C02: Abgasbehandlung und Wärmemanagement in fortschrittlichen Antriebssystemen durch den Einsatz poröser Medien

Disziplin Thermodynamik

Dieses Projekt betrachtet poröse Medien zur Integration in verschiedene Flugzeugkonfigurationen als vielversprechende Technologie für verschiedene Anwendungen wie Abgasnachbehandlung und Abwärmerückgewinnung. Ein wichtiger physikalischer Querschnittsaspekt ist dabei die Kondensation aus der Dampfphase und die Ableitung des Kondensats. Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen den mikroskopischen Prozessen und ihrer makroskopischen Wirkung ist eine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Nutzung poröser Medien. Um dieses Ziel zu erreichen, kombinieren wir in diesem Projekt komplementäre experimentelle und numerische Methoden.

Motivation

Erforschung des Potenzials poröser Medien zur Wasserrückgewinnung und zum Thermomanagement in zukünftigen Flugzeugkonfirgurationen

  • Verringerung des Wassergehalts im Abgas
  • Nutzung von Abwärme durch Umwandlung in elektrische Energie und Wärmemanagement
  • Lärmreduktion durch frequenzabhängige Schallabsorption

Ziel

Design eines porösen Mediums mit spezifischen Anforderungen an Kondensationsraten und Wasserabscheidung unter gegebenen Strömungs- und thermischen Randbedingungen und dessen geeignete Integration in das Flugzeug:

  • Validierte Modelle für physikalische Prozesse, die auf unterschiedlichen Skalen ablaufen, z.B. heterogene Keimbildung, Tropfenwachstum und Wassertransport auf mikroskopischen Skalen (z.B. auf Porenebene)
  • Entwicklung von Designrichtlinien, die spezifischen Anforderungen in Bezug auf Kondensationsraten, Wasser- und Wärmeabfuhr gerecht werden
  • Ableitung eines einfacheren Modells für die Prozessauslegung und -steuerung auf Systemebene
  • Geeignete Einbindung der porösen Medien im Hinblick auf den verfügbaren Bauraum und die Optimierung der Prozesse

Lösungsansatz

Das Potenzial poröser Medien zunächst zur Wasser- und Wärmerückgewinnung wird durch komplementäre numerische und experimentelle Methoden erforscht. Die optisch nicht zugänglichen Prozesse auf der Mikroskala im porösen Medium werden mit Hilfe direkter numerischer Simulation untersucht. Hierfür werden zunächst Ansätze zur Simulation von Kondensation sowie der bewegten Kontaktlinie entwickelt und in ein bestehendes Programmpaket implementiert. Dies ermöglicht umfangreiche Studien zur Quantifizierung des Einflusses einzelner Parameter auf Kondensation und Wassertransport an Einzelporen. Die Prozesse auf der Makroskala werden experimentell untersucht. Hierfür wird zunächst eine Versuchsanlage aufgebaut. In dieser können im Anschluss für ausgewählten poröse Proben Parameterstudien zum Einfluss der relativen Feuchte und Unterkühlung der Oberfläche auf die Tropfenbildung und deren Größenverteilung durchgeführt werden. Darüber hinaus wird der Wassertransport in das Medium untersucht. Weitere Schritte sind die Ableitung eines heterogenen Nukleationsmodells sowie, basierend auf den experimentellen und numerischen Ergebnissen, und die Modellierung der mikroskopischen Kondensationsrate. Im nächsten Schritt wird dann der Wärmeübergang detailliert betrachtet. Die Ableitung eines einfacheren Modells zur Prozesssteuerung ermöglicht die Einbindung in das Gesamtsystem Flugzeug.

Rolle in SynTrac

  • Entwicklung eines Modells zur Prozessauslegung und -steuerung für den gesamten Kreislauf der Wasser- und Abwärmerückgewinnung mit B04
  • Integration in das Flugzeug mit B04 und B06
  • Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der Abwärmeübertragung mit B01, B04 und C01

An "C02: Abgasbehandlung und Wärmemanagement in fortschrittlichen Antriebssystemen durch den Einsatz poröser Medien" beteiligte Personen