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Die Versorgung von Neubauten soll möglichst weitgehend unabhängig von fossilen Energieträgern erfolgen. Erneuerbare Energien spielen dafür eine gewichtige Rolle. Eine gute Möglichkeit, erneuerbare Energien ohne viel zusätzlichen Aufwand nutzbar zu machen, ist, bereits vorhandenen Komponenten im Gebäude zusätzliche Funktionen zu geben. Hier kann bspw. die Fassade oder das Dach solarthermisch aktiviert oder durch Fotovoltaikmodule ergänzt werden. Auch Tiefgründungen können neben der statischen Funktion noch eine geothermische Funktion zur Aufnahme oder Abgabe von Wärme erhalten. Neben der Erzeugung bietet sich auch für die Verteilung der Wärme oder Kälte im Gebäude die Integration in Bauteile an. Hier kann bspw. der Boden durch eine Fußbodenheizung oder die Decke durch Deckenstrahlplatten aktiviert werden.
Im Rahmen der Veröffentlichung wird auf die thermische Aktivierung von Stahlkomponenten eingegangen. Es wird eine Lösung vorgestellt, die vorgehängte hinterlüftete Stahlfassade (VHF) solarthermisch zu aktivieren. Außerdem werden zwei Möglichkeiten zur geothermischen Aktivierung von Tiefgründungen mittels Stahlpfählen gezeigt. Zuletzt wird ein System zur thermischen Aktivierung von Stahltrapezprofilen an der Decke erläutert, welches Wärme zuführen oder bei Bedarf abführen kann.
Im Projekt Coolplan‐ AIR geht es um die Fortentwicklung und Feld‐ Validierung eines Berechnungs‐ und Auslegungstools zur energieeffizienten Kühlung von Gebäuden mit luftgestützten Systemen. Neben dem Aufbau und der Weiterentwicklung von Simulationsmodellen erfolgen Vermessungen der Gesamtsysteme anhand von Praxisanlagen im Feld. Eine der betrachteten Anlagen arbeitet mit indirekter Verdunstung. Diese Veröffentlichung zeigt den Entwicklungsprozess und den Aufbau des Simulationsmodells zur Verdunstungskühlung in der Simulationsumgebung Matlab‐ Simulink mit der CARNOT‐ Toolbox. Das besondere Augenmerk liegt dabei auf dem physikalischen Modell des Wärmeübertragers, in dem die Verdunstung implementiert ist. Dem neuen Modellansatz liegt die Annahme einer aus der Enthalpie‐ Betrachtung hergeleiteten effektiven Wärmekapazität zugrunde. Des Weiteren wird der Befeuchtungsgrad als konstant angesehen und eine standardisierte Zunahme der Wärmeübertragung des feuchten gegenüber dem trockenen Wärmeübertrager angenommen. Die Validierung des Modells erfolgte anhand von Literaturdaten. Für den trockenen Wärmetauscher ist der maximale absolute Fehler der berechneten Austrittstemperatur (Zuluft) kleiner als ±0.1 K und für den nassen Wärmetauscher (Kühlfall) unter der Annahme eines konstanten Verdunstungsgrades kleiner als ±0.4 K.
Previous studies optimized the dimensions of coaxial heat exchangers using constant mass fow rates as a boundary condition. They show a thermal optimal circular ring width of nearly zero. Hydraulically optimal is an inner to outer pipe radius ratio of 0.65 for turbulent and 0.68 for laminar fow types. In contrast, in this study, fow conditions in the circular ring are kept constant (a set of fxed Reynolds numbers) during optimization. This approach ensures fxed fow conditions and prevents inappropriately high or low mass fow rates. The optimization is carried out for three objectives: Maximum energy gain, minimum hydraulic efort and eventually optimum net-exergy balance. The optimization changes the inner pipe radius and mass fow rate but not the Reynolds number of the circular ring. The thermal calculations base on Hellström’s borehole resistance and the hydraulic optimization on individually calculated linear loss of head coefcients. Increasing the inner pipe radius results in decreased hydraulic losses in the inner pipe but increased losses in the circular ring. The net-exergy diference is a key performance indicator and combines thermal and hydraulic calculations. It is the difference between thermal exergy fux and hydraulic efort. The Reynolds number in the circular ring is instead of the mass fow rate constant during all optimizations. The result from a thermal perspective is an optimal width of the circular ring of nearly zero. The hydraulically optimal inner pipe radius is 54% of the outer pipe radius for laminar fow and 60% for turbulent fow scenarios. Net-exergetic optimization shows a predominant infuence of hydraulic losses, especially for small temperature gains. The exact result depends on the earth’s thermal properties and the fow type. Conclusively, coaxial geothermal probes’ design should focus on the hydraulic optimum and take the thermal optimum as a secondary criterion due to the dominating hydraulics.
