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Sommerwärme chemisch speichern - KIT Forschungsprojekt „Pegasus“ untersucht Energiespeicherung mit Schwefel - Campusreport am 06.06.2017
No full textIm Süden, wo die Sonne so richtig vom Himmel knallt, ist das Haupteinsatzgebiet der solaren Wärmekraftwerke. Die Sonnen-energie wird dort durch riesige Spiegel eingefangen und zur Er-zeugung von Dampf genutzt, der Turbinen antreibt. Das ist sehr viel effizienter als die direkte Erzeugung von Strom in den im Norden üblichen Photovoltaikanlagen. Das Problem: was geschieht, wenn die Sonne mal nicht scheint? Am Karlsruher Institut für Technologie untersucht man jetzt mit dem Pegasus-Forschungsprojekt, ob man die so gewonnene Sonnenwärme nicht in Schwefel speichern kann
Zur Struktur von Kohlenstoffnanopartikeln
Full text linkKohlenstoffnanopartikeln sind ambivalenter Natur. Mit einem Produktionsvolumen von sind sie das weltweit am häufigsten hergestellte Nanopartikelsystem (Singh und Vander Wal 2019). Die nanoskaligen Teilchen werden als Funktions- oder Elektromaterial industriell eingesetzt, finden sich aber ebenfalls in Aerosolen aus Verbrennungsprozessen, als Schadstoffe in Schadensfeuern, Energieumwandlungsprozessen und verbrennungsbasierten Antrieben. Dabei sind die globalen Gesamtemissionen aus genannten Quellen, verglichen mit der intendierten Herstellung, von gleicher Größenordnung (Bond et al. 2013). In diesem Zusammenhang sind sie gesundheitsgefährdend (Kennedy 2007) und tragen erheblich zur globalen Erwärmung bei (Ramanathan und Carmichael 2008). Da sich sowohl die positiven als auch die negativen Aspekte auf den strukturellen Bauplan der Teilchen zurückführen lassen, bespricht die vorliegende Arbeit die Struktur von Kohlenstoffnanopartikeln und deren Auswirkung auf ihre strukturassoziierten Eigenschaften. Während die Meso- und Mikrostruktur die Größenverteilungen der Aggregate sowie der Primärteilchen beschreibt, definiert die Nanostruktur den molekularen Aufbau der Primärpartikeln, die aus aromatischen Ringstrukturen, den Basisstruktureinheiten, mit statistisch verteilter Längenausdehnung aufgebaut sind.
Bereits Minutolo et al. (1996), Jäger et al. (1999) und Williams et al. (2007) vermuteten einen Einfluss der Ordnung, Ausdehnung und Orientierung der Basisstruktureinheiten auf das wellenlängenabhängige Absorptionsvermögen. Diese Hypothese wird sorgfältig geprüft, wobei ein quantitativer Zusammenhang zwischen der Strukturlänge und dem Verhältnis der Brechungsindex-Absorptionsfunktion bei zwei monochromatischen Wellenlängen abgeleitet werden kann. Der gefundene Zusammenhang ist linearer Natur und lässt sich auf die mit wachsender Strukturlänge abnehmende optische Bandlückenenergie, die wiederum das Absorptionsvermögen der Partikeln im nahinfraroten Spektralbereich determiniert, zurückführen. Werden nun quantitative Verknüpfungen zwischen einer gesuchten, für eine spezielle Fragestellung relevanten strukturassoziierten Eigenschaft und der nanostrukturellen Teilchenkonfiguration abgeleitet, wird deren berührungslose in situ Quantifizierung durch die Erfassung leicht zugänglicher Messinformationen möglich. Der Grundsatzbeweis einer schnellen, berührungslosen in situ Diagnostik einer exemplarischen strukturassoziierten Teilcheneigenschaft - der Oxidationsreaktivität - wird mit der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Doppelpuls zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz, DP-TiRe-LII, im Abgastrakt eines Serienmotors, der sowohl unter stationären als auch transienten Bedingungen betrieben wird, erbracht. Damit wird gleichzeitig der erste berührungslose Sensor für Nanostruktur und Oxidationsreaktivität vorgestellt.
