Effizienzsteigerung von Haushaltskühlgeräten durch polymergebundene Phasenwechselmaterialien
Creators: name: Sonnenrein, Gerrit
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2021

description: Obwohl der Stromverbrauch von einzelnen Kühlgeräten gering erscheint, weisen sie auf-grund ihrer nahezu vollständigen Marktdurchdringung und ihrer meist ganzjährigen Lauf-zeit in der Summe ein großes Energieeinsparpotenzial auf. Da der Energiebedarf des Käl-teprozesses letztlich von der Differenz zwischen Verflüssigungs- und Verdampfungstem-peratur bestimmt wird, lassen sich durch den Einsatz von Phasenwechselmaterialien (Pha-se Change Materials, PCM), die große Wärmemengen bei nahezu konstanter Temperatur aufnehmen, sowohl die Verflüssigungstemperatur absenken als auch die Verdampfungs-temperatur anheben. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden die grundlegenden Probleme wie die geringe Wärmeleitfähigkeit, Unterkühlungseffekte, Toxizität der PCM sowie die Kosten ihrer Verkapselung zur Auslaufsicherheit behandelt, die einer prakti-schen Anwendung bislang entgegenstanden. Hierfür wurden im Weiteren formstabile Block-Copolymer-gebundene PCM entwickelt, deren Wärmeleitfähigkeit von 0,19 W/(mK) durch Additivierung mit expandierten Grafiten zielgerichtet um bis zu ei-nem Faktor von 20 auf 3,95 W/(mK) erhöht werden konnte. Der zweite Teil der Arbeit zeigt, wie durch deren Integration sowohl auf der Verflüssiger- als auch der Verdampfer-seite die Energieaufnahme von Haushaltskühlgeräten jeweils um ca. 10 % reduziert, in Kombination sogar bis 17 % reduziert werden kann. Darüber hinaus konnten im Hinblick auf den neuen „global standard“ (IEC 62552:2015) mit den dort erstmals eingeführten Funktionsprüfungen die Abkühlleistung um 33 % und die Zeit bis zum kritischen Tempe-raturanstieg im Störfall um 145 % gesteigert werden.
description: Although power consumption of a single household refrigeration appliance appears to be low, the savings potential of the entire fleet is considerable due to its continuous operation and almost complete market penetration. Since the energy demand of refrigeration pro-cesses is ultimately determined by the temperature difference between condensation and evaporation, both the condenser temperature can be lowered, and the evaporator tempera-ture be raised with phase change materials (PCM). These materials absorb large amounts of heat at almost constant temperature. The first part of this work addresses the basic chal-lenges related to PCM, such as low thermal conductivity and supercooling effects. More-over, the toxicity of PCM requires cost-efficient encapsulation for leakage safety. These issues have so far limited the PCM application in household refrigeration appliances. To address these, dimensionally stable block-copolymer bonded PCM are developed, whose thermal conductivity of 0.19 W/(mK) is increased by a factor of up to 20 to 3.95 W/(mK) through the incorporation of expanded graphite. The second part of this work shows how their integration on both the condenser and the evaporator can reduce power consumption of household refrigerators by about 10 % in each case, and in combination by as much as 17 %. Furthermore, with regard to the new so-called “global standard” (IEC 62552:2015), the cooling capacity is increased by 33 % and the temperature rise time in case of a power failure by up to 145 %.