04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Eisspeicher - Stand der Technik und Ansatzpunkte zur Optimierung der Beladung sowie deren Modellierung(2016) Oechsle, Ursina; Spindler, KlausItem Open Access Experimentelle Untersuchungen und regelungstechnische Optimierung einer Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine in Kombination mit einem solar angetriebenen Kühlsystem mit Eisspeicher(2012) Zetzsche, Marco; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing.habil.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit messtechnischen Untersuchungen an einer Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine und deren Verwendung zur solaren Kühlung. Dafür wurde die Absorptionskältemaschine thermodynamisch analysiert und eine angepasste Regelstrategie entwickelt. Zur Regelung wurden zwei verschiedene Bauformen von Expansionsventilen untersucht. Die Kältemaschine kann aufgrund der umfangreichen Wärmerückgewinnung in einem großen Verdampfungstemperaturbereich arbeiten. Es wurde ein System zur solaren Kühlung von fünf Büroräumen des Institutsgebäudes aufgebaut. Das System besitzt einen großen Neuheitscharakter, da ein Eisspeicher für die Speicherung von Kälteenergie verwendet wird. Der Eisspeicher bietet den Vorteil, dass auch bei fehlender Antriebsleistung der Absorptionskältemaschine die Raumkühlung über längere Zeiten erfolgen kann. Gleichzeitig ist der Speicher kompakt und hat ein geringes Gesamtvolumen. Die gesamte Anlage ist in der Lage schnell zwischen den Betriebspunkten Eisspeicherbeladung und -entladung sowie Raumkühlung umzuschalten und auf diese Weise den Kühlkomfort im Raum dauerhaft zu gewährleisten.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 Thermische Solarenergienutzung(2004) Heidemann, WolfgangDie Nutzung thermischer Solarenergie erfreut sich zunehmender Beliebtheit. In den vergangenen Jahren stieg die jährlich installierte Kollektorfläche in Deutschland um durchschnittlich ca. 20 Prozent und beträgt derzeit ca. 900 000 Quadratmeter pro Jahr. Der größte Anteil dieser Kollektorfläche wird auf Ein- und Zweifamilienhäuser (kleine Solaranlagen) installiert und dient entweder der ausschließlichen Trinkwassererwärmung oder der kombinierten Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung (Kombianlagen). Weitere Anwendungsgebiete sind der Einsatz von Solaranlagen bei der Schwimmbaderwärmung und solar unterstützte Nahwärmeversorgungssysteme (große Solaranlagen für mindestens 100 Wohneinheiten), mit denen bis zu 50 Prozent der bei konventioneller Wärmeversorgung notwendigen fossilen Energiemenge solar abgedeckt werden können.Item Open Access 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.Item Open Access Experimentelle Untersuchung zur freien Konvektion an Rohren in einer Kies/Wasser-Schüttung(2001) Chang, Wen-Shih; Hahne, Erich (Prof. Dr.-Ing.)In Rahmen dieser Arbeit wurde der Wärmeübergang an horizontalen Einzelrohren, drei übereinander liegenden und sieben versetzt angeordneten Rohren, sowohl in Wasser allein als auch in der Kies/Wasser-Schüttung in Abhängigkeit von der Wärmestromdichte experimentell untersucht. Als Schüttgut wurden drei verschiedene Steingrößen eingesetzt, mit der Korngrößenverteilung von 4 bis 8, 8 bis 16 und 16 bis 32 mm (Kies 4/8, Kies 8/16 und Kies 16/32). Die Messungen an Einzelrohren in der Kies/Wasser-Schüttung ergaben drei unterschiedliche Strömungsgebiete: Darcy-Strömung, Forchheimer-Strömung und Turbulente Strömung. Bei der Berechnung der maximalen Grashof-Zahl ist die nicht wandkorrigierte Porosität einzusetzen. Der Wärmeübergang nimmt mit steigender Wärmestromdichte und größer werdender Korngröße des Kieses zu. Es konnten drei neue Korrelationsgleichungen für den Wärmeübergang ermittelt werden. Sie geben die Meßwerte mit einer mittleren Abweichung von 10 % wieder. Bei den Versuchen mit sieben versetzt angeordneten Rohren, erhält man außer bei den Messungen mit Kies 8/16 beim Teilungsverhältnis S/D = 5 immer eine Verringerung der mittleren Nusselt-Zahl gegenüber dem Einzelrohr (Bezug auf Zuströmtemperatur). Mit steigender Wärmestromdichte nimmt die normierte mittlere Nusselt-Zahl zu. In Wasser tritt die größte mittlere Nusselt-Zahl bei S/D = 5 auf, während sich in der Kies/Wasser-Schüttung die größte mittlere Nusselt-Zahl zwischen den Verhältnissen S'/d = 1,47 und S'/d = 2,95 zeigt. Die Versuche mit drei übereinander liegenden