Experimentelle Untersuchung turbulenter Mischkonvektion in einer komplexen, geschlossenen Raumgeometrie - Hysterese-Effekte der Strukturbildung. - 93 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die korrekte Vorhersage von Raumluftströmungen ist für eine große Anzahl technischer Anwendungen sowie die Aufenthaltsqualität bzw. Klimatisierung in Gebäuden von Bedeutung. Die Relevanz wird durch gegenwärtige Forderungen nach effizienterer Energienutzung und Minimierung des Schadstofftransports bekräftigt. Ein charakteristisches Merkmal von Raumluftströmungen ist die Überlagerung von freier und erzwungener Konvektion. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit dem instationären Verhalten turbulenter Mischkonvektion bei diskontinuierlicher Änderung der Archimedes-Zahl (0.15 < Ar < 20). Hierbei wird der Nachweis einer Hysterese in der Transition von gemischter zu natürlicher, respektive zu erzwungener Konvektion erbracht. Die damit einhergehende Bifurkation ist von subkritischer Natur. Ebenso wird die Abhängigkeit der Strukturbildung von der Rayleigh-Zahl sowie den Stoffeigenschaften der verwendeten Arbeitsgase untersucht. Bei Vergrößerung der Dichte (p < 1.2 kg/m3) des Arbeitsgases kann der Hysterese-Effekt gegenwärtig nicht festgestellt werden. Darüber hinaus wird ein Vergleich mit weiteren fluiddynamischen Systemen, in denen ebenfalls ein Hystereseverhalten vorliegt, angestellt. Zuletzt soll begründet werden, warum durch alleinige Betrachtung der Archimedes-Zahl eine eindeutige Aussage über die Struktur der Strömung bei Mischkonvektion nicht gelingt. Dazu werden experimentelle Untersuchungen von nicht-isothermen Raumluftströmungen in einer komplexen und geschlossenen Geometrie, dem Modellraum, durchgeführt. Dieser bildet im Gegensatz zu einem generischen Raum die realen Verhältnisse im Maßstab 1:10 ab und ist in eine Druckkammer (SCALEX-Anlage) integriert. Um die großskaligen Strömungsstrukturen unter natürlichen Bedingungen darzustellen, wird die Ähnlichkeitstheorie angewandt, bei der die Kennzahlen Re, Ra, Pr und Ar gegenüber den natürlichen Relationen konstant gehalten werden. Als Arbeitsgase werden Luft und SF6 bei einem Druck von 1 ≤ p ≤ 5 bar eingesetzt. Die Messung der Geschwindigkeitsfelder geschieht mithilfe eines 2D2C-PIV-Systems.
Planung und Inbetriebnahme eines Kraft-Wärme-Kopplung-Prüfstands zur Erprobung eines energieoptimierten Betriebs. - 149 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist aus energiewirtschaftlichen Gründen ein zukunftsweisendes Thema. Dafür gibt es bereits verschiedene Regelungskonzepte für Blockheizkraftwerke (BHKW) wie die wärme- oder stromgeführte Betriebsweise. Für einen energieoptimierten Betrieb durch einen thermischen Speicher ist die Regelung jedoch noch nicht vollends ausgereift und weist erhebliches Verbesserungspotential aufweisen. Aus diesem Grund beschäftigt sich die Master-Thesis mit der Planung und Inbetriebnahme eines KWK-Prüfstands. Zu Beginn werden die technischen Grundlagen eines BHKWs erläutert. Im Zuge dessen werden die Betriebsweisen und die vorhandenen Regelstrategien sowie die hydraulische Einbindung von Mikro-BHKWs inklusive thermischen Speicher dargestellt. Um die Rahmenbedingungen für den Prüfstand zu definieren, wird zusätzlich eine Literatur- und Patentrecherche zum Thema virtuelle und physische KWK-Teststände durchgeführt. Daraufhin wird der Prüfstand geplant und die Prüfstandskomponenten verfahrenstechnisch ausgelegt, wobei die jeweiligen Prüfstandesanforderungen berücksichtigt und die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik ausführlich dokumentiert werden. Im Rahmen der Inbetrieb-nahme werden die Versuchs- und Lastkreise erprobt und der Prüfstand wird auf Stationarität untersucht. Die ersten Erkenntnisse aus den Versuchen zur Brennwertnutzung des BHKWs und der thermischen Leistung werden ebenfalls dokumentiert. Hier steigt die thermische Leistung aufgrund der Brennwertnutzung bei sinkenden Rücklauftemperaturen. Daneben werden erste Tests zu Be- und Entladung des Pufferspeichers durchgeführt. In diesem Zusammenhang wird auch das Abkühlverhalten gemessen und ausgewertet. Dabei wurde festgestellt, dass eine Zirkulation im System und so eine zusätzliche Abkühlung entsteht. Diese Versuche bilden die Grundlage zur Vermessung der jeweiligen Komponenten und zur Erstellung mathematischer Modelle in Matlab/Simulink. Für die virtuelle Darstellung des Prüfstandes und Entwicklung eines Regelungskonzeptes wird ein Softwarevergleich durchgeführt, wonach eine geeignete Software (Matlab/Simulink) und Kommunikation (OPC) zur Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ausgewählt wird. Des Weiteren werden die ersten Schritte mit der Software sowie erste Modelle zur Simulation des Prüfstandes erläutert. Auf Grundlage der vorliegenden Arbeit kann zukünftig ein energieoptimierter Betrieb durch den Prüfstand mit einem thermischen Speicher und einer Wärmesenke, die ein Gebäude oder einen industriellen Prozess simuliert, entwickelt werden.
