Viele Industriezweige haben es sich zum Ziel gesetzt, Produkte und Anlagen zu entwickeln, die möglichst klein und leicht sind. Auch im Automotive-Bereich müssen, insbesondere für E-Mobility-Lösungen, Bauteile wie beispielsweise Wärmetauscher so leicht wie möglich und bestmöglich integrierbar sein. Die Stunde des Kunststoffs hat geschlagen, gilt er doch aufgrund seiner Formbarkeit und Leichtigkeit als ideales Material für innovative und höchst effiziente Designs. Welches Potenzial in diesem Stoff steckt, wenn er auf Basis einer numerischen Strömungssimulation „geformt“ wird, können wir am Beispiel der Entwicklung eines Wärmetauschers aus Kunststoff aufzeigen.
Kunststoffe sind beliebig formbar, flexibel anpassbar, leicht, korrosions- und chemikalienfest und dabei auch noch besonders kostengünstig. Mit anderen Worten: Sie sind geradezu prädestiniert als Basismaterial zur Herstellung von Wärmetauschern. Allerdings gelten sie aufgrund ihrer sehr schlechten Wärmeleitfähigkeit als wesentlich ineffizienter als ihre „Artgenossen“ aus Metall. Fließen allerdings die Betrachtungen aus der Strömungssimulation mit ein, lassen sich höchst effiziente Kunststoffwärmetauscher entwickeln, die den Nachteil gegenüber Metallen mehr als wett machen.
Es stimmt: Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen ist in der Regel um einen Faktor Tausend schlechter als die von gängigen metallenen Wärmetauschermaterialien wie Kupfer oder Aluminium. Der entscheidende Punkt ist allerdings, dass beim Wärmetausch nicht die nominelle Fläche wirkt, sondern nur eine effektive, nämlich diejenige, die tatsächlich wirksam überströmt wird. Also geht es am Ende nicht um die Wärmeleitfähigkeit des Materials an sich, sondern um effektive Wärmeübergänge und den Details der Strömungen auf beiden Seiten, welche – on top – zudem auch die effektive Fläche bestimmen.
Die Auswirkungen der Strömung resultieren wiederum maßgeblich aus der Geometrie der Oberfläche. Hier schlägt die Stunde der Kunststoffe. Mit ihnen lassen sich beliebige Formen von Oberflächen herstellen und vor allem: strömungstechnisch so optimieren, dass maximale Wärmeübergänge ermöglicht werden. Mittels Strömungssimulation (CFD) lässt sich der Verlauf einer Strömung, d.h. Wirbelbildung, Totzonen und ggf. die Ausbildung von Grenzschichten, bis ins kleinste Detail darstellen. Daraufhin können die Kunststoffoberflächen perfekt an die idealen Strömungsverhältnisse angepasst werden.
Und es gibt noch einen weiteren Unterschied, der in der Zukunft eine große Rolle spielen kann: Wärmetauscher aus Kunststoff können direkt in andere Bauteile integriert werden, wodurch Bauteile und Gewicht eingespart werden, Halterungs- und Vibrationsproblematiken verschwinden und die Gesamtfunktionalität deutlich erhöht werden kann. Ein Beispiel dafür ist ein direkt in den Stoßfänger eines Autos eingespritzter Kühler. Ideen in dieser Hinsicht sind kaum Grenzen gesetzt.
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