Ausstattung

Das vorliegende Dichtemessgerät eignet sich zur Dichtebestimmung bei Temperaturen bis 200 °c und Drücken bis 500 °C. Durch die verfügbare Druckzelle sind auch Dichtemessungen von unter Druck verflüssigten Medien möglich. Dies ist insbesondere bei leichtsiedenden Kältemitteln relevant.

Das Rheometersystem steht für rheologische Untersuchungen (insbesondere Viskositätsmessungen) von reinen Fluiden und Fluidgemischen zur Verfügung. Darüber hinaus besitzt das Rheometer eine Druckzelle mit der Option zur elektrischen Beheizung. Mit Hilfe dieser Zusatzvorrichtung können auch niedrig siedende Fluide wie beispielsweise Kältemittel vermessen werden.

Die Apparatur ermöglicht die experimentelle Bestimmung von Phasengleichgewichten binärer und mehrkomponentiger Gemische. Sie ist für den Einsatz im Vakuum (1,0 bis 1013 mbar abs.), bei Normaldruck sowie Überdruck (max. 4000 mbar abs.) und Temperaturen von bis zu 250 °C ausgelegt. Unter Variation der Zusammensetzung bei isobaren Bedingungen werden Proben aus der Dampf- sowie der Flüssigphase entnommen. Die Verdampfungstemperatur wird dabei aufgezeichnet. Dies ermöglicht die Darstellung des VLE-Verhaltens des jeweiligen Gemisches im T-xy-Diagramm.

Mit dem IMETER MessSystem können die Dichte, die Viskosität sowie die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten bestimmt werden, eine Messung der Feststoffdichte ist ebenfalls möglich. Das Messprinzip basiert für alle Stoffdaten auf einer Wägung. Eine Besonderheit ist die Möglichkeit die Materialproben exakt zu temperieren.

TG- und DSC-Messungen können bei Probentemperaturen von Raumtemperatur bis 1600 °C mit einer Auflösung von 0,001 K dargestellt werden. Reine TG-Messungen sind auch an größeren Proben möglich. Die Heizrate kann zwischen 0,001 und 50 K/min eingestellt werden. Die Auflösung der Waage beträgt 0,1 µg.

Mit Hilfe der dynamischen Differenzkalorimetrie werden Schmelzpunkte, Schmelzenthalpien und Wärmekapazitäten von festen und flüssigen Proben bestimmt. Die Materialprobenmengen sind sehr gering und betragen üblicherweise etwa 10 bis 20 mg. Der Temperaturmessbereich der NETZSCH DSC 200 F3 liegt bei -40 °C bis 600 °C.

Die Temperaturleitfähigkeit von Feststoffen, Pulvern und Flüssigkeiten kann mit diesem Gerät in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 300 °C bestimmt werden. Bei bekannter Dichte und Wärmekapazität kann daraus anschließend die Wärmeleitfähigkeit der Probe ermittelt werden. Das Messprinzip dieses Messgerätes ist der klassischen Laser Flash Analyse (LFA) sehr ähnlich und verwendet an Stelle eines Laserblitz einen Xenon Lichtblitz.

Diese Versuchsanlage im Technikumsmaßstab besteht aus der Kopplung eines Organic Rankine Cycles (ORC) (siehe Hyperlink) mit einem thermischen Festbettspeicher entwickelt von der enolcon GmbH und umgesetzt von der STORASOL GmbH an der Universität Bayreuth. Die ORCTES-Anlage dient der Untersuchung der Verstromung fluktuierenden Abwärme und der Analyse von Konzepten zur Strom-Wärme-Strom-Speicherung.

Der Speicher wird momentan mit etwa 9,4 t Sand und einer maximal Temperatur von 600 °C betrieben. Daraus ergibt sich eine Speicherkapazität von etwa 1,5 MWh. Das Funktionsprinzip des horizontal mit Luft durchströmten Speichers ist in nachstehender Abbildung für eines der insgesamt zwei Module während der Beladung zu sehen.

