04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Behavior of sulfur oxides in air and oxy-fuel combustion(2019) Spörl, Reinhold; Scheffknecht, Günter (Univ.-Prof. Dr. techn.)This thesis evaluates the behavior of sulfur oxides in pulverized fuel (PF) fired air and oxy-fuel systems. Sulfur oxides are responsible for certain operational problems and considerable gas cleaning requirements in air as well as oxy-fuel firing. A better understanding of the related issues will allow for a technical and economical optimization of the oxy-fuel combustion technology. A range of experimental investigations studying the stability and retention of sulfur oxides in ashes and deposits, acid gas (SO2, SO3, and HCl) control in air and oxy-fuel combustion by dry sorbent injection, and SO3 formation were conducted. The experimental work is in parts supported by theoretical considerations and thermodynamic equilibrium simulation. Studies for different coals and lignites showed that in practically relevant oxy-fuel configurations the exclusion of airborne N2 from combustion leads to an increase of the SO2 concentrations in oxy-fuel, compared to air firing, by a factor of about 3.4 to 4.2, referring to dry, and of about 2.9 to 3.5, when referring to wet flue gas conditions. The increased SO2 levels in oxy-fuel combustion are responsible for an increased stability of sulfates in oxy-fuel power boiler systems so that for example the decomposition temperature CaSO4 rises by about 50 to 80 °C, depending on flue gas atmospheres. The enhanced stability of sulfates in deposits at high temperatures when operating with increased SO2 levels was experimentally demonstrated. Compared to air firing, a considerable increase of the sulfur retention in the ash by 10 to 12 percentage points has been observed for oxy-fuel recycle combustion of Lusatian lignites. This leads to lower SO2 emissions and higher SO3 levels in process ashes and deposits. The results indicate that for fuels, such as the used lignites, the temperature level at which fouling by sulfatic deposits is problematic may be shifted to higher temperatures in oxy-fuel combustion and that the sintering of deposits by sulfation may be more pronounced. In contrast, in air and oxy-fuel combustion experiments with a hard coal with a low sulfur retention potential differences in the SO3 contents and degrees of sulfation of ashes and deposits were small. Besides higher SO3 contents and sulfation degrees, no other significant changes between the deposit samples from air and oxy-fuel combustion were identified. Experiments on dry sorbent injection in air and oxy-fuel mode showed that an increase of the average flue gas residence time in the furnace by flue gas recirculation and, to a lesser extent, the higher sulfate stability enhance the desulfurization efficiency in oxy-fuel recycle combustion considerably. SO2 capture efficiencies in oxy-fuel recycle combustion of 50 % to more than 80 % at moderate molar sulfur to calcium ratios between 1.7 and 2.9 were reached, when injecting CaCO3 and Ca(OH)2 together with the fuel or directly to the furnace. Under comparable injection conditions, the oxy-fuel performance was by as much as 29 percentage points higher than in air firing. Also an efficient SO3 and HCl control by DSI could be demonstrated. Experiments on formation of SO3 show that higher SO2 levels in oxy-fuel firing are the most important parameter responsible for the observed increase of the SO3 concentrations.Item Open Access Untersuchung der Antriebsstrangdynamik in Windenergieanlagen(2020) Horch, JoachimDiese Arbeit beschäftigt sich damit die Stabilität und Funktionstüchtigkeit des Antriebsstranges einer Windenergieanlage der Größenordnung 10 MW zu untersuchen. Hierfür erfolgt der Aufbau eines Computermodells einer 10-MW-Windenergieanlage mithilfe des Mehrkörpersimulationsprogrammes SIMPACK. Weiterhin wird eine Parameterstudie durchgeführt, welche über eine Matlab-induzierte SIMPACK-Simulation speziell ausgewählte Parameter des Antriebsstranges variiert, Simulationen durchführt