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Studentische Arbeiten im Bereich Klima- und Kühlungssysteme

Simulation und Analyse von ZweiphasenKühlkreislaufarchitekturen für ein Wasserstoffkonzeptflugzeug

Bei der Entwicklung zukünftiger emissionsarmer Flugzeuge werden häufig neue Antriebssysteme in Betracht gezogen. Diese zielen auf eine teilweise oder vollständige Elektrifizierung ab. Ein Beispiel ist der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger des Flugzeugs anstelle von Kerosin in Kombination mit einer Brennstoffzellen-Antriebseinheit. Bei elektrifizierten Antriebssysteme fallen jedoch bei der Energieumwandlung in der Brennstoffzelle bzw. im Elektromotor große Mengen an Abwärme an. Die Integration eines thermischen Kühlsystems zur Bewältigung dieser Lasten ist daher ein
zentraler Aspekt, der bei der Auslegung und Simulation berücksichtigt werden muss. Daher sollen in dieser Arbeit zunächst verschiedene Architekturen des Thermalsystems grob definiert und ausgelegt werden. Auf Basis dieser Vorauslegung sollen geeignete Architekturen ausgewählt und tiefergehend simuliert, verglichen und bewertet werden. Bei der Simulation soll ein Schwerpunkt auf die Modellierung des Zweiphasen-Kühlkreislaufs gelegt werden

Aufgaben:

  • Einarbeitung in die Grundlagen von elektrischen Antriebssystemen (Brennstoffzelle, E-Motor, Batterie, etc.)
  • Einarbeitung in die thermodynamischen Grundlagen von Kühlsystemen
  • Systemvorentwurf der Kühlsystemarchitekturen mit MATLAB
  • Aufbau eines Simulationsmodells in Simscape zur Analyse von Systemverhalten bestehend aus Komponentenmodellen
  • Definition von geeigneten Bewertungskriterien sowie Bewertung und Vergleich der Architekturkonzepte

Untersuchung von Synergieeffekten bei der Konditionierung von Wasserstoff für ein Regionalflugzeug

Bei der Entwicklung von Wasserstoff-Regionalflugzeugen gibt es den Ansatz, mehrere dedizierte Antriebseinheiten (Pods),
die jeweils ein Brennstoffzellensystem, einen elektrischen Antriebsstrang sowie relevante Peripheriesysteme beinhalten,
am Flügel zu befestigen. Der für die Brennstoffzellen benötigte Wasserstoff wird dabei in kryogenen Tanks bei ca. –
253 °C im Heck des Rumpfes untergebracht. Für die Reaktion in der Brennstoffzelle muss der Wasserstoff jedoch
konditioniert, d. h. verdampft und erwärmt, werden. Im Rahmen dieser Arbeit sollen für die Konditionierung des
Wasserstoffs mögliche Systemarchitekturen definiert und ausgelegt werden. Für die Konditionierung des Wasserstoffs
können elektrische Heizer verwendet werden, die jedoch einen sehr hohen Leistungsbedarf haben. Daher sollten
Synergieeffekte zu anderen Systemen, wie z. B. die Abwärme des Kühlsystems der Brennstoffzellen, genutzt werden. Die
Betrachtung solcher Synergieeffekte führt jedoch zu Abhängigkeiten zwischen den Systemen, was eine Analyse
von möglichen Betriebsszenarien erfordert.

Aufgaben:

  • Einarbeitung in das Thema Wasserstoff und Kühlkonzepte für Brennstoffzellen in der Luftfahrt
  • Erstellung und Auslegung von Systemarchitekturkonzepten für eine synergetische Wasserstoffkonditionierung
  • Definition von relevanten Betriebsszenarien
  • Modellierung und Bewertung der Architekturkonzepte hinsichtlich der Einhaltung von Randbedingungen in den definierten Betriebsszenarien
  • Diskussion und Dokumentation der Ergebnisse

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