Elektromagnetische Durchflussmessung in Hochtemperatur-Flüssigmetallschmelzen mittels Lorentzkraft-Anemometrie. - 84 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2014
Die Lorentzkraft-Anemometrie ist ein berührungsloses elektromagnetisches Durchflussmessverfahren, dass am Institut für Thermo- und Magnetofluiddynamik der TU Ilmenau erforscht und patentiert wurde. Dieses Verfahren bildet auch die Grundlage für diese Arbeit. Im Rahmen meiner Diplomarbeit wurde untersucht, ob das Lorenzkraft-Anemometer unter industriellen Bedingungen einsetzbar ist. Dabei soll die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Durchfluss einer heißen Stahlschmelze an einem experimentellen Hochofen (Experimentelle Blast Furnace) der schwedische Stahlfirma MEFOS gemessen werden. Als erstes wurde der Stand der Technik näher beschrieben, die magnetohydrodynamischen Kennzahlen für eine offene Rinnenströmung berechnet und eine Abschätzung der zu erwartenden Kräfte am Lorenzkraft-Anemometer durchgeführt. Die wesentlichen Anforderungen dieser Arbeit sind: die Untersuchung vorhandener Lorenzkraft-Anemometer auf ihre Verwendbarkeit, Erfassung der industriellen Einsatzbedingungen, Konstruktion und Anpassung des Messgerätes hinsichtlich Signalerfassung und thermische Auslegung, Laborversuche und deren Auswertung. Bei den Laborversuchen wurden verschiedene Festkörper mit verschiedenen elektrischen Leitfähigkeiten, Geschwindigkeiten und Querschnitten getestet und das Messgerät an einem Flüssigzinnkanal mit 350˚C heißem Zinn erfolgreich erprobt.
Entwicklung eines Demonstratormodells für einen schnurlosen Haartrockner. - 50 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Mobilität und Flexibilität von Geräten spielt heute eine immer größere Rolle und ist bei An-wendungen wie beispielsweise Mobiltelefonen, Laptops, Rasierapparaten und anderen An-wendungen schon weit vorangeschritten. Anders ist es zum Beispiel bei Haartrocknern und Geräten, die auf Grund ihres hohen Energiebedarfs in den meisten Fällen noch über ein Ka-bel mit der Steckdose verbunden sein müssen. Ein neues Konzept zur Realisierung eines schnurlosen Haartrockners basiert auf einem Latentwärmespeicher und einem thermoelektrischen Generator zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung eines Gebläses. Dabei wird die Abwärme des thermoelektrischen Generators zur Erwärmung des Luftstroms genutzt. Dieses Konzept soll sich, im Vergleich zu bereits bekannten, vor allem durch sein geringes Gewicht trotz hoher Leistungsdichte, seine kurze Ladezeit sowie das niedrige Gefahrenpotential für den Anwender auszeichnen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Demonstratormodell für einen auf diesem Prinzip basierenden schnurlosen Haartrockner zu entwickeln. Dabei liegen die Schwerpunkte vor allem auf der Dimensionierung eines luftdurchströmten Wärmeübertragers, der Auswahl eines geeigneten Elektromotors zur Erzeugung des Volumenstroms und der Konstruktion des Strömungskanals. Darüber hinaus wird zur Beschreibung des Systemverhaltens ein quasistationäres Simulationsmodell des schnurlosen Haartrockners entwickelt. Dazu wird in Voruntersuchungen ein thermoelektrischer Generator charakterisiert und Windkanalversuche mit einem handelsüblichen Haartrockner durchgeführt, um anhand der Ergebnisse einen geeigneten Elektromotor auswählen zu können. Außerdem erfolgt am Demonstratormodell die Ermittlung der Volumenstromkennlinie sowie der Lastmomentkennlinie des verwendeten Lüfters in Abhängigkeit seiner Drehzahl. Eine Heizplatte ersetzt vor den Untersuchungen des Gesamtsystems den Wärmespeicher, um das Simulationsmodell zu validieren und den entworfenen Wärmeübertrager zu charakterisieren. Für die Versuchsdurchführung mit dem Modell des schnurlosen Haartrockners ist zusätzlich der Entwurf einer elektronischen Schaltung zur Nachkühlung des Systems umgesetzt. Die Ergebnisse der Temperatur-, Volumenstrom- und Leistungsmessungen aus den Untersuchungen werden diskutiert und Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt.