Rohren ergaben ähnliche Ergebnisse wie mit den sieben versetzt angeordneten Rohren. Es wurde eine Erhöhung der mittleren Nusselt-Zahl gegenüber den sieben versetzt angeordneten Rohren festgestellt. Die mittlere Erhöhung liegt zwischen 2,4 % und 19,8 %.Item Open Access Effizienzsteigerung einer Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine(2013) Müller, Marius; Spindler, KlausDas Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschinen im Leistungsbereich bis 12 kW. Die fortlaufende Entwicklung der Kältemaschine wurde in den letzten Jahren regelmäßig auf der DKV-Tagung vorgestellt und anhand von Messdaten und Simulationen diskutiert. Im aktuellen Beitrag werden Maßnahmen zur Effizienzsteigerung der Absorptionskältemaschine vorgestellt und bewertet. Ein entscheidender Punkt ist dabei der Austreiber der Absorptionskältemaschine. Er wurde in den vorhergehenden Anlagen des ITW in Behälterbauweise realisiert. Der Austreiber stellte dabei das größte und teuerste Bauteil der Anlage dar und bot somit das größte Optimierungspotential. Aufgrund seines Volumens war er außerdem mit einer großen Menge Ammoniak/Wasser gefüllt. In der letzten Anlagenkonfiguration konnte der Austreiber mit einem Plattenwärmeübertrager realisiert werden, wodurch Anlagengewicht und Anlagenvolumen deutlich reduziert werden konnten. Die Ammoniakmenge im System hat sich von 15 kg auf 4 kg verringert, wodurch das Emissionspotential der Anlage stark verringert und der Umgang mit dem System erleichtert wurde. Die Leistung des Systems konnte im Zuge dieser Umbauten trotz der beschriebenen Einsparungen weiter gesteigert werden. Alle wärmeübertragenden Bauteile der Absorptionskältemaschine sind Plattenwärmeübertrager, wodurch die spezifischen Kosten (€/kW) entscheidend reduziert werden konnten.Item Open Access Utilization of various projectiles to mitigate fouling in tubular heat exchangers(2016) Jalalirad, Mohammad Reza; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)Heat exchangers are the workhorse of most chemical, petrochemical, food processing and power generating processes. Of the many types of heat exchangers, approximately 60% of the market is still dominated by shell and tube heat exchangers. One major problem of heat exchangers and particularly the shell and tube type is directly related to the deposition of unwanted materials on the heat transfer surfaces. Fouling may cause one or more of several major operating problems: i) reduction of heat transfer, ii) under-deposit corrosion, iii) increased pressure loss and iv) flow mal-distribution. There are many different mitigation techniques available in the market to maintain the surface of heat exchangers clean to some extent. Among them are projectiles of various shapes, materials and hardnesses which circulate via a separate loop through the exchanger. The advantages of this method include effective fouling mitigation and stable operating conditions. Having said that, there are nevertheless numerous unanswered questions such as optimum injection interval, minimum required shear force to remove fouling layers, applicability of projectiles at elevated temperatures, minimum required velocity of projectile propulsion, and the criterion for the selection of projectiles for any specific fouling process. The present study, as part of a European Project entitled Clean-Ex, endeavors to address some of these questions. A test rig was designed and constructed to simulate conditions under which fouling occurs in water service processes. The rig includes an online cleaning device which enables introduction of projectiles for various operating scenarios including i) continuous or ii) at different time intervals. A comprehensive set of experimental runs was carried out for crystallization fouling of CaSO4 solutions with and without projectiles. Due to laboratory restrictions, fouling runs were performed at accelerated conditions to rigorously characterize the impact of projectile cleaning in terms of injection intervals and various types of projectiles. The experimental results showed that the projectiles are capable of removing parts of the fouling layer at the early stage of the fouling process. The cleaning efficiency decreases as the fouling layer builds up such that the projectile is not effective when the asymptotic fouling is approached. In addition, shorter injection intervals of the projectiles