The optical performance of a 2-axis solar concentrator was simulated with the COMSOL Multiphysics® software. The concentrator consists of a mirror array, which was created using the application builder. The mirror facets are preconfigured to form a focal point. During tracking all mirrors are moved simultaneously in a coupled mode by 2 motors in two axes, in order to keep the system in focus with the moving sun. Optical errors on each reflecting surface were implemented in combination with the solar angular cone of ± 4.65 mrad. As a result, the intercept factor of solar radiation that is available to the receiver was calculated as a function of the transversal and longitudinal angles of incidence. In addition, the intensity distribution on the receiver plane was calculated as a function of the incidence angles.
The Lehrstuhl für Wärmeübertragung und Klimatechnik at the Aachen University of Technology operates several test facilities to investigate fundamentals of heat and mass transfer supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft, the Minister für Forschung und Technologie and the industry. In order to get high-resolution and reproselection of hardware components is as critical as the design of software routines to perform successful and accurate measurements. In the following the development of the measurement and control system for three different test facilities is presented and discussed. Special attention is given to the education of students within the framework of laboratories and scientific experiments.
Modenfilter als Schalldämpfer für axiale Turbomaschinen : Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes
(1992)
Concentrated Solar Power (CSP) systems are able to store energy cost-effectively in their integrated thermal energy storage (TES). By intelligently combining Photovoltaics (PV) systems with CSP, a further cost reduction of solar power plants is expected, as well as an increase in dispatchability and flexibility of power generation. PV-powered Resistance Heaters (RH) can be deployed to raise the temperature of the molten salt hot storage from 385 °C up to 565 °C in a Parabolic Trough Collector (PTC) plant. To avoid freezing and decomposition of molten salt, the temperature distribution in the electrical resistance heater is investigated in the present study. For this purpose, a RH has been modeled and CFD simulations have been performed. The simulation results show that the hottest regions occur on the electric rod surface behind the last baffle. A technical optimization was performed by adjusting three parameters: Shell-baffle clearance, electric rod-baffle clearance and number of baffles. After the technical optimization was carried out, the temperature difference between the maximum temperature and the average outlet temperature of the salt is within the acceptable limits, thus critical salt decomposition has been avoided. Additionally, the CFD simulations results were analyzed and compared with results obtained with a one-dimensional model in Modelica.
Modeling and upscaling of a pilot bayonettube reactor for indirect solar mixed methane reforming
(2020)
A 16.77 kW thermal power bayonet-tube reactor for the mixed reforming of methane using solar energy has been designed and modeled. A test bench for the experimental tests has been installed at the Synlight facility in Juelich, Germany and has just been commissioned. This paper presents the solar-heated reactor design for a combined steam and dry reforming as well as a scaled-up process simulation of a solar reforming plant for methanol production. Solar power towers are capable of providing large amounts of heat to drive high-endothermic reactions, and their integration with thermochemical processes shows a promising future. In the designed bayonet-tube reactor, the conventional burner arrangement for the combustion of natural gas has been substituted by a continuous 930 °C hot air stream, provided by means of a solar heated air receiver, a ceramic thermal storage and an auxiliary firing system. Inside the solar-heated reactor, the heat is transferred by means of convective mechanism mainly; instead of radiation mechanism as typically prevailing in fossil-based industrial reforming processes. A scaled-up solar reforming plant of 50.5 MWth was designed and simulated in Dymola® and AspenPlus®. In comparison to a fossil-based industrial reforming process of the same thermal capacity, a solar reforming plant with thermal storage promises a reduction up to 57 % of annual natural gas consumption in regions with annual DNI-value of 2349 kWh/m2. The benchmark solar reforming plant contributes to a CO2 avoidance of approx. 79 kilotons per year. This facility can produce a nominal output of 734.4 t of synthesis gas and out of this 530 t of methanol a day.
