04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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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 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.Item Open Access Tensorgesteuerte Entwicklung biokompatibler Strukturen(2021) Däges, Johannes-MaximilianDie vorliegende Arbeit verfolgt den Ansatz einer Topologieoptimierung um würfelförmige Strukturen zu erstellen die ein vorgegebenes elastisches Verhalten haben. Hierzu wird die Methode der Homogenisierung nach G. P. Steven angewendet um aus einem gegeben Steifigkeitstenor Beschränkungen für eine Topologieoptimierung zu entwickeln. Zudem wurde die Mandel-Notation in die Homogenisierung eingebaut. Das langfristige Ziel ist es, Femurnägel aus vielen Einzelstrukturen zusammen zu setzen und so auftretendes Stress shielding im Femurknochen zu verringern. Die Ergebnisse verschiedener Konfigurationen sind durchaus vielversprechend und unterstützen eine weitere Untersuchung des Ansatzes.Item Open Access Feasibility of transient model tests in a closed-loop test rig with the example of a reversible pump turbine(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen, 2023) Junginger, Johannes; Riedelbauch, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)The growing share of renewable energies in power generation increases the risk of unintended exceedings of frequency limits in an interconnected grid. To counteract this, a so-called redispatch, a correction of the power balance in the grid, takes place. Due to their flexible operating capability, pumped storage power plants often perform this correction. However, the frequent change of the operating point of these power plants leads to an increase in transient events and thus raises the mechanical stress on the plant components. In addition to the known methods for analyzing fluid machinery, transient model tests are an important element for investigating the increasing demands on mechanical stress capacity and operating behavior. In this work, a method to implement transient model test in a closed-loop test rig is presented. For this propose, various transient load cases of a real pumped storage power plant with a reversible pump turbine are simulated. The time-dependent quantities of the machine are transferred to the scaled model using suitable laws of similarity. A special feature is the use of the Strouhal number to convert the time scale. These transferred data serve as setpoints for the model machine when simulating the test rig. An iterative optimization procedure is used to adapt the behavior of the test rig actuators until the setpoints are reached with the specified accuracy. With the knowledge about the entire control sequence, the transient experiment is carried out on the laboratory test rig. The use of a bypass increases the spectrum of transient load cases under investigation. This enables, for example, a fast change between pump and turbine operation of the model machine. In order to examine the developed method for its capability, various influencing factors were considered. By means of a parameter study, the speed of sound of the numerical test rig model was varied. Especially for load cases with modified guide vane opening, different values of the speed of sound have an influence on the simulation results. Therefore, the speed of sound must be modeled as close as possible to the same values as in the real test rig. Furthermore, it is shown that the readout procedure of the characteristic diagram of the hydraulic machines can influence the simulation results. Responsible is the linear interpolation between the grid points used by the simulation software during the transient process, which leads to discontinuities. The general applicability of the method was investigated with the help of various transient load cases, such as operating point changes and fast transitions. Due to the lack of automated guide vane adjustment on the test rig used, only the fast transitions were carried out experimentally. For this purpose, the model rotational speed was adjusted between pump and turbine operating point at constant guide vane opening. The findings were then transferred to the simulated load cases with active guide vane adjustment. The applied methodology is confirmed by the good agreement between setpoints and measurement results. Limitations of the transient model test are given by the electrical machines. To reduce the differences in dynamic similarity between model and prototype, high rotational speeds of the model are required. For load cases with ambitious speed changes, such as fast transitions or total load rejections, the drives reach their acceleration restrictions. Another challenge is the measurement of the transient discharge, which influences the results especially at high discharge gradients. It is revealed that the used indirect measurement of the model discharge in the pump branch in conjunction with the bypass branch using two sensors with too high delay times is insufficient. These challenges need to be addressed in future research.