Mit diesem Testfeld werden Luft/Wasser-Wärmepumpen im Zusammenspiel mit thermischen Energiespeichern untersucht. Um unterschiedliche Konfigurationen und intelligente modellprädiktive Wärmepumpenregelungen bei identischen Witterungsbedingungen analysieren zu können, lassen sich zwei Heizungssysteme mit jeweils einer Wärmepumpe zeitgleich betreiben. Die Verbraucherseite wird mit Hilfe von LabVIEW und dem angeschlossenen Kaltwassernetz emuliert. Die abzuführende Wärme wird dabei über Gebäudemodelle in Abhängigkeit der momentanen Außentemperaturen sowie der gemessenen Globalstrahlung in Echtzeit berechnet und anhand von Stell- und Mischventilen geregelt, wodurch ein realitätsnahes und flexibel nutzbares Testumfeld erzeugt wird.

Die thermische Leistung der Hochtemperatur-Wärmepumpe liegt bei 20 kW. Die Wärmepumpe ist in der Lage eine Vorlauftemperatur bis 95 °C bereitzustellen. Als Arbeitsmedium wird ein umweltfreundliches und nicht brennbares Kältemittel eingesetzt. Durch die Messung der relevanten Betriebsparameter (Druck, Temperatur und Volumenstrom) ist eine vollständige thermodynamische Analyse der Anlage möglich. Durch die Kopplung mit einem thermischen Laborspeicher und der Möglichkeit steuerungstechnischen Vorgabe der thermischen Leistung können darüber hinaus Systemuntersuchungen im Kontext von Power-to-Heat-Konzepten durchgeführt werden.

Der Teststand bietet die Möglichkeit zur simultanen Messung von elektrischer Leistungsabgabe und Wärmeübergangseigenschaften des Organic Rankine Cycles (ORC). Bei diesem Teststand steht die geothermische Anwendung im Fokus. Entsprechend werden hier teilfluorierte Kältemittel und moderne, alternative Arbeitsmedien, sogenannte „Low-GWP-Fluide“ mit Frischdampftemperaturen bis 100 °C vermessen und analysiert.  

In diesem Teststand wird die ORC-Technologie hinsichtlich dem Einsatzfeld der Abwärmenutzung weiterentwickelt. Hierfür werden Abgase mit Temperaturen von über 400 °C direkt, ohne üblichen Zwischenkreislauf, mit dem ORC-Fluid Hexamethyldisiloxan gekoppelt. Als Turbinen wurden bisher eine Axialturbine sowie eine Cantileverturbine erfolgreich vermessen. Die angestrebten 12 kW an elektrischer Leistung wurden in einigen Betriebspunkten sogar leicht überschritten. Die isentropen Wirkungsgrade der Turbine liegen bei der Axialturbine bei knapp unter 75 %, bei der Cantileverturbine bei knapp über 75 %. Darüber hinaus wird im aktuellen Forschungsprojekt TurboSmart eine selbstadaptierende Turbine für den Einsatz im Teststand entwickelt.

Der ORC-Teststand ist zusätzlich an einen sensiblen, thermischen Speicher mit einer Kapazität von 2 MWh angebunden. Gemeinsam mit diesem steht dem LTTT jetzt ein energietechnisches Testfeld zur Verfügung, in der unterschiedliche ORC-Komponenten und deren Verhalten im System (mit oder ohne thermischem Speicher) erforscht werden können. 

Der Laborspeicher hat ein Volumen von ca. 34 Liter und kann mit Makrokapseln unterschiedlicher Geometrie bestückt werden. Die Strömungsverteilung im Behälter ist durch eine transparente Speicherwandung und die verbauten Strömungsleitbleche für unterschiedliche Kapseln optimierbar. Die verbaute Temperaturmesstechnik ermöglicht durch bis zu 32 Messstellen auf unterschiedlichen Ebenen detaillierte Untersuchungen zum Be- und Entladeverhalten des Speichers. Ein Thermoöl-Kreislauf erlaubt den Betrieb zwischen Umgebungstemperatur bis 150 °C bei Durchflüssen von etwa 1 bis 10 kg\min.

In diesem Teststand kann das Aufschmelzverhalten von bis zu drei mit Phasenwechselmaterial gefüllten – etwa Tennisball großen – Makrokapseln verschiedener Form untersucht werden. Neben der visuellen Beobachtung stehen auch Temperatursensoren im Wärmeträgerfluid und den Kapseln zur Verfügung. Besonderes Merkmal des Teststandes ist die Möglichkeit gleichzeitig

• die Wärmeübertragung vom Wärmeträgerfluid auf die Kapselwand,
• die Wärmeleitung in der Kapselwand und
• die Wärmetransportvorgänge im Inneren der Kapsel

analysieren zu können. Dies ist besonders wichtig bei der Validierung numerischer Modelle die zur Optimierung von Kapselgeometrien oder zur Simulation eines vollständigen Speichers eingesetzt werden. Untersuchungen an diesem Teststand sind zudem Teil des Praktikums der Vorlesung thermische Energiespeicher.