Despite the challenges of pioneering molten salt towers (MST), it remains the leading technology in central receiver power plants today, thanks to cost effective storage integration and high cost reduction potential. The limited controllability in volatile solar conditions can cause significant losses, which are difficult to estimate without comprehensive modeling [1]. This paper presents a Methodology to generate predictions of the dynamic behavior of the receiver system as part of an operating assistance system (OAS). Based on this, it delivers proposals if and when to drain and refill the receiver during a cloudy period in order maximize the net yield and quantifies the amount of net electricity gained by this. After prior analysis with a detailed dynamic two-phase model of the entire receiver system, two different reduced modeling approaches where developed and implemented in the OAS. A tailored decision algorithm utilizes both models to deliver the desired predictions efficiently and with appropriate accuracy.
Urban farming is an innovative and sustainable way of food production and is becoming more and more important in smart city and quarter concepts. It also enables the production of certain foods in places where they usually dare not produced, such as production of fish or shrimps in large cities far away from the coast. Unfortunately, it is not always possible to show students such concepts and systems in real life as part of courses: visits of such industry plants are sometimes not possible because of distance or are permitted by the operator for hygienic reasons. In order to give the students the opportunity of getting into contact with such an urban farming system and its complex operation, an industrial urban farming plant was set up on a significantly smaller scale. Therefore, all needed technical components like water aeriation, biological and mechanical filtration or water circulation have been replaced either by aquarium components or by self-designed parts also using a 3D-printer. Students from different courses like mechanical engineering, smart building engineering, biology, electrical engineering, automation technology and civil engineering were involved in this project. This “miniature industrial plant” was also able to start operation and has now been running for two years successfully. Due to Corona pandemic, home office and remote online lectures, the automation of this miniature plant should be brought to a higher level in future for providing a good control over the system and water quality remotely. The aim of giving the student a chance to get to know the operation of an urban farming plant was very well achieved and the students had lots of fun in “playing” and learning with it in a realistic way.
Im Rahmen von Forschungsvorhaben des BMBF und verschiedener Industriepartner betreibt der Lehrstuhl für Wärmeübertragung und Klimatechnik der RWTH Aachen Pilotanlagen und Prüfstände für Untersuchungen auf dem Gebiet der Heißgasfiltration mit keramischen Filterelementen. Als wesentlicher Garant für den Erfolg der Forschungsarbeit muß die auf das jeweilige Projekt genau abgestimmte Meß- und Regelungstechnik angesehen werden. Hierbei zählt neben der Auswahl geeigneter Hardwarekomponenten auch die Softwareentwicklung unter einer leistungsstarken und zuverlässigen Programmierumgebung. Anhand des Aufbaus dreier Versuchsanlagen im Technikumsmaßstab soll das Anforderungsprofil an die Meßtechnik bis hin zur Umsetzung innerhalb der Anlage skizziert werden. Der Heißgasfiltrationsprüfstand im Heizkraftwerk der RWTH Aachen dient der Beobachtung des Reinigungsverhaltens keramischer Filterelemente bei der Heißgasentstaubung im Temperaturbereich bis 850 Grad C. Wesentlich für die Meßwerterfassung ist hierbei die Kopplung eines Orion-Datenloggers der Firma Schlumberger mit LabView 4.0. Im Hochtemperaturofen des Lehrstuhls werden instationäre Druckmessungen an einer keramischen Filterkerze während eines Abreinigungsimpulses bei 950 Grad C mit hoher Samplingrate durchgeführt. Hierbei übernimmt eine durch LabView 4.0 angesteuerte E-Series Karte der Firma National Instruments die Signalaufnahme. Die katalytische Schadstoffreduktion und Entstaubung heißer Rauchgase bei 900 Grad C sind Ziele der Untersuchungen in einer erstellten Versuchsanlage mit einem Quarzglasreaktor. Die Signalerfassung und -konditionierung erfolgt über SCXI in Verbindung mit LabView 4.0, die Steuerung der Anlage übernehmen zwei Multifunktionskarten (National Instruments).
