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Air–water flows
(2024)
High Froude-number open-channel flows can entrain significant volumes of air, a phenomenon that occurs continuously in spillways, in free-falling jets and in hydraulic jumps, or as localized events, notably at the toe of hydraulic jumps or in plunging jets. Within these flows, turbulence generates millions of bubbles and droplets as well as highly distorted wavy air–water interfaces. This phenomenon is crucial from a design perspective, as it influences the behaviour of high-velocity flows, potentially impairing the safety of dam operations. This review examines recent scientific and engineering progress, highlighting foundational studies and emerging developments. Notable advances have been achieved in the past decades through improved sampling of flows and the development of physics-based models. Current challenges are also identified for instrumentation, numerical modelling and (up)scaling that hinder the formulation of fundamental theories, which are instrumental for improving predictive models, able to offer robust support for the design of large hydraulic structures at prototype scale.
The replacement of existing spillway crests or gates with labyrinth weirs is a proven techno-economical means to increase the discharge capacity when rehabilitating existing structures. However, additional information is needed regarding energy dissipation of such weirs, since due to the folded weir crest, a three-dimensional flow field is generated, yielding more complex overflow and energy dissipation processes. In this study, CFD simulations of labyrinth weirs were conducted 1) to analyze the discharge coefficients for different discharges to compare the Cd values to literature data and 2) to analyze and improve energy dissipation downstream of the structure. All tests were performed for a structure at laboratory scale with a height of approx. P = 30.5 cm, a ratio of the total crest length to the total width of 4.7, a sidewall angle of 10° and a quarter-round weir crest shape. Tested headwater ratios were 0.089 ≤ HT/P ≤ 0.817. For numerical simulations, FLOW-3D Hydro was employed, solving the RANS equations with use of finite-volume method and RNG k-ε turbulence closure. In terms of discharge capacity, results were compared to data from physical model tests performed at the Utah Water Research Laboratory (Utah State University), emphasizing higher discharge coefficients from CFD than from the physical model. For upstream heads, some discrepancy in the range of ± 1 cm between literature, CFD and physical model tests was identified with a discussion regarding differences included in the manuscript. For downstream energy dissipation, variable tailwater depths were considered to analyze the formation and sweep-out of a hydraulic jump. It was found that even for high discharges, relatively low downstream Froude numbers were obtained due to high energy dissipation involved by the three-dimensional flow between the sidewalls. The effects of some additional energy dissipation devices, e.g. baffle blocks or end sills, were also analyzed. End sills were found to be non-effective. However, baffle blocks with different locations may improve energy dissipation downstream of labyrinth weirs.
Non-intrusive measuring techniques have attained a lot of interest in relation to both hydraulic modeling and prototype applications. Complimenting acoustic techniques, significant progress has been made for the development of new optical methods. Computer vision techniques can help to extract new information, e. g. high-resolution velocity and depth data, from videos captured with relatively inexpensive, consumer-grade cameras. Depth cameras are sensors providing information on the distance between the camera and observed features. Currently, sensors with different working principles are available. Stereoscopic systems reference physical image features (passive system) from two perspectives; in order to enhance the number of features and improve the results, a sensor may also estimate the disparity from a detected light to its original projection (active stereo system). In the current study, the RGB-D camera Intel RealSense D435, working on such stereo vision principle, is used in different, typical hydraulic modeling applications. All tests have been conducted at the Utah Water Research Laboratory. This paper will demonstrate the performance and limitations of the RGB-D sensor, installed as a single camera and as camera arrays, applied to 1) detect the free surface for highly turbulent, aerated hydraulic jumps, for free-falling jets and for an energy dissipation basin downstream of a labyrinth weir and 2) to monitor local scours upstream and downstream of a Piano Key Weir. It is intended to share the authors’ experiences with respect to camera settings, calibration, lightning conditions and other requirements in order to promote this useful, easily accessible device. Results will be compared to data from classical instrumentation and the literature. It will be shown that even in difficult application, e. g. the detection of a highly turbulent, fluctuating free-surface, the RGB-D sensor may yield similar accuracy as classical, intrusive probes.
