Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0081;F-Elektrizitätstechnologien & -anwendung
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Kurzbeschreibung
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Hocheffiziente Isolation für Hausgeräte
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Im Rahmen einer am 14.09.2009 gestarteten Machbarkeitsstudie werden Ansätze für eine hocheffiziente thermische Isolation von Hausgeräten untersucht. Dies geschieht an den beiden Beispielen „Kaffeemaschine“ und „Kühlschrank“, wobei davon ausgegangen wird, dass die untersuchten Ansätze auf weitere Hausgeräte übertragbar sind. In einer Vorstudie wurden unterschiedlichste Ansätze hocheffizienter Isolationen mit dem Resultat untersucht, dass man sich im Rahmen der jetzt durchgeführten Studie auf vakuumisolierte Strukturen ohne Kernmaterialien konzentriert. Da eine derartige Isolation nur thermisch wirksam ist, wenn dauerhaft Innendrücke von < 10-3 mbar eingehalten werden, kommen als Wandmaterialien nur Metalle, Glas oder metallbeschichtete Kunststoffe in Frage.
Bis zum Berichtsdatum wurden 2 mit Vakuumisolation ausgestattete, vollständige Funktionsmuster einer Kaffeemaschine sowie 3 Testbaugruppen mit den thermisch relevanten Teilen dieser Kaffeemaschine erstellt. Erste Messresultate bestätigen, dass die angestrebte Zielsetzung Null-Standby-Energie gekoppelt mit einem Komfortgewinn durch kürzere Aufheizzeiten technisch machbar ist. Die weiteren Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, Möglichkeiten zur Fertigung mit marktgerechten Kosten für einen bestimmten Anwendungsfall zu erarbeiten sowie die Langzeit-Zuverlässigkeit des gewählten Ansatzes abzuschätzen.
Für den Kühlschrank werden 2 unterschiedliche Ansätze untersucht. Bei beiden Ansätzen wird davon ausgegangen, dass damit - bezogen auf einen A++ Kühlschrank - technisch eine Verlust-Energiereduktion von ca. 80% realisiert werden kann.
Beim ersten Ansatz werden 2 konzentrisch umeinander rotierbare doppelwandige zylindrische Teile untersucht, welche so gestaltet sind, dass sie sich in einem relativ breiten Winkelbereich überlagern und bei entsprechender Rotationslage einen Zugang zum Innern freigeben. Ein derartiges Funktionsmuster wurde strukturmechanisch mittels FEM ausgelegt sowie durchkonstruiert und befindet sich momentan in Fertigung. Erste Messungen mit diesem Funktionsmuster werden voraussichtlich im Januar 2010 stattfinden.
Beim zweiten Ansatz wird versucht eine potenziell kostengünstige Lösung zu finden, bei welcher die übliche kubische Form eines Kühlschranks beibehalten wird. Dies verlangt für die Realisierung eines Vakuumspalts ohne Kernmaterial vor allem eine Lösung der beiden Problemstellungen „Distanzhalter zur Beibehaltung eines minimalen Vakuumspaltes“ und „Randbereich mit minimiertem Wärmetransport“. Bezüglich beider Problemstellungen wurden Ansätze erarbeitet, die aber bisher noch nicht zur Konstruktion des zu bauenden Versuchsmusters geführt haben.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Helbling Technik AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Tischhauser,Hans
Staufert,Gerhard
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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An den beiden Beispielen „Kaffeemaschine“ und „Kühlschrank“ wurden Ansätze für eine hocheffiziente thermische Isolation von Haushaltsgeräten untersucht. Die Machbarkeitsstudie hat sich auf Strukturen mit Vakuum-Spalt ohne Kernmaterialien konzentriert.
Bei Kaffeemaschinen kann auf kostengünstige Art eine Isolation mittels eines Stahlbauteils mit Vakuum-Spalt ausgeführt werden. Das Funktionsmuster einer derart isolierten Kaffeemaschine zeigt ein wesentlich langsameres Abkühlen. Während dem ein nicht isoliertes Vergleichsgerät nach ca. 1.5 h wieder Raumtemperatur erreicht, ist das Funktionsmuster dann immer noch bei 70°C und nach 2 h noch bei 65°C. Berechnungen mit mathematischen Modellen zeigen, dass das Abkühlverhalten noch deutlich verbessert werden kann (nach 2 h ca. 75°C). Zusammen mit einer "Null Standby-Energie" Strategie resultieren daraus erheblich reduzierte Wartezeiten bis zur Betriebsbereitschaft und im Mittel eine Einsparung von 25 bis 30 % Energie zur Herstellung einer Tasse mit 120 g Kaffee. Bezüglich Kühlschränken wurden die beiden Ansätze eines traditionell kubischen und eines zylindrischen Kühlschranks untersucht.
Ein neuer Ansatz für die bei einem kubischen Kühlschrank benötigten Distanzhalter im Vakuum-Spalt wurde erarbeitet, bei welchem die hohen Druckkräfte in Zugkräfte umgewandelt werden. Dies war notwendig, weil bei einem Funktionsmuster die auf Druck belasteten Distanzhaltern schon bei geringen zusätzlichen Querkräften brachen. Berechnungen mittels analytischen und FEM-Modellen zeigen, dass sich mit geeigneten Zugelementen Kühlschränke aufbauen lassen, bei denen die spezifische Verlustleistung auf 40 bis 50 % derjenigen eines mittleren A++ Kühlschranks gesenkt werden kann und die darüber hinaus bei identischen Aussenabmessungen ein um ca. 40 % grösseres Nutzvolumen aufweisen.
