Wärmeübertragung

Der Versuchsstand 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 Versuchsstand 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.

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Dieses Messgerät dient zur Erfassung der Dichte von Feststoffen sowie der Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung von Flüssigkeiten. Es ermöglicht eine automatische temperaturabhängige Bestimmung der genannten Stoffdaten zwischen -50 °C und 150 °C. Das Messgerät wird derzeit vor allem zur Erfassung der Stoffdaten von organischen oder anorganischen Phasenwechselmaterialien sowie von biogenen Kraftstoffen eingesetzt.

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Inhalte/Ziele:
In diesem Projekt werden geeignete Arbeitsfluide für Carnot-Batterien identifiziert und charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf zeotropen Gemischen aus natürlichen Kohlenwasserstoffen und ungesättigten teilhalogenierten Kältemitteln. Mittels einer inversen Engineering-Methode werden günstige Mischungskomponenten und Konzentrationen ermittelt, um ein effizientes, nichtentzündbares und GWP-armes Arbeitsmittel zu erhalten. Die identifizierten Gemische werden experimentell auf ihre Entflammbarkeit, ihre Wärmeübertragungseigenschaften und ihrer Zyklusleistung untersucht. Die wichtigsten Schritte sind: (1) die Auswahl des Fluids nach dem Ansatz der inversen Auslegung, (2) die Vorhersage und experimentelle Charakterisierung der Entflammbarkeit, (3) Wärmeübertragungsmessungen und Bestimmung geeigneter Korrelationen, (4) die Leistungsbewertung der Arbeitsfluidmischung auf Teilsystemebene. Mit einem vorhandenen Prüfstand werden die Leistungsabgabe und der exergetische Wirkungsgrad auf ORC-Systemebene für Voll- und Teillast sowie für reine und ausgewählte Gemische gemessen. Darüber hinaus werden auch die Pumpen- und Expanderwirkungsgrade bewertet. Das im Themenbereich C des Schwerpunktprogramms SPP 2403 angesiedelte Projekt ist so geplant, dass es eng mit anderen Projekten vernetzt ist.

Inhalt/Ziele:
Ziel dieses Projekts ist die Bereitstellung von semi-empirischen Korrelationen zur Auslegung von Verdampfern und Kondensatoren in Kompressionskreisprozessen, die ein zeotropes Gemisch als Arbeitsfluid führen. Diese Berechnungsgleichungen für den Wärmeübergang sollen einige wenige anpassbare gemischspezifische Parameter enthalten, die idealerweise an standardisierten Versuchsapparaturen schnell und präzise mit möglichst geringen Stoffmengen ermittelt werden können. Ein physikalischer Hintergrund der Gleichungen soll den gekoppelten Wärme- und Stoffübergang an der Phasengrenze abbilden, so dass sowohl Phasengleichgewichtsdaten des Gemisches wie auch kinetische Transportgrößen einfließen müssen. Das Vorgehen soll eine schnelle, aber belastbare Vorhersage des thermohydraulischen Verhaltens neuer Arbeitsfluide für Kälteanlagen, Klimaanlagen und ORC-Anlagen sowie die notwendige Dimensionierung der Wärmeübertrager ermöglichen. Diese Informationen sind u.a. erforderlich, um die Sinnfälligkeit eines neu vorgeschlagenen Kältemittelgemisches in den jeweiligen Anwendungsfeldern frühzeitig beurteilen zu können.

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Inhalt/Ziele:
Im Rahmen der TechnologieAllianzOberfranken wurde 2015 das Graduiertenkolleg „Energieautarke Gebäude“ eingerichtet, in welchem insgesamt 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zukünftigen Energiesystemen für Gebäude forschen.
Am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) der Universität Bayreuth wurden dabei in einem ersten Projekt Luft/Wasser-Wärmepumpen in Kombination mit thermischen Speichern zur Steigerung der Energieautarkie von Gebäuden untersucht.