Diese Versuchsanlage im Technikumsmaßstab besteht aus der Kopplung eines Organic Rankine Cycles (ORC) (siehe Hyperlink) mit einem thermischen Festbettspeicher entwickelt von der enolcon GmbH und umgesetzt von der STORASOL GmbH an der Universität Bayreuth. Die ORCTES-Anlage dient der Untersuchung der Verstromung fluktuierenden Abwärme und der Analyse von Konzepten zur Strom-Wärme-Strom-Speicherung.

Der Speicher wird momentan mit etwa 9,4 t Sand und einer maximal Temperatur von 600 °C betrieben. Daraus ergibt sich eine Speicherkapazität von etwa 1,5 MWh. Das Funktionsprinzip des horizontal mit Luft durchströmten Speichers ist in nachstehender Abbildung für eines der insgesamt zwei Module während der Beladung zu sehen.

Mit diesem Testfeld werden Luft/Wasser-Wärmepumpen im Zusammenspiel mit thermischen Energiespeichern untersucht. Um unterschiedliche Konfigurationen und intelligente modellprädiktive Wärmepumpenregelungen bei identischen Witterungsbedingungen analysieren zu können, lassen sich zwei Heizungssysteme mit jeweils einer Wärmepumpe zeitgleich betreiben. Die Verbraucherseite wird mit Hilfe von LabVIEW und dem angeschlossenen Kaltwassernetz emuliert. Die abzuführende Wärme wird dabei über Gebäudemodelle in Abhängigkeit der momentanen Außentemperaturen sowie der gemessenen Globalstrahlung in Echtzeit berechnet und anhand von Stell- und Mischventilen geregelt, wodurch ein realitätsnahes und flexibel nutzbares Testumfeld erzeugt wird.

An dem Eis-Energiespeicher mit einem Speichervolumen von ca. 500 m³ sollen unterschiedliche Regelungsstrategien zur Nutzung gebäudeintern anfallender Abwärme für ein ca. 5000 m² großes ingenieurwissenschaftliches Forschungsgebäude erprobt werden. Um die Auswirkungen verschiedener Betriebsstrategien zu untersuchen, ist sowohl der Speicher selbst, als auch die dazugehörige Peripherie mit umfassender Messtechnik ausgestattet.

Um numerische Modelle für die Simulation von fest/flüssig-Phasenwechseln zu validieren steht ein Versuchsaufbau zu Verfügung, bei dem das einseitige Aufschmelzen eines Paraffins in würfelform mithilfe der Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht wird. Die PIV ist ein Lasermessverfahren welches es ermöglicht, das Geschwindigkeitsfeld in der flüssigen Phase mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung zu bestimmen. Darüber hinaus kann auch die exakte Position der Phasengrenze ermittelt werden.

Der Teststand dient zur Messung von Wärmeübergangskoeffizienten beim Behältersieden am horizontalen Rohr. In Anlehnung zur Standard-Apparatur für die Messung des Wärmeübergangs beim Blasensieden nach Gorenflo wird das Heizelement elektrisch beheizt. Messungen können für verschiedene natürliche und teilfluorierte Kältemittel bei Drücken bis zu 20 bar durchgeführt werden. Die maximale Leistung des Heizelements beträgt 8,6 kW.

Der Teststand dient zur Messung von Wärmeübergangskoeffizienten beim Strömungssieden im horizontalen Rohr. Messungen können für maximale Prozesstemperaturen von 260 °C und Drücke bis 25 bar durchgeführt werden. Als Arbeitsmedien werden vorwiegend Siloxane und Siloxangemische untersucht. Die Messungen können für einen weiten Bereich der Wärmestromdichte und Massenstromdichte erfolgen.