Zu verstehen, wie sich Meso-, Mikro- und Nanostruktur während der Partikelbildung in Abhängigkeit von den Bildungsrandbedingungen entwickeln, eröffnet die Möglichkeit einer gezielten Synthese von Teilchen maßgeschneiderter Topologie. Unter Zuhilfenahme neuentwickelter invasiver und laseroptischer Methoden wird deshalb die Dynamik der Strukturveränderung der in Gegenstromflammen synthetisierten Teilchen während ihrer Bildungssequenz untersucht. Sowohl der Primärteilchendurchmesser als auch die Längenausdehnung der Basisstruktureinheiten wachsen mit zunehmendem Volumenbruch. Folgerichtig sind Mikro- und Nanostruktur miteinander korreliert, wobei lange Struktureinheiten in vergleichsweise große Partikeln eingebettet sind und vice versa.
Ein abschließender Aspekt widmet sich der Aufklärung der Strukturveränderung während der Partikeloxidation mit molekularem Sauerstoff, wobei der Fokus auf die Abhängigkeit von der initialen Teilchenstruktur gelegt wird. Die Mesostruktur verändert sich mit wachsendem Oxidationsfortschritt stetig, da die Partikeldichte der Aggregate durch vollständige Oxidation einzelner Teilchen abnimmt und sich folglich auch der Aggregatdurchmesser reduziert. Die Veränderung der Mikrostruktur bewegt sich in Abhängigkeit der nanostrukturellen Konfiguration zwischen zwei gekoppelten Grenzfällen, der internen und der Oberflächenoxidation. Reaktionsfreudige Teilchen, die aus kurzen, gekrümmten Basisstruktureinheiten aufgebaut sind, reagieren bevorzugt in einer Oberflächenoxidation. Hingegen neigen Teilchen mit langen Basisstruktureinheiten zur internen Oxidation und verlieren vergleichsweise langsam an Masse. Einer Fragmentierung langer Struktureinheiten folgt die Konversion der einzelnen Segmente
Numerische Simulationen in der Optimierung von Porenbrenneranwendungen
Full text linkDie Verbrennung in porösen inerten Medien zeichnet sich durch einen intensiven Wärmeaustausch zwischen der reagierenden Gasphase und der offenporigen Feststoffmatrix aus. Dieser Wärmeaustausch spiegelt sich sowohl in einer Wärmerezirkulation, als auch einer Auskopplung von Strahlungswärme wider; durch die Ausgestaltung des technischen Verbrennungssystems können diese Effekte ausgenutzt werden. In dieser Arbeit werden mittels Modellierung und numerischer Simulation zwei diametral entgegengesetzte Modi der vorgemischten Verbrennung in Porenbrennern im Kontext realer technischer Anwendungen untersucht.
Für eine Schwachgasverbrennung wurde die vorgemischte Verbrennung stark vorgewärmter Edukte in einem ausgedehnten, volumetrischen porösen Medium mit möglichst geringer Wärmeauskopplung aus der Verbrennungszone analysiert. Es wurde aufgezeigt, wie auf Basis der ermittelten Charakteristika ein kompaktes und flexibles Brennersystem gestaltet werden kann. Für einen Strahlungsporenbrenner wurde das komplexe Wechselspiel von Phänomenen bei der Verbrennung eines konventionellen Brennstoffs in einem dünnschichtigen porösen Medium unter starker Wärmeauskopplung durch Strahlung aus der Verbrennungszone untersucht. Aus den Ergebnissen wurden Adaptionen für die Gestaltung einer optimierten Geometrie des porösen Körpers abgeleitet
Scientific study of the heat supply of a natural gas steam reformer
No full textDie Wärmeversorgung eines Erdgas-Dampf-Reformers, der innerhalb eines Brennstoffzellen-heizgerätes (BZH) für die Wasserstofferzeugung eingesetzt werden soll, erfolgt in der Regel durch einen Gas-Brenner, der zusammen mit den Komponenten Luftversorgung, Sensorik und Regelung das Brennersystem darstellt. In dieser Arbeit wurden Brennersysteme unter den speziellen Betriebsbedingungen in einem Dampf-Reformer untersucht. Die generelle Tauglichkeit unterschiedlicher Brennerkonzepte, die Emission von Schadstoffen und der Einfluss der Betriebsweise des Brennersystems auf die Dampf-Reformierung waren Gegenstand der theoretischen und experimentellen Betrachtungen.