Zur Kühlung von Abwärmeströmen aus Kraftwerksprozessen werden in zunehmenden Maße Hybridzellenkühltürme mit Zwangskonvektion eingesetzt, deren wesentlicher Vorteil ihre geringe Bauhöhe ist. Um bei derartigen Kühltürmen eine Sichtbehinderung oder Glatteisgefährdung durch bodennahen Nebel zu vermeiden, muss durch eine optimale Vermischung des Trocken- und Naßluftanteils gewährleistet sein, daß aus der Kühlturmkrone keine Nebelschwaden austreten. In Zusammenarbeit mit der Industrie betreibt der Lehrstuhl für Wärmeübertragung und Klimatechnik der RWTH Aachen einen Versuchsstand zur Erfassung der Mischungsgüte in Hybridzellenkühltürmen. In maßstabsgerechter Nachbildung können dabei am Modell alle relevanten Einflußgrößen wie Kühlturmgeometrie, Gestaltung zusätzlicher Mischeinbauten sowie die Betriebsparameter variiert werden. Mit Hilfe einer unter LabView 5.01 erstellten Software werden sowohl die l3etriebszustüncle online überwacht, als auch die benötigten Meßwerte zur Bestimmung der Mischungsgüte erfaßt. Über die grafische Oberfläche können sämtliche Meßoptionen gesteuert sowie alle Meßdaten visualisiert und kontrolliert werden. In das LabView-Programm sind darüber hinaus Routinen zur Auswertung der Daten implementiert worden, die sowohl eine direkte Darstellung der Ergebnisse in Form von Diagrammen ermöglichen, als auch zur Weiterverarbeitung einen Datenexport in eine Microsoft- Excel-Tabelle vorsehen.
Mass transfer correlation for evaporation–condensation thermal process in the range of 70 °C–95 °C
(2013)
Mit dem Beitrag des Teams der FH Aachen zum SDE 21/22 wird im Projekt LOCAL+ ein kreislauffähiger Holzmodulbau mit einem innovativen Wohnraumkonzept geplant und umgesetzt. Ziel dieses Konzeptes ist die Verringerung des stetig steigenden Wohnflächenbedarfs durch ein Raum-in-Raum Konzept. Gebäudetechnisch wird in dem Projekt nicht nur das Einzelgebäude betrachtet, sondern unter Berücksichtigung des Gebäudebestandes wird für das Quartier ein innovatives und nachhaltiges Energiekonzept entwickelt. Ein zentrales Wasserstoffsystem ist für ein Quartier geplant, um den Stromverbrauch aus dem Netz im Winter zu reduzieren. Zentraler Bestandteil des TGA-Konzepts ist ein unterirdischer Eisspeicher, eine PVT und eine Wärmepumpe mit intelligenter Regelstrategie. Ein Teil des neuen Gebäudes (Design Challenge DC) wird in Wuppertal als Hausdemonstrationseinheit (HDU) präsentiert. Eine hygrothermische Simulation der HDU wurde mit der WUFI-Software durchgeführt. Da im Innenraum Lehmmodule und -platten als Feuchtigkeitspuffer verwendet werden, spielen die Themen Feuchtigkeit, Holzfäule und Schimmelwachstum eine wichtige Rolle.
