Schlussbericht
(Deutsch)
|
Mit dem Projekt Slurry-HP II wurden die ersten Schritte zur Entwicklung eines W¨armetauschers zur Unterkühlung (supercooling) von Wasser unternommen. Der W¨armetauscher soll als Verdampfer in Wärmepumpen eingesetzt werden können und somit in solaren Eisbrei/Ice Slurry-Heizungsanwendungen. Eine solare Eisbrei-Heizung ist ein besonderer Fall einer Solar-Eis-Heizungsanwendung, da keine Wärmetauscher im Eisspeicher
vorhanden sind. In einer Vorstudie wurde abgeschätzt, dass dies die Installationskosten um etwa 10%reduziert. Obwohl unsere Idee ursprünglich zur Wärmeversorgung von Wohngebäuden entwickelt wurde, kann das Konzept auch für die Kühlung von Wohngebäuden, Gewerbe und Industrie verwendet werden. Die spezifischen Ziele des vorliegenden Projekts waren: i) die vielversprechendsten eisabweisenden Beschichtungen zu finden, die derzeit verfügbar sind und die Eisbildung verzögern können, ii) eine Methodik zur Charakterisierung eisabweisender Beschichtungen für Unterwasseranwendungen zu entwickeln und iii) die Gefierpunktsabsenkung (Grad der Unterkühlung) und ihre Stabilität als Funktion der Beschichtung, der Überströmgeschwindigkeit und der Temperatur der beschichteten Oberfläche zu analysieren. Im Projekt wurde darauf abgezielt, eisabweisende Beschichtungen für atmosphärische Bedingungen zu finden und sie bezüglich ihrer Eignung zur Unterkühlung von fliessendem Wasser zu bewerten. Es stellte sich für uns deshalb folgende Frage: Wie werden die für atmosphärische Bedingungen entwickelten Beschichtungen funktionieren, wenn sie in Wasser getaucht und erzwungener Konvektion ausgesetzt werden? Um diese Frage möglichst beantworten zu können, entwickelten wir eine Methode zur Charakterisierung eisabweisender Beschichtungen mit dem Ziel, die besten Beschichtungen für den Einsatz in Wärmetauschern auszuwählen. Während des Projekts stellte sich eine weitere Frage: Sind gängige Testmethoden für atmosphärische Bedingungen zuverlässig genug, um Beschichtungen zu charakterisieren, die von einer Flüssigkeit überströmt werden? Diese zweite Frage konnte im Rahmen des Projekts nicht eindeutig beantwortet werden. Bei der Beantwortung der ersten Frage haben wir einige Fortschritte gemacht, wie im Folgenden erläutert wird. Um die eisabweisenden Eigenschaften der ausgewählten Beschichtungen zu beurteilen, wurden Experimente in zwei Schritten durchgeführt. Zuerst wurden beschichtete Proben (Bleche von 5 cm x 5 cm) unter atmosphärischen Bedingungen untersucht. Anschliessend wurden aussen beschichtete Rohre von 1,5 m Länge und 6 cm Aussendurchmesser verwendet, um die Unterkühlung bei Überströmung mit Wasser zu analysieren. Die Experimente des ersten Schritts unter atmosphärischen Bedingungen wurden mit 18 Beschichtungen durchgeführt. Es wurden dann im zweiten Schritt drei Beschichtungen ausgewählt, mit denen Rohre beschichtet wurden. Mit den Rohrversuchen wurde die Leistung dieser Beschichtungen bei Überströmung mit Wasser analysiert. Die niedrigste Temperatur ohne Eisbildung bei geringen Wassergeschwindigkeiten (0.09 m/s und 0.18 m/s) wurde durch eine Beschichtung auf Basis eines fluorchemisch modifizierten Urethans (Probenname m2) mit Verbesserungen von 40% gegenüber Edelstahl (SS) erreicht. Die Beschichtungen auf der Basis eines hybriden organisch/anorganischen Sol-Gels (Probenname d1) und Siliziumkautschuks (Probenname d2) wiesen eine Verbesserung von 30% bzw. 25% auf. Die Beschichtung m2 hatte jedoch Adhäsionsprobleme und die Beschichtung löste sich nach einigen Wochen im Wasser ab, so dass Tests mit hohen Wassergeschwindigkeiten (0.35 m/s und 0.44 m/s) nicht durchgeführt werden konnten. Diese Beschichtung zeigte schon zu Beginn des Tests optische Mängel. Die beiden anderen Beschichtungen d1 und d2 wiesen keine sichtbaren Defekte auf. Die beste Beschichtung, die mit den Rohrexperimenten analysiert wurde, war das hybride organisch/anorganische Sol-Gel (d1), das insgesamt am besten funktionierte und keinerlei Degradation zeigte. Das bessere Abschneiden der Beschichtungen in Bezug auf die Referenz (Edelstahl) sollte jedoch mit Vorsicht behandelt werden. Die Referenz wurde zu Beginn der Tests mit geringen Massenströmen vermessen und diese Ergebnisse wurden mit denen der beschichteten Rohre verglichen. Nachdem alle beschichteten Rohre getestet waren und bevor die hohen Massenströme an der Referenz getestet wurden, waren einige Verbesserungen des Versuchsaufbaus notwendig. Danach führten wir erneut Experimente mit niedrigen Massenströmen für die Referenz durch, um zu sehen, ob die Ergebnisse ähnlich wie zu Beginn waren. Überraschenderweise verbesserten sich die Ergebnisse der Referenz aber für niedrige Massenströme im Vergleich zu den in der Vergangenheit erzielten Ergebnissen signifikant. Die Gründe für diese Verbesserung sind nicht klar. Es ist möglich, dass nach Änderung des Versuchsaufbaus die idealerweise konzentrischen Rohre genauer ausgerichtet waren und dass Lufteinschlüsse im System bei den ersten Versuchen der Referenz die Messergebnisse beeinflussten. Für geringe Massenströme zeigte Beschichtung m2 im Vergleich zu den neuen Ergebnissen der Referenz Verbesserungen von lediglich 11 bis 17%. Für hohe Massenströme, bei denen Experimente mit Probe m2 aufgrund von Degradation nicht möglich waren, hatte die Schicht d1 eine um 11% niedriger Temperatur ohne Eisbildung bei 0.35 m/s, aber bei 0.44 m/s eine sehr ähnliche Temperatur. Es besteht also eine grosse Unsicherheit bei der Aussagekraft der durchgeführten Experimente mit überströmten Oberflächen und die Durchführung von Experimenten mit verbessertem Versuchsaufbau scheint angezeigt. Erfreulicherweise können die Unterkühlungsversuche im Rahmen eines weiteren Projekts (www.tri-hp.eu) von den Autoren fortgesetzt werden.