Es wurde ein thermodynamisches Modell eines BZH aufgebaut, wodurch die speziellen Betriebsparameter für das Brennersystem systematisch erarbeitet werden konnte. Es wurde deutlich, dass neben der kleinen Nennleistung von ca. 3 kW die Leistungsmodulierbarkeit und eine stark variierende Brenngaszusammensetzung, die während des Betriebs z.B. durch die Schwankungsbreite des Heizwertes von Hi = 6 MJ/m3 bis ca. 36 MJ/m3 deutlich wird, hohe Anforderungen an alle Komponenten des Brennersystems stellen.
Anhand des ermittelten Anforderungsprofils erfolgte eine verfahrenstechnische und konstruktive Entwicklung von zwei Brenner-Funktionsmustern denen die Konzepte Flammenbrenner einerseits und Metallfaser-Flächenbrenner andererseits zu Grunde liegen.
Für beide Brenner wurde sowohl in einer Modellbrennkammer als auch in einem Erdgas-Dampf-Reformer ein systematischer Vergleich durchgeführt. Als wesentliche Ergebnisgrößen können die Schadstoffemissionen sowie die Temperaturverteilung in der Reformer-Brennkammer und die resultierende Reformatgasqualität herangezogen werden. Es hat sich z.B. gezeigt, dass ein Zielkonflikt zwischen energetisch optimalem Betrieb einerseits und niedrigen Schadstoff-Emissionen andererseits besteht.
In weiteren Arbeitsschritten wurden Komponenten zur Luftversorgung, zur Flammenüberwachung und zur Regelung des Brennersystems unter den speziellen Anforderungen experimentell qualifiziert. Ausgewählte Komponenten wurden zu einem neuartigen Brennersystem zusammengeführt und schließlich im Dampf-Reformer unter realen Bedingungen betrieben.
Die Entwicklung und Erprobung eines Regelungskonzeptes, das durch die Verwendung einer λ-Sonde den Betriebszustand des Brenners unabhängig von der geforderten Leistung und der vorliegenden Brenngaszusammensetzung detektieren und eine entsprechende Luftmenge zur Einhaltung geringer Emissionen einstellen kann, rundet die Arbeit ab
Modellierung der Hochdruck-Partialoxidation von Heiz- und Schweröl
Full text linkFür die Modellierung der Hochdruck-Partialoxidation von Heiz- und Schweröl werden zunächst Untersuchungen des Einsatzstoffes durchgeführt, um deren Verdampfungs- und Pyrolyseverhalten zu bestimmen. Dazu wird das Verfahren der Hochdruck-Thermogravimetrie verwendet. Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik unter Anwendung von detaillierten Reaktionsmechanismen und eines umfangreichen Partikelmodells werden die Zustände im Reaktor modelliert. Die Validierung mit Verweilzeitmessungen wird demonstriert und damit verbundene Probleme aufgezeigt. Anhand von Untersuchungen am Vergasungsrückstand kann die Existenz von Cenosphären (Tropfenrückstände) und von in der Flamme gebildetem Ruß nachgewiesen werden
Entwicklung einer schnellen Hyperspektralkamera auf Basis zirkular variabler Verlaufsfilter
Full text linkBildgebende Spektrometersysteme werden auch als Hyperspektralkameras bezeichnet. Diese sind ein wichtiges Hilfsmittel zur Analyse der Umsetzung von energetischen Feststoffen, wie Treibstoffen oder pyrotechnischen Sätzen. Im Gegensatz zu vielen anderen Analysemethoden ist die Messung der emittierten optischen Strahlung nicht intrusiv, sodass der Reaktionsprozess durch die Messung nicht beeinflusst wird.
