Universität Stuttgart
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Item Open Access Experimental investigation of flow boiling of water in narrow rectangular vertical channels(2009) Sobierska, Ewelina; Groll, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)In the last century electric and electronic devices have become an integral part of our life. Simultaneously, in pursuance of people's nature, needs and demands are incessantly increasing. Consequently, the devices are becoming more convenient (by means of being smaller and lighter) and the number of their functions is rising. One of the restrictions which stop this development is the Joule effect which creates a thermal management problem. Many options to achieve successful cooling are available, ranging from very simple passive cooling to active cryogenics methods. Among those, flow boiling offers very good heat transfer performance taking advantage of the latent heat of vaporisation. During flow boiling in microchannels a liquid coolant is pumped through an array of channels which can be attached to heated surfaces. A closed loop containing an evaporator with microchannels, a micropump and a condenser can be very compact and relatively inexpensive. There are three aspects of flow boiling: flow pattern, pressure drop and heat transfer. All three and their relationship are experimentally investigated in this work with the aim to find the best heat transfer performance conditions. The experiments were carried out in three rectangular channels with hydraulic diameters below 0.5 mm. Deionised water was used as working fluid. The heat transfer and pressure drop were investigated. Additionally a visualisation of two-phase flow was done in order to obtain a better understanding of the heat transfer mechanism. The results of this work can be briefly summarized as follows: The best heat transfer performance was found at thermodynamic vapour qualities close to zero, where slug flow was usually observed. The two-phase pressure drop can be predicted by a separate flow model which is based on governing equations (mass, energy and momentum conservation laws), the Lockhart-Martinelli method and the empirical void fraction equation with constants proposed by Lockhart and Martinelli.Item Open Access Regenerative Energiequellen im Spannungsfeld zwischen öffentlichen Erwartungen und technisch-ökonomischer Realität(1987) Voß, AlfredDer Verfasser macht den Versuch, den Stand der Entwicklung, die Entwicklungsperspektiven sowie die noch bestehenden Probleme derjenigen Techniken zur Nutzung regenerativer Energiequellen aufzuzeigen, die für die Bundesrepublik Deutschland von Bedeutung sein könnten. In Anbetracht der niedrigen Energiepreise kann festgestellt werden, daß trotz großer technischer Fortschritte keine der neuen Techniken zur Nutzung regenerativer Energiequellen heute schon wirtschaftlich konkurrenzfähig ist. Allerdings weist der Verfasser darauf hin, daß viele Techniken noch ein erhebliches Entwicklungspotential aufweisen. Die Alternative "Kernenergie oder Sonnenenergie" stellt sich somit heute nicht.Item Open Access Hochaufgelöste Emissionskataster für Luftschadstoffe in Baden-Württemberg(1988) Müller, Thomas; Boysen, Barbara; Friedrich, Rainer; Obermeier, Andreas; Voß, AlfredAufbauend auf das im Laufe des TULLA-Experimentes erstellte stündliche Emissionskataster für die Stoffe SO2 und NOx wird am IKE ein Modell erarbeitet, das es erlaubt, Szenarien stündlicher Emissionen für beliebige zukünftige Perioden unter Berücksichtigung von meteorologischen und sonstigen Parametern zu berechnen. In diesem Zwischenbericht wird vorwiegend auf die Methoden eingegangen, mit denen für die öffentlichen Kraftwerke und für den Verkehrssektor Aussagen gemacht werden können. Des weiteren wurde eine Pilotstudie erarbeitet, in der untersucht wurde, mit welchen Methoden ein in Raum und Zeit hoch aufgelöstes Emissionskataster für gasförmige organische Verbindungen erstellt werden kann. Einige Ergebnisse dieser Studie werden kurz dargestellt. Für die Verursachergruppen Feuerungen, Prozesse in Industrie, bei Kleinverbrauchern und Haushalten, sowie natürliche Quellen (Wälder) wird dabei anhand einiger Beispiele die jeweils mögliche Vorgehensweise erläutert.Item Open Access Auslegung eines Brennelements für einen Leichtwasserreaktor mit überkritischen Dampfzuständen(2006) Hofmeister, Jan