Entwicklung eines Latentwärmespeichers als Energiequelle für einen schnurlosen Haartrockner. - 60S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Die Verwendung mobiler Geräte erfreut sich in der heutigen Zeit immer größerer Beliebtheit. Es ist selbstverständlich, dass Mobiltelefone, Rasierapparate und Laptops ohne Kabel funktionieren sowie flexibel jederzeit und überall eingesetzt werden können. Allerdings lässt sich ebenfalls feststellen, dass nicht bei allen Geräten, welche täglich Verwendung finden, die mobile Benutzung möglich ist. Im Bereich von Haartrocknern sind aufgrund des hohen Energiebedarfs bis jetzt keine Varianten vorhanden, die sich im Alltag durchsetzen können. Das Konzept eines schnurlosen Haartrockners auf Basis eines Latentwärmespeichers ist die Grundlage der vorliegenden Arbeit. Dabei erzeugen thermoelektrische Generatoren elektrischen Strom zur Versorgung des Elektromotors, der ein Gebläse antreibt. Der Luftstrom kühlt den Wärmeübertrager des thermoelektrischen Generators und heizt sich dabei auf. Auf diese Weise soll ein Konzept realisiert werden, welches sich durch eine hohe Leistungsdichte, Flexibilität und Anwenderfreundlichkeit auszeichnet. Intention der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Latentwärmespeichers, welcher anhand eines mathematischen Modells dimensioniert wird. Daraufhin werden detaillierte Untersuchungen mit dem Speichermedium LiNO3 durchgeführt, um dieses bestmöglich zu charakterisieren. Weiterer Schwerpunkt ist die Konstruktion einer Isolation des Speichers, welche insbesondere auch strahlungsreflektierende Eigenschaften besitzt, um die Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten. Nach Fertigstellung des Wärmespeichers werden seine technischen Daten und Eigenschaften experimentell ermittelt. Der Speicher wird mit einer Heizplatte auf eine Temperatur von 450 ˚C aufgeheizt und danach an einen Demonstrator des schnurlosen Haartrockners angebracht. Die Ergebnisse aus den Messungen am Gesamtsystem schnurloser Haartrockner, wie z.B. Temperaturverläufe, werden diskutiert und ausgewertet. Des Weiteren werden theoretische und experimentelle Untersuchungen zu Flüssigmetallspeichern durchgeführt. Dabei werden alternative Materialien als Speichermedien beleuchtet, um auf diese Weise Optimierungsmöglichkeiten am System Wärmespeicher aufzuzeigen.
Lokale Konvektionseffekte an der Wandung eines Wärmeenergiespeichers. - 90 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Diese Bachelorarbeit untersucht die lokalen Konvektionseffekte an der inneren Wandung eines Wärmespeichers. Auf Grundlage einer ausführlichen Literaturrecherche wurde ein theoretisches Wärmeübertragungsmodell für die Wandung eines Warmwasserspeichers erstellt. Dieses Modell zeigt die Problematiken eines vertikalen Wärmetransports in der Speicherwand und der Wärmedämmung auf. Eine programmunterstützte Simulation des Modells offenbart unter besonderen Randbedingungen einen Wärmeeintrag ausgehend von der Wandung auf das Fluid einer kälteren Temperaturschicht. Es wird dargelegt, inwieweit in der Nähe der Wandung Rayleigh-Bénard-Konvektion auftritt. Zur Validierung der theoretischen Erkenntnisse wurde ein Konzept zur messtechnischen Ausstattung eines Experimentalspeichers und der anschließenden Versuchsdurchführung im Speicherteststand des Instituts für Thermo- und Fluiddynamik der Technischen Universität Ilmenau entwickelt.
