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We present first results from a newly developed monitoring station for a closed loop geothermal heat pump test installation at our campus, consisting of helix coils and plate heat exchangers, as well as an ice-store system. There are more than 40 temperature sensors and several soil moisture content sensors distributed around the system, allowing a detailed monitoring under different operating conditions.In the view of the modern development of renewable energies along with the newly concepts known as Internet of Things and Industry 4.0 (high-tech strategy from the German government), we created a user-friendly web application, which will connect the things (sensors) with the open network (www). Besides other advantages, this allows a continuous remote monitoring of the data from the numerous sensors at an arbitrary sampling rate.Based on the recorded data, we will also present first results from numerical simulations, taking into account all relevant heat transport processes.The aim is to improve the understanding of these processes and their influence on the thermal behavior of shallow geothermal systems in the unsaturated zone. This will in turn facilitate the prediction of the performance of these systems and therefore yield an improvement in their dimensioning when designing a specific shallow geothermal installation.
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.
Die bei Kohlekraftwerksprozessen entstehenden Rauchgase enthalten einen nicht unerheblichen Teil an Schadgaskomponenten (z.B. Stickoxide), die aus dem Gasstrom entfernt werden müssen. 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 homogenen und heterogen-katalytischen Schadstoffreduktion heißer Rauchgase bei Temperaturen bis zu 900 °C. Für die Erforschung der Minderungspotentiale geeigneter, auf Distickstoffoxid reduzierend wirkender Additive, wie Wasserstoffperoxid, oder auch Katalysatoren, befindet sich ein Reaktor in Betrieb, der eine Untersuchung der Reaktionskinetik bei der Entfernung von Schadgaskomponenten aus einem lnertgasstrom ermöglicht. Wesentlich für den Erfolg der Forschungsarbeit ist eine auf das spezielle Projekt genau abgestimmte Meß- und Regelungstechnik. Neben der Auswahl geeigneter Hardwarekomponenten ist auch die Softwareentwicklung unter einer leistungsstarken und zuverlässigen Programmierumgebung von großer Bedeutung. Hierbei dient die unter LabVIEW 5.01 entwickelte Datenerfassung- und Auswertesoftware zum einen der Messung, Visualisierung und Regelung der relevanten Temperaturen, Drücke, Konzentrationen und Volumenströme einzelner Gaskomponenten. Zum anderen ermöglicht sie parallel eine numerische Simulation der Vorgänge innerhalb des Reaktors zur Anpassung reaktionskinetischer Parameter aus den sich ergebenden Versuchsdaten durch Lösung eindimensionaler, stationärer Erhaltungsgleichungen.
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).
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.
Im Rahmen des Forschungsschwerpunkts 3 wurde experimentell und theoretisch die NO{sub x}-Bildung und -Reduktion bei der Druckkohlenstaubverbrennung untersucht. Der zuvor beschriebene Einfluss der Kohlemahlung auf die Flamme konnte auch anhand der NO{sub x}-Messungen an der DKSF-Anlage Aachen bestaetigt werden. Waehrend mit Braunkohle im Staubfeuerungsbetrieb noch keine eindeutige Druckabhaengigkeit nachgewiesen werden konnte, haben vom Lehrstuhl durchgefuehrte NO{sub x}-Messungen an der DKSF-Anlage Dorsten im Schmelzkammerfeuerungsbetrieb mit der Steinkohle Spitzbergen zwischen 9 und 13 bar ein Absinken der Stickoxidkonzentrationen mit steigendem Druck ergeben. Fuer die rheinische Braunkohle soll dieser Druckeinfluss in den naechsten Versuchsfahrten ausfuehrlicher untersucht werden. Es wurde anhand von numerischen Simulationen zu einer Braunkohleflamme