04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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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 Abschaltung von dezentralen Erzeugungsanlagen infolge von Unterspannungen im Kontext von LFSM-O(2022) Schöll, Christian; Lehner, Joachim; Weidner, Johannes; Lens, HendrikBei einer Überfrequenz jenseits von 50,2 Hz müssen sämtliche Erzeugungsanlagen ihre in das Netz eingespeiste Wirkleistung reduzieren. In den zumeist resistiv geprägten Verteilungsnetzen der Mittel- und Niederspannung führt diese überfrequenzbedingte Leistungsreduktion zu einer lokalen Absenkung des Spannungsprofils. Unterschreiten die Spannungen die Vorgaben aus den Netzanschlussbedingungen, unter denen dezentrale Erzeugungsanlagen die Verbindung zum Netz aufrechterhalten müssen, kann es zu unterspannungsbedingten Schutzabschaltungen kommen. Theoretisch könnten diese bei großflächigem Auftreten zu einer Umkehr des ursprünglichen Überfrequenzereignisses in ein Unterfrequenzereignis führen. Anhand von simulationsbasierten Untersuchungen wird in diesem Beitrag jedoch aufgezeigt, dass unter realitätsnahen Annahmen und unter Berücksichtigung der nationalen Richtlinien sowie der zugehörigen netzplanerischen Leitplanken kein besonderes Risiko hinsichtlich der Anregung der beschriebenen Wirkungskette vorliegt.Item Open Access Fusionsforschung : eine Einführung(2020) Köhn-Seemann, AlfIn diesem Vortrag wird ein Überblick und eine Einleitung in das Gebiet der Fusionsforschung gegeben.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 Design- and simulation-based comparison of grid-forming converter control concepts(2021) Schöll, Christian; Lens, HendrikUntil now, the textbook example of voltage source behavior along with the provision of inertia is the behavior of the synchronous generator (SG). This can be explained by the historical success of large scale electrification with AC power systems, which is closely linked to the SG. Therefore, previously SG-based electrical power systems face significant challenges due to the shift towards renewable energy sources (RES). Being generally converter-based, these do not provide essential stabilizing properties as SG do. Consequently, beyond a certain share of this kind of generation, interconnected power system stability is at stake. If, on the other hand, the previous paradigm of converter control is changed, then system operation without any SG is possible. To this end, the converters have to exhibit essential voltage source properties as SG do. Such converters are then referred to as grid-forming converters (GFC). However, the dynamic behavior of GFC is not defined by physical properties as in the case of SG. It is defined by the grid-forming control concept only, providing a high degree of freedom for possible implementations. Taking advantage of this freedom, a wide range of different, but partly also similar or even equivalent grid-forming control concepts have been developed in recent years. Therefore, in this paper, ten of today's most discussed control concepts are compared. In this comparison, unique features, similarities and equivalences of the control concepts are shown. The focus is on the instantaneous and stationary behavior of the control concepts, which is analysed by means of a system-theoretical and simulative analysis. The insights gained from this comparison can be helpful for the functional specification, development and improvement of GFC, as the variety of control concepts can be better understood.Item Open Access Flexibilitätspotenzialanalyse regionaler KWK-Anlagen mittels dynamischer Prozesssimulation(2022) Lips, Johannes; Lens, HendrikItem Open Access Analysis of transient stability of generator groups in the future power system(2022) Scheifele, Daniel; Lens, HendrikTransient stability is an essential property of electrical power systems. It describes the ability of the system to maintain synchronous operation of all generators. Classically, transient stability of individual generators is analyzed based on possible loss of synchronism after near short-circuit faults. In contrast, this paper considers transient stability of generator groups as a potential instability phenomenon in future grid scenarios. We investigate and analyze relevant factors of influence and countermeasures and modeling aspects to consider when studying the phenomenon. Based thereon we discuss the effectiveness of possible countermeasures. The main focus of this paper is to provide a better understanding of the underlying dependencies within the power system and their impact on the stability itself.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 Instability phenomena in interconnected power systems caused by current limitation of grid-forming converters(2020) Schöll, Christian; Lens, HendrikInertia and voltage source behavior are essential for power system stability. At present, these essential features are provided by synchronous generators (SG). Grid-forming voltage source converters (VSC) can emulate these essential properties of SG and make interconnected power systems with up to 100% converter based generation possible. However, VSC lack an important property of SG: overcurrent capability. Up to now, current limiting has not been considered holistically in most grid-forming control concepts of VSC, although it has a massive impact on their dynamic behavior when active. In this paper, it is shown that this becomes particularly evident in the analysis of transient stability. By means of simulations, the stability behavior of current-limited VSC is compared to the unlimited case. By a synthetic study case and subsequent EMT simulations of a simple transmission system model, we show that there are significant differences and that the transient stability reserve is reduced due to current limitation. If current limiting is not considered in the grid-forming control concept, faults that are easy to cope with in a SG dominated system may lead to instability in power systems with a large share of such grid-forming VSC.