und so den Einfluss bestimmter Parameter, sowie Parameterkombinationen, auf die Stabilität des Antriebsstranges prüft. Auf diese Weise sollen Stabilitätskriterien für einen Antriebsstrang dieser Größenordnung ermittelt werden. Es erfolgen sowohl statische, als auch dynamische Untersuchungen.Item Open Access Messung und Modellierung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffschüttungen für vakuumwärmegedämmte Warmwasserspeicher(2022) Lang, Stephan; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit ist es, hinsichtlich Dämmwirkung und Kosten geeignete schüttfähige Wärmedämmstoffe für doppelwandige Warmwasserspeicher mit Vakuumwärmedämmung zu identifizieren und eine Vorhersage über die effektive Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von Luftdruck und Temperatur treffen zu können. Zu diesem Zweck werden expandierte Perlite unterschiedlicher mittlerer Korngrößen und Mischungen aus expandierten Perliten und pyrogener Kieselsäure untersucht. Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Ermittlung der effektiven Wärmeleitfähigkeit bei unterschiedlichen Luftdrücken und Temperaturen. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wird in einer eigens entwickelten Versuchsanlage, nach einem stationären Messprinzip, bei Luftdrücken zwischen 0,001 mbar und Atmosphärendruck von (960 ± 20) mbar sowie bei Probenmitteltemperaturen zwischen -5 °C und 90 °C bestimmt. Die maximale relative Messunsicherheit der Versuchsanlage beträgt < 8 % bei den geringsten und < 3 % bei den höchsten gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten. Reine feinkörnige expandierte Perlite mit Dichten der Schüttungen ≥ 182 kg/m³ erreichen bei Luftdrücken ≤ 0,1 mbar und allen gemessenen Probenmitteltemperaturen die geringsten effektiven Wärmeleitfähigkeiten. Bei einer Probenmitteltemperatur von 48 °C liegen diese bei ≤ 4,84 mW/(m·K). Mischungen aus einem vergleichsweise grobkörnigen expandierten Perlit mit einer sehr feinkörnigen und feinporigen pyrogenen Kieselsäure können hingegen, bei technisch einfacher zu handhabenden Luftdrücken von > 1 mbar, z. T. geringere effektive Wärmeleitfähigkeiten erreichen als reine expandierte Perlite. Mischungen dieser Komponenten werden in dieser Arbeit erstmals in Form einer losen Schüttung bzgl. ihrer effektiven Wärmeleitfähigkeit untersucht. Bei einer Probenmitteltemperatur von 48 °C werden in diesem Luftdruckbereich effektive Wärmeleitfähigkeiten dieser Mischungen von > 12,17 mW/(m·K) gemessen. Anhand der gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten sowie weiterer Stoffeigenschaften, werden vollständig prädiktive analytische Modelle der effektiven Wärmeleitfähigkeit entwickelt. Das Modell für Mischungen gilt für ein ausgewähltes Stoffpaar, während das Modell für expandierte Perlite für beliebige ungemahlene expandierte Perlite verwendbar ist. Es handelt sich nach Kenntnis des Autors um das erste vollständig prädiktive analytische Modell der effektiven Wärmeleitfähigkeit für expandierte Perlite, welches auch die Kopplung von Gas- und Festkörperwärmeleitung berücksichtigt und für welches lediglich drei einfach und kostengünstig zu messende Größen bestimmt werden müssen. Diese Größen sind der volumengewichtet gemittelte Korndurchmesser, die mittlere Korndichte sowie die Dichte der Schüttung des expandierten Perlits. Aus den Messwerten der effektiven Wärmeleitfähigkeit wird ein Zusammenhang von volumengewichtet gemitteltem Korndurchmesser zur Kopplung von Gas- und Festkörperwärmeleitung deutlich, der für das Modell für expandierte Perlite verwendet wird. Mit den Modellen ist es nun möglich, ohne entsprechende Messungen, die effektive Wärmeleitfähigkeit von Mischungen aus einem expandierten Perlit und einer pyrogenen Kieselsäure sowie für beliebige ungemahlene expandierte Perlite, mit zufriedenstellender bis hoher Genauigkeit vorherzusagen.Item Open Access Multi-criteria comparison of energy and environmental assessment approaches for the example of cooling towers(2022) Wenzel, Paula M.; Radgen, PeterCooling towers remove economically or