LACASA - ein Instrument zur energetischen Analyse und Optimierung von Gebäuden mit Anlagentechnik
(2004)
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung im Leistungsbereich in 10kW mit periodisch arbeitender Sorptionsmaschine
(2009)
Koaxiale Stahlenergiepfähle
(2021)
Ein entscheidender Teil der Energiewende ist die Wärmewende im Gebäudesektor. Ein Schlüsselelement sind hier Wärmepumpen. Diese benötigen eine Wärmequelle, der sie Energie entziehen können, um sie auf ein höheres Temperaturniveau zu transformieren. Diese Wärmequelle kann bspw. das Erdreich sein, dessen Wärme durch Erdsonden erschlossen werden kann. In diesem Beitrag werden in Stahlpfähle integrierte Koaxialsonden mit dem Stand der Technik von Erdsonden gleichen Durchmessers bezüglich ihrer thermischen Leistungsmerkmale verglichen. Die Stahlenergiepfähle bieten neben der Wärmegewinnung weitere Vorteile, da sie auch eine statische Funktion übernehmen und rückstandsfrei zurückgebaut werden können. Es werden analytische und numerische Berechnungen vorgestellt, um die thermischen Potenziale beider Systeme zu vergleichen. Außerdem wird ein Testaufbau gezeigt, bei dem Stahlenergiepfähle in zwei verschiedenen Längen mit vorhandenen gängigen Erdsonden verglichen werden können. Die Berechnungen zeigen einen deutlichen thermischen Mehrertrag zwischen 26 % und 148 % der Stahlenergiepfähle gegenüber dem Stand der Technik abhängig vom Erdreich. Die Messergebnisse zeigen einen thermischen Mehrertrag von über 100 %. Es lässt sich also signifikante Erdsondenlänge einsparen. Dabei ist zu beachten, dass sich damit der thermisch genutzte Bereich des Erdreichs reduziert, wodurch die thermische Regeneration und/oder das Langzeitverhalten des Erdreichs an Bedeutung gewinnt.
New materials often lead to innovations and advantages in technical applications. This also applies to the particle receiver proposed in this work that deploys high-temperature and scratch resistant transparent ceramics. With this receiver design, particles are heated through direct-contact concentrated solar irradiance while flowing downwards through tubular transparent ceramics from top to bottom. In this paper, the developed particle receiver as well as advantages and disadvantages are described. Investigations on the particle heat-up characteristics from solar irradiance were carried out with DEM simulations which indicate that particle temperatures can reach up to 1200 K. Additionally, a simulation model was set up for investigating the dynamic behavior. A test receiver at laboratory scale has been designed and is currently being built. In upcoming tests, the receiver test rig will be used to validate the simulation results. The design and the measurement equipment is described in this work.
In the context of the Corona pandemic and its impact on teaching like digital lectures and exercises a new concept especially for freshmen in demanding courses of Smart Building Engineering became necessary. As there were hardly any face-to-face events at the university, the new teaching concept should enable a good start into engineering studies under pandemic conditions anyway and should also replace the written exam at the end. The students should become active themselves in small teams instead of listening passively to a lecture broadcast online with almost no personal contact. For this purpose, a role play was developed in which the freshmen had to work out a complete solution to the realistic problem of designing, construction planning and implementing a small guesthouse. Each student of the team had to take a certain role like architect, site manager, BIM-manager, electrician and the technitian for HVAC installations. Technical specifications must be complied with, as well as documentation, time planning and cost estimate. The final project folder had to contain technical documents like circuit diagrams for electrical components, circuit diagrams for water and heating, design calculations and components lists. On the other hand construction schedule, construction implementation plan, documentation of the construction progress and minutes of meetings between the various trades had to be submitted as well. In addition to the project folder, a model of the construction project must also be created either as a handmade model or as a digital 3D-model using Computer-aided design (CAD) software. The first steps in the field of Building information modelling (BIM) had also been taken by creating a digital model of the building showing the current planning status in real time as a digital twin. This project turned out to be an excellent training of important student competencies like teamwork, communication skills, and self -organisation and also increased motivation to work on complex technical questions. The aim of giving the student a first impression on the challenges and solutions in building projects with many different technical trades and their points of view was very well achieved and should be continued in the future.