Ein Funktionsmuster im Massstab 1:2 eines zylindrischen Kühlschranks mit Vakuum-Isolation konnte aufgebaut und gemessen werden. Die auf der Basis dieser Messungen erstellten mathematischen Modelle im Massstab 1:1 zeigen, dass zylindrische Kühlschränke mit Ø 600 mm machbar sein sollten, bei denen die spezifische Verlustleistung durch die Isolation auf 35 bis 40 % derjenigen eines mittleren A++ Kühlschranks gesenkt werden kann. Das Nutzvolumen eines vergleichbaren A++ Kühlschranks mit einer Grundfläche von 600x600 mm kann mit einem derartigen zylindrischen Kühlschrank mindestens beibehalten werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Helbling Technik AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Tischhauser,Hans
Staufert,Gerhard
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Using the two examples „coffee machine “and „refrigerator as a starting point, high-efficient thermal isolation of domestic appliances were examined. The feasibility study concentrated on structures with vacuum gap without core materials.
With coffee machines a cost effective solution for isolation can be achieved by means of a structural steel component with vacuum gap. A functional model of this type of isolated coffee machine shows a substantially slower cooling and instead of reaching room temperature after approx. 1.5 hours cooling (as with a standard coffee machine), it remained at approx. 70°C, and after 2 hours at 65°C. Computations with mathematical models show that the cooling behaviour can be improved even more (after 2 hours approx. 75°C). Using a "zero standby energy" strategy, this improvement results in a substantially reduced time period in achieving “ready status”, including an average energy saving from 25 to 30% for the production of a cup of 120g coffee.
Concerning refrigerators two basic solutions, a traditionally cubic and a cylindrical refrigerator were examined.
A new solution was compiled for the space holders which are needed in the vacuum gap of a cubic refrigerator, whereby the high compression forces are converted into tensile forces. This was necessary, because with a functional model, small additional transverse forces already broke the space holders under pressure load. Computations by means of analytical FEM models demonstrated that with suitable tension members, refrigerators can be developed, with which the specific energy dissipation can be reduced down to 40 to 50% of an average A++ refrigerator, and in addition, with identical external dimensions around approx. 40% larger utilizable volume can be achieved.
A functional 1:2 scale model of a cylindrical refrigerator with vacuum isolation could be developed and measured. On the basis of these measurements using mathematical models on a 1:1 scale, it can be shown that cylindrical refrigerators with diameter 600 mm should be feasible, with which the specific energy dissipation can be reduced down to 35 to 40% of an average A++ refrigerator. The utilizable volume of a comparable A++ refrigerator with a footprint of 600x600 mm can in the least be maintained with this type of a cylindrical refrigerator.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Helbling Technik AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Tischhauser,Hans
Staufert,Gerhard
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Schlussbericht
(Französisch)
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Une nouvelle approche pour une isolation thermique par vacuum hautement efficace a été étudiée pour des appareils ménagers. Elle a été adaptée à une machine à café et un réfrigérateur. L’étude de faisabilité était focalisée sur des structures à vacuum sans matériaux à l’intérieur.
Pour les machines à café, une isolation à l’aide d’une pièce en acier avec fente sous vacuum est réalisable de manière économique. Le prototype d’une telle machine à montré un refroidissement clairement ralenti: après 1.5h, au lieu d’être refroidi à température ambiante, il était toujours à 70°C et à 65°C après 2h. Des calculs basés sur des modèles mathématiques ont montré que ce comportement peut être amélioré davantage (75°C après 2h). Par une stratégie de "zéro stand-by", le temps d’attente pour atteindre le mode opérationnel peut être considérablement réduit et il résulte en moyenne une économie d’énergie de 25 à 30% par tasse de café de 120g.
Pour le réfrigérateur, deux approches, avec une forme cubique traditionnelle ainsi qu’avec une nouvelle forme cylindrique, ont été étudiées.
Pour le réfrigérateur cubique, des pièces d’écartement sont nécessaires dans la fente sous vacuum. Dans un prototype, ces pièces d’écartement chargées en compression se sont effondrées sous l’effet de légères forces latérales. Une nouvelle solution, transformant les forces de compression en forces de traction a ensuite été élaborée. Des calculs analytiques et des modèles à éléments finis ont montré qu’avec des éléments à traction appropriés, la puissance dissipée spécifique peut être réduite à 40 – 50% de celle d’un réfrigérateur typique de classe A++. En gardant les mêmes dimensions extérieures, le volume utile est augmenté d’environ 40%.
Un prototype à l’échelle 1:2 d’un réfrigérateur cylindrique à isolation par vacuum à été construit et mesuré. Basés sur ces mesures, des modèles mathématiques à l’échelle 1:1 ont été établi. Ces modèles ont montré que la puissance dissipée spécifique d'un réfrigérateur cylindrique de diamètre 600 mm pourrait être réduite à 35 – 40% de celle d’un réfrigérateur typique de classe A++. Le volume utile d'un tel réfrigérateur cylindrique n’est pas plus petit que celui d’un réfrigérateur A++ comparable avec une surface de base de 600x600 mm.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Helbling Technik AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Tischhauser,Hans
Staufert,Gerhard
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