Wärmestrom über Hertzsche Kontakte bei tiefen Temperaturen

Abstract

Aufgrund der parallel zur fortschreitenden Erschöpfung der globalen Ölvorkommen steigenden Nachfrage nach dieser Primärenergiequelle und den daraus resultierenden Preissteigerungen sowie der globalen Erwärmung durch Emission von Treibhausgasen ist die Entwicklung alternativer Kraftstoffe und Antriebe im Automotive-Bereich im letzten Jahrzehnt wirtschaftlich und (umwelt-)politisch attraktiv geworden. Eine mögliche Alternative zur Verwendung fossiler Kraftstoffe in Fahrzeugen ist der Einsatz von Wasserstoff-Verbrennungsmotoren. Der benötigte Wasserstoff muss dann entweder als Gas oder Flüssigkeit im Fahrzeug mitgeführt werden, wobei im flüssigen Zustand die höchste Energiedichte und somit der kleinste Platzbedarf erreicht wird. Während die Speicherung von Gas derzeit noch mit einer beträchtlichen Gewichtserhöhung des Fahrzeugs verbunden ist, erfordert die Lagerung von verflüssigtem Wasserstoff tiefe Temperaturen. Um die Abdampfrate bei längeren Standzeiten zu minimieren, werden doppelwandige Behälter mit hohem thermischem Widerstand zwischen Innen- und Außenwand eingesetzt.<br />Als Aufhängung für den Innenbehälter sind bei den heute verwendeten Tanks Stützen aus glasfaserverstärktem Kunststoff in Verwendung. Eine mögliche Alternative dazu wären Kugellager. Sie sind mechanisch belastbar und minimieren auch den Wärmeeintrag aufgrund der kleinen Kontaktflächen zwischen Kugel und Lauffläche.<br />Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde ein Teststand aufgebaut, um die Wärmeströme über zwischen zwei Flächen eingespannte Kugeln zu untersuchen. Es wurden insbesondere der Einfluss von Auflagekraft, verwendeten Materialien, Temperaturen, Kugelradien, Oberflächenrauheiten und Oberflächenbeschichtungen untersucht.<br />Der thermische Widerstand der Anordnung hängt in erster Linie von der Makrogeometrie, den Materialien, den Temperaturen und der Auflagekraft ab. Die Kontaktflächen, die bei unterschiedlicher Belastung auftreten, wurden im Rahmen der Hertzschen Theorie ermittelt. Die Oberflächenrauheit ist bei hohen Hertzschen Pressungen vernachlässigbar.<br />Oberflächenbeschichtungen aus trockenen Schmiermitteln verursachen jedoch eine Erhöhung der thermisch isolierenden Wirkung. Ein zweites Ziel der Arbeit war die Entwicklung von zwei- und dreidimensionalen Modellen, die mittels der finite Elemente Software ANSYS die Simulation der Wärmeströme im Testaufbau erlauben. Die gewonnenen Ergebnisse stimmen mit den Experimenten sehr gut überein.<br />Aus der Vielzahl der erhaltenen experimentellen Daten ergab sich die Möglichkeit, parallel zur Modellbildung in ANSYS auch ein analytisches Modell zu formulieren, mit dem die Wärmeströme in Abhängigkeit einiger weniger Materialparameter vorhergesagt werden können.<br />Die Dissertation wurde von der Österr. Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG) unterstützt und in Zusammenarbeit mit den Firmen Austrian Aerospace GmbH, A-1120 Wien, und BMW AG, D-80788 München, durchgeführt.<br />

The world's oil reserves are being depleted while at the same time the demand for this energy source is on the rise, causing a continuous increase of the prices for fossile fuels. Meanwhile, the worldwide emission of Greenhouse gases is accelerating the process of global warming. These factors have rendered the development of alternative fuels and drive-trains attractive for the automotive industry, both from an economical and an ecological perspective. One possible alternative to using fossil fuel in motor vehicles is the utilization of hydrogen internal combustion engines. The required fuel tanks can store hydrogen in either the liquid or the gaseous form, where liquid storage provides higher energy density. Considering present technology, the storage of high-pressure gas requires massive tanks, causing a considerable increase of the vehicle's mass, whereas the storage of liquid hydrogen requires low temperatures.<br />To minimize the rate of evaporation, vacuum insulated tanks with a high thermal resistance between inner and outer wall are used. The support structures for the inner tank are usually made of fiber reinforced plastics. A possible alternative are ball bearings. They are mechanically robust and minimize the heat input due to the small contact areas between races and balls.<br />In the course of this thesis, a calorimeter was constructed to measure the heat transfer over a bearing ball between two plane surfaces. The effects of variation of applied forces, used materials, temperatures, radii of the balls, surface roughnesses, and surface coatings of the balls were studied.<br />The thermal resistance of the assembly mainly depends on macro-geometry, materials, temperature and applied force. The contact areas for different load cases were calculated using the Hertzian theory. The effect of surface roughness was found to be negligible at high values of the Hertzian contact stress. Surface coatings with dry lubricants caused a higher total thermal resistance of the assembly.<br />Another goal was the development of two- and threedimensional finite element models for simulating the heat transfer through the assembly.<br />The models were created using the finite element software ANSYS. The results of the subsequent simulations were in good agreement with the measurements.<br />The abundance of experimental data offered the possibility of formulating an analytical model, which also provides good predictions for the heat transfer using only a few material parameters.<br />This thesis was partly funded by the Austrian Research Promotion Agency (FFG) and done in cooperation with Austrian Aerospace GmbH, A-1120 Wien, and BMW AG, D-80788 München.<br />