Die Messszene wird durch die Pixel der Sensormatrix in einzelne kleine Teilbereiche unterteilt. Für jeden dieser Pixel wird eine zeitliche Folge an Spektren generiert. Die spektralen Daten, vor allem im infraroten Spektralbereich, liefern wichtige Erkenntnisse über Reaktions-Edukte, -Produkte sowie -Zwischenprodukte und deren ablaufende Reaktionsmechanismen. Die lokale Unterteilung der Messszene erlaubt es dabei die ablaufenden Prozesse in einzelnen Zonen zu diskriminieren. So kann zwischen primären und sekundären Reaktionsprozessen unterschieden werden. Das Messszenario zeichnet sich meist durch eine hohe Strahlungsintensität sowie hohen lokalen Intensitätsdynamiken aus. Die Anforderungen an das Messsystem sind dabei eine moderate spektrale und lokale Auflösung, kombiniert mit einer möglichst hohen zeitlichen Auflösung. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit eine Infrarot-Hyperspektralkamera auf Basis von zirkular variablen Verlaufsfiltern entwickelt. Dazu wird das Messsystem konzipiert, realisiert und eine geeignete Prozedur zur Auswertung der Messdaten vorgestellt. Die Qualität der Messdaten wird im Anschluss anhand von Vergleichsmessungen eines thermischen Kalibrierstrahlers bei unterschiedlichen Temperaturen gezeigt. Als Beispielanwendung wird die Messung eines pyrotechnisches Wirksatzes vorgestellt und dessen gemessene Spektraldaten mit den Ergebnissen von kommerziell erhältlichen Messsystemen verglichen. Als Fazit zeigt sich, dass die entwickelte Hyperspektralkamera auf Basis von zirkular variablen Filtern sehr gut zur Messung von Abgasstrahlen energetischer Feststoffe geeignet ist und die bereits vorhandenen Messmittel sinnvoll ergänzt
Theoretische Betrachtung des Glasschmelzprozesses in Glasschmelzöfen
Full text linkDie vorliegende Arbeit beinhaltet die theoretische Betrachtung des Glasschmelzprozesses in Glasschmelzöfen und die Darstellung von fünf Bewertungsprinzipien zur qualitativen Bewertung von Glasschmelztechnologien für die Abschmelz-, Restquarz- und Läuterzone. Es konnte gezeigt werden, dass zum verbesserten Einschmelzen des Gemenges nicht nur der Energieeintrag, sondern auch der Abtransport der neu entstehenden Schmelze intensiviert werden muss. Bei der qualitativen Bewertung und der Auswahl von Schmelztechnologien zur Beschleunigung der Restquarzlösung wurde dargestellt, dass der Einfluss der Schmelztechnologie auf das Verweilzeitverhalten und damit rückwirkend auf die Effizienz der Restquarzlösezone bei der Vorauswahl von Schmelztechnologien berücksichtigt werden muss. Für die Läuterzone wurde nachgewiesen, dass zwei teils in der Literatur diskutierte Bewertungsprinzipien zur Läuterung von Glasschmelzen abzulehnen sind bzw. zu überschätzten Aussagen zur Effizienz von Läutertechnologien führen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass für den theoretischen Fall einer Läuterbank ohne Konvektionsströmungen die Blasenwachstumsgeschwindigkeiten für Konstruktionen mit minimalen Kosten im Bereich von 4-12*10-7 m/s mit möglichen Ausreißern zu 5*10-6 m/s bei Massengläsern liegen sollten
Ein Beitrag zur Entwicklung neuartiger keramischer Wärmeübertrager für Rekuperatorbrenner: Ein Beitrag zur Entwicklung neuartiger keramischer Wärmeübertrager für Rekuperatorbrenner
Full text linkDie Effektivität keramischer Wärmeübertrager kann durch eine feinere Strukturierung der Oberflächen gesteigert werden. Dies kann durch die Integration textiler Urformen anstatt der konventionell im Schlickguss hergestellten gröberen Geometrien erfolgen. Für Strukturierungen in Form von wandgebundenen Halbbögen werden die Ergebnisse umfangreicher experimenteller und numerischer Untersuchungen zu den wärmetechnischen und strömungsmechanischen Eigenschaften vorgestellt. Basierend auf den Erkenntnissen der mittels numerischer Simulation durchgeführten Parameterstudie werden verschiedene Empfehlungen für eine optimierte Anordnung der Halbbögen gegeben, um das Verhältnis von Wärmeübergang zur Druckverlust zu verbessern. Die experimentellen Ergebnisse belegen die Richtigkeit der gewählten Randbedingungen und Vereinfachungen im numerischen Modell. Des Weiteren wurden die Strömungsstrukturen mit laserdiagnostischen Messmethoden umfangreich charakterisiert.:0 Verwendete Symbole und Formelzeichen IV