This thesis aims at the presentation and discussion of well-accepted and new
imaging techniques applied to different types of flow in common hydraulic
engineering environments. All studies are conducted in laboratory conditions and
focus on flow depth and velocity measurements. Investigated flows cover a wide
range of complexity, e.g. propagation of waves, dam-break flows, slightly and fully
aerated spillway flows as well as highly turbulent hydraulic jumps.
Newimagingmethods are compared to different types of sensorswhich are frequently
employed in contemporary laboratory studies. This classical instrumentation as well
as the general concept of hydraulic modeling is introduced to give an overview on
experimental methods.
Flow depths are commonly measured by means of ultrasonic sensors, also known as
acoustic displacement sensors. These sensors may provide accurate data with high
sample rates in case of simple flow conditions, e.g. low-turbulent clear water flows.
However, with increasing turbulence, higher uncertainty must be considered.
Moreover, ultrasonic sensors can provide point data only, while the relatively large
acoustic beam footprint may lead to another source of uncertainty in case of
relatively short, highly turbulent surface fluctuations (ripples) or free-surface
air-water flows. Analysis of turbulent length and time scales of surface fluctuations
from point measurements is also difficult. Imaging techniques with different
dimensionality, however, may close this gap. It is shown in this thesis that edge
detection methods (known from computer vision) may be used for two-dimensional
free-surface extraction (i.e. from images taken through transparant sidewalls in
laboratory flumes). Another opportunity in hydraulic laboratory studies comes with
the application of stereo vision. Low-cost RGB-D sensors can be used to gather
instantaneous, three-dimensional free-surface elevations, even in flows with very
high complexity (e.g. aerated hydraulic jumps). It will be shown that the uncertainty
of these methods is of similar order as for classical instruments.
Particle Image Velocimetry (PIV) is a well-accepted and widespread imaging
technique for velocity determination in laboratory conditions. In combination with
high-speed cameras, PIV can give time-resolved velocity fields in 2D/3D or even as
volumetric flow fields. PIV is based on a cross-correlation technique applied to small
subimages of seeded flows. The minimum size of these subimages defines the
maximum spatial resolution of resulting velocity fields. A derivative of PIV for
aerated flows is also available, i.e. the so-called Bubble Image Velocimetry (BIV). This
thesis emphasizes the capacities and limitations of both methods, using relatively
simple setups with halogen and LED illuminations. It will be demonstrated that
PIV/BIV images may also be processed by means of Optical Flow (OF) techniques.
OF is another method originating from the computer vision discipline, based on the
assumption of image brightness conservation within a sequence of images. The
Horn-Schunck approach, which has been first employed to hydraulic engineering
problems in the studies presented herein, yields dense velocity fields, i.e. pixelwise
velocity data. As discussed hereinafter, the accuracy of OF competes well with PIV
for clear-water flows and even improves results (compared to BIV) for aerated flow
conditions. In order to independently benchmark the OF approach, synthetic images
with defined turbulence intensitiy are used.
Computer vision offers new opportunities that may help to improve the
understanding of fluid mechanics and fluid-structure interactions in laboratory
investigations. In prototype environments, it can be employed for obstacle detection
(e.g. identification of potential fish migration corridors) and recognition (e.g. fish
species for monitoring in a fishway) or surface reconstruction (e.g. inspection of
hydraulic structures). It can thus be expected that applications to hydraulic
engineering problems will develop rapidly in near future. Current methods have not
been developed for fluids in motion. Systematic future developments are needed to
improve the results in such difficult conditions.
In der wasserbaulichen Forschung werden neben klassischen Messinstrumenten zunehmend kamerabasierte Verfahren genutzt. Diese erlauben neben der Bestimmung von Fließgeschwindigkeiten auch die Detektion der freien Wasseroberfläche oder zeitliche Vermessung von Kolken. Durch die hohen räumlichen und zeitlichen Auflösungen, welche neueste Kamerasensoren liefern, können neue Erkenntnisse in turbulenten, komplexen Strömungen gewonnen werden. Auch in der Praxis können diese Verfahren mit geringem Aufwand wichtige Daten liefern.
The low-pressure system Bernd involved extreme rainfalls in the Western part of Germany in July 2021,
resulting in major floods, severe damages and a tremendous number of casualties. Such extreme events
are rare and full flood protection can never be ensured with reasonable financial means. But still, this
event must be starting point to reconsider current design concepts. This article aims at sharing some
thoughts on potential hazards, the selection of return periods and remaining risk with the focus on Germany.