Experimentelle Untersuchungen zum Aufbau eines koaxialen Pulsrohrmotors in Verbindung mit einem Lineargenerator. - 50 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Abwärme aus technischen Energiewandlungsprozessen wird oft ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Die Nutzung dieser Abwärme kann einen Beitrag zur Einsparung von Ressourcen leisten. Technologien zur technischen Nutzung von Abwärme auf niedrigen Temperaturniveaus bieten Optimierungspotential, da diese meist teuer und empfindlich sind. Der Organic-Rankine-Cycle und Thermoelektrische Generatoren werden aktuell als Technologien eingesetzt. Eine neue Möglichkeit diese Abwärme nutzbar zu machen ist der Pulsrohrmotor, eine Wärmekraftmaschine, die nach dem umgekehrten Pulsrohrkühlerprozess arbeitet. Er zeichnet sich durch seine Einfachheit, Robustheit und potentielle Langlebigkeit aus. Das Ergebnis vorangegangener Arbeiten am Projekt Pulsrohrmotor des Fachgebietes Thermo- und Magnetofluiddynamik der Technischen Universität Ilmenau ist ein optimiertes Konzept, welches aus zwei koaxialen Pulsrohrmotoren besteht, die mit einem Experimentallineargenerator verbunden sind. Ziel dieser Arbeit ist die Fertigstellung und Charakterisierung des koaxialen Pulsrohrmotors und der Aufbau des geplanten optimierten Konzeptes. Mit dem bestehenden in-line Pulsrohrmotor werden Voruntersuchungen am Versuchsstand durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Regeneratorkonfigurationen zu erkennen und Rückschlüsse auf den koaxialen Pulsrohrmotor ziehen zu können. Des Weiteren wird der systematische Fehler des Messverfahrens der Nettoleistung nach zwei Methoden bestimmt und miteinander verglichen. Die Qualität der von Moldenhauer gefundenen Gleichung zur Bestimmung des minimalen Temperaturverhältnisses wird untersucht. Ab diesem Verhältnis gibt der PRM Nettoleistung ab. Um den koaxialen Pulsrohrmotor vermessen zu können, werden Anpassungen am Versuchsstand vorgenommen. Versuche zum Wärmeeintrag in den koaxialen Kopf sollen als Ergebnis ein möglichst hohes und gut regelbares Temperaturverhältnis haben. Die Nettoleistung und der Wirkungsgrad des Motors können erfolgreich bestimmt werden, sowie der Einfluss geänderter Wärmeübergangsbedingungen in der Pulsationsröhre auf den Pulsrohrmotorprozess. Das integrierte Wegmesssystem des Lineargenerators wird überarbeitet und der Generator mit Pneumatiksystem aufgebaut. Ein Drucktest und Versuche zum Startvorgang des Gesamtsystems werden unternommen. Die Ergebnisse der Messungen werden diskutiert und Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt.
Modelling and calibration of COMSOL model for an adsorber structure of an adsorption heat pump on hands of kinetic measures. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2013
Gas-Adsorptionswärmepumpen stellen einen wichtigen Schritt im Rahmen des Technologiewechsels im Wärmemarkt von Heiz- und Brennwertgeräten hin zu Exergienutzenden Systemen dar. Auch in älteren Bestandsgebäuden können durch zusätzliche Nutzung von Umweltwärme damit Energieeinsparungen zwischen 20% und 30 % erreicht werden. Wichtigster Erfolgsfaktor dieser neuen thermisch angetriebenen Wärmepumpen ist die Leistungsdichte und die dabei erreichte Leistungszahl (COP) der Anlage. Beide Kriterien werden von den Gleichgewichtsdaten des eingesetzten Stoffpaares (vorliegend Aktivkohle - Methanol) und der Kinetik der Wärme- und Stofftransportprozesse bestimmt. Zum besseren Verständnis der limitierenden Faktoren soll ein COMSOL-Modell entwickelt werden, das anhand von speziell dazu durchzuführenden Ad- und Desorptionsmessungen an einem eigens dafür konzipierten Kinetikprüfstand kalibriert und validiert werden soll.
Lokale Wärmestrommessungen in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion. - 73 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Wärmeübertragung in der Grenzschicht turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion. Nahe der Wand wird Wärme zunächst durch Diffusion übertragen. In der Strömung findet der Wärmetransport dann zum einen durch Advektion mit der Konvektionswalze und zum anderen konvektiv mit turbulenten Strukturen statt, welche sich aus der Grenzschicht lösen. Es wurde der lokale konvektive Wärmestrom in Abhängigkeit des Wandabstandes für den Rayleighzahlbereich 1,5*10^9 < Ra < 9*10^11 bei dem Aspektverhältnis [Gamma] = 1 ermittelt. Dazu fanden simultane Temperatur- und Geschwindigkeitsmessungen an verschiedenen Positionen unterhalb der Kühlplatte einer mit Luft gefüllten, zylindrischen Rayleigh-Bénard-Zelle statt. Es stellt sich heraus, dass in dem gemessenen Parameterbereich zwischen 20% und 45% des Wandwärmestroms durch Konvektion transportiert wird. Dieser Anteil nimmt mit der Rayleighzahl zu, wobei die Skalierung des konvektiven Wärmestroms einem Potenzgesetz J=Ra^β mit β=0,4 folgt. Weiterhin wurden die Fluktuationen des Wärmestroms analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Geschwindigkeit der turbulenten Strukturen von deren Temperatur abhängt und dass diese durch Auftrieb erzeugt werden.