Grenzschichtmessungen in Rayleigh-Bénard Konvektion mittels Particle Image Velocimetry. - 47 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die Untersuchungen wurden im Rayleigh-Bènard-Experiment "Ilmenauer Fass" in einer rechteckigen Konvektionszelle (2.5 m x 2.5 m x 0.625 m) in Luft durchgeführt. Als Messmethode wurde die 2D PIV-Messmethode verwendet. Es wurden zwei Experimentserien durchgeführt. In der ersten Messreihe wurden Geschwindigkeitskomponenten parallel zur Kühlplatte aufgenommen. In einem Bereich von 3 mm bis 21 mm unter der Kühlplatte wurden mit 2 mm Abstand PIV-Messungen mit einer Bildrate von 10 Hz und 200 Aufnamen durchgeführt. In der zweiten Messreihe wurden Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Kühlplatte gemessen und mit LDV-Geschwindigkeitsdaten in der Grenzschicht in der Mitte der großen Konvektionszelle verglichen. Jede Messung bestand aus 3000 Aufnahmen mit einer Bildfrequenz von 1 Hz. Der Temperaturunterschied zwischen den Platten beträgt 30 ˚C, die Rayleigh-Zahl hatte den Wert Ra = 4,6 *10^10. In der Arbeit wurde die Anwendbarkeit der 2D PIV-Messmethode für Grenzschichtuntersuchungen unter den besonderen Bedingungen des "Ilmenauer Fasses" experiementell nachgewiesen. Weiterhin wurde ein umfassender Datensatz von zeit- und ortsaufgelösten Geschwindigkeitsfeldern in zwei Ebenen in der Grenzschicht einer Konvektionsströmung erstellt sowie die zeitliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und der Grenzschichtdicke ermittelt. Das aus PIV-Messungen berechnete Geschwindigkeitsprofile zeigen den gleichen Verlauf wie die Ergebnisse von früheren LDV-Messungen in der großen Konvektionszelle und decken sich auch Experimenten in Wasser aus der Literatur. Die zeitabhängigen 2D Strömungsfelder geben detaillierte Informationen über Plumes und vertikalen Impulstransport, die für die turbulente Wärmestromdichte verantwotlich sind.
Modellierung und numerische Simulation von Wellrippenkühlern. - 65 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Bei direkten Wärmeübertragern für die Motorkühlung und Klimatisierung von Fahrzeugen ist der Wärmeübergang auf der Luftseite der bestimmende Faktor für Leistungsdichte eines Kühlers. Zur Steigerung der Leistungsdichte werden die Luftkanäle mit Wellrippenprofilen versehen. Die CFD-Vorhersage des Einflusses einzelner Geometrieparameter der Wellrippen auf Leistung und Druck-verlust ist jedoch häufig zu ungenau, um die zielführende Wellrippenvariante für einen speziellen Anwendungsfall ohne nachträgliche experimentelle Bestätigung zu definieren. Im Rahmen der Masterarbeit sollen dazu folgende Themen bearbeitet werden: - Definition und Klassifizierung der Geometrieparameter von Wellrippen in Motorkühlern. - Literaturrecherche zur thermofluiddynamischen Modellierung der Durchströmung verschiedener Wellrippenvarianten. - Abgleich der Literaturmodelle mit vorhandenen Messdaten. - Sensitivitätsanalyse der Geometrieparameter auf Leistungsdichte von Kühlern. - Simulationsstudien zum Einfluss der identifizierten Parameter auf die Leistungsdichte von Kühlern mit dem Rechenprogramm ANSYS FLUENT. - Auswertung der numerischen Ergebnisse und wissenschaftliche Dokumentation der Resultate. - Erarbeitung eines Konzepts zur praktischen Umsetzung. Die Arbeit wird in enger Kooperation mit der Firma MAHLE Industrial Thermal Systems GmbH & Co. KG mit Sitz in Stuttgart durchgeführt.
