Optimierung kaskadierter magnetokalorischer Wärmepumpen

Kompressorbasierte Wärmepumpen erreichen in der Regel weniger als 50 % des theoretischen Effizienzlimits und werden mit explosiven oder klimaschädlichen Kältemitteln betrieben werden. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Weiterentwicklung eines alternativen Systemkonzepts, der aktiven magnetokalorischen Heatpipe (AMH). Diese haben das Potential, effizienter als herkömmliche Wärmepumpen zu werden und sie kommen ohne schädliche Kältemittel aus. Bislang wurde lediglich ein sehr kleines AMH-System realisiert, das eine Temperaturdifferenz von weniger als 2 K erzeugte. Ziel dieser Arbeit ist die Optimierung der Leistungsfähigkeit der AMH in Bezug auf Temperaturdifferenz, Kühlleistung, Effizienz und Kosten, um eine wettbewerbsfähige Alternative zu herkömmlichen Wärmepumpensystemen zu schaffen. Um die Temperaturdifferenz und Kühlleistung zu vergrößern, wurden unter anderem ein neues Magnetdesign und neue Rückschlagventile entwickelt. Insgesamt führten diese Verbesserungen zu einer maximalen Heizleistung von 235 W und einer maximalen Temperaturdifferenz von 13,5 K. Es handelt sich um das erste AMH-System, dessen Effizienz direkt gemessen wurde. Der Demonstrator erreichte eine exergetische Effizienz von 17 %, wobei über 50 % der Verluste auf Reibung zurückzuführen sind, die relativ einfach vermieden werden können. Unter Berücksichtigung der eingesetzten Menge an Permanentmagneten wurde ein magnetokalorisches System mit der zweithöchsten Leistungsdichte realisiert. Ein eigens entwickeltes Modell zeigt, dass ein Wechsel zu einem Überdruck-Kältemittel ein kosteneffizientes System ermöglichen würde, das mit verdichterbasierten Wärmepumpen konkurrieren kann.