technically unusable heat using considerable amounts of electricity and, in many cases, water. Several approaches, which vary in methodology, scope, and level of detail, are used for environmental evaluations of these cooling systems. Although the chosen approach has a significant impact on decisions made at the plant level, no methodology has yet been standardized for selecting the approach that best serves the objectives of the evaluation. Thus, this paper provides comparison criteria for the systematic selection of suitable evaluation methods for cooling towers and classifies how the methods score in this respect. These criteria, such as ‘life cycle thinking’, ‘inventoried physical quantities’, ‘temporal resolution’, ‘formalization’, and ‘data availability’, are grouped by overall evaluation objectives such as ‘thoroughness’, ‘scientific soundness’, and ‘usability’. Subsequently, these criteria were used to compare material flow analysis, energy analysis, environmental network analysis, life cycle inventory, life cycle assessment, environmental footprint methods, emergy analysis, exergy analysis, and the physical optimum method. In conclusion, material flow analysis is best suited for the analysis of cooling towers when impact assessment is not required; otherwise, life cycle assessment meets most of the defined criteria. Moreover, only exergy-based methods allow for the inclusion of volatile ambient conditions.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 Anti-adhesive surfaces inspired by bee mandible surfaces(2023) Saccardi, Leonie; Schiebl, Jonas; Balluff, Franz; Christ, Ulrich; Gorb, Stanislav N.; Kovalev, Alexander; Schwarz, OliverPropolis, a naturally sticky substance used by bees to secure their hives and protect the colony from pathogens, presents a fascinating challenge. Despite its adhesive nature, honeybees adeptly handle propolis with their mandibles. Previous research has shown a combination of an anti-adhesive fluid layer and scale-like microstructures on the inner surface of bee mandibles. Our aim was to deepen our understanding of how surface energy and microstructure influence the reduction in adhesion for challenging substances like propolis. To achieve this, we devised surfaces inspired by the intricate microstructure of bee mandibles, employing diverse techniques including roughening steel surfaces, creating lacquer structures using Bénard cells, and moulding resin surfaces with hexagonal patterns. These approaches generated patterns that mimicked the bee mandible structure to varying degrees. Subsequently, we assessed the adhesion of propolis on these bioinspired structured substrates. Our findings revealed that on rough steel and resin surfaces structured with hexagonal dimples, propolis adhesion was significantly reduced by over 40% compared to unstructured control surfaces. However, in the case of the lacquer surface patterned with Bénard cells, we did not observe a significant reduction in adhesion.Item Open Access A model-based framework for the assessment of energy-efficiency and CO2-mitigation measures in multi-cylinder paper drying(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2022) Godin, Hélène; Radgen, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Thesis on the effect of energy-efficiency and CO2-mitigation measures in multi-cylinder paper drying.Item Open Access Brennstoffzellensysteme auf Basis regenerativer Energieträger(2010) Grüner, Heike; Scheffknecht, G. (Prof. Dr. techn.)Der Einsatz von regenerativen Energieträgern in Brennstoffzellensystemen ermöglicht eine beachtliche Reduzierung von Treibhausgasemissionen im Vergleich zur konventionellen Strom- und Wärmegewinnung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der am besten geeignete, nicht-leitungsgebundene regenerative Energieträger für ein stationäres PEM-Brennstoffzellen-BHKW identifiziert und ein ursprünglich auf Erdgas basierendes Gesamtsystem mit diesem Energieträger charakterisiert. Als leicht speicherbare Energieträger kommen dabei Methanol, Ethanol und Dimethylether (DME) sowie Pflanzenöl, Biodiesel und flüssige synthetische Kohlenwasserstoffe in Frage. Aus diesen wurden Methanol, Ethanol und DME vorselektiert und hinsichtlich der Brennstoffherstellung (Well-to-Tank-Wirkungsgrad) und -reformierung sowie der simulierten Gesamtsystemeffizienz und -komplexität bewertet. Bei vergleichbaren Werten in der Brennstoffherstellung sowie in der Systemeffizienz lässt sich dabei die Aussage treffen, dass grundsätzlich alle drei genannten Brennstoffe für ein stationäres PEM-Brennstoffzellen-BHKW geeignet sind. Die geringe Systemkomplexität sowie die einfache Dampfreformierung von DME führten zu dessen Auswahl als dem am besten geeigneten, nicht-leitungsgebundenen regenerativen Energieträger für ein stationäres Brennstoffzellensystem. Anschließend erfolgten die Charakterisierung des Gesamtsystems im DME-Betrieb sowie der Vergleich des Systems im Betrieb mit Erdgas. Erdgas diente dabei als Ersatz für biogenes Erdgassubstitut (SNG), welches stellvertretend für den Einsatz leitungsgebundener regenerativer Energieträger steht.Item Open Access Zur numerischen Berechnung des Betriebsverhaltens von Kreiselpumpen bei hydroabrasiver Erosion(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen, 2021) Hankeln, Fabian; Riedelbauch, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Der energieeffiziente Betrieb privater und industrieller Anlagen gewinnt seit geraumer Zeit stetig an Bedeutung. In den vergangenen Jahren wurde daher in vielen Bereichen vermehrte Entwicklungsarbeit zur Detektion und Ausschöpfung von energetischen Optimierungspotentialen geleistet. Im industriellen Umfeld haben Kreiselpumpen aufgrund ihrer Vielseitigkeit seit jeher einen merklichen Anteil am industriellen Stromverbrauch, wodurch sich gleichermaßen ein ebenso nicht unbeachtliches Einsparpotential aufzeigt. Energetische Optimierungspotentiale ergeben sich für Kreiselpumpen vorrangig aufgrund ihres Alters, einer überdimensionierten Ausführung oder aufgrund eines verschleißbedingten Wirkungsgradabfalls. Im Zuge der Digitalisierung wurden hierzu bereits viele Systeme zur Vorhersage des Betriebszustands von Kreiselpumpen entwickelt und vertrieben. Die aktuell verfügbaren Systeme beschränken sich jedoch größtenteils auf die Vorhersage von Systemausfällen, sodass eine Aussage über eventuelle Effizienzeinbußen aufgrund von Verschleiß bisher nicht möglich ist. Vor diesem Hintergrund zeigt diese Arbeit eine Möglichkeit auf, den Einfluss hydroabrasiver Erosion auf das Betriebsverhalten und somit die Energieeffizienz von Kreiselpumpen mithilfe numerischer Strömungsfeldsimulation zu berechnen. Die so erhaltenen Daten können damit letztendlich in Verbindung mit den handelsüblichen Zustandsüberwachungen zu einer verbesserten Überwachung auch hinsichtlich der Energieeffizienz industrieller Kreiselpumpen beitragen. Der entwickelte Ansatz beruht in seinen Grundsätzen auf dem üblichem Vorgehen zur numerischen Betrachtung von Erosionserscheinungen. Hierzu zählen die Simulation einer zweiphasigen Strömung und die Vorhersage der verschleißbedingten Schäden mithilfe von Erosionsmodellen. Da die üblichen Erosionsmodelle in ihrer kommerziellen Form jedoch keinen Einfluss auf die hydraulische Kontur nehmen, wird das Simulationsmodell durch eine verschleißabhängige Verformbarkeit des Berechnungsgitters ergänzt. Zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit wird des Weiteren ein höherwertiges numerisches Verfahren zur Berechnung der im Lagrange-Verfahren betrachteten Partikelbahnen implementiert. Die Aussagefähigkeit der entwickelten Verschleißmodellierung wird anhand einer handelsüblichen Wassernormpumpe untersucht. Die numerischen Betrachtungen werden zur Validierung durch zusätzlich durchgeführte experimentelle Untersuchungen gestützt. Die Ergebnisse lassen eine weitreichend gute Übereinstimmung der numerischen und experimentellen Ergebnisse erkennen. In detaillierteren Auswertungen können zudem die Ursachen des verschleißbedingten Wirkungsgradabfalls erläutert und für verschiedene Szenarien Effizienzeinbußen deklariert werden.