Friedrich; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing.)Das Konzept des europäischen Leichtwasserreaktors mit überkritischem Wasser (HPLWR – High Performance Light Water Reactor) zeigt gegenüber einem aktuellen Leichtwasserreaktor grundsätzliche Unterschiede. So herrscht im Reaktor ein Systemdruck von ca. 25 MPa und das Kühlmedium wird von 280 °C um mehr als 220 °C aufgeheizt. Auf diese Weise erreicht es eine Austrittstemperatur von mehr als 500 °C und das Kraftwerk damit einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 44 %. Das Kühlmedium verlässt den Kern aufgrund seines überkritischen Zustandes einphasig. Wasserabscheider, Dampftrockner oder Systeme für die Rezirkulation des Kühlmediums, wie bei laufenden Siedewasserreaktoranlagen üblich, sind somit nicht mehr notwendig. Des Weiteren wird der HPLWR wie ein Siedewasserreaktor nur mit einem Kühlkreislauf und einem Flusswasser- oder Kühlturmkreislauf betrieben, so dass auch auf Dampferzeuger, Druckhalter und Primärkreispumpen, wie sie in Druckwasserreaktoren gängig sind, verzichtet werden kann. Die Motivation, ein neuartiges Brennelement für den Leichtwasserreaktor mit überkritischen Dampfzuständen zu entwickeln, liegt in den außergewöhnlichen Betriebszuständen des Reaktors. Beispielsweise variiert die Dichte im Kern bis zu einem Faktor sieben. Aufgrund der sehr niedrigen Dichte des Kühlmediums im oberen Bereich der Brennelemente wäre beispielsweise die Moderation der Neutronen mit einem konventionellen Brennelement nicht mehr ausreichend. Die Auslegung eines Brennelements mit Kopfstück, Fußstück und Abstandshalter für einen Leichtwasserreaktor mit überkritischen Dampfzuständen wurde durchgeführt. Dabei wurde aufbauend auf den Vorüberlegungen in den Bereichen Neutronik und Thermohydraulik erstmals ein konkreter Entwurf für ein Brennelement und die dazugehörige Strömungsführung im Kern des HPLWR konzipiert. Zunächst wurde anhand einer Festigkeitsanalyse eine Durchbiegung von maximal 0,2 mm der Wände des Kastens eines Referenzbrennelements berechnet. Mit Hilfe dieser Durchbiegung und den geometrischen Abmessungen des Referenzbrennelements wurden anschließend die Wandstärken verschiedener Konzepte von quadratischen und hexagonalen Brennelementtypen mit jeweils einer oder zwei Brennstoffreihen bestimmt. Eine systematische Analyse hat gezeigt, dass ein quadratisches, zweireihiges Brennelement mit einem zentralen Wasserkasten den anderen untersuchten Konzepten überlegen ist. Um auf bewährte Technologien bestehender Anlagen zurückgreifen zu können, wurden neun dieser Brennelemente in einem 3x3-Brennelementbündel quadratisch angeordnet, so dass die Außenlänge des quadratischen Bündels den typischen Brennelementabmessungen von Druck- und Siedewasserreaktoren ähnelt. Für dieses Brennelementbündel wurden ein geeignetes Steuerstabkonzept, ein Kopfstück, ein Fußstück, ein Dampfplenum und das untere Plenum mit Kerntrageplatte und Lochplatte entwickelt. Des Weiteren wurde mittels einer Strömungsanalyse des unteren Plenums und des Fußstücks gezeigt, dass die annähernd homogene Kühlmitteltemperatur am Brennelementeintritt die Anforderungen erfüllt.Item Open Access Perspektiven der Energieversorgung. Materialienband 2, Szenarien des Energiebedarfs und der Energieversorgung für Baden-Württemberg(1987) Voß, AlfredDie Landesregierung von Baden-Württemberg hat im Sommer 1986 ein Gutachten mit dem Ziel in Auftrag gegeben, die technisch möglichen Wege einer langfristig gesicherten Energieversorgung Baden-Württembergs umfassend zu analysieren und hinsichtlich ihrer ökologischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Auswirkungen zu bewerten und insbesondere zu untersuchen, ob und in welchem Umfang und in welchen Schritten auf den Einsatz der Kernenergie verzichtet werden kann und welche Konsequenzen damit verbunden wären. Das Gutachten soll, aufbauend auf den gegenwärtigen Stand des Wissens, die notwendigen Grundlagen für die energiepolitischen Abwägungsprozesse zwischen Nutzen und Risiken verschiedener technisch möglicher Ausgestaltungen der zukünftigen Energieversorgung Baden-Württembergs bereitstellen. Hiermit werden die Ergebnisse der mehr als einjährigen intensiven Forschungsarbeiten vorgelegt.Item Open Access Temporary melt retention in the reactor pit of the European pressurized water reactor (EPR)(2005) Nie, Markus; Lohnert, Günter (Ph.D., Prof.)The EPR is provided with a core catcher to preserve the