Modellierung einer magnetokalorischen Wärmepumpe mit thermischen Dioden

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Tobias Hess

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Magnetokalorische Materialien bilden die Grundlage für neuartige Kühlsysteme, welche, im Vergleich zu kompressorbasierten Systemen, sowohl effizienter sein können, als auch ohne schädliche flüssige Kältemittel auskommen. Der derzeitige Systemansatz für magnetokalorische Kühlsysteme das Durchströmen eines magnetokalorisch aktiven Regenerators mit einer Flüssigkeit weist jedoch fundamentale Limitierungen in Bezug auf die Effizienz und die Leistungsdichte auf. Ziel dieser Arbeit ist es einen neuartigen Systemansatz basierend auf thermischen Dioden zu modellieren, um dessen Potential abzuschätzen und den Einfluss von verschiedenen Designparametern herauszuarbeiten. Die thermischen Dioden werden mittels Ventilen in einem Zweiphasenfluid realisiert. Es wird ein stufenweiser und modularer Modellierungsansatz gewählt. Das System wird als thermisches Ersatzschaltbild abgebildet. Dieses wird um ein thermodynamisch konsistentes und auf Messwerten basierendes Materialmodell für das magnetokalorische Material, sowie Betrachtungen zur Hysterese eben dieser Materialien erweitert. Daraus lassen sich Aussagen über das dynamische Verhalten, die Effizienz und die Leistungsdichte eines magnetokalorischen Kühlsystems basierend auf thermischen Dioden ableiten. Das dynamische Verhalten lässt sich mit einer Analogie zu einem Tiefpassfilter beschreiben und es wird ein gegenläufiges Verhalten von Leistungsdichte und Effizienz aufgezeigt. Außerdem kann erstmals ein direkter Zusammenhang zwischen der thermischen Hysterese der magnetokalorischen Materialien und einer möglichen Systemeffizienz gezeigt werden.