INNOTRAP - innovative Rußfilter für LKW-Dieselmotoren : Abschlussbericht Förderkennzeichen 16IN0313
(2009)
Improved efficiency prediction of a molten salt receiver based on dynamic cloud passage simulation
(2019)
Concerning current efforts to improve operational efficiency and to lower overall costs of concentrating solar power (CSP) plants with prediction-based algorithms, this study investigates the quality and uncertainty of nowcasting data regarding the implications for process predictions. DNI (direct normal irradiation) maps from an all-sky imager-based nowcasting system are applied to a dynamic prediction model coupled with ray tracing. The results underline the need for high-resolution DNI maps in order to predict net yield and receiver outlet temperature realistically. Furthermore, based on a statistical uncertainty analysis, a correlation is developed, which allows for predicting the uncertainty of the net power prediction based on the corresponding DNI forecast uncertainty. However, the study reveals significant prediction errors and the demand for further improvement in the accuracy at which local shadings are forecasted.
Ceramic hot gas filters are widely used in combined cycles based on pressurised fluidised beds. They fulfil most of the demands with respect to cleaning efficiency and long time durability, but their operation regarding the consumption of pulse gas and energy still has to be optimised. Experimental investigations were carried out to measure the flow field, the pressure and the gas temperature inside the filter candle during pulse jet cleaning. These results are compared with the results of a numerical procedure based on a solution of the two - dimensional conservation equations for momentum and energy. The observed difficulties handling different flow regimes like highly turbulent flow as well as Darcy flow simultaneously are discussed.
This paper describes the modeling of a high-temperature storage system for an existing solar tower power plant with open volumetric receiver technology, which uses air as heat transfer medium (HTF). The storage system model has been developed in the simulation environment Matlab/Simulink®. The storage type under investigation is a packed bed thermal energy storage system which has the characteristics of a regenerator. Thermal energy can be stored and discharged as required via the HTF air. The air mass flow distribution is controlled by valves, and the mass flow by two blowers. The thermal storage operation strategy has a direct and significant impact on the energetic and economic efficiency of the solar tower power plants.
Solar thermal concentrated power is an emerging technology that provides clean electricity for the growing energy market. To the solar thermal concentrated power plant systems belong the parabolic trough, the Fresnel collector, the solar dish, and the central receiver system.
For high-concentration solar collector systems, optical and thermal analysis is essential. There exist a number of measurement techniques and systems for the optical and thermal characterization of the efficiency of solar thermal concentrated systems.
For each system, structure, components, and specific characteristics types are described. The chapter presents additionally an outline for the calculation of system performance and operation and maintenance topics. One main focus is set to the models of components and their construction details as well as different types on the market. In the later part of this chapter, different criteria for the choice of technology are analyzed in detail.
Solar thermal concentrated power is an emerging technology that provides clean electricity for the growing energy market. To the solar thermal concentrated power plant systems belong the parabolic trough, the Fresnel collector, the solar dish, and the central receiver system.
For high-concentration solar collector systems, optical and thermal analysis is essential. There exist a number of measurement techniques and systems for the optical and thermal characterization of the efficiency of solar thermal concentrated systems.
For each system, structure, components, and specific characteristics types are described. The chapter presents additionally an outline for the calculation of system performance and operation and maintenance topics. One main focus is set to the models of components and their construction details as well as different types on the market. In the later part of this article, different criteria for the choice of technology are analyzed in detail.
Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke mit Druckwirbelschicht- oder mit Druckvergasungsverfahren ermöglichen die Verstromung von Kohle mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen Emissionen. Eine Voraussetzung für den Betrieb dieser Anlagen ist die Entstaubung der Rauchgase bei hohen Temperaturen und Drücken. Abreinigungsfilter mit keramischen Elementen werden dazu eingesetzt. Eine Reduzierung gasförmiger Schadstoffe unter den gleichen Bedingungen könnte Rauchgaswäsche ersetzen. Ziel des Gesamtvorhabens ist es, die Integration von Heißgasfiltration und katalytischem Abbau der Schadstoffe Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in einen Verfahrensschritt zu untersuchen. Die Arbeitsschwerpunkte dieses Teilvorhabens betreffen:
die katalytische Wirkung eisenhaltiger Braunkohlenaschen,
die Wirksamkeit des Calciumaluminat als Katalysator des Abbaus unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Heißgasfilter,
numerische Simulation der kombinierten Abscheidung von Partikeln und gasförmigen Schadstoffen aus Rauchgasen