Universität Stuttgart
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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 Influence of natural convection on melting of phase change materials(2019) Vogel, Julian; Thess, André (Prof. Dr.)Latent heat storage could play an important role in bridging the gap between supply and demand of sustainable energy sources. However, the numerical models for natural convection dominated melting that are needed for storage system design are not sufficiently validated, due to a lack of suitable experiments. A novel validation experiment for the melting of a model phase change material (n-octadecane) by heating from two vertical opposite sides was developed. The phase state and the velocities in the liquid phase were measured using shadowgraphy and Particle Image Velocimetry. Interior and boundary temperatures were measured with thermocouples. The performed experiments delivered space and time-resolved data of the relevant quantities including an error analysis. Two numerical models for natural convection dominated melting were developed with the commercial fluid flow solver ANSYS Fluent: a first detailed model with variable material properties allows volume expansion of the phase change material into an air phase with the volume of fluid method. A second simplified model assumes constant material properties and models buoyancy with the Boussinesq approximation. Due to similar results, the simplified model was selected to reproduce the experiment in a 3D simulation including mechanical and thermal boundary effects. The simulated velocities were found to be higher as in the experiment, but the liquid phase fraction and temperatures, which are more relevant to the design process, agreed well. In a numerical parameter study, the simplified model was used to investigate melting in rectangular enclosures with various dimensions. The influence of natural convection on heat transfer was assessed with the introduced convective enhancement factor, which was defined as the ratio of the actual heat flux to a hypothetical heat flux by conduction. The study was extended with experimental data for three different values of driving temperature difference. Correlations for the liquid phase fraction in dimensionless form were derived to predict similar melting processes for a large parameter range. This enables the consideration of natural convection in the design of latent heat storage systems without expensive and time-consuming numerical analyses.Item Open Access Modellierung und Analyse der thermo-fluiddynamischen Vorgänge in Schaltschränken unter Berücksichtigung von Wärmestrahlung und Entropieproduktion(2019) Frank, Alexander; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Elektronikkomponenten sind thermische Probleme eine Hauptursache für den Ausfall von Schaltschränken in der Fertigungstechnik. Um dieser Problematik zu begegnen, befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Modellierung und Simulation von thermo-fluiddynamischen Vorgängen in Schaltschränken. Zu diesem Zweck wird die Open Source CFD-Bibliothek OpenFOAM angewendet und weiterentwickelt. Die turbulente Luftströmung im Schaltschrank wird mit dem SST-Modell modelliert, wobei zwei unterschiedliche Produktionsterme für Auftrieb untersucht werden. Neben Randbedingungen für die Klimatechnik werden Wandfunktionen für erzwungene Konvektionsströmungen implementiert. Zur Berechnung der Wärmestrahlung wird ein Sichtfaktormodell verwendet. Die hierfür erforderlichen Sichtfaktoren werden mit Hilfe eines neu-entwickelten Monte-Carlo-Verfahrens ermittelt. Um die Genauigkeit und die numerischen Eigenschaften der Sichtfaktormatrix zu verbessern, wird ein Glättungsverfahren implementiert. Zur Validierung der Teilmodelle werden Testfälle aus der Literatur verwendet, wobei eine gute Übereinstimmung erzielt wird. Durch einen Vergleich mit Temperaturmessdaten, die an verschiedenen Positionen in einem Laborprüfstand erfasst werden, wird das Gesamtmodell verifiziert. Es wird dabei sowohl der Betrieb bei freier Kühlung als auch der Betrieb mit Klimatechnik untersucht. Die maximale Abweichung zwischen Messungen und Simulationen liegt im Bereich von 3.6 K. Es zeigt sich, dass beim untersuchten Schaltschrank bei freier Kühlung ca. 50 % des Wärmestroms von den elektronischen Bauteilen durch Strahlung übertragen wird. Um den Schaltschrank-Betrieb energetisch zu optimieren, wird neben den Strömungsgrößen die lokale Entropieproduktion im Schaltschrank untersucht. Die Gleichungen für die lokale Entropieproduktion durch irreversible Wärmeleitung und Dissipation mechanischer Energie werden der Literatur entnommen und in OpenFOAM implementiert. Die Gleichungen für die Entropieproduktion durch Wärmestrahlung werden für das Sichtfaktormodell hergeleitet und ebenfalls implementiert. Anhand von Betriebssituationen mit und ohne Klimatechnik werden Optimierungspotentiale aufgezeigt und dadurch der praktische Nutzen der Methodik demonstriert. Es zeigt sich, dass die lokale Entropieproduktion einen tiefen Einblick in die Strömungs- und Wärmeübertragungsprozesse ermöglicht und dadurch wertvolle Informationen liefern kann.Item Open Access Modeling and simulation of closed low-pressure adsorbers for thermal energy storage(2019) Schäfer, Micha; Thess, André (Prof. Dr. rer. nat.)Closed low-pressure adsorption systems can be applied for thermal energy storage. Their performance is determined by the mass and heat transport processes in the adsorber. Therefore, thorough knowledge of these transport processes is required for further storage development. The present thesis contributes to this by providing detailed models of closed low-pressure adsorbers and by conducting simulations over a broad range of parameters and configurations. The focus is on adsorbers of larger scale (length L = 0.1 . . . 1 m) and on the discharging process. As the adsorption pair, binderless zeolite 13X with water is examined. The models are developed in a stepwise manner from pore to storage scale. The Finite-Difference-Method is implemented to numerically solve the models. Simulations are conducted for defined reference cases as well as over a broad range of geometric and process parameters. The reference cases are analyzed in detail to gain a better understanding of the transport processes. Furthermore, the results are analyzed with respect to two particular modeling aspects: equilibrium assumptions and rarefaction effects (e. g. slip effect). With respect to the application, the discharging performance is analyzed in terms of thermal power and a defined discharging degree. Both the adsorber and the adsorbent configurations are varied. In addition, the effect of the discharging conditions is evaluated. Finally, one exemplary charging process is examined. The detailed analysis of the reference cases reveals that the mass and heat transport and the adsorption processes are strongly coupled and can only be understood in their interaction. For onedimensional adsorber