1 Einleitung 1
1.1 Motivation 1
1.2 Lösungsansatz 2
1.3 Zielstellung und Struktur der Arbeit 4
2 Stand der Technik 5
2.1 Vorwort 5
2.2 Kennzahlen zur Charakterisierung von Rekuperatoren und Wärmeüber-trageroberflächen 6
2.3 Strömungszustände und Strömungsprofile 13
2.3.1 Grenzschichten von Strömungen 13
2.3.2 Laminare Strömung zwischen zwei parallelen Platten und im Rechteckkanal 14
2.3.3 Turbulente Strömung zwischen zwei parallelen Platten 15
2.3.4 Kenngrößen, Längen- und Zeitmaße von turbulenten Strömungen 16
2.4 Umströmung von Zylindern und Wärmeübergang an Zylindern 19
2.4.1 Quer angeströmter Zylinder, Wirbelablösung und Kármánsche Wirbelstraße 19
2.4.2 Hufeisenwirbel um einen wandgebundenen Zylinder 25
2.4.3 Zylinder in Wechselwirkung miteinander und Zylinder in Tandempaarung 27
2.4.4 Quer angeströmter Zylinder parallel zu einer Wand 28
2.5 Weitere den Wärmeübergang steigernde Strukturen 29
2.5.1 Rohrbündel 30
2.5.2 Stabrippen – „pin fins“ 31
2.5.3 Zweidimensionale Rippengeometrien 33
2.5.4 Gedrehte Bleche und andere Einbauten in Rohrquerschnitten 36
2.5.5 Turbulatoren 38
2.5.6 Poröse Körper 39
2.5.7 Drähte als wärmeübergangsteigernde Struktur 40
2.6 Wärmeübertrager für Industriegasbrenner 41
3 Numerische und experimentelle Untersuchungen der neuentwickelten Wärmeübertragerstruktur 45
4 Numerische Untersuchungen bezüglich des Strömungsfelds um die Bogenstrukturen 49
4.1 Randbedingungen und Vernetzung der numerischen Simulation 49
4.2 Bemerkungen zum Turbulenzmodell 54
4.3 Validierung des numerischen Modells am leeren Kanal 59
4.4 Ergebnisse für die Grundgeometrie 63
4.5 Parameterstudie zur Anordnung und Anzahl der Bögen 70
4.5.1 Variation der Bogendichte 70
4.5.2 Variation der Anordnung der Bögen zueinander bei konstanter Bogendichte 75
4.5.3 Variation der Kanalhöhe bei konstanten Randbedingungen 78
4.5.4 Variation der Kanalhöhe bei umgekehrten Randbedingungen 80
4.5.5 Variation des Bogendurchmessers D 82
4.5.6 Bemerkung zum Anstellwinkel 83
5 Experimentelle Untersuchungen zum Wärmeübergangskoeffizienten 85
5.1 Versuchsaufbau 85
5.2 Versuchsdurchführung und Auswertung 88
5.3 Vergleich des Versuchsstandes mit Untersuchungen für Spaltströmungen 90
5.4 Referenzmessungen mit metallischen Wärmeübertragerstrukturen 93
5.4.1 Ergebnisse für die Grundgeometrie 93
5.4.2 Variation der Kanalhöhe 96
5.4.3 Variation der Kanalhöhe bei umgekehrten Randbedingungen 97
5.5 Messung mit keramischen Strukturen 98
6 Experimentelle Untersuchungen zum Strömungsverhalten 101
6.1 Versuchsaufbau 101
6.2 PIV-Messungen 104
6.2.1 Allgemeines zum Messprinzip 104
6.2.2 Messaufbau 105
6.2.3 Versuchsergebnisse 106
6.3 LDA-Messungen 111
6.3.1 Allgemeines zum Messprinzip und zur Versuchsdurchführung 111
6.3.2 Validierung des Versuchsstandes 114
6.3.3 Strömungsprofile aus der LDA-Messung 117
6.3.4 Wirbelablösung im Bogennachlauf 130
6.3.5 Skalen der Strömung 144
7 Anwendungsbeispiel: Rekuperatorbrenner 151
7.1 Brennerprototyp und Versuchsdurchführung 151
7.2 Versuchsergebnisse und Auswertung 153
8 Zusammenfassung und Ausblick 157
9 Literaturverzeichnis 161
10 Anhang 173
10.1 Messtechnik des Windkanals 173
10.2 PIV-Messtechnik 175
10.3 LDA-Messtechnik 176
10.4 Versuche mit dem Rekuperatorprototypen 17
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