integrity of the containment also in case of a postulated severe accident with core melting. The principal conceptual idea behind the core catcher is to spread the melt on a large area located lateral to the reactor pit and to cool it at both, the melt upper and lower surface. A key element with respect to achieving a coolable melt configuration in the spreading area is the temporary melt retention in the reactor pit. This measure aims to decouple the long-term stabilisation from in-vessel processes, RPV failure mode and corresponding melt discharge as well as associated uncertainties. Its specific objectives are (i) to accumulate the melt in cases of sequential melt releases and (ii) to unify and to condition the spectrum of in-vessel melt characteristics at the time of and for spreading. The temporary melt retention is achieved by layers of sacrificial concrete attached to the sidewalls of the pit and placed on top of the melt gate, through which the melt must erode. Temporary melt retention terminates after the melt contacts and opens the melt gate, which blocks the access to the spreading area. The principal objective of this work is to provide evidence that the goals of the temporary melt retention can be adequately fulfilled. Given this focus, the MCCI programme COSACO is developed to analyse the interactions between the core melt and sacrificial concrete. The innovative phenomenological approach underlying to COSACO constitutes a coherent description of the mutual dependency between thermal hydraulics and thermochemical phenomena. Modelling of these phenomena employs real solution thermochemistry. The validation of the program against representative experiments proofs the suitability of the new approach on the basis of adequately reproducing the principal experimental data. Notably, the agreement was obtained without employing additional parameters adjustable to experiments. The analysis of the temporary melt retention exploits the inherent characteristic of the MCCI pool to establish a coupled system with the bottom structures of the RPV due to exchange of radiant heat. In parallel, the effect of different initial amounts of melt involved in the initial melt pour as well as of the decay heat level is parametrically investigated. The analyses has identified that the ablation front progression is inherently self-regulating, as it adapts to the amount of released melt and to the actual decay heat level. Given these characteristics, it is demonstrated that an effective accumulation of the melting core in the pit is achieved independent of the scenario. The refractory layer backing the walls of sacrificial concrete and the fixed position of the melt gate constitute a geometrical constraint for melt front progression in sideward and downward direction. This constraint restricts the ablatable amount of concrete as well as the surface/volume ratio of the melt. Thanks to this characteristic, the terminal spectrum of melt compositions and melt states is predicted to be highly unified. At the same time, these states exhibit properties which are well-suited for melt spreading.Item Open Access Energiewirtschaftliche Gesamtsituation(1986) Thöne, Eberhard; Voß, AlfredDer im Jahr 1983 zu beobachtende Anstieg des Primärenergieverbrauchs der Bundesrepublik Deutschland setzte sich über das Jahr 1984 auch 1985 fort. Die endgültigen Berechnungen des Primärenergieverbrauchs für das Jahr 1984 ergaben schließlich eine Zunahme um 3,1% gegenüber dem Vorjahr. Im Jahr 1985 lag der Anstieg mit 3,2% auf etwa demselben Niveau. In Bezug auf die ressourcenseitige Abhängigkeit der deutschen Energiewirtschaft brachte auch 1985 keine grundlegende Änderungen.Item Open Access Die zukünftige Rolle nuklearer und erneuerbarer Energien(1990) Voß, AlfredAls neue, globale Herausforderung bei Energieeinsatz und Energieumwandlung ist die drohende Klimaveränderung durch freiwerdendes CO2 anzusehen. Diese Problematik verlangt eine Neubewertung von Energieträgern und Energietechniken. Unter dlesem Aspekt untersucht der Verfasser die zukünftige Rolle nuklearer und erneuerbarer Energiearten, da deren Einsatz kein CO2 entstehen läßt. Seine Untersuchungen, die die generelle CO2-Freisetzung durch Energienutzung und strategische Überlegungen zur Lösung der Energie- und Umweltprobleme sowie die technischen, sicherheitsrelevanten und wirtschaftlichen Besonderheiten von Kernenergie und erneuerbaren