configurations, that is the mass and heat transport are in the same direction, the discharging process is generally limited by the heat transport. This leads to insufficient thermal power and unsuitable discharging durations of up to one year. In contrast, for two-dimensional adsorber configurations, that is the mass and heat transport are in perpendicular directions, the discharging process can be limited either by the mass or heat transport or by the adsorption. The limitation depends on the configuration of the adsorber and adsorbent. Moreover, the twodimensional adsorber configurations can provide sufficient thermal power. With respect to the modeling, it is found that the assumption of a uniform pressure distribution is applicable for one-dimensional adsorber configurations. In contrast, for two-dimensional configurations, no equilibrium assumptions can be applied in general. However, for powder adsorbent it is always valid to assume local adsorption equilibrium. Regarding the rarefaction effects in twodimensional adsorber configurations with honeycombs and granules, the slip effect is relevant for small channel and particle diameters (d = 1 mm). For adsorbers with powder adsorbent, the reduction of the effective heat conductivity due to the rarefaction effect becomes relevant. With respect to the application, the variation of the adsorber configuration shows that the volumetric thermal power generally decreases with increasing adsorber length. Furthermore, the power decreases with increasing width between the parallel heat exchanger plates in the adsorber. Regarding the adsorbent configuration in two-dimensional adsorber configurations, it is found that the volumetric thermal power can be optimized by variation of the channel or particle diameter. Interestingly, the optima for peak and mean power do not coincide. In addition, the discharging degree is found to strongly depend on the discharging conditions in terms of discharging temperature and volume flow of the heat transfer fluid extracting the heat from the adsorber. In general, the discharging degree decreases with increasing discharging temperature. Similarly, the discharging degree decreases with increasing volume flow of the heat transfer fluid. Finally, the analysis of an exemplary charging process revealed that the pressure in the adsorber can increase significantly (> 50%) due to the desorption.Item Open Access Physical modeling of PEMFC performance and chemical membrane degradation(2019) Futter, Georg; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr.)Item Open Access Investigation of sulfur poisoning of Ni-based anodes in solid oxide fuel cells(2019) Riegraf, Matthias; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr.)Item Open Access Thermodynamic modeling and experimental investigation of operating conditions for a SOFC/GT hybrid power plant(2019) Steilen, Mike; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)The SOFC/GT hybrid power plant is a promising technology to answer the challenges arising from the transition of a fossil energy based and centralized power supply system to a renewable energy based and distributed power supply system. These challenges include high electrical efficiency, fuel flexibility, operational stability, security in power supply, good part-load performance and fast response to load changes. This thesis investigates operating limitations and heat transfer effects as well as stack performance and ambient conditions variations by means of a modular and computationally efficient 0D system model. The model allows for stationary and transient simulations. Model parameters are based on a real hybrid power plant that is currently under commissioning at DLR in Stuttgart. The particular component models are based on experimental data of different level of detail or factory acceptance test protocols from suppliers, where possible. If experimental results are unavailable, component parameters are based on actual design and material specifications to allow the best model parametrization and thus best prediction of operating characteristics possible. The comparison of adiabatic and non-adiabatic simulation results emphasize the importance of proper heat transfer considerations. The consecutively performed heat transfer variation simulations support this correlation. The effects on efficiency are significant, as expected, while the operating range is severely affected by heat transfer effects, as well. An electrical efficiency (HHV) loss of about 4 percentage points is noticed in contrast to the adiabatic results, whereas the operating range is expanded by about 2kW in high power range due to relaxed cooling air requirements in the non-adiabatic scenario. The electrical efficiency (HHV) remains above 0.53 in the operating range of around 17kW to 39kW, peaking short of 0.56. The stack performance variation has only moderate influence on electrical efficiency where a gain in electrical efficiency (HHV) of up to 4 percentage points is observed with stack performance increase. However, stack performance degradation imposes a significant system constraint, in particular for the high power operating range. The maximum power is reduced from 39kW down to 24kW , while the electrical efficiency (HHV) is reduced by about 2 percentage points. The ambient conditions variation refers to temperature and pressure variations, while Central European climatic conditions are assumed. The temperature variation shows a high power operating range constraint of about 5kW once very low temperatures are investigated. The investigated pressure range shows quite similar results. However, the isothermal power range is reduced by about 60% for the temperature variation while the impact of pressure variation results in a reduction of about 10% . The changes in electrical efficiency (HHV) are limited in the range below 1 percentage point. The system is exposed to a transient daily ambient temperature profile, chosen from historic weather data to form a challenging scenario. However, the system does not show a significant response to the imposed daily temperature profile, indicating high operating stability for Central European climatic conditions. Eventually, the system is exposed to a challenging combined power and temperature profile. The isothermal power reduction by about 25% is performed in less than 5min while further power reduction to 50% requires a stack temperature adaption for about 1.7h . The system follows the profile without problems, however, reaching steady state after the temperature change requires about a week’s time due to the heat stored within the system and the related surface losses. Altogether, this work allows to investigate the details of system characteristics and operating restrictions for the represented hybrid power plant. It allows to understand the effects imposed by internal and external system challenges and can predict hazardous operating regimes, to be handled with care in the real pilot power plant.