04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Entwicklung einer direkt solarthermisch angetriebenen Diffusions-Absorptionskältemaschine(2016) Schmid, Fabian; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird die technische Machbarkeit eines direkt durch die Sonne angetriebenen Diffusions-Absorptionskälteprozesses nachgewiesen. Der Austreiber, der direkt in einen doppelt verglasten Flachkollektor integriert ist, stellt das zentrale Bauteil dieser Kältemaschine dar. Er ist gleichzeitig die Thermosiphonpumpe des Kälteprozesses. Üblicherweise wird diese im unteren Bereich des Rohres von Heizbändern mit einer hohen Wärmestromdichte beheizt. In einem kombinierten Kollektoraustreiber limitieren die Solarstrahlung und der Kollektorwirkungsgrad die maximale Wärmestromdichte. Zusätzlich muss die Thermosiphonpumpe aufgrund der Kollektorneigung entlang einer geneigten Ebene fördern. Diese Randbedingungen erfordern umfangreiche Untersuchungen zum Förderverhalten der Thermosiphonpumpe. Neben der Thermosiphonpumpe ist der Hilfsgaskreislauf, sowohl für die Kälteleistung als auch für den Wirkungsgrad des Diffusions-Absorptionskälteprozesses, von besonderer Bedeutung. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die detaillierte Untersuchung des Hilfsgaskreislaufs. Mittels Clamp-On-Ultraschallsensoren gelingt es erstmalig den Ammoniakmolanteil sowie den Gasvolumenstrom kontinuierlich und ohne Eingriffe in den Prozess zu erfassen. Ein magnetgekoppelter Edelstahlpropeller ermöglicht, statt der üblichen Naturzirkulation, eine Zwangsumwälzung des Hilfsgaskreislaufs. Somit kann der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Stoffübertragung im Absorber und Verdunster nachgewiesen und bewertet werden. Mit den Messergebnissen wird ein neu erstelltes Simulationsmodell, welches die Stoffübertragung im Hilfsgaskreislauf abbildet, validiert. Aufbauend auf den Messergebnissen einer elektrisch beheizten Diffusions-Absorptionskältemaschine, den Förderversuchen der Thermosiphonpumpe und der Vermessung des Kollektoraustreibers im Sonnensimulator wird schlussendlich eine solarthermisch angetriebene Diffusions-Absorptionskältemaschine ausgelegt und aufgebaut. Durch einen anschließenden, erfolgreichen Test in einem Freiluftprüfstand wird die Funktionsfähigkeit des Anlagenkonzepts nachgewiesen.Item Open Access Reduction of the return temperature in district heating systems with an ammonia-water absorption heat pump(2018) Mirl, Nico; Schmid, Fabian; Spindler, KlausIn this study, a new setup for the reduction of the return temperature in district heating systems will be presented. For this purpose, an ammonia-water absorption heat pump will be integrated within a district heating substation and theoretically investigated. The idea of this coupling is that the district heating flow is used to power the generator of the heat pump. The district heating return is cooled in the evaporator. In this way, the capacity of the district heating system can be increased or the mass flow rate can be reduced. Additionally, the lower return temperature leads to a higher efficiency of the whole system. The field of possible operating points for such a system is also revealed and discussed.Item Open Access Untersuchung des Förderverhaltens einer Thermosiphonpumpe bei unterschiedlichen Beheizungsarten(2015) Bierling, Bernd; Schmid, Fabian; Spindler, KlausAm Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) wurde eine Diffusions-Absorptionskältemaschine (DAKM) im Leistungsbereich von ca. 400 Watt entwickelt. DAKMs benötigen keine mechanische Pumpe, da der Lösungsumlauf mittels einer Thermosiphonpumpe