Simulation der Beanspruchung von Behältern für Phasenwechselmaterialien mit strukturmechanischen finiten Elementen

Abstract

Ziel dieser Masterarbeit ist es, das Verhalten von Phasenwechselmaterialien (PCM) während des Erstarrens und Schmelzens durch die Wahl von geeigneten Werkstoffmodellen zu simulieren. Dabei sollen nach Möglichkeit Effekte wie die Spaltbildung zwischen Behälter und Phasenwechselmaterial und die mechanischen Eigenschaften von festem Phasenwechselmaterial berücksichtigt werden und das Verhalten einer Flüssigkeit angenähert werden. Aufgrund der großen Schrumpfung beim Erstarren kommt es dabei im Phasenwechselmaterial zur Bildung von Vakuumeinschlüssen (Lunker). Dadurch kommt es beim erneuten Schmelzen des PCM und den damit verbundenen Wärmeausdehnungen zu Belastungen im Behälter. Hintergrund der Arbeit ist, dass Phasenwechselmaterialien zum Speichern von Wärme benötigt werden, da diese am Schmelzpunkt eine große Wärmemenge bei konstanter Temperatur abgeben. Die mit Phasenwechselmaterialien gefüllten Behälter sollen dabei auf Dampfspeicher montiert werden, um die Druck- und Temperaturschwankungen während der Dampfabgabe zu verringern und die speicherbare Wärmemenge zu erhöhen. Die dafür benötigten Werkstoffkennwerte wurden, wenn möglich, aus der Literatur entnommen. Für Werkstoffkennwerte, für die keine Zahlenwerte vorhanden waren, wurden die Werte abgeschätzt. Zur Simulation werden strukturmechanische Finite Elemente aus Standardsoftware verwendet. Diese sind allerdings nicht in der Lage das Verhalten von Flüssigkeiten ausreichend genau zu beschreiben. Es können lediglich die Festigkeitskennwerte im flüssigen Zustand so weit abgesenkt werden, bis ein gelartiges Verhalten entsteht. Außerdem kann ein Schmelzpunkt nicht dargestellt werden. Daher findet das Erstarren und Schmelzen innerhalb eines Temperaturintervalls statt. In der Arbeit werden dazu vier Werkstoffmodelle vorgestellt, welche in der Lage sind, das Verhalten des Phasenwechselmaterials teilweise zu beschreiben. Aufgrund der Tatsache, dass für Phasenwechselmaterialien nur wenige Werkstoffkennwerte bekannt sind, war eine zusätzliche Anforderung an die Werkstoffmodelle, dass diese möglichst wenige Parameter benötigen. Deswegen wurde eines der vorgestellten Werkstoffmodelle ausgeschlossen. Es wurde kein Werkstoffmodell gefunden, welches in der Lage ist, das vollständige Verhalten von Phasenwechselmaterial zu beschreiben. Für die ausgewählten Werkstoffmodelle wurden anschließend die Werkstoffparameter festgelegt und Simulationen an einfachen Behältern durchgeführt und die Ergebnisse diskutiert.

The aim of this master thesis is to simulate the behavior of phase-change-materials (PCM) during solidification and melting by choosing suitable material laws. Where possible, effects such as the gap formation between the container and the phasechange-material and the mechanical properties of solid phase-change-material are to be taken into account. Due to the large thermal shrinkage during solidification, vacuum inclusions are formed in the phase-change-material. This leads to stresses in the container when the PCM is remelted and the thermal expansions occur.The background of this thesis is that phase-change-materials are needed to store heat, as they release a large amount of heat at the melting point at a constant temperature. The containers filled with phase-change-materials are to be mounted on steam accumulators in order to reduce the pressure and temperature fluctuations during steam release and increase the amount of heat that can be stored.The material parameters required for the simulations were taken from the literature when possible. For material parameters for which no numerical values were available, the values were estimated.Structural finite elements from standard software were used for the simulation. However, these are not capable of describing the behavior of fluids with sufficient accuracy. Only the strength values in the liquid state can be reduced until a gel-like behavior is obtained. In this paper, four material laws are presented which are able to partially describe the behavior of the phase-change-material. Due to the fact that only a few material values are known for phase-change-materials, an additional requirement for the material laws was that they need as few parameters as possible. Therefore, one of the material laws was excluded. No material law was found that was capable of describing the complete behavior of phase-change-materials. The material parameters were then determined for the selected material laws and simulations were carried out on simple containers, followed by a discussion of the results.