04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/5
Browse
8 results
Search Results
Item Open Access Leistungssteigerung einer Diffusions-Absorptionskältemaschine durch Steigerung des Hilfsgasvolumenstroms(2021) Brunder, Johannes; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, KonstantinosDiffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKM) werden durch Wärme angetrieben und arbeiten strom- und geräuschlos. Als Hotel- und Campingkühlschränke sind DAKMs mit Kälteleistungen bis ca. 100 W weit verbreitet. Eine DAKM in einem größeren Kälteleistungsbereich hat bei einer Beheizung durch Abwärme, Fern- oder Nahwärme sowie solarer Wärme das Potenzial beispielsweise für die Gebäudekühlung klimafreundlich Kälte bereit zu stellen. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) wird an der Skalierung des Diffusions-Absorptionskälteprozesses zu größeren Kälteleistungen geforscht. Im Gegensatz zu beispielsweise Kompressionskältemaschinen wird das Kältemittel einer DAKM nicht durch Drosselung auf einen niedrigeren Absolutdruck verdampft, sondern durch Partialdruckabsenkung in eine Hilfsgasatmosphäre verdunstet. Um kontinuierlich Kälteleistung zu erzeugen, muss das gasförmige Kältemittel in einem weiteren Prozessschritt wieder aus dem Hilfsgas absorbiert werden. Der Transport des Hilfsgas vom Verdunster zum Absorber im sogenannten Hilfsgaskreislauf beruht auf dem Dichteunterschied zwischen dem mit Kältemittel angereichertem und dem an Kältemittel armen Hilfsgas. Untersuchungen in der Literatur belegen die entscheidende Bedeutung einer Steigerung des Hilfsgasumlaufs für eine Erhöhung der Kälteleistung der DAKM. Es werden experimentelle Untersuchungen an einem Prototyp einer DAKM vorgestellt. Der Hilfsgasvolumenstrom wird kontinuierlich und eingriffsfrei mittels Clamp-On Ultraschallmessverfahren gemessen. Der Hilfsgasvolumenstrom kann sowohl durch Steigerung der Antriebskräfte als auch Reduzierung der Druckverluste im Hilfsgaskreislauf erhöht werden. Es werden Entwicklungsschritte des Prototyps zur Steigerung des Hilfsgasvolumenstroms vorgestellt und evaluiert.Item Open Access Effizienzsteigerung einer NH3/H2O-Absorptionskältemaschine : experimentelle Untersuchung eines Anlagenkonzepts mit Plattendesorber(2021) Haak, Luisa; Mirl, Nico; Brunder, Johannes; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, KonstantinosBeim Absorptionskältemaschinen-Prozess wird die Antriebsenergie weitgehend in Form von Wärme zugeführt. Durch Verwendung von beispielsweise industrieller Abwärme oder von Wärme aus regenerativen Energieträgern zum Antrieb, ist mit Absorptionskältemaschinen (AKM) eine sehr klimaschonende Kälteerzeugung möglich. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) werden aktuell experimentelle Untersuchungen zur Effizienzsteigerung von NH3/H2O-Absorptionssystemen durchgeführt. Entwickelt wurde ein Desorber-Konzept mit einem direkt von der reichen Lösung durchströmten Plattenwärmeübertrager. Zur Erhöhung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel wird ein Plattendephlegmator mit nachgeschaltetem Kondensatabscheider verwendet. Verglichen mit den verbreitet eingesetzten Desorbern in Behälterbauweise mit integrierter Rektifikationskolonne zeichnet sich das Desorber-Konzept mit Plattenwärmeübertrager durch eine sehr geringe Füllmenge sowie geringe Fertigungskosten aus. Ein Nachweis für die hohe Effizienz des Absorptionssystems mit Plattendesorber ist bereits für den Betrieb als Wärmepumpe im Rahmen des Projekts „Optimierung von Absorptionswärmepumpen zum Einsatz im Wärmenetz 4.0“ erbracht worden. In diesem Beitrag wird das Konzept des direkt durchströmten Plattendesobers auf die AKM übertragen. Es werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen vorgestellt und mit der AKM aus der Dissertation von Zetzsche verglichen. Da beim Anlagenkonzept mit Plattendesorber keine Rektifikation vorgesehen ist, wird