04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Untersuchung des thermohydraulischen Förderverhaltens einer Thermosiphonpumpe bei unterschiedlichen Beheizungsarten(2019) Bierling, Bernd; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird das thermohydraulische Förderverhalten einer zweiphasigen Thermosiphonpumpe bei unterschiedlichen Beheizungsarten untersucht. Grundlage für die experimentellen Untersuchungen ist ein Prüfstand, der konstante Versuchsbedingungen bietet. Dies wird durch die kontinuierliche Messung des Dampf- bzw. Kondensatmassenstroms, die Vorwärmung des Arbeitsmediums auf nahe Siedetemperatur sowie die strömungsoptimierte Gestaltung des Reservoirs und des Förderrohreinlaufs erreicht. Der Einfluss der relativen Heizlänge auf die Förderfähigkeit der Thermosiphonpumpe wird untersucht, indem ein vertikales Förderrohr punktuell, teilflächig und flächig beheizt wird. Als Arbeitsmedium wird demineralisiertes Wasser verwendet. Der Prüfstand ist zur Umgebung hin offen. Nahezu über den gesamten untersuchten Bereich gilt: Je kleiner die relative Heizlänge, desto höher ist der geförderte Flüssigkeitsmassenstrom. Bei punktueller Beheizung weist die Förderkennlinie einen untypischen Verlauf mit einem lokalen und absoluten Maximum auf. Das instationäre Förderverhalten der Thermosiphonpumpe bei punktueller Beheizung wird messtechnisch untersucht. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Arbeitsmediums in der horizontalen Zulaufstrecke zur Quantifizierung des instationären Strömungsverhaltens. Eine Frequenzanalyse des gemessenen statischen Druckes in der horizontalen Zulaufstrecke gibt Aufschluss über die Periodizität des instationären Strömungsverhaltens. Ebenfalls werden durch die Ermittlung der Strömungsform im Förderrohr Rückschlüsse auf das Förderverhalten sowie die Förderfähigkeit gezogen. Durch das instationäre Förderverhalten treten Strömungen entgegen der eigentlichen Förderrichtung auf. Mit dem Ziel der Verminderung bzw. Verhinderung dieser Rückströmungen wird der Einbau diverser Düsen und Venturirohre sowie eines Rückschlagventils in der horizontalen Zulaufstrecke untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass das Förderverhältnis durch diese Rohreinbauten in der Zulaufstrecke gesteigert werden kann. Aus den Erkenntnissen der Untersuchungen hinsichtlich der Beheizungsart und der Verminderung der Rückströmungen geht ein neues Beheizungskonzept für Diffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKMs) in Form eines Plattenwärmeübertragers mit nachgeschaltetem Förderrohr hervor. Dies ermöglicht neben einer kompakten Bauweise sowie der Entkopplung von Wärmeübertragung und Förderung zur Nutzung verschiedener Wärmequellen die Beheizung der Thermosiphonpumpe bei niedrigen Temperaturen. Zudem wird ein hohes Förderverhältnis im Vergleich zu herkömmlich angetriebenen DAKMs erreicht.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.