Energien umfassen, kommen zu dem Schluß, daß alle Energiearten und Optionen zur Lösung des Klimaproblems benötigt werden.Item Open Access Wärmeübergang von Wasser in vertikalen Rohrströmungen bei überkritischem Druck(2007) Löwenberg, Matthias Ferdinand; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing. habil.)Ein neues Konzept eines Leichtwasserreaktors mit überkritischen Dampfzuständen wird derzeit im Rahmen des europäischen Projektes „High Performance Light Water Reactor“ (HPLWR) untersucht. Kennzeichnend für diesen Reaktor ist, dass sich der Systemdruck und die Kernaustrittstemperatur oberhalb des kritischen Punktes von Wasser befinden. Wasser wird in diesem überkritischen Zustand als einphasig betrachtet und weist eine hohe Energiedichte auf, diese Vorteile sollen technisch genutzt werden. Dadurch ergeben sich im Vergleich zur heutigen Generation von Kernkraftwerken einige konstruktive Einsparungen. So können beispielsweise gegenüber Siedewasserreaktoren Dampftrockner oder Wasserabscheider vermieden werden. Ein thermischer Wirkungsgrad von etwa 44% kann durch die Aufheizung des Wassers, bei einem Systemdruck von 25MPa, von 280°C auf etwa 510°C erreicht werden. Zur Gewährleistung dieses großen Temperaturanstiegs innerhalb des Reaktorkerns sind zuverlässige Vorhersagen bezüglich der Wärmeübertragung notwendig. Das Arbeitsmedium Wasser ändert seine Stoffeigenschaften gravierend während der Aufheizung im Kern, so nimmt beispielsweise die Dichte etwa um den Faktor sieben ab. Die Motivation, eine Wärmeübergangstabelle zur Vorhersage der Wärmeübertragung in überkritischem Wasser zu entwickeln, liegt in der besonderen Temperaturabhängigkeit der Stoffeigenschaften von Wasser in diesem Bereich. Durch das systematische Zusammenführen von experimentellen Daten und die Weiterentwicklung von Methoden zur Erstellung von Vorhersagetabellen konnte eine Wärmeübergangstabelle zur Vorhersage der Wärmeübertragung in überkritischem Wasser in vertikalen Rohrströmungen erarbeitet werden. Die Wärmeübergangstabelle beschreibt für verschiedene Randbedingungen (Bsp. Druck oder Wärmestromdichte) die Wärmeübertragung durch tabellierte Werte. Sie tabelliert Wandtemperaturen für vollentwickelte turbulente Strömungen und kann durch Verwenden hydraulischer Durchmesser auf verschiedene Geometrien angewendet werden. Mittels der Wärmeübergangstabelle entfällt die schwierige Auswahl aus der Vielzahl vorhandener Korrelationen, die Schwächen bei starken Gradienten der Stoffeigenschaften aufweisen. Die starken Gradienten können gekoppelt mit einer hohen Wärmestromdichte zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs führen, wodurch sich die Wandtemperatur stark erhöht und kritische Werte annehmen kann. Das entwickelte Verständnis der Mechanismen, die zu dieser Verschlechterung des Wärmeübergangs führen, wurde verwendet, um sichere Bereiche zu identifizieren und diese in der Wärmeübergangstabelle zu berücksichtigen. Vergleiche der Wärmeübergangstabelle mit experimentellen Daten zeigen, dass Wandtemperaturen mit einem mittleren Fehler von 4% und einer Standardabweichung von 17% wiedergegeben werden können. Durch die jetzt vorliegende Wärmeübergangstabelle kann die Wandtemperatur in überkritischem Wasser mit einer hohen Genauigkeit in einem weiten Parameterbereich berechnet werden.Item Open Access Szenarien des Energiebedarfs und der Energieversorgung mit und ohne Kernenergie für Baden-Württemberg(1988) Fahl, Ulrich; Voß, Alfred; Friedrich, Rainer; Kaltschmitt, MartinVor dem Hintergrund der durch das Reaktorunglück in Tschernobyl erneut ausgelösten Diskussion um die Kernenergie hat die Landesregierung von Baden-Württemberg in Wahrnehmung ihrer energiepolitischen Verantwortung im Sommer 1986 ein Gutachten mit der folgenden Zielsetzung in Auftrag gegeben: Ziel des Gutachtens ist es, technisch mögliche Wege einer langfristig gesicherten Energieversorgung Baden-Württembergs umfassend zu analysieren und hinsichtlich ihrer ökologischen und gesellschaftlichen Auswirkungen zu bewerten. Dabei ist insbesondere zu untersuchen, ob und in welchem Umfang und in welchen Schritten auf den Einsatz der Kernenergie verzichtet werden kann und welche Konsequenzen damit verbunden wären. Im Rahmen dieses umfaßenden Gutachtens wurde eine systematische Analyse möglicher energetischer Zukunftsperspektiven sowie der energiepolitischen Gestaltungs- und Handlungsmöglichkeiten durchgeführt.