Kein Bauvorhaben sollte realisiert werden, ohne dass es auf einer vertraglichen Grundlage zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer fußt. Diese vertragliche Grundlage zu kennen ist essenziell, um dementsprechend handeln zu können. Denn nur wer seine eigenen Rechte und auch Pflichten kennt, kann sich auf diese berufen.
Baumaschinen
(2024)
Durch die Einführung von Building Information Modeling (BIM) sowohl projektspezifisch als auch in ganze Unternehmungen hat die Baubranche einen weitreichenden Veränderungsprozess angestoßen.
Building Information Modeling kann als eine Methode angesehen werden, um die Informationsasymmetrien zwischen den Projektbeteiligten so gering wie möglich zu halten.
Kalkulation
(2024)
Das Kapitel behandelt die Kosten- und Preisermittlung, die Kostenvorgabe und Kostenkontrolle.
Der Angebotspreis wird aufgeschlüsselt in die Einzelkosten der Teilleistungen, die Baustellengemeinkosten, die Allgemeinen Geschäftskosten und einen Zuschlag für Wagnis und Gewinn. Auf der Basis der Angebotskalkulation werden die Vorgaben für die Kostenkontrolle entwickelt.
Schalung und Gerüste
(2024)
Systemschalungen und Systemgerüste haben den Baustellenbetrieb in vielen Bereichen sehr vereinfacht. Dennoch sind Kenntnisse in diesen Feldern für eine erfolgreiche und effektive Bauleitung unverzichtbar. In diesem Kapitel werden Hinweise und Empfehlungen für die Bemessung und Einsatz von Schalungen, Trag- und Arbeitsgerüsten für den Baustellenbetrieb gegeben.
Boden, Baugrube, Verbau
(2024)
Die Lösung den Baugrund betreffender Fragestellungen beginnen i. d. R. mit der Durchführung von Baugrunderkundungen, um alle notwendigen Parameter zu erhalten, die für die Planung und Durchführung von Bauvorhaben notwendig sind. Im Folgenden werden die wichtigsten Erkundungen in Abhängigkeit der erforderlichen Güteklasse der Proben beschrieben und vorgestellt.
n diesem Kapitel werden die Abrechnungsvorschriften wichtiger ATV kurz, aber umfassend zusammengestellt. Einigen Abrechnungsbestimmungen für Einzelleistungen, die keine Nebenleistungen sind ((siehe DIN 18299 und Abschnitt 4 der jeweiligen ATV), sind mit aufgenommen worden; die ATV enthalten jedoch weitergehende Festlegungen über Nebenleistungen und Besondere Leistungen.
Im Anschluss folgen Hinweise zu den Toleranzen im Hochbau sowie im Straßenbau.
Die Arbeitsvorbereitung, als ein wesentliches Aufgabengebiet des Baubetriebswesens, ist von enormer Bedeutung für den Erfolg eines Bauprojektes. Die Arbeitsvorbereitung lässt sich zeitlich sowohl in der Angebotsphase (kalkulationsbegleitende Arbeitsvorbereitung), in der Vorbereitungsphase der Baustelle (von Auftragsvergabe bis Baubeginn) als auch baubegleitend einordnen.
Durch das öffentliche Baurecht werden die Zulässigkeit, die Grenzen, die Ordnung und die Förderung der baulichen Nutzung des Bodens geregelt.
Die Ausschreibung und die Vergabe sind von essenzieller Bedeutung für ein Bauvorhaben und werden deshalb in der HOAI mit zwei Leistungsphasen abgebildet: nämlich mit der Leistungsphase 6 Vorbereitung der Vergabe sowie der Leistungsphase 7 Mitwirkung bei der Vergabe. Im Zuge der Ausschreibung und der Vergabe werden die für den AG anfallenden Kosten festgelegt und bilden somit die letzte größere Stellschraube für Preiseinsparungen.