der 6. Versuchsfahrt ein Vergleich zwischen der NO{sub x}-Modellierung im Standard-FLUENT-Code und in dem mit User Defined Subroutines der international flame research foundation (IFRF), Ijmuiden, erweiterten FLUENT-Code vorgenommen. Es zeigte sich, dass bei der Modellierung der Stickoxidbildung die unterschiedlich vorhergesagten Flammentemperaturen eine entscheidende Rolle spielen. Eine genauere Analyse der NO{sub x}-Modelle im Vergleich zu Messergebnissen ist bei einer Schmelzkammerfeuerung mit einer stabilen Flamme vorzunehmen. Es wurden zusaetzlich Messungen zur Untersuchung der Kinetik homogener Gasphasenreaktionen in Rauchgasen an einem Stahlreaktor durchgefuehrt. Dabei wurde sowohl der thermisch bedingte als auch der durch zudosierte Additive katalysierte Abbau nitroser Komponenten betrachtet. Vergleichend wurden mit einem am Lehrstuhl entwickelten Programm die Kinetik beschrieben. Hierbei wird mit einer Sensitivitaetsanalyse eine Reduzierung der detaillierten Darstellung der Reaktionskinetik erreicht, die es erlaubt, mit einem CFD-Code wie FLUENT zwei- und dreidimensionale Rechnungen zum Abbau verschiedener Rauchgaskomponenten durchzufuehren. Die Uebereinstimmung zwischen ein- und zweidimensionalen Rechnungen und den Messungen ist gut.
Zwangsbelüftete Nasskühltürme haben im Gegensatz zur Trockenkühlung bei naßkaltem Wetter Nebelschwaden zur Folge. Dagegen ist bei Naßkühlung die spezifische Kühlleistung durch abgeführte Kondensationswärme höher als bei der Trockenkühlung. Hybridzellenkühltürme kombinieren beide Methoden, so daß ein Mischstrom beider Abluftströme die Wasserdampf-Sättigungsgrenze nicht überschreitet. Durch das Mischungsverhältnis kann man den gewünschten Sättigungsgrad einstellen. Je dichter dieser an der Sättigungsgrenze liegt, desto höher ist die Kühlleistung. Der von unten zugeführte Luftstrom der Naßkühlung und der seitlich zugeführte trockene Abluftstrom müssen sehr gut durchmischt werden, um über den gesamten Austrittsquerschnitt des Kühlturms die Sättigungsgrenze nicht zu überschreiten. In einem maßstabsgerechten Modell wurde der Mischungsgrad mit und ohne Einbauten untersucht. Über ein Raster von 10 mal 10 Punkten wurde die örtliche Temperaturverteilung ermittelt. Wärmebilanzen ergeben dann die Mischungsgüte in einer Ebene oberhalb der Zellenkrone. Während ohne Mischeinbauten der Trockenluftanteil in der Mitte des Querschnitts bei unter 15 % liegt erhöhen Einbauten den Trockenluftanteil auf 30 % bis über 40 %. Dabei wurde die Trockenluft auf jeder Kühlturmseite durch 4 konisch zulaufende, unten offene und oben geschlitzte Einbauten kanalisiert. Die Nassluft wurde durch eine im Querschnitt dreieckige Rinne in Richtung der Trockenluftauslässe umgelenkt. Im Raster leicht zu lokalisierende Abweichungen vom gewünschten Mittelwert zeigen Potential für die weitere Verbesserung der Einbauten.
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.
Das Forschungsvorhaben Optiox beschäftigt sich mit der Optimierung eines Belüftungsbeckens zur Rauchgasentschwefelung fossil befeuerter Kraftwerke mittels Seewasser. Unter Neutralisierung der entstehenden Hydroniumionen (H3O+) durch die natürliche Alkalität des Seewassers dissoziiert Schwefeldioxid aus dem Rauchgase im vorgeschalteten Absorber beim Phasenübergang von der Gas- in die Flüssigphase zu Sulfiten. Im Belüftungsbecken werden diese Sulfite mittels eingeblasener Luft zu Sulfaten oxidiert, was zu einer geringen Erhöhung der Sulfatfracht vor Einleitung ins Meer führt, die unterhalb der natürlichen Schwankungen liegt. Daneben dient das Belüftungsbecken der Konditionierung des Seewassers hinsichtlich pH-Wert und Sauerstoffgehalt und ist mit hoch effizienten Belüftern ausgestattet, deren Spezifikation den jeweiligen Randbedingungen, wie Abscheideleistung des Absorbers, Beckengeometrie sowie lokalen Gegebenheiten angepasst wird.