eine Erhöhung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel allein durch die Dephlegmation realisiert. Eine Herausforderung bei der Optimierung des verwendeten Plattendephlegmators zur Steigerung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel stellen die unterschiedlich großen Volumenströme der beiden Fluidströme, Kältemitteldampf und reiche Lösung, dar. Anhand von Thermographieaufnahmen wird die Temperaturverteilung über Plattendephlegmator analysiert. Zur Steigerung des übertragenen Wärmestroms wird einerseits ein Konzept für einen asymmetrischen Plattendephlegmator vorgeschlagen, andererseits wird die Orientierung des Plattendephlegmators diskutiert.Item Open Access Experimental methods of investigating airborne indoor virus-transmissions adapted to several ventilation measures(2022) Siebler, Lukas; Calandri, Maurizio; Rathje, Torben; Stergiaropoulos, KonstantinosThis study introduces a principle that unifies two experimental methods for evaluating airborne indoor virus-transmissions adapted to several ventilation measures. A first-time comparison of mechanical/natural ventilation and air purification with regard to infection risks is enabled. Effortful computational fluid dynamics demand detailed boundary conditions for accurate calculations of indoor airflows, which are often unknown. Hence, a suitable, simple and generalized experimental set up for identifying the spatial and temporal infection risk for different ventilation measures is more qualified even with unknown boundary conditions. A trace gas method is suitable for mechanical and natural ventilation with outdoor air exchange. For an accurate assessment of air purifiers based on filtration, a surrogate particle method is appropriate. The release of a controlled rate of either trace gas or particles simulates an infectious person releasing virus material. Surrounding substance concentration measurements identify the neighborhood exposure. One key aspect of the study is to prove that the requirement of concordant results of both methods is fulfilled. This is the only way to ensure that the comparison of different ventilation measures described above is reliable. Two examples (a two-person office and a classroom) show how practical both methods are and how the principle is applicable for different types and sizes of rooms.Item Open Access Untersuchung der Austreibereinheit einer Diffusions-Absorptionskältemaschine mit Plattenaustreiber(2020) Brunder, Johannes; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, KonstantinosDiffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKM) werden durch Wärme angetrieben und arbeiten strom- und geräuschlos. Als Hotel- und Campingkühlschränke sind DAKM mit Kälteleistungen bis ca. 100W weit verbreitet. Eine DAKM im größeren Kälteleistungsbereich hat bei einer Beheizung durch Abwärme, Fern- oder Nahwärme sowie solarer Wärme das Potenzial klimafreundlich Kälte bereit zu stellen. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) wird an der Skalierung des Diffusions-Absorptionskälteprozesses zu größeren Kälteleistungen geforscht. Eine der größten Hürden dabei ist eine deutliche Steigerung der Leistungsdichte der Wärmezufuhr. Um das Ziel zu erreichen wird als Austreiber ein Plattenwärmeübertrager mit nachgeschaltetem vertikalen Thermosiphonrohr eingesetzt. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise und erhöht zusätzlich den Lösungsumlauf durch eine nahezu punktuelle Beheizung am Fußpunkt des Thermosiphonrohres. Zudem werden geringe Temperaturdifferenzen zwischen dem externen Antriebsmedium und der Siedetemperatur des Arbeitsmediums durch dieses Austreiberdesign erreicht. Es wird die Konzeption des Prüfstands zur Untersuchung des Austreiberdesigns vorgestellt. Das Förderverhalten mit dem Zweistoffgemisch Ammoniak-Wasser wird unter Variation der Ammoniak-Konzentration und des Systemdrucks präsentiert. Dabei wird insbesondere der Einfluss von Strömungswiderständen im Zulauf des Austreibers, wie sie der üblicherweise in DAKMs verwendete Lösungsmittelwärmeübertrager verursacht, analysiert.Item Open Access Visualisierung und Optimierung der Flüssigkeitsverteilung in einem Plattenabsorber(2020) Mirl, Nico; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, KonstantinosAm Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) werden derzeit experimentelle Untersuchungen zur Effizienzsteigerung einer Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpe durchgeführt. Alle Wärmeübertrager innerhalb dieser Absorptionswärmepumpe sind als Plattenwärmeübertrager ausgeführt. Im Absorber wird die arme Lösung über eine Düse in den Eintrittskanal des Plattenwärmeübertragers zerstäubt. Hierdurch wird zum einen die arme Lösung mit einer möglichst großen Oberfläche zur Absorption mit dem Kältemittel zusammengeführt. Zum anderen wird durch die Zerstäubung auch die arme Lösung auf die einzelnen Plattenspalte verteilt. Eine optimale Verteilung der armen Lösung auf die Plattenspalte ist insbesondere für die weitere Absorption unter Wärmeabfuhr innerhalb des Plattenwärmeübertragers von großer Bedeutung. Das Ziel der Untersuchungen am Absorber besteht darin, die Wärme- und Stoffübertragung innerhalb des Plattenwärmeübertragers durch eine gleichmäßigere Flüssigkeitsverteilung der armen Lösung auf die Plattenspalte zu erreichen. Hierfür wird ein Versuchsstand verwendet, in dem die Flüssigkeitsverteilung der Zweiphasenströmung anhand des Stoffsystems Luft/Wasser optisch untersucht und optimiert werden kann. Es werden verschiedene kommerziell verfügbare Düsen untersucht und die Eintauchtiefe der Düse in den Plattenwärmeübertrager variiert. Die Ergebnisse werden mit der aktuellen Einbausituation verglichen und die Erkenntnisse auf den Absorber der Absorptionswärmepumpe übertragen. Es werden sowohl die Ergebnisse dieser Untersuchungen als auch der Einfluss der veränderten Düse und deren Position auf die Wärmeübertragung im Absorber aufgezeigt.Item Open Access Real-time grid signal-based energy flexibility of heating generation : a methodology for optimal scheduling of stratified storage tanks(2022) Eydner, Matthias; Wan, Lu; Henzler, Tobias; Stergiaropoulos, KonstantinosHeat pumps coupled with thermal energy storage (TES) systems are seen as a promising technology for load management that can be used to shift peak loads to off-peak hours. Most of the existing model predictive control (MPC) studies on tariff-based load shifting deploying hot water tanks use simplified tank models. In this study, an MPC framework that accounts for transient thermal behavior (i.e., mixing and stratification) by applying energy (EMPC) and exergy (XMPC) analysis is proposed. A case study for an office building equipped with an air handling unit (AHU) revealed that the MPC strategy had a high load-shifting capacity: over 80% of the energy consumption took place during off-peak hours when there was an electricity surplus in the grid. An analysis of a typical day showed that the XMPC method was able to provide more appropriate stratification within the TES for all load characteristics. An annual exergy analysis demonstrated that, during cold months, energy degradation in the TES is mainly caused by exergy destruction due to irreversibility, while, during the transition to milder months, exergy loss dominates. Compared to the EMPC approach, the XMPC strategy achieves additional reductions of 18% in annual electricity consumption, 13% in operating costs, and almost 17% in emissions.Item Open Access Diffusions-Absorptionskältemaschine mit Plattenaustreiber(2022) Brunder, Johannes; Stergiaropoulos, KonstantinosDiffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKM) werden durch Wärme angetrieben und arbeiten strom- und geräuschlos. Als Hotel- und Campingkühlschränke sind DAKMs mit Kälteleistungen bis ca. 100 W weit verbreitet. Eine DAKM in einem größeren Kälteleistungsbereich hat bei einer Beheizung durch Abwärme, Fern- oder Nahwärme sowie solarer Wärme das Potenzial beispielsweise für die Gebäudekühlung klimafreundlich Kälte bereit zu stellen. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) wird im Rahmen eines Promotionsstipendiums der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) an der Skalierung des Diffusions-Absorptionskälteprozesses zu größeren Kälteleistungen geforscht. Ammoniak/Wasser wird als Arbeitsstoffpaar verwendet. Zur Einbringung größerer Antriebsleistungen wird eine neuartige Austreibereinheit bestehend aus einem Plattenwärmeübertrager mit angeschlossenem Förderrohr erprobt. Eine solche Austreibereinheit ist zudem kompakt, ermöglicht die Nutzung verschiedener Wärmequellen und senkt die zum Betrieb nötige Antriebstemperatur. Auf der DKV-Jahrestagungen 2020 und 2021 wurden zwei Entwicklungsstränge dieses Projekts vorgestellt. Zunächst wurde die Erprobung der Austreibereinheit auf einem separaten Prüfstand (2020) und dann die Weiterentwicklung einer elektrisch beheizten DAKM, durch Verbesserung des Hilfsgaskreislaufs und Absorbers (2021), vorgestellt. Durch diese Maßnahmen konnte die Kälteleistung der DAKM deutlich gesteigert werden, sodass nun eine Erhöhung der Antriebsleistung sinnvoll ist. Beide Entwicklungsstränge werden dafür zusammengeführt und die neuartige Austreibereinheit in den Prototypen der DAKM integriert. Es wird eine iterative Weiterentwicklung der DAKM vorgestellt, für die zunächst ein wassergekühlter Absorber aus Drallrohren und ein Plattenkondensator in der DAKM erprobt werden. Nach der Integration der Austreibereinheit mit Plattenwärmeübertrager steigt die Kälteleistung auf maximal 1038 W.Item Open Access A coupled experimental and statistical approach for an assessment of SARS-CoV-2 infection risk at indoor event locations(2023) Siebler, Lukas; Rathje, Torben; Calandri, Maurizio; Stergiaropoulos, Konstantinos; Donker, Tjibbe; Richter, Bernhard; Spahn, Claudia; Nusseck, ManfredIndoor event locations are particularly affected by the SARS-CoV-2 pandemic. At large venues, only incomplete risk assessments exist, whereby no suitable measures can be derived. In this study, a physical and data-driven statistical model for a comprehensive infection risk assessment has been developed. At venues displacement ventilation concepts are often implemented. Here simplified theoretical assumptions fail for the prediction of relevant airflows for airborne transmission processes. Thus, with locally resolving trace gas measurements infection risks are computed more detailed. Coupled with epidemiological data such as incidences, vaccination rates, test sensitivities, and audience characteristics such as masks and age distribution, predictions of new infections (mean), situational R-values (mean), and individual risks on- and off-seat can be achieved for the first time. Using the Stuttgart State Opera as an example, the functioning of the model and its plausibility are tested and a sensitivity analysis is performed with regard to masks and tests. Besides a reference scenario on 2022-11-29, a maximum safety scenario with an obligation of FFP2 masks and rapid antigen tests as well as a minimum safety scenario without masks and tests are investigated. For these scenarios the new infections (mean) are 10.6, 0.25 and 13.0, respectively. The situational R-values (mean) – number of new infections caused by a single infectious person in a certain situation – are 2.75, 0.32 and 3.39, respectively. Besides these results a clustered consideration divided by age, masks and whether infections occur on-seat or off-seat are presented. In conclusion this provides an instrument that can enable policymakers and operators to take appropriate measures to control pandemics despite ongoing mass gathering events.