Experimentelle Untersuchung elastokalorischer Kühlprozesse : konvektive Thermodynamik, latente Wärme und Materialzustandsüberwachung

Abstract

Im Bereich der Kühltechnik stellt die Elastokalorik eine umweltfreundliche und effiziente Alternative zur konventionellen Kältekompression dar. Nach weitreichender Grundlagenforschung wurden in den letzten Jahren erste elastokalorische Kühlsysteme entwickelt, die unter anderem auf direkter Luftkühlung basieren. Um einen Beitrag zur Weiterentwicklung dieser Systeme zu leisten, beschäftigt sich diese Arbeit im ersten Schritt mit der experimentellen Untersuchung der thermodynamischen Prozesse zur Luftkühlung. In diesem Zusammenhang wird außerdem ein neuer, experimenteller Ansatz zur Messung der latenten Wärme des Materials, die maßgeblich für die Kühlleistung der elastokalorischen Systeme verantwortlich ist, vorgestellt. Weiterhin ist die Lebensdauer des verwendeten Materials ein essenzieller und kritischer Punkt für die Systementwicklung. Vor diesem Hintergrund beinhaltet diese Arbeit eine Analyse der Materiallebensdauer wie auch der Ausfallmechanismen. Hierzu wurde ein neuer Langzeitprüfstand konzipiert, realisiert und charakterisiert, der es ermöglicht, mehrere Materialproben parallel hinsichtlich ihrer Lebensdauer zu analysieren. Abschließend werden datengetriebene Ansätze zur Überwachung des Materialzustands mithilfe von Impedanz- und Widerstandsmessung untersucht und die Ergebnisse vorgestellt. Dies ermöglicht unter Verzicht auf teure Messtechnik die Überwachung des Materialtrainings sowie die Wartungsplanung bei drohendem Materialversagen.

Elastocaloric cooling is an environmentally friendly and energy efficient alternative for conventional compression-based cooling systems. After intensive fundamental research in recent years, first elastocaloric cooling devices have recently been developed, which are partly based on direct air cooling. To contribute to the development of these systems, this thesis addresses an experimental investigation of the thermodynamic processes regarding air cooling beginning a first step. In this context a novel experimental approach is presented allowing the determination of the latent heat of the material which contributes greatly to the cooling power of elastocaloric systems. For the development of elastocaloric cooling systems, the working life of the material is an essential and critical point. Therefore, this thesis also contains an analysis of the material lifetime as well as the failure mechanisms. For these studies, a long-term test setup was developed, realized, and characterized, which offers the opportunity to analyze multiple material samples at the same time to determine their working life. Finally, data-driven approaches to monitor the material condition are examined with the help of impedance and resistance measurement and the results are presented. This enables monitoring of material training as well as maintenance planning in the event of impending material failure, without the need for expensive measurement technology.