erfolgt, und arbeiten demzufolge geräuscharm und verschleißfrei. Zum Antrieb benötigt eine DAKM thermische Energie. Im Rahmen der Untersuchungen hat sich gezeigt, dass die Beheizungsart, also der Ort des Wärmeeintrags, einen großen Einfluss auf die Kälteleistung der DAKM hat. Mit einem Laborprüfstand wird das Förderverhalten einer Thermosiphonpumpe bei einer punktuellen und einer flächigen Beheizung des Förderrohres untersucht. Der Prüfstand ist so aufgebaut, dass neben der Heizleistung der Förderrohrdurchmesser, die Förderhöhe bei unterschiedlichen Förderrohrlängen und die Temperatur der ins Förderrohr eintretenden Flüssigkeit variiert bzw. eingestellt werden können. Zudem bietet der Laborprüfstand die Möglichkeit zur Untersuchung eines neuen Konzeptes für die Beheizung bzw. den Antrieb einer DAKM. Zur Beheizung kann ein Plattenwärmeübertrager mit nachgeschaltetem Förderrohr verwendet werden. Die Beheizung und die Förderung der Lösung sind somit voneinander entkoppelt, was eine kompaktere Bauweise sowie eine höhere Förderleistung einer DAKM ermöglicht. Somit können verschiedene Energiequellen, wie Nah- und Fernwärme sowie Solar- und Abwärme, als Antrieb einer zweiphasigen Thermosiphonpumpe genutzt werden. Es wird der Aufbau der Laboranlage detailliert vorgestellt. Das Förderverhalten der Thermosiphonpumpe mit dem Arbeitsmedium Wasser wird für die drei verschiedenen Beheizungsarten bei unterschiedlichen Heizwärmeströmen analysiert. Zukünftige Entwicklungsschritte und weitergehende Untersuchungen werden erläutert.Item Open Access Förderverhalten eines Plattenaustreibers mit nachgeschaltetem Förderrohr für thermisch angetriebene Kälteanlagen(2017) Bierling, Bernd; Schmid, Fabian; Spindler, KlausDiffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKM) werden durch Wärme angetrieben, die am Austreiber bzw. an der Thermosiphonpumpe zugeführt wird. Die Wärmezufuhr führt zur partiellen Verdampfung von flüssigem Kältemittel und zur Entstehung von Dampfblasen. Diese schließen sich zu Kolben zusammen und fördern die Lösung in der Thermosiphonpumpe mit nach oben. Die partielle Verdampfung sorgt neben der Förderung dafür, dass das Kältemittel aus der Lösung ausgetrieben wird. Am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) werden Untersuchungen zur Beheizung einer DAKM über einen Austreiber in Form eines Plattenwärmeübertragers mit nachgeschaltetem vertikalen Förderrohr durchgeführt. Die Beheizung des Plattenaustreibers am Fußpunkt der Thermosiphonpumpe ermöglicht ein gutes Förderverhalten und eine kompakte Bauweise der DAKM. Die Beheizung erfolgt über einen externen Heizkreislauf. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Förderung der Lösung mittels Plattenwärmeübertrager im Vergleich zu einem Doppelrohrwärmeübertrager bei deutlich geringerer logarithmischer Temperaturdifferenz zwischen Heiz- und Arbeitsmedium auftritt. Das Förderverhalten von verschiedenen Plattenaustreibern mit nachgeschaltetem Förderrohr wird mit demineralisiertem Wasser als Reinstoff sowie dem Zweistoffgemisch Ethanol-Wasser als Arbeitsmedium dargestellt. Das Förderverhalten der Thermosiphonpumpe wird unter der Variation der Antriebstemperatur des Heizkreislaufs, der Plattenstruktur, der Strömungsart sowie -führung des Plattenaustreibers analysiert. Zudem wird der Übergang vom Plattenaustreiber auf das nachgeschaltete Förderrohr untersucht. Zusammenhänge der Zweiphasenströmung im Plattenaustreiber und im Förderrohr unter Verwendung eines Zweistoffgemisches werden erläutert.Item Open Access Leistungssteigerung einer direkt solarthermisch angetriebenen