In der optisch zugänglichen Spraykammer wird die Sprayausbreitung von unterschiedlichen Kraftstoffen und Injektoren unter motorähnlichen Bedingungen untersucht. Durch den Einsatz verschiedener beheizbarer Bodenplatten lassen sich zudem Spray-Wand-Wechselwirkungen analysieren. Die Ergebnisse liefern grundlegende Erkenntnisse über das Gemischbildungsverhalten in Verbrennungsmotoren.

Für Gemischbildungs-, Zünd- und Verbrennungsexperimente steht eine optisch zugängliche Brennkammer mit konstantem Volumen zur Verfügung. Fünf optische Zugänge, verschiedene Injektoren, Zündkerzen und neuartige Zündsysteme sowie die Möglichkeit zur Gas-Einblasung mit unterschiedlichem Drall bieten hohe Flexibilität.

In einer optisch zugänglichen schnellen Kompressionsmaschine (engl: Rapid Compression Machine, kurz: RCM) wird neben hohen Temperaturen und Drücken ebenfalls die Kompression eines Verbrennungsmotors nachgestellt. Somit kann der Verbrennungstakt eines Motors realistisch nachgebildet werden. Der Einsatz der RCM ermöglicht die Variation vieler wichtiger motorischer Parameter wie die Variation des Hubes, des Kompressionsverhältnisses als auch des Turbulenzniveaus im Brennraum. Zusätzlich zu den Motorparametern kann die RCM mit verschiedenen Kraftstoffen und Brennverfahren betrieben werden.

Untersuchungen zur Einspritzung, Gemischbildung, Verbrennung und Emissionsverhalten von fossilen und alternativen Dieselkraftstoffen werden am Einzylinder-Dieselmotor durchgeführt. Der Kurbeltrieb wird über einen Elektromotor geschleppt im sogenannten „Skip-Fire“-Modus betrieben. Der Zylinderkopf, die Zylinderwände und der Kolben sind beheizbar. Zwei Seitenfenster und ein Kolben aus Quarzglas gewährleisten die optische Zugänglichkeit in den Brennraum. Piezoresistive Druckaufnehmer sind zur Durchführung von Druckverlaufsanalysen im Brennraumdach angebracht.

Für Untersuchungen an Vollmotoren steht ein Prüfstand mit einer wassergekühlten Wirbelstrombremse zur Verfügung. Der Prüfstand eignet sich sowohl für Otto- als auch Dieselmotoren. Für Mess- und Verstellaufgaben stehen INCA-Werkzeuge sowie verschiedene Messmodule von der ETAS GmbH zur Erfassung von Drücken, Temperaturen und Lambda-Werten sowie zur Ermittlung von NO_x- und Partikelemissionen zur Verfügung. Zudem ermöglicht ein Hochdruck-Indiziersystem die thermodynamische Prozessanalyse. Weiterhin ist die Prüfstandsperipherie auch für den Betrieb der Motoren mit Sonder- und Alternativkraftstoffen, wie z.B. Biodiesel oder Fischer-Tropsch-Kraftstoffe, ausgelegt.

Zur schnellen Alterung und Aschebeladung von Abgasnachbehandlungskomponenten steht ein System zur Verfügung, das in seinen Hauptbestandteilen aus einem Universalölbrenner GUPO20 der Firma Giersch Enertech GmbH und einer Brennkammer besteht. Bei dem Ölbrenner handelt es sich um einen Gelbbrenner, der sich für Kraftstoffe mit höherer Viskosität eignet. Die Brennkammer besteht aus hochtemperaturbeständigem Edelstahl. Massendurchflussregler ermöglichen die Einstellung der Massenströme von Luft und Brennstoff zur Voreinstellung verschiedener Verbrennungsluftverhältnisse.

Das Funktionsprinzip des Mini-CAST (Jing Aerosol) beruht auf der Verbrennung von Propan (C₃H₈) in einer Diffusionsflamme und dem anschließenden Löschen mit Stickstoff, um den Partikelbildungsprozess in einem frühen Stadium einzufrieren. Durch diverse Einstellungsmöglichkeiten können die bei der Verbrennung entstehenden Partikel hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Morphologie variiert werden. Da sich die Möglichkeit ergibt, kontaminationsfreie und trockene Rußproben mit reproduzierbaren physikalischen und chemischen Eigenschaften zu erzeugen, eignet sich der Aerosolgenerator ebenfalls für grundlegende Untersuchungen und zur Kalibrierung der Messtechniken.