeme eingesetzt und ausgebaut, um die datierten Ziele zu erreichen. Einen wichtigen Beitrag zur Energiewende kann die Verbreitung der Kraft-W{\"a}rme-Kopplung (Abk.: KWK) in Form von dezentralen Blockheizkraftwerken (Abk.: BHKW) leisten. Die gemeinsame Nutzung von Strom und W{\"a}rme in den Kraftwerken erlaubt eine Minimierung des Prim{\"a}renergiebedarfs, was unmittelbar zu einer Reduktion des CO2-Aussto{\ss}es und somit zur Erf{\"u}llung eines der Ziele der Energiewende f{\"u}hrt. BHKWs erlauben nur unter bestimmten Betriebsstrategien eine Aussch{\"o}pfung ihres vollen Potentials, weshalb zur Erh{\"o}hung der Flexibilit{\"a}t thermische Speicher unabdingbar sind. Konventionell werden hierzu gro{\ss}volumige Warmwasserspeicher eingesetzt, was in einem erheblichen Platz- und Raumbedarf resultiert. Zudem weisen sie ein hohes Gewicht auf. Beschr{\"a}nkte Raumverh{\"a}ltnisse sowie maximal zul{\"a}ssige Fl{\"a}chenlasten behindern dadurch die Verbreitung von BHKWs. Durch das Substituieren des Speichermediums „Wasser`` durch „Phasenwechselmaterialien`` (engl.: Phase Change Material, Abk.: PCM) l{\"a}sst sich durch die Nutzbarmachung von Schmelz- oder Erstarrungsw{\"a}rme -- die sogenannte latente W{\"a}rme -- das Gewicht und der Raumbedarf deutlich reduzieren. Damit sich diese Systeme am Markt etablieren k{\"o}nnen, m{\"u}ssen diese den konventionellen Systemen hinsichtlich Preis und Funktionalit{\"a}t {\"u}berlegen sein. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines neuartigen Herstellungsprozesses f{\"u}r Latentw{\"a}rmespeicherhalbzeuge und -module, bei denen das Potential zur Reduktion der Fertigungskosten gegeben ist. Zur Entwicklung dieses Herstellungsprozesses ist eine vorhergehende Produktauslegung erforderlich. Dazu werden vom thermischen Referenzsystem, dem konventionellen Warmwasserspeicher, die thermische Leistung und Kapazit{\"a}t herangezogen. F{\"u}r die Integration von PCM in wasserf{\"u}hrenden Systemen werden verschiedene Varianten betrachtet, wobei sich zylindrisch makroskopisch gekapseltes, umstr{\"o}mtes PCM als die am besten geeignete Variante herausstellte. Besonders effektiv ist diese Kapselvariante beim Einsatz von Kunststoff als Kapselmaterial f{\"u}r die Verarbeitung und Herstellung durch einen in der Kunststoffindustrie etablierten Extrusionsprozess. Die Dimension der W{\"a}rmespeichermodule stellt eine Randbedingung f{\"u}r das herzustellende Halbzeug dar, wof{\"u}r der Prozess auszulegen ist. Hierzu wird die Modulgr{\"o}{\ss}e anhand einer thermischen Auslegung hinsichtlich der Leistungsabgabe vordimensioniert. Sowohl f{\"u}r die thermische Vorauslegung als auch f{\"u}r die Prozessentwicklung sind die thermodynamischen Stoffeigenschaften von elementarer Bedeutung. Durch den Phasenwechsel des PCMs sind die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit und das spezifische Volumen in Abh{\"a}ngigkeit von der Temperatur nur ungen{\"u}gend messtechnisch erfassbar. Ist die Temperaturdifferenz klein, in welcher Phasenwechselvorg{\"a}nge stattfinden, sind Schmelz- und Erstarrungsvorg{\"a}nge durch die Anwendung der Modellerweiterung des Materialmodells nach Karrenberg durch den integrierten einheitlichen Ansatz in Form der Meltfraction-Funktion deutlich besser beschreibbar. Beim Aufschmelzen des PCMs werden kristalline Strukturen im Material aufgel{\"o}st, was in einer deutlichen Volumenzunahme resultiert. Dadurch werden die mit PCM gef{\"u}llten Kunststoffkapseln durch das sich ausdehnende PCM belastet, was zu Festigkeitsproblemen und dem Versagen der III Zusammenfassung Kapseln f{\"u}hren kann. Dahingehend wird in dieser Arbeit ein neuartiger Ansatz gew{\"a}hlt, bei dem die Kapseln nachgiebig ausgelegt werden, sodass die Volumenzunahme des PCMs {\"u}ber gro{\ss}e Verformungen der Kapseln kompensiert werden kann. Zur Entwicklung des Herstellungsprozesses wird beabsichtigt, das PCM kontinuierlich in den Prozess einzuleiten. Hierzu wird f{\"u}r die Kapselherstellung auf die konventionelle Rohr- und Blasfolienextrusion zur{\"u}ckgegriffen. F{\"u}r die Auslegung relevanter Teilprozesse werden Berechnungswerkzeuge sowie eigens entwickelte Ans{\"a}tze verwendet. F{\"u}r das Einleiten des PCMs in die Kapsel wird ein eigens entwickelter Ansatz erarbeitet und anhand eines Funktionsprototyps in Form einer vollst{\"a}ndigen Produktionsanlage im Laborma{\ss}stab erprobt.},
  doi = 	{10.17185/duepublico/73360},
  url = 	{https://duepublico2.uni-due.de/receive/duepublico_mods_00073360},
  url = 	{https://doi.org/10.17185/duepublico/73360},
  file = 	{:https://duepublico2.uni-due.de/servlets/MCRFileNodeServlet/duepublico_derivate_00073161/Diss_Andretzky.pdf:PDF},
  language = 	{de}
}