decrease the asymptotic fouling resistance. Sintering of the fouling layer which hinders the cleaning action of projectiles should be accounted for this phenomenon. Furthermore, all projectiles decreased the induction time of the fouling process. The asymptotic fouling resistance was also approached much quicker compared to the case of no injection. The performance of any projectile lies in a trade-off between its size, texture and stiffness. Stiffness produces a shear force required to dislodge the deposit and size is required to maintain the contact area between projectile and the surface. Accordingly, a criterion was developed to determine the optimum projectile size and stiffness for best cleaning performance. The criterion shows that bigger and softer projectiles cannot last for a long time injection processes. Given the importance of size and stiffness, the projectiles were subsequently divided into two groups of hard and soft due to the required stiffness and velocity to move the projectile within the tube. To discriminate between these two groups, a new term called contact stability factor or Z factor is proposed which is a function of stiffness and size. A mechanistic model has also been developed to predict the asymptotic fouling resistance when projectiles are in operation, based on injection rate, fouling rate and removal rates. The model predicts the asymptotic fouling resistance with an accuracy of 69% based on CaSO4 concentration, saturation concentration, injection interval, shear force and contact stability of the tube with the projectile.Item Open Access Fabrication and characterization of lithium-sulfur batteries(2015) Canas, Natalia Andrea; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr.)The lithium-sulfur battery is a promising system for the future generation of rechargeable batteries. Its main advantages are the high theoretical capacity (1675 Ah kgS-1), high energy density (2500 Wh kgS-1), and low cost of sulfur. So far, the commercial application of this battery has been hindered by the reduced cycle-life. The isolating properties of sulfur as well as the formation of polysulfides in a complex reaction mechanism, which is not completely understood, are mainly causes for battery degradation. This work is focused on the characterization of the Li-S battery by application of several characterization techniques under in situ and ex situ conditions. Using X-ray diffraction, the reaction of sulfur was monitored during discharge and charge, and the formation of nano-crystalline lithium sulfide as end product of discharge was identified for the first time in operando. The structural changes of sulfur and its partial amorphization were observed after charge and analyzed using the Rietveld method. Furthermore, electrochemical impedance spectroscopy was applied during cycling to measure the impedance characteristics of the cell. For this, an electrical equivalent circuit was designed to describe specific physical and electrochemical process. Thus, the resistance of the electrolyte, the charge transfer resistance in the electrodes, as well as the reaction and dissolution of isolating products were simulated and quantified. The polysulfides, as well as S8 and Li2S, were investigated in an organic electrolyte using UV-vis spectroscopy. Here, the species S62-; and S3•-; were identified and semi-quantified at several states of discharge. Further characterization methods, like scanning electron microscopy, atomic force microscopy, and thermal analysis coupled with mass spectroscopy were used to understand the degradation processes that caused morphological changes in the cathode. The output obtained through the application of the different characterization techniques was compared with a physico-chemical model in order to obtain a deeper knowledge in the reaction mechanisms occurring in the battery. Moreover, through further developments on the fabrication process of the battery, main factors influencing the battery capacity were identified. Thereby, the capacity of the battery was increased from 275 Ah kg-1 to 800 Ah kgS-1 (after 50 cycles, at a discharge rate of 0.18 C). This thesis provides new insights into the electrochemical and degradation processes of Li-S batteries and will hopefully contribute to enhance the energy density of future Li-S batteries.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.