Lorentzkraft-Anemometrie an schwach leitfähigen Fluiden. - 80 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
Die Wirtschaftlichkeit von Unternehmen in der Metallurgie oder Chemiebranche hängt zunehmend von der exakten Dosierung der verwendeten Rohstoffe ab. Fehlerhaftes Abmessen in der Verfahrenstechnik führt zu hohen Kosten und erfordert deshalb eine zuverlässige Durchflussmesstechnik. Derzeit existiert kein geeignetes Messverfahren zur Ermittlung des Volumenstroms bei aggressiven Fluiden [1]. Eine Lösung hierfür ist die Lorentzkraft-Anemometrie (LKA), die eine berührungslose Messung des Volumenstroms von durch ein Magnetfeld fließenden, elektrisch leitfähigen Fluiden ermöglicht. Die dabei auftretenden elektromagnetischen Interaktionen verursachen die Lorentzkraft, welche als Informationsparameter auf den gewünschten Durchfluss führt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, inwiefern sich das Geschwindigkeitsprofil eines Elektrolyts auf die detektierte Lorentzkraft auswirkt. Hierbei ist eine geringe Abnahme der Lorentzkraft bei der Änderung von einem Kolbenprofil zu einem parabolischen Strömungsprofil zu erwarten. Dazu wurden mit einem speziell entwickelten Prototyp LKA-Messungen an mit Natrium-Chlorid angereichertem Wasser durchgeführt. Mit Hilfe eines geeigneten Messprogramms konnten die im Mikronewtonbereich liegenden Lorentzkräfte mathematisch-statistisch ausgewertet und anschließend hinsichtlich der Fluidprofile miteinander verglichen werden. Die von A. Thess et al. [2] postulierte Abhängigkeit der Lorentzkraft von der Strömungsgeometrie wurde experimentell bewiesen. Durch erhebliche technische Defizite des Prototyps ist aber eine klare Differenzierung bezüglich des Fluidprofils nicht gegeben. So ist zwar eine Verringerung der Lorentzkraft zwischen Kolben- und parabolischem Profil zu registrieren, die Überprüfung im Übergangsbereich ist jedoch wegen großen Störeinflüssen aus der Umgebung des Aufbaus, welche die Messgenauigkeit stark verringern, nicht hinreichend befriedigend quantifizierbar. Die Abfassung präsentiert in unterschiedlichen Darstellungen die ermittelten Messergebnisse und zeigt mögliche Fehlerquellen der von großen Messfehlern geprägten Resultate auf.
Optimierung von Lamellenrohr-Wärmeübertragern durch die Versetzung der Lamellen. - 93 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
In order to optimize a tube-and-fin heat exchanger, numerical investigations on heat transfer and fluid flow dynamics are being conducted in this bachelor thesis. In using GAMBIT as the CAD modeling software and ANSYS FLUENT as the CFD solution software for the governing equations and the RNG k-" turbulence model, the influence of variations in tube and fin geometry on heat flow and pressure drop characteristics are being analyzed. The focus in this study is to change the angle in which air flow enters the spacings between the fins and investigate the effects on air-side heat transfer and air flow dynamics. In order to achieve this, each second fin is shifted in direction of the air flow which leads to a skew entrance area. Because the air enters the spacing between the fins perpendicular to the entrance area the shift of the fins results in the intended change of the air flow angle. By comparing the numerical results of the changed geometry with the initial geometry the conclusions lead to two optimized models which are presented in this thesis. The numerical results generated in this study are validated by comparison to empirical data through the nusselt, the reynolds numbers and the moody friction coefficient. In addition the heat flow and the pressure drop are compared to an experimental setup. A detailed description of the experimental setup is given as well.
Automatisierung und Erprobung einer Versuchsumgebung für Lorentzkraft-Anemometer. - 64 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Im Fachgebiet Thermo- und Magnetofluiddynamik der Technischen Universität Ilmenau werden Lorentzkraft-Anemometer entwickelt, welche den Massestrom von leitfähigen Flüssigkeiten wie z.B. Metallschmelzen berührungslos messen können. Mit diesen Messgeräten ist es möglich, Gießprozesse hinsichtlich Energie- und Ressourceneffizienz zu optimieren. In dieser Arbeit geht es darum, eine Versuchsumgebung für Lorentzkraft-Anemometer zu automatisieren, mit welcher die Gießprozesse realitätsnah simuliert werden können. Damit ist es möglich, die Messgeräte für den Einsatz in der Industrie zu kalibrieren. Ausgehend von einem vorhandenen mechanischen Aufbau wird das System analysiert und unter der Berücksichtigung der gestellten Anforderungen werden mehrere elektronische Systemkonzepte zur Automatisierung entwickelt. Das beste Konzept wird anschließend aufgebaut und getestet. Weiterhin werden Programmroutinen entwickelt, mit welchen die Versuchsumgebung in der Lage ist, selbstständig große Messreihen mit hoher Qualität aufzunehmen und diese auszuwerten. Zudem wird gezeigt, wie das Messsignal der Lorentzkraft-Anemometer mit elektronischen Komponenten aus der analogen Signalverarbeitung in der Qualität verbessert werden kann. Dabei kann das Signal-Rausch-Verhältnis um den Faktor vier verbessert werden.