|
Schlussbericht
(Englisch)
|
The Slurry-HP II project provided the first steps towards the development of a supercooling heat exchanger that can be used as evaporator in heat pumps for solar ice-slurry heating applications. A solar ice-slurry system is a particular case of a solar-ice system with the main difference that no heat exchangers are present in the ice storage when the slurry concept is applied. This is expected to reduce installation cost by approximately 10%. Although our idea was originated to provide heating demands to residential buildings, the concept of supercooling ice slurry and the methods developed in this project can be applied for residential, commercial and industrial refrigeration, too. The specific objectives of the present project were: i) find the most promising currently available icephobic coatings that could delay ice formation ii) develop a methodology to characterize icephobic coatings for underwater applications and iii) analyse the freezing point depression (degree of supercooling) and its stability as a function of coating, fluid velocity and temperature of the coated surface. Within the project we aimed to find the most promising available icephobic coatings developed for atmospheric conditions and assess them for supercooling applications. Thus, a key question for us was: How will coatings developed for atmospheric conditions perform when immersed in water and submitted to forced convection? To try to answer this question, we developed a methodology to characterize icephobic coatings with the goal to select the best candidates to be used in future supercoolers. During the project another question arose: Are state-of-theart testing methods for atmospheric conditions enough and reliable to characterize coatings for immersed applications with a fluid in motion? We should say that we could not clearly answer the second question within this project. Regarding the first one, we did some progress as explained below. To assess the icephobic capabilities of different coatings, experiments were conducted at two levels. Firstly, coated samples of 5 cm x 5 cm were evaluated considering atmospheric conditions. Secondly, coated tubes of 1.5 m length and 6 cm outer diameter were used to assess the performance under immersed conditions with water flow. Experiments at sample level were used to select from a long list of 18 coatings the three coatings finally applied on tubes. The tube test provided the overall performance of the coatings under immersed conditions with water velocities. The lowest ice-free temperature at low water velocities (0.09 m/s and 0.18 m/s) was achieved by the coating based on a fluorochemical modified urethane (sample name m2) with improvements of 40% with respect to stainless steel (SS). The coatings based on an hybrid organic/inorganic Sol-Gel (sample d1) and silicon rubber (sample d2) had an improvement of 30% and 25% respectively. However, the coating m2 had adhesion problems and the coating was pilled off after few weeks of testing, and thus tests with high water velocities (0.35 m/s and 0.44 m/s) could not be performed. This coating showed visual defects from the very beginning of the test. The other two coatings d1 and d2 did not show any visual defect. The best coating analysed at tube level was the hybrid organic/inorganic sol-gel (d1) which performed best in overall and showed no degradation at all. The improvement of coatings with respect to the stainless steel (SS) reference should be taken with caution. The SS tube was experimentally evaluated for low mass flows at the beginning of the testing phase and these results were compared to the ones for coated tubes. Once all coated tubes were tested, and before testing the high mass flows with SS, some improvements of the test setup were necessary. Afterwards, we conducted experiments at low mass flows for the SS again to see if results were similar to those obtained at the beginning. Surprisingly, the results obtained for SS at low mass flows improved significantly from those previously obtained. The reasons of such improvement are not clear. We believe that the better fixing of the concentricity of the coaxial tube for the new SS and possible air in the system at the first experiments with SS might had an effect. For low water velocities, the sample m2 had improvements of 11% to 17% compared to the new SS results. For high water velocities, where experiments with the sample m2 were not possible due to degradation, the sample d1 had 11% higher performance at 0.35 m/s, but very similar at 0.44 m/s. Thus, these results leave us with a large uncertainty on the real improvements of the coatings analysed and a new set of experiments will be necessary. Fortunately, there is a running project (www.tri-hp.eu) where tube experiments can be further continued by the authors.
Zugehörige Dokumente
|