Bauwirtschaft
(2024)
Die Leistungen der Bauwirtschaft und deren wirtschaftliche Bedeutung in Deutschland werden anhand einer Vielzahl statistischer Daten verdeutlicht. Die im Vergleich zu anderen Wirtschaftsbereichen auftretenden branchenspezifischen Besonderheiten der Bauwirtschaft werden anhand von verschiedenen Kriterien herausgearbeitet. Das Zusammenspiel der einzelnen Akteure des Sektors und die dabei sich ergebenden bzw. zu beachtenden Rechts- und Vertragsgrundlagen werden dargestellt. Aufgrund der meist erheblichen Höhe des eingesetzten Kapitals werden auch notwendige Formen der Risikoabsicherungen und der in der Branche üblichen und teilweise vorgeschriebenen Versicherungsmöglichkeiten angesprochen.
Baustoffe
(2024)
Holzbau
(2021)
Ein neues tragendes, lagenweise aufgebautes Holzbau-Wandsystem und seine ökonomische und statische Entwicklung werden vorgestellt. Randbedingungen wie Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und eine beanspruchungsadaptive Konstruktionsweise sind für diese innovative Bauteilentwicklung von zentraler Bedeutung. Eine wesentliche Herausforderung ist die Herstellung der Verbindung der Lagen untereinander zu einem bauphysikalisch und statisch leistungsfähigen Wandsystem. Die Tragfähigkeit und Steifigkeit verschiedener Verbindungsvarianten wurden ebenso wie die Eigenschaften der Wandelemente analytisch, numerisch und experimentell untersucht.
Am Lehr- und Forschungsgebiet Holzbau der Fachhochschule Aachen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens „Nachhaltige Standardbrücken in Holzbauweise“ Standardtypen für Geh- und Radwegbrücken entwickelt. Die Brücken sind durch konsequente Umsetzungen von Maßnahmen des konstruktiven Holzschutzes für eine Nutzung von mehr als 80~Jahren konzipiert. Innovative Lösungen für Bauteile und Anschlüsse sowie Materialalternativen im Bereich des Belages und der Geländer ermöglichen eine wartungsarme Konstruktion und tragen somit zur Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit bei.
Um den Einsatz der entwickelten Standardbrückentypen in der Praxis zu erleichtern, wurden Leistungsverzeichnisse, Musterstatiken, Musterzeichnungen und umfangreiche Detailkataloge als Unterstützung für Planer und Bauherren erstellt. Damit die Randbedingungen für eine lange Lebensdauer während der Nutzung der Brücke erhalten bleiben, wurden Leitfäden für die Pflege und Wartung sowie für die Brückenprüfung erarbeitet. Der Beitrag gibt Einblicke in das Forschungsvorhaben und seine Resultate.
Die im Zuge einer Betriebsübergabe anstehende Baumaßnahmen am eigenen Büro- und Produktionsgebäude boten ideale Voraussetzung zur Anwendung einer raum-kreierenden Außenhaut. Mit der elementierten, freistehenden Eichenholz-Fassade wurde ein bis dahin weitgehend funktionales Bauwerk substanzschonend und zugleich optisch ansprechender umgestaltet.
Landslides, rock falls or related subaerial and subaqueous mass slides can generate devastating impulse waves in adjacent waterbodies. Such waves can occur in lakes and fjords, or due to glacier calving in bays or at steep ocean coastlines. Infrastructure and residential houses along coastlines of those waterbodies are often situated on low elevation terrain, and are potentially at risk from inundation. Impulse waves, running up a uniform slope and generating an overland flow over an initially dry adjacent horizontal plane, represent a frequently found scenario, which needs to be better understood for disaster planning and mitigation. This study presents a novel set of large-scale flume test focusing on solitary waves propagating over a 1:14.5 slope and breaking onto a horizontal section. Examining the characteristics of overland flow, this study gives, for the first time, insight into the fundamental process of overland flow of a broken solitary wave: its shape and celerity, as well as its momentum when wave breaking has taken place beforehand.
Bei der Entwicklung des Fassadensystems ging es darum die mögliche Dauerhaftigkeit von Holz bei direkter Bewitterung zu maximieren. Gleichzeitig soll gezeigt werden, dass mittels durchdachter Ansätze beim konstruktiven Holzschutz und die Wahl einer geeigneten Holzart langlebige Konstruktionen realisiert werden können.