Evaluation eines Lorentzkraft-Anemometers für stark asymmetrische Strömungsprofile von schwach leitfähigen Fluiden. - 45 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2015
Der Durchfluss eines Fluids durch ein Gefäß bildet in der heutigen Zeit eines der am häufigsten gemessenen Größen in der Industrie. Je nach Eigenschaft des Mediums wird jeweils ein bestimmtes Durchflussmessverfahren angewandt, um möglichst genaue Angaben zu machen. Doch trotz jahrelanger Forschung undWeiterentwicklung der Verfahren, gibt es immer wieder Situationen im Industriealltag, die den Geräten ihre Grenzen aufzeigen. Eines der schwierigsten Herausforderungen ist die Erfassung des Durchflusses von Flüssigkeiten, die ein stark asymmetrisches Strömungsprofil aufweisen. Ebenso gibt es zur Zeit kein berührungsloses Messgerät, dass den Durchfluss aggressiver Fluide bestimmen kann. Das Fachgebiet "Thermo- und Magnetfluiddynamik" der Technischen Universität in Ilmenau hat ein Gerät entwickelt, dass sowohl an schwach leitfähigen Fluiden, als auch an aggressiven Metallschmelzen angewendet werden kann. Die Bedingung der Messung des Durchflusses mit dem sogenannten Lorentzkraft-Anemometer (LKA) ist eine Mindestleitfähigkeit des Fluids. Das Verhalten des LKA an Fluiden mit stark asymmetrischen Strömungsprofil ist jedoch noch nicht erforscht worden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der Wirkung stark asymmetrischer Strömungsprofile von schach leitfähigen Fluiden auf das LKA. Erwartet wird eine Abhängigkeit des Geräts auf gestörte Strömungsprofile, die jedoch geringer ausfällt, als bei anderen Messverfahren. Aus diesem Grund wird der zweite Teil der Arbeit darin bestehen, einen Vergleich mit bereitsc in der Industrie etablierten berührungslosen Durchflussmessgeräten anzustellen.
Entwicklung von Regelkreisen zur Verwendung und Unterstützung eines hochpräzisen Kraftmesssystems. - 71 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2014
In dieser Arbeit soll gezeigt werden, dass es mit einer angemessenen Regelung zum Auslesen und Ansteuern einer elektromagnetischen Kraftkompensationswägezelle möglich ist, hochpräzise Kraftmessungen zur Bestimmung der Lorentzkraft durchzuführen. Diese Lorentzkräfte treten beim Durchießen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit durch ein extern angelegtes Magnetfeld auf und dienen als Maß für die Flüssigkeitsmenge, die durch einen Wasserkanal als Versuchsaufbau durchströmt. Mit diesem berührungslosen Strömungsmessverfahren ist es möglich, sehr heiße und aggressive Flüssigkeiten, aber auch Fluide die hohen Reinheitsanforderungen unterliegen, präzise zu dosieren. Die spezisch erstellte Regelung soll in der Entwicklungsumgebung LabVIEW realisiert werden und hinsichtlich der erzielbaren Messgenauigkeit und -geschwindigkeit mit der Elektronik eines Wägezellenherstellers verglichen werden. Nach der Ausarbeitung der notwendigen Grundlagen im Bereich der Mess- und Regelungstechnik und der daraus resultierenden Wahl des passenden Reglers, werden die für einen digitalen Regelkreis notwendigen Geräte zusammengetragen. Zum Aufbau eines solchen Regelkreises, sind zur Beeinussung der Regelstrecke neben dem Software-Regler ein Stellglied mit vorgeschaltetem D/A-Wandler und ein Messglied mit nachgeschaltetem A/D-Wandler notwendig. Sowohl die benötigte Elektronik und deren Zusammenwirken als auch ein Konzept zur Realisierung des Software-Reglers soll im Rahmen dieser Arbeit erstellt werden. Weiterhin werden Methoden zur Ansteuerung der notwendigen Messgeräte erarbeitet und deren Schnittstellen mit dem Computer benannt. Für einen Vergleich der beiden konkurrierenden Wege zur Ansteuerung des Kraftmesssystems werden Messreihen durchgeführt, um eine eindeutige Aussage treffen zu können, welcher Weg zur Bestimmung der Lorentzkraft für den vorliegenden Anwendungsfall geeigneter ist. Abschließend werden Vor- und Nachteile der Regelung dargelegt und Möglichkeiten zur Optimierung des Versuchsaufbaus aufgezeigt.