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
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.
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.
The worldwide Corona pandemic has severely restricted student projects in the higher semesters of engineering courses. In order not to delay the graduation, a new concept had to be developed for projects under lockdown conditions. Therefore, unused rooms at the university should be digitally recorded in order to develop a new usage concept as laboratory rooms. An inventory of the actual state of the rooms was done first by taking photos and listing up all flaws and peculiarities. After that, a digital site measuring was done with a 360° laser scanner and these recorded scans were linked to a coherent point cloud and transferred to a software for planning technical building services and supporting Building Information Modelling (BIM). In order to better illustrate the difference between the actual and target state, two virtual reality models were created for realistic demonstration. During the project, the students had to go through the entire digital planning phases. Technical specifications had to be complied with, as well as documentation, time planning and cost estimate. This project turned out to be an excellent alternative to on-site practical training under lockdown conditions and increased the students’ motivation to deal with complex technical questions.
Im Hinblick auf die Klimaziele der Bundesrepublik Deutschland konzentriert sich das Projekt Diggi Twin auf die nachhaltige Gebäudeoptimierung. Grundlage für eine ganzheitliche Gebäudeüberwachung und -optimierung bildet dabei die Digitalisierung und Automation im Sinne eines Smart Buildings. Das interdisziplinäre Projekt der FH Aachen hat das Ziel, ein bestehendes Hochschulgebäude und einen Neubau an klimaneutrale Standards anzupassen. Im Rahmen des Projekts werden bekannte Verfahren, wie das Building Information Modeling (BIM), so erweitert, dass ein digitaler Gebäudezwilling entsteht. Dieser kann zur Optimierung des Gebäudebetriebs herangezogen werden, sowie als Basis für eine Erweiterung des Bewertungssystems Nachhaltiges Bauen (BNB) dienen. Mithilfe von Sensortechnologie und künstlicher Intelligenz kann so ein präzises Monitoring wichtiger Gebäudedaten erfolgen, um ungenutzte Energieeinsparpotenziale zu erkennen und zu nutzen. Das Projekt erforscht und setzt methodische Erkenntnisse zu BIM und digitalen Gebäudezwillingen praxisnah um, indem es spezifische Fragen zur Energie- und Ressourceneffizienz von Gebäuden untersucht und konkrete Lösungen für die Gebäudeoptimierung entwickelt.
Even though BIM (Building Information Modelling) is successfully implemented in most of the world, it is still in the early stages in Germany, since the stakeholders are sceptical of its reliability and efficiency. The purpose of this paper is to analyse the opportunities and obstacles to implementing BIM for prefabrication. Among all other advantages of BIM, prefabrication is chosen for this paper because it plays a vital role in creating an impact on the time and cost factors of a construction project. The project stakeholders and participants can explicitly observe the positive impact of prefabrication, which enables the breakthrough of the scepticism factor among the small-scale construction companies. The analysis consists of the development of a process workflow for implementing prefabrication in building construction followed by a practical approach, which was executed with two case studies. It was planned in such a way that, the first case study gives a first-hand experience for the workers at the site on the BIM model so that they can make much use of the created BIM model, which is a better representation compared to the traditional 2D plan. The main aim of the first case study is to create a belief in the implementation of BIM Models, which was succeeded by the execution of offshore prefabrication in the second case study. Based on the case studies, the time analysis was made and it is inferred that the implementation of BIM for prefabrication can reduce construction time, ensures minimal wastes, better accuracy, less problem-solving at the construction site. It was observed that this process requires more planning time, better communication between different disciplines, which was the major obstacle for successful implementation. This paper was carried out from the perspective of small and medium-sized mechanical contracting companies for the private building sector in Germany.