Das kompakte Nachschlagewerk für den konstruktiven Ingenieurbau wurde für den täglichen Gebrauch auf der Baustelle konzipiert und stellt alle für die rechnerische Nachweisführung und Konstruktion von Bauteilen wichtigsten Angaben in Form einer Formelsammlung mit Nachweishilfen zur Verfügung. Der Inhalt wurde auf Basis der neuen Eurocodes komplett aktualisiert und erweitert. Die 4. Auflage enthält in bewährter Manier eine umfangreiche Formelsammlung, Querschnittswerte und Bemessungshilfen zu den Bereichen Lastannahmen, Holzbau, Mauerwerksbau, Stahlbau, Stahlbetonbau, Geotechnik sowie statische Hinweise. Farbiges Papier erleichtert den zielgerichteten Zugriff auf die einzelnen Fachgebiete.
"Holzbau kompakt" wurde sowohl für Studierende als auch Praktiker konzipiert und beschränkt sich nicht auf reine Holzbauaufgaben, sondern setzt sich ggf. auch mit der Tragwerkslehre auseinander. Die Neuauflage basiert auf dem Eurocode 5 und berücksichtigt zahlreiche neue Erkenntnisse aus Forschung und praxisnaher Entwicklung. Neben den Grundlagen der Bemessung, der Baustoffe, der Dauerhaftigkeit und des Brandschutzes konzentriert sich das Grundlagenwerk besonders auf das Konstruieren mit Holz und Holzwerkstoffen, anschaulich dargestellt an sehr ausführlichen Beispielen für Wohnhaus und Hallentragwerk.
In der vorliegenden Dissertation werden zunächst die linear elastischen Bemessungsmöglichkeiten für nachgiebig verbundene Biegeträger unter statischer und dynamischer Beanspruchung diskutiert. Zum Vergleich wurden praktische Untersuchungen an zweiteiligen Kantholzbiegeträgem mit mechanischen Verbindungsmitteln unterschiedlicher Verformungscharakteristika durchgeführt, ebenso wie umfangreiche Materialprüfungen an den zusammengefügten Einzelquerschnitten. Hierdurch werden die Unterschiede zum realen, nicht elastischen, statischen Tragverhalten aufgezeigt. Der für das dynamische Verhalten maßgebende Systemparameter der Eigenfrequenz wird für mehrteilige Biegeträger theoretisch hinterfragt und an den nachgiebig verbundenen Kantholzbiegeträgem gemessen. Begleitet von weiteren praktischen Untersuchungen an einzelnen Verbindungsmitteln unter Blockscherbeanspruchung wird die rechnerische Berücksichtigung des plastischen Verbindungsmittelverhaltens auf zwei theoretischen Wegen erforscht. Auf Grundlage der Untersuchungen wird ein neues, semianalytisches y-Verfahren entwickelt. Gegenüber den Berechnungen mit finiten Volumen- und Kontakt-Elementen erweist sich das neue Verfahren auf Basis der, um die schubweichen Fugen erweiterten, Balkentheorie als leistungsfähiger. Der Einfluss des plastischen Verbindungsmittelverhaltens wird durch vergleichende Parameterstudien mit diesem neuen Verfahren als vom anerkannten Stand der Technik ausreichend berücksichtigt identifiziert. Für die linear elastische Dimensionierung werden optimierte Verbindungsmittelanordnungen hergeleitet, die durch übersichtliche Ergänzungen zum existierenden Bemessungskonzept des y-Verfahrens eine exaktere Berechnung ermöglichen.
Die Hamburger Hochbahn AG benötigte im Rahmen der Überarbeitung einer langfristigen Instandhaltungs- und Erneuerungsstrategie für ihre U-Bahn-Infrastruktur eine belastbare Aussage über die Restlebensdauer der Holzschwellen im Tunnel. Aus diesem Grunde beauftragte sie das Institut für Verkehrswesen, Eisenbahnbau und -betrieb (IVE) der Universität Hannover mit der Erstellung eines entsprechenden Gutachtens. Das Ergebnis führte zu der gesicherten Aussage einer erheblich längeren Restlebensdauer der Tunnelschwellen gegenüber den bisherigen, geschätzten Annahmen.
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 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).
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
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.
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.
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.
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.