Konstruktion eines Messplatzes zur Bestimmung der Emissivität von Oberflächen. - 60 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Auf der Suche nach Energieeinsparpotentialen kommt zunehmend die berührungslose Temperaturmessung auf Basis der Wärmestrahlung zum Einsatz. Für diese Messmethode ist jedoch die Kenntnis des Emissionsgrades der zu untersuchenden Materialien von zentraler Bedeutung. Dieser ist stark vom jeweiligen Material und dessen Oberflächenbeschaffenheit abhängig, sodass Tabellenwerte nur zur Übersicht dienen können. Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Konstruktion eines Versuchsstandes, mit welchem der Emissionsgrad schnell und kostengünstig vermessen werden kann. Das Messprinzip des Versuchsstandes basiert auf dem Temperaturvergleich zwischen einer Oberflächentemperatur, die durch ein Pyrometer bestimmt wird, und einer Referenztemperatur: Die Emissionsgradeinstellung des Pyrometers wird solange variiert, bis die am Pyrometer angezeigte Temperatur mit der Referenztemperatur des Messobjektes übereinstimmt. Der so ermittelte Emissionsgrad ist der Emissionsgrad des zu untersuchenden Materials. Alle Komponenten des Messstandes werden im Rahmen dieser Arbeit gestaltet und dimensioniert und nach erfolgter Fertigung zusammengebaut und getestet. Zur Bestimmung des Fehlers der Emissionsgradmessung wird ein theoretisches Modell auf Grundlage eines Strahlungs-Widerstandnetzwerkes entwickelt. Ausgehend von diesem Modell werden zwei geeignete Messumgebungen hergeleitet, die sinnvolle und präzise Emissionsgradmessungen zulassen. Die grundlegenden Ergebnisse des Modells werden durch entsprechende Experimente verifiziert und die optimale Versuchsumgebung mit dem kleinstmöglichsten Fehler wird ausgewählt. Für die Experimente wird ein Computerprogramm zur Bedienung des Pyrometers, insbesondere zur automatisierten Emissionsgradeinstellung, entwickelt. Mit dem für diese Arbeit entwickelten Versuchsstand ist es möglich, in einem Wellenlängenbereich von 8...14 [my]m Emissionsgrade von diffusen opaken Oberflächen in Richtung der Flächennormalen mit einem Fehler von 0,01 zu bestimmen.
Simulation einer solarbetriebenen Organik Rankine Cycle (ORC) Anlage unter Berücksichtigung des Einflusses der Variationen von Wärmequellen- und senken sowie des Strombedarfs. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Da die solarthermische Stromerzeugung weltweit großes Potential hat und die zu erwartenden Temperaturen in Deutschland im Bereich zwischen 60˚C und 200˚C liegen, ist die Optimierung der Kraftwerksprozesse besonders wichtig, um diese Niedertemperaturwärme effizient zu nutzen. Üblicherweise erfolgt die Stromerzeugung aufgrund der geringen Temperaturen über einen ORC-Prozess (Organic-Rankine-Cycle). Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation einer solarbetriebenen ORC-Anlage, unter Berücksichtigung des Einflusses der Variationen von Wärmequelle- und senke sowie des Strombedarfs. Hierfür wurde ein physikalisches und mathematisches Modell aufgestellt, das die zu betrachtenden Effekte beschreibt. Die Modelle zur Berechnung dieses Prozesses sind sehr komplex und mathematisch aufwendig und eine Berechnung per Hand ist nicht mehr möglich, deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Simulationsprogramm in MATLAB erstellt und entwickelt. Dieser Programmcode ermöglicht sowohl die Auswertung der Kenndaten von verschiedenen ORC-Prozessen als auch die Vergleichbarkeit der Ergebnisse aller Simulationen. Der Fokus lag hierbei auf den notwendigen Kollektorflächen für zwei Typen (Flachkollektor und Vakuumröhrenkollektor) und auf der Leistungsoptimierung in Abhängigkeit des Frischdampfzustands am Eintritt der Turbine. Der Einfluss weiterer Parameter (der thermische und Carnot-Wirkungsgrad, die Netto-Leistung, die zu- und abgeführte Wärme am Wärmetauscher und Kondensator und der verdampfte Massenstrom) wurden untersucht und über Frischdampfdruck und Frischdampftemperatur aufgetragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch das Konzept zum Aufbau eines Versuchsmusters für die SORC Anlage mit R134a als Arbeitsmittel und 1 kW Netto-Leistung erarbeitet.
Electromagnetic control of heat transfer in engine coolers. - 82 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
In einen Wärmetübertrager entstehen geometrisch bedingt Totwassergebiete, die den Wärmeübergang verschlechtern. Das Kühlmittel ist ein Gemisch von Wasser und Glysantin im Verhältnis 50: 50. Dieses ist schwach leitfähig. Es soll mittels elektromagnetischen Feldes eine Lorentzkraft auf das Fluid aufgebracht werden, um dieses in den Totwassergebieten zu beschleunigen. Dadurch soll der Wärmeübergang in diesen Gebieten verbessert werden. In dieser Arbeit wird dazu eine numerische Untersuchung mit der CFD-Simulationssoftware "Ansys Fluent" und zum Berechnen von elektromagnetischen Feldern mit der Software "Maxwell 3D" durchgeführt, um den Einfluss des elektromagnetischen Feldes auf das schwach leitfähige Fluid hinsichtlich der Eigenschaften des Wärmetransportes und des Druckverlustes zu beobachten. Dies erfolgt für drei verschiedene Geometrien. Es handelt sich dabei um einen Carnotschen Stoßdiffusor, einen 90˚- Rechteckkrümmer und um einen 180˚- Wendekrümmer. Dabei wird die Reynoldszahl von 300 bis 3000 variiert. Die daraus resultierenden Interaktionsparameter bewegen sich zwischen 1 und 100. Es erfolgt eine Aufwand-Nutzen-Rechnung, um abschätzen zu können, ob sich die Umsetzung des Prinzips lohnt.
Konstruktion und Test eines auftriebsbasierten Magnetsystems. - 84 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Die vorliegende Arbeit schließt sich in erster Linie der Weiterentwicklung eines bestehenden Messaufbaus zur Untersuchung der Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) an. Hierbei wird ein elektrisch leitfähiges Medium durch ein externes Magnetfeld geführt, welches über hervorgerufene Wirbelströme mit der Flüssigkeit interagiert. Die dabei auf das äußere Magnetfeld in Strömungsrichtung wirkende Lorentzkraft gibt Aufschluss über den Betrag des Fluidstroms. Als neuartiges Messverfahren zur berührungslosen Volumenstrombestimmung elektrisch leitfähiger Fluide ist der LKA großes Potential zuzuschreiben im Bezug auf eine kommerzielle Anwendung für aggressive, besonders heiße oder hygienisch empfindliche Medien. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Messgenauigkeit bietet die Erweiterung des dazu verwendeten Hallbach-Magnetsystems. Dessen magnetische Flussdichte besitzt einen quadratischen Einfluss auf die durch den Volumenstrom hervorgerufene Lorentzkraft. Limitiert wird die Größe des verwendbaren Magnetsystems jedoch durch die maximale Belastbarkeit der zur Messung genutzten elektromagnetischen Kraftkompensationswaage. Um jene Restriktion zu überwinden, wurde im Zuge dieser Ausarbeitung ein auftriebsbasiertes Gewichtskompensationssystem entwickelt, gebaut und erfolgreich erprobt. Bei Versuchen mit einem schwach leitfähigen Elektrolyt ([alpha] = 10 S/m) und Strömungsgeschwindigkeiten von 0,5 bis 3,5 m/s konnte die bereits erwiesene Proportionalität zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Lorentzkraft wiederholt bestätigt werden. Vorbehalte im Bezug auf eine mit der viskosen Kopplung zwischen Auftriebsfluid und Messsystem einhergehende Verschlechterung der Signalqualität, wurden in Gegenüberstellungen ebenfalls quantitativ widerlegt. Somit konnte sich das entwickelte Konzept für zukünftige Anwendungen in mehrerlei Hinsicht qualifizieren.