Im Rahmen des aktuellen Promotionsvorhabens sollen neuartige Fassadenelemente, welche im Zuge des von der EU geförderten Projekts „InDeWaG“ ("Industrial Development of Water Flow Glazing Systems") entworfen wurden, für den Einsatz in energieautarken Gebäuden analysiert, weiterentwickelt und optimiert werden. Ausgehend von dem bereits entwickelten Fassadenelement sollen unterschiedliche Konzepte zur Optimierung des Systems erarbeitet und erprobt werden. Zu diesen neuartigen Forschungsansätzen zählt beispielsweise der Einsatz alternativer Fluide, die Zugabe von Additiven oder die Aufbringung spezieller Beschichtungen. Neben dem optischen Verhalten und den Wärmeübergangseigenschaften der gewählten Fluide, Zusatzstoffe und Beschichtungen sollen strömungstechnische Überlegungen sowie der Wärmedurchgangskoeffizient des Gesamtaufbaus bei der Wahl des optimalen Systems mit einfließen. Hauptaugenmerk der Untersuchungen liegt neben der theoretischen Betrachtung auf einer realitätsnahen Prüfung der alternativen Konzepte.

Ergebnisse:
Das Projekt beschäftigte sich mit der dezentralen Stromerzeugung (z.B. aus Biomasse, Solarenergie oder industrieller Abwärme) unter Verwendung des Organic Rankine Cycles (ORC). Das grundlegende Ziel des Vorhabens bestand darin, die Effizienz des ORC-Prozesses durch den Einsatz von Fluidgemischen anstelle der sonst üblichen Reinstoffe signifikant zu verbessern. Da der Steigerung des exergetischen Wirkungsgrades durch die Verwendung von zeotropen Fluidgemischen jedoch eine Abnahme der Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu Reinstoffen gegenübersteht, lag ein weiterer Schwerpunkt des Projektes auf der experimentellen Analyse der Wärmeübergangseigenschaften. In der ersten Projektphase wurden Prozesssimulationen für eine subkritische Betriebsweise des ORC mit verschieden binären Stoffpaaren durchgeführt. Die Untersuchungen haben das Potential binärer, zeotroper Fluidgemische zur Effizienzsteigerung des ORC aufgezeigt. So sind Wirkungsgradsteigerungen von deutlich über 10 % bezüglich der effizientesten Reinstoffkomponente möglich. Eine Bewertung der Ergebnisse unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ergab, dass im Fall einer geothermischen Stromerzeugung die Stromgestehungskosten gesenkt werden können. Bei der Nutzung industrieller Abwärme können die Investitionskosten für die zusätzliche Wärmeübertragungsfläche jedoch nur eingeschränkt überkompensiert werden.

Im zweiten Projektabschnitt wurden als weitere effizienzsteigernde Maßnahmen der Einsatz von Fluidgemischen mit hohem Temperaturgleit (Konzept Kalina Cycle) sowie eine transkritische Fahrweise des ORC untersucht. Im Vergleich der Anlagenkonzepte ORC und Kalina Cycle gilt es festzuhalten, dass im betrachteten Temperaturbereich auch die alternativen Fluidgemische für den Kalina Cycle nicht zu einem effizienteren System führen. Für den überkritischen Fall ist eine Steigerung der Bruttoleistung zu erkennen. Es kommt jedoch zu einer deutlichen Erhöhung des Leistungsbedarfs der Speisepumpe im Vergleich zur subkritischen Fahrweise. Neben dem Gesamtprozess wurde zudem das Kondensationskonzept des luftgekühlten ORCs im Detail untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Steigerung der Leistungsabgabe von luftgekühlten ORC-Prozessen unter der Verwendung von Fluidgemischen mit einer Abnahme der spezifischen Lüfterleistung und einer Zunahme der Wärmeübertragungsfläche einhergeht.

Versuchsanlage zur Messung von Wärmeübergangskoeffizienten binärer und ternärer Siloxangemische beim Strömungssieden im horizontalen Rohr

Im Bereich der experimentellen Untersuchungen der Wärmeübergangseigenschaften wurde im ersten Projektabschnitt ein Versuchsstand zur Messung der Wärmeübergangskoeffizienten konzipiert und in Betrieb genommen. Für die Untersuchungen wurden die für den Hochtemperaturbereich geeigneten linearen Siloxane Hexamethyldisiloxan, Octamethyltrisiloxan und Decamethyltetrasiloxan ausgewählt. Basierend auf den Ergebnissen des ersten Projektabschnittes erfolgte in der Projektfortsetzung eine Optimierung des Prüfstandes und der Auswertemethodik. Zudem wurden weitere Arbeitsschritte, wie lokale Druckverlustmessungen, gaschromatografische Untersuchungen der Arbeitsmittel und Analysen des Strömungsprofils hinzugefügt, um die Reproduzierbarkeit und Aussagekraft der Ergebnisse zu verbessern. Die Untersuchung binärer und ternärer Gemische ergab in allen Betriebspunkten stark verringerte Wärmeübergangskoeffizienten (häufig über 70 %). Neben Messungen im glatten Rohr wurde zudem der Effekt innenberippter Rohre untersucht. Da es in der Literatur bisher keine allgemeingültige Methodik bezüglich des Vergleiches glatter und berippter Rohre gibt, wurden für die innenstrukturierten Rohre Messungen mit unterschiedlichen Betriebseinstellungen durchgeführt. Je nach Wahl der Bezugsfläche ergeben sich ein bis dreimal so große Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zum glatten Rohr, während sich der Druckverlust um etwa 20 % erhöht. Zusammenfassend zeigte sich, dass durch den Einsatz zeotroper Fluidgemische im ORC eine Steigerung des exergetischen Wirkungsgrades möglich ist. Alternative Betriebsweisen versprechen keine weitere Verbesserung, sodass diese bedingt durch ihre erhöhte Komplexität nicht weiter in Betracht gezogen werden sollten. Aus den experimentellen Untersuchungen wurden die deutlich schlechteren Wärmeübergangseigenschaften zeotroper Gemische ersichtlich. Gerade im Bereich der industriellen Abwärme wirkt sich die dadurch zusätzlich benötigte Wärmeübertragungsfläche stark auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage aus.

Ergebnisse:
In dem Projekt wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen angestellt, um ein neuartiges Wärmekraftwerk zu entwickeln. Basierend auf innovativer ORC-Technologie unter Einsatz von organischen Fluidgemischen stellt dieses Kraftwerk im wachsenden Markt der Stromerzeugung aus Niedertemperatur-Wärme eine effiziente technische Lösung dar. Im Vordergrund stehen dabei die Anwendungsbereiche Geothermie und Abwärmenutzung, wodurch Temperaturniveaus der Wärmequellen zwischen ca. 80 °C und rund 180 °C abge-deckt werden. Die Arbeitsinhalte umfassten die Prozesssimulation des ORC im genannten Temperaturbe-reich zur Identifikation effizienter Gemischzusammensetzungen. Für ausgewählte Reinstoffe und zeotrope Fluidgemische wurden Wärmeübergangseigenschaften bei Verdampfung und Kondensation an einem Testaufbau experimentell bestimmt (Abbildung). Zudem wurde die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu marktgängigen Systemen betrachtet.

Blasensieden an der horizontalen, elektrisch beheizten Heizpatrone des Verdampfers

Die Simulationsergebnisse weisen signifikante Effizienzsteigerungen beim Einsatz von Gemischen aus. Die Messergebnisse zum Wärmeübergang bestätigen, dass der Einsatz von Fluidgemischen im Vergleich zum Reinstoff zu einer Abnahme des Wärmeübergangskoeffizienten beim Phasenübergang führt. Grund hierfür ist der Stofftransport, welcher die Wärmeübergangseigenschaften von Gemischen zusätzlich beeinflusst. Auf Basis der Messungen wurden Korrelationen identifiziert, die sich am besten zur Vorhersage des Wärmeübergangs potentieller Arbeitsmedien eignen. Auch konnte gezeigt werden, dass sich die Zusatzkosten für größere Wärmeübertrager innerhalb vertretbarer Zeiträume durch die mit einer gesteigerten Stromerzeugung einhergehenden Zusatzeinnahmen amortisieren. Das FuE-Projekt hat gezeigt, dass der Einsatz von Fluidgemischen als Arbeitsmittel im ORC zu signifikanten thermodynamischen wie wirtschaftlichen Vorteilen führt. Verglichen mit dem Kalina Cycle ist bei ähnlichem Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad ein wesentlich geringerer apparativer und damit auch finanzieller Aufwand zu veranschlagen. Gegenüber den Konkurrenzanlagen ergeben sich damit für die Neuentwicklung eindeutige Vorteile hinsichtlich Energie- und Kosteneffizienz.