Diffusions-Absorptionskältemaschine(2012) Schmid, Fabian; Bierling, Bernd; Spindler, KlausDer Diffusions-Absorptionskälteprozess bietet die Möglichkeit einer verschleißfreien, strom- und geräuschlosen Kälteanlage. Am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik wird auf Grundlage dieses Prozesses eine dezentrale solare Kälteanlage entwickelt. Der Austreiber und die Thermosiphonpumpe des Prozesses sind im Kollektor integriert und werden somit direkt beheizt. Durch einen zweiten Kreislauf im Kollektor kann dieser auch zur Brauchwassererwärmung eingesetzt werden. Pro Solarkollektor (ca. 2,5 m²) wird eine Kälteleistung von 400 W angestrebt. Für höhere Kälteleistungen können mehrere Kälteanlagen modular miteinander verschaltet werden. Im Rahmen der DKV-Tagung 2011 wurden der Aufbau der Anlage, die ersten Messdaten und Betriebsergebnisse vorgestellt. Seitdem konnte sowohl die Kälteleistung als auch die Leistungszahl der Diffusion-Absorptionskälteanlage deutlich gesteigert werden. Hierfür wurden Lösungsmittelwärmeübertrager, Verdampfer, Absorber und Gaswärmeübertrager hinsichtlich der Anlageneffizienz optimiert. Zusätzlich konnte mit einer Bypassleitung ein stabiler Anlagenbetrieb erreicht werden. Über diese Leitung wird bereits im Lösungsmittelwärmeübertrager ausgetriebenes Kältemittel abgeführt. Zusätzlich wurde zur Wirkungsgradsteigerung ein Kondensatvorkühler integriert. Zur detaillierten Untersuchung des Hilfsgaskreislaufs wurden mit einem Ultraschallsensor der Volumenstrom und die Konzentration des Hilfsgaskreislaufs untersucht. Um die Einflussfaktoren mittels einer Parameterstudie bewerten zu können, wurde die Stoffübertragung im Hilfsgaskreislauf, basierend auf dem Zweifluidmodell, simuliert. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sowie der aktuelle Anlagenaufbau und die aktuellen Messergebnisse werden im Folgenden vorgestellt.Item Open Access Entwicklung einer direkt solar angetriebenen Kälteanlage auf Basis des Diffusions-Absorptions-Kälteprozesses(2011) Schmid, Fabian; Zetzsche, Marco; Spindler, KlausIn den letzten Jahren lag der Fokus der solaren Kühlung auf Ad- und Absorptionskälteanlagen. Diese Anlagen haben einen Leistungsbereich von mehr als 10 kW. Am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik wird ein neues Konzept zur dezentralen solaren Kühlung entwickelt. Grundlage ist der Diffusions-Absorptionskälteprozess. Hierbei erfolgt der Lösungsmittelumlauf durch das Thermosiphonprinzip. Dadurch hat die entwickelte Anlage den Vorteil, dass sie verschleißfrei, strom- und geräuschlos arbeitet. Die Bauteile der Kälteanlage werden teilweise direkt in den Solarkollektor integriert Thermosiphonpumpe/Austreiber). Es wird eine Kälteleistung von circa 400 W angestrebt. Für größere Kälteleistungen sollen mehrere Anlagen modular verschaltet werden. Durch den im Solarkollektor ebenfalls integrierten Mäander, kann der Solarkollektor bei Bedarf auch zur Brauchwassererwärmung eingesetzt werden. Die Anlage wurde im Labor vermessen. Dabei wurde der Einfluss von unterschiedlichen Heizleistungen sowie der Einfluss von Rückkühlung durch freie und erzwungene Konvektion auf die Kälteleistung der Anlage untersucht. Die inneren Wärmeübertrager haben einen großen Einfluss auf die Leistung sowie die Leistungszahl der Anlage. Im Zuge der Entwicklung sind verschiedene Wärmeübertrager untersucht und in der Anlage getestet worden. Es wird das Verfahren zur Kälteerzeugung detailliert beschrieben und die Laboranlage vorgestellt. Weiterhin wird über die ersten Betriebserfahrungen und die gewonnenen Messwerte berichtet. Die zukünftigen Entwicklungsschritte und Potentiale der Technik werden erläutert.