Browsing by Author "Hampel, Matthias"

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Rechnerunterstützte Entwicklung von Warmwasser-Wärmespeichern für Solaranlagen
(2008) Hampel, Matthias; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)
Vor dem Hintergrund der Diskussion um eine nachhaltige Energieversorgung kommt der Solarthermie eine wichtige Rolle zu, da sie insbesondere im Bereich der Wärmeversorgung von Gebäuden sehr stark die fossilen Energieträger ersetzen kann. Sie birgt ein hohes Entwicklungspotential, für dessen Erschließung neue Werkzeuge benötigt werden. Eines davon sind numerische Strömungsrechnungen (CFD), die es ermöglichen, das Verhalten neuer oder bestehender Komponenten in solarthermischen Anlagen komplett an Rechnern zu simulieren. Diese Art der Entwicklung ist im Bereich der Solarthermie aufgrund der beträchtlichen Einarbeitungszeit und dem mangelnden Vertrauen in die Richtigkeit der Simulationsergebnisse momentan noch sehr wenig verbreitet. Ziel dieser Arbeit ist es, die Ergebnisse numerischer Strömungssimulationen für die Beladung von solaren Warmwasserspeichern genauer zu betrachten. Dazu wurde eine Anlage zur Untersuchung von Einströmvorgängen in einen Warmwasserspeicher gebaut. Die Untersuchungen fanden mit Hilfe von Temperaturfühlern und den laser-optischen Systemen PIV und LIF statt. Mit dem Softwarepaket Fluent wurden Modelle erstellt und gerechnet, die diese Messungen simulieren sollen. Für die untersuchten Fälle konnten die CFD-Berechnungen die Messergebnisse und Beobachtungen in einer zufriedenstellenden Art wiedergeben, womit validierte Modelle zur Verfügung standen. Aufgrund dieser Simulationen wurden Faktoren und Parameter benannt, die das Rechenergebnis in Bezug auf Qualität und Zeit beeinflussen, auch unter Berücksichtigung auftriebsdominierter Strömungen, wie sie in der Solarthermie oft vorkommen. Besonderes Gewicht wird auf die Berücksichtigung der auftretenden Turbulenz gelegt. Dies geschieht in einem Fall mit Hilfe eines problemangepassten, hochauflösenden Gitters und in den anderen Fällen durch die Verwendung von Zwei-Gleichungsturbulenzmodellen zur Lösung der zeitabhängigen Navier-Stokes-Gleichungen. Mit Änderungen an den validierten Modellen werden Modifikationen an den kommerziellen Schichtbeladeeinrichtungen untersucht, um so zu demonstrieren, welche Möglichkeiten zur Zeit- und Kosteneinsparung die Simulation als Entwicklungswerkzeug bietet.