Kältemaschinen und Wärmepumpen haben in den letzten Jahren ein Wandel bei der Verwendung der Kältemittel erlebt. Die Ursachen für ein Umdenken lagen zum einen im Ozonabbaupotential (ODP) und zum anderen im Treibhauspotential (GWP) der eingesetzten Kältemittel. Die aktuelle Novellierung der F-Gas Verordnung soll den Einsatz von fluorierten Treibhausgasen (F-Gase) einschränken und wurde am 30.03.2023 im EU-Parlament angenommen. Sofern auch der EU-Rat zustimmt, wovon stark ausgegangen wird, tritt die neue Verordnung in Kraft. Die Entscheidung soll im 3.Quartal 2023 fallen. Damit wird der grundsätzliche Einsatz von F Gasen ab 2025 verboten. Zusätzlich wird diskutiert, im Rahmen eines Verbotes von mehr als 10,000 Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), einen Großteil der restlichen Low-GWP Kältemittel zu verbieten. Dies stellt auch die aktuelle Forschung vor neue Herausforderungen. Mit den zuvor beschriebenen gesetzlichen Rahmenbedingungen liegt der Fokus in Zukunft zunehmend auf natürlichen Kältemitteln. Ammoniak (R717), Kohlendioxid (R744), Kohlenwasserstoffe [Isobutan (R600a) z.B.] und Wasser (R718) kommen bereits seit Millionen von Jahren in der Natur vor. Ihr Einsatz in der Industrie – seit über 100 Jahren. Auf Grund dessen erforscht die Forschungsplattform Kälte- und Energietechnik in einem Teilprojekt, Komponenten und Betriebsarten von Kälteanlagen mit dem Kältemittel Ammoniak. Diese Arbeit soll dabei einen Beitrag zu theoretischen Voruntersuchungen an luftbeaufschlagten Verdampfern für Verdampfungsprozesse bis -30 °C leisten. Der Fokus dieser Arbeit liegt dabei auf der Beeinflussung der Strömungsform der 2-Phasenströmung innerhalb des Verdampfers zur Verbesserung der Rohrbenetzung und damit einer Verbesserung des inneren Wärmeübergangskoeffizienten, sowie der Bewertung der Verbesserungsmöglichkeiten.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Methodisches Vorgehen 2 Stand der Technik 2.1 Ammoniak als natürliches Kältemittel 2.2 Grundlagen Kompressionskältekreislauf 2.3 Aufbau von Verdampfern für die Trockenexpansion 3 Analytische Berechnung von Wärmeübertragungsvorgängen in luftbeaufschlagten Verdampfern 3.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 3.2 Äußerer Wärmeübergang 3.3 Berechnungsmodelle für das Strömungssieden zweiphasiger Fluide im horizontalen Rohr 3.3.1 Einführung Strömungssieden 3.3.2 Strömungsformen beim horizontalen Strömungssieden 3.3.2.1 Einfluss der Strömungsform 3.3.2.2 Schichtenströmung 3.3.2.3 Wellenströmung 3.3.2.4 Ringströmung 3.3.2.5 Intermittierende Strömung 3.3.3 Rechnerische Bestimmung der Strömungsform mittels Strömungskarten 3.3.4 Berechnung des inneren Wärmeübergangskoeffizient 3.3.4.1 Asymptotische Modell 3.3.4.2 Strömungsformorientiertes Modell 3.4 Programmierung für die Rechnung mit den Modellen 3.4.1 Funktionsweise 3.4.2 Validierung der Modelle 4 Steigerung des inneren Wärmeübergangskoeffizienten 4.1 Überblick von Modifizierungsmöglichkeiten 4.2 Berechnungen zu Rippenrohr und Ringkanälen 4.2.1 Rippenrohr 4.2.1.1 Parameter von Rippenrohren 4.2.1.2 Berechnungsgrundlagen 4.2.1.3 Vergleich Rippenrohr mit Glattrohr für m ̇ = 27 kg/m²s 4.2.1.4 Vergleich Rippenrohr mit Glattrohr für m ̇ = 9 kg/m²s 4.2.1.5 Ergebnisse und Diskussion 4.2.2 Ringkanäle 4.2.2.1 Parameter von Ringkanälen 4.2.2.2 Berechnungsgrundlagen 4.2.2.3 Vergleich von Ringkanälen mit Rippen- und Glattrohr für M_ref = 10.62 kg/h 4.2.2.4 Vergleich von Ringkanälen mit Rippen- und Glattrohr für M_ref = 3.54 kg/h 4.2.2.5 Ergebnisse und Diskussion 5 Zusammenfassung und Ausblick 6 Literaturverzeichnis

Das Ziel dieser Arbeit ist eine umfassende numerische und experimentelle Charakterisierung des Wärmetransports in oxidkeramischen Faserisolationen im Hochtemperaturbereich. Zugleich sollen neue Konzepte für eine optimierte technische Auslegung von Faserisolationen erarbeitet werden. Oxidkeramiken zeigen im Infrarotbereich ein semitransparentes Verhalten. Das bedeutet, ein Teil der Strahlung gelangt durch die Probe, ohne gestreut oder absorbiert zu werden. Durch die Ausgestaltung als disperses Medium mit Abmessungen der Fasern im $\mu m$ Bereich wird jedoch eine starke Wechselwirkung mit infraroter Lichtstrahlung erzeugt. Man befindet sich im optischen Resonanzbereich. Technisch relevante Faserisolationen besitzen eine Rohdichte zwischen $50 \mathrm{kg/m^3}$ und $700 \mathrm{kg/m^3}$ und können als optisch dichtes Medium betrachtet werden. Eine Optimierung hinsichtlich der Dämmwirkung gegen Wärmestrahlung bedeutet eine massenspezifische Maximierung des Lichtstreuvermögens im relevanten Wellenlängenbereich. Hierzu werden in einer numerischen Studie keramische Hohlfaserisolationen mit konventionellen Fasern verglichen. Diese Abhandlung unter Berücksichtigung anwendungsnaher Aspekte gelangt zu der Schlussfolgerung, dass die Strahlungswärmestromdichte in Hohlfaserisolationen, im Vergleich zu konventionellen Isolationen, signifikant erniedrigt wird. Hinsichtlich der Gesamtwärmeleitfähigkeit ist eine Reduzierung um den Faktor zwei zu erwarten. \\ Trotz moderner Rechner ist die Anwendung der vollen Maxwellschen Streutheorie, insbesondere im Rahmen von Optimierungsaufgaben mehrschichtiger Streukörper, ein zeitaufwendiges Unterfangen. Um sinnvolle Parameterkonfigurationen bereichsweise eingrenzen zu können, wird eine Näherungsmethode für die Lichtstreuung an mehrschichtigen Zylindern weiterentwickelt und mit der vollständigen Maxwellschen Streutheorie verglichen. Es zeigt sich, dass das Modell für kleine bis moderate Brechungsindizes sehr gute Vorhersagekraft besitzt und auch zur näherungsweisen Berechnung der Streueffizienzen für räumlich isotrop angeordnete Zylinder herangezogen werden kann. \\ Neben den numerischen Studien wird im experimentellen Teil dieser Arbeit eine kommerzielle Faserisolierung aus Aluminiumoxid hinsichtlich ihrer Wärmetransporteigenschaften charakterisiert. Die optischen Transportparameter Albedo und Extinktion werden mittels etablierter Messmethoden bestimmt. Bei bekannter Faserdurchmesserverteilung können diese Messwerte dann mit den theoretischen Vorhersagen der Maxwellschen Streutheorie verglichen werden.\\ Um technische Optimierungsmaßnahmen experimentell zu verifizieren, besteht die Notwendigkeit, die Temperaturleitfähigkeit bzw. die Wärmeleitfähigkeit auch bei hohen Temperaturen oberhalb von $1000^\mathrm{o}\mathrm{C}$ zuverlässig bestimmen zu können. Zu diesem Zweck wird ein Versuchsaufbau realisiert, um in diesem Temperaturbereich erstmals die sogenannte Thermal-Wave-Analyse anzuwenden. Durch Abgleich mit einem gekoppelten Wärmetransportmodell und einem etablierten Messverfahren wird die besondere Eignung der Thermal-Wave-Analyse für berührungsfreie Hochtemperaturmessungen gezeigt. / The objective of the present thesis is a comprehensive numerical and experimental characterization of the heat transfer properties in thermal insulation materials made of ceramic fibers at high temperatures. At the same time, new concepts for further improvement of fibrous insulation materials are developed. In general, ceramic oxides appear semitransparent in the infrared range, meaning that a part of the thermal radiation is transmitted through a sample without being scattered or absorbed. However, in a dispersed medium containing fibers with diameters in the micrometer range a strong interaction with infrared radiation occurs. Since typical fibrous insulation materials of technical relevance show raw densities between $50 \mathrm{kg/m^3}$ and $700 \mathrm{kg/m^3}$ they could be considered as optically dense. The optimization of the insulation effect involves the maximization of the mass specific scattering coefficient in the wavelength range of substantial thermal radiation. Therefore, the heat transfer properties of hollow-fiber insulation materials are compared to conventional insulations made of solid fibers by means of a numerical study. This treatise concludes that thermal insulations made of hollow fibers can provide a significant reduction of heat losses in wide ranges of practical interest. In particular, by application of hollow fiber insulations the effective thermal conductivity could be lowered by a factor of two.\\ However, in connection with optimization problems of stratified scattering objects the application of the full Maxwell-scattering theory is a time consuming task. In order to locate reasonable parameter configurations in layered cylindrical media an enhanced version of the so-called anomalous diffraction approximation is presented. By comparison with the results of the exact Maxwell-scattering formulas it is shown that within the limit of moderate refractive indices the simplified theory delivers good agreement in a broad size parameter range. Even the extinction efficiency of randomly oriented stratified cylinders is reproduced astonishingly well.\\ Apart from numerical investigations the heat transfer properties of a commercial fibrous insulation material are characterized experimentally. Therefore, the optical transport parameters extinction and albedo are determined by established methods. With knowledge of the fiber diameter distribution the experimental results could be compared to the theoretical predictions of light scattering at infinite fibers. The verification of optimization measures, requires also an adequate experimental determination of thermal diffusivity or thermal conductivity, respectively. For this purpose the potential of measuring thermal diffusivity of heterogeneous materials in a temperature range above $1000^\mathrm{o}C$ by thermal wave analysis is investigated for the first time. By comparison with a coupled numerical heat transfer model and an established measurement method the feasibility of measuring thermal diffusivity at high temperatures by thermal wave analysis is demonstrated

Ziel dieser Arbeit ist es, ein verbessertes Verständnis für den Zusammenhang zwischen mechanischer Steifigkeit und Wärmetransport über das Festkörpergerüst bei hochporösen Materialien zu erlangen. Im Fokus dieser Arbeit steht die Fragestellung, wie mechanische Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit bei hochporösen Materialien miteinander zusammenhängen und ob es möglich ist, diese beiden Eigenschaften durch geometrische Modifikationen der Mikrostruktur unabhängig voneinander zu verändern. Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Großteil der mikrostrukturellen Modifikationen beide Materialeigenschaften beeinflussen und die mechanische Steifigkeit in der Regel eng mit dem Wärmetransport über das Festkörpergerüst verknüpft ist. Es konnte jedoch auch nachgewiesen werden, dass die mechanische Steifigkeit bei hochporösen Materialien nicht eindeutig mit dem Wärmetransport über das Festkörpergerüst zusammenhängt und spezifische mikrostrukturelle Modifikationen einen stärkeren Einfluss auf die mechanische Steifigkeit besitzen, als auf den Wärmetransport über das Festkörpergerüst. Umgekehrt ist diese Aussage nicht ganz so eindeutig. Die theoretische Betrachtung des Zusammenhangs zeigt, dass in die Berechnung der mechanischen Steifigkeit teils andere geometrische Strukturgrößen einfließen, als in die Berechnung des Wärmetransports über das Festkörpergerüst, so dass die mechanische Steifigkeit unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit verändert werden kann. Es zeigt sich jedoch auch, dass die meisten strukturellen Veränderungen beide Eigenschaften beeinflussen und die mechanische Steifigkeit aufgrund der Biegedeformation der Netzwerkelemente systematisch stärker auf strukturelle Veränderungen reagiert als die Wärmeleitfähigkeit der Struktur, so dass die mechanische Steifigkeit in der Regel quadratisch mit der Wärmeleitfähigkeit des Festkörpergerüstes skaliert. Mit den Methoden der effective-media-theory lassen sich Grenzen ermitteln, innerhalb derer sich mechanische Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit unabhängig voneinander variieren lassen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden Probenserien von Polyurethan-Schäumen, Polyurea Aerogelen und organisch / anorganischen Hybrid Aerogelen herangezogen, so dass poröse Materialien mit geordneten, voll vernetzten Mikrostrukturen, mit statistisch isotropen, teilvernetzen Mikrostrukturen, sowie Mikrostrukturen mit anisotropen Charakter in die Untersuchung einbezogen werden konnten. Als Struktureigenschaften, die die mechanische Steifigkeit ungewöhnlich stark beeinflussen, konnten die Regelmäßigkeit der Struktur und der Krümmungsradius der Netzwerkelemente sicher identifiziert werden. Alle weiteren strukturellen Veränderungen führen zu dem annähernd quadratischen Zusammenhang. In einem dritten Abschnitt dieser Arbeit wird das vereinfachte Phononendiffusionsmodell herangezogen, um den Zusammenhang zwischen mechanischer Steifigkeit und Wärmetransport über das Festkörpergerüst bei Aerogelen grundlagenphysikalisch zu modellieren. Zur Diskussion werden die experimentell ermittelten Eigenschaften der isotropen Polyurea Aerogele herangezogen und eine qualitative Modellierung ihrer Schwingungszustandsdichten durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination aus Probendichte und Schallgeschwindigkeit, mit der sich die mechanische Steifigkeit berechnen lässt, unter bestimmten Randbedingungen auch die Energie und Transporteigenschaften der Phononen beschreibt, die den Wärmetransport über das Festkörpergerüst bei Aerogelen bestimmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich zum Beispiel heranziehen, um die Eigenschaften hochporöser Materialien für eine gegebene Anwendung durch mikrostrukturelle Modifikationen optimal zu gestalten. / The objective of this thesis is to gain a fundamental understanding for the correlation between mechanical stiffness and heat transport along the solid framework in highly porous materials. This study focuses on the question, whether the elastic modulus of the structure or the solid phase thermal conductivity can be changed without affecting the other property. The performed investigation has shown that micro-structural modifications usually have an effect on both, the elastic modulus and the solid phase thermal conductivity, respectively and that these properties are strongly correlated in highly porous materials. However, at the physical level, the elastic modulus is not explicitly correlated to the heat transport along the solid framework. It was possible to identify some individual geometrical aspects that have a superior impact on the elastic modulus but only influence the thermal conductivity in a certain degree. Vice versa, geometrical aspects that only affect the heat transport along the solid phase could not be clearly identified. Structural modeling of highly ordered and of statistically isotropic porous materials is considered for a theoretical correlation between mechanical stiffness and heat transport along the solid framework in highly porous materials. Correlation is furthermore derived without taking into account any structural information. Structural modeling shows that different structural parameters are required to calculate the mechanical stiffness and the heat transport along the solid framework of a porous material, which allows for a structural decoupling of these two properties. However, most of the time, a quadratic correlation between elastic modulus and solid phase thermal conductivity is found within the models, because mechanical stiffness systematically reacts more sensitive to structural changes as the network elements are bended under mechanical load. With the help of the effective-media-theory a lower and upper bound can be derived for possible pair-combinations between material stiffness and solid phase thermal conductivity. For the experimental study of this topic polyurethane foams, polyurea aerogels and organic-anorganic hybrid aerogels are chosen as sample systems. Herewith, the study includes materials of regular, fully connected microstructures, isotropic, partly connected microstructures and anisotropic microstructures. Despite substantial structural changes, elastic modulus scales approximately quadratic with the solid phase thermal conductivity in most of the samples series investigated. Merely the overall modification of the structural regularity and the bending of the network elements up to high curvatures verifiably cause a deviation from the quadratic dependency. In a third section it is discussed, if a simplified model of phonon diffusion process can be used to derive a correlation between mechanical stiffness and heat transport in aerogels. For this study, experimentally derived results of polyurea aerogels and the qualitatively derived vibrational density of states of these materials are taken into account. Results show that the sound velocity and the density of the aerogel can be used to calculate both, mechanical stiffness and, meeting certain boundary conditions, also the energy and transport properties of the phonons that are responsible for the heat transport along the solid framework. Results may be used to design a porous material with optimal properties which are required for specific technical applications.

This thesis presents an experimental study of the thermoelectrical properties of semiconductor quantum dots (QD). The measurements give information about the interplay between first order tunneling and macroscopic quantum tunneling transport effects in the presence of thermal gradients by the direct comparison of the thermoelectric response and the energy spectrum of the QD. The aim of the thesis is to contribute to the understanding of the charge and spin transport in few-electron quantum dots with respect to potential applications in future quantum computing devices. It also gives new insight into the field of low temperature thermoelectricity. The investigated QDs were defined electrostatically in a two dimensional electron gas (2DEG) formed with a GaAs/(Al,Ga)As heterostructure by means of metallic gate electrodes on top of the heterostructure. Negative voltages with respect to the potential of the 2DEG applied to the gate electrodes were used to deplete the electron gas below them and to form an isolated island of electron gas in the 2DEG which contains a few ten electrons. This QD was electrically connected to the 2DEG via two tunneling barriers. A special electron heating technique was used to create a temperature difference between the two connecting reservoirs across the QD. The resulting thermoelectric voltage was used to study the charge and spin transport processes with respect to the discrete energy spectrum and the magnetic properties of the QD. Such a two dimensional island usually exhibits a discrete energy spectrum, which is comparable to that of atoms. At temperatures below a few degrees Kelvin, the electrostatic charging energy of the QDs exceeds the thermal activation energy of the electrons in the leads, and the transport of electrons through the QD is dominated by electron-electron interaction effects. The measurements clarify the overall line shape of thermopower oscillations and the observed fine structure as well as additional spin effects in the thermoelectrical transport. The observations demonstrate that it is possible to control and optimize the strength and direction of the electronic heat flow on the scale of a single impurity and create spin-correlated thermoelectric transport in nanostructures, where the experimenter has a close control of the exact transport conditions. The results support the assumption that the performance of thermoelectric devices can be enhanced by the adjustment of the QD energy levels and by exploiting the properties of the spin-correlated charge transport via localized, spin-degenerate impurity states. Within this context, spin entropy has been identified as a driving force for the thermoelectric transport in the spin-correlated transport regime in addition to the kinetic contributions. Fundamental considerations, which are based on simple model assumptions, suggest that spin entropy plays an important role in the presence of charge valence fluctuations in the QD. The presented model gives an adequate starting point for future quantitative analysis of the thermoelectricity in the spin-correlated transport regime. These future studies might cover the physics in the limit of single electron QDs or the physics of more complex structures such as QD molecules as well as QD chains. In particular, it should be noted that the experimental investigations of the thermopower of few-electron QDs address questions concerning the entropy transport and entropy production with respect to single-bit information processing operations. These questions are of fundamental physical interest due to their close connection to the problem of minimal energy requirements in communication, and thus ultimately to the so called "Maxwell's demon" with respect to the second law of thermodynamics. / Diese Dissertation präsentiert eine experimentelle Studie über die thermoelektrischen Eigenschaften von Halbleiterquantenpunkten. Das thermoelektrische Verhalten der Quantenpunkte wird unter besonderer Berücksichtigung ihrer jeweiligen Energiespektren und magnetischen bzw Spin-Eigenschaften diskutiert. Die durchgeführten Messungen geben Aufschluss über das Zusammenspiel von Einzelelektronentunnelprozessen erster und höherer Ordnung unter dem Einfluss thermischer Gradienten. Somit trägt diese Dissertation zum Verständnis des Ladungs- und Spintransports in potentiellen, zukünftigen Bausteinen für die Quanteninformationsverarbeitung bei und ermöglicht neue Einblicke in das Themengebiet der Thermoelektrizität bei sehr tiefen Temperaturen. Die untersuchten Quantenpunkte wurden in einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) mittels nanostrukturierter, metallischer "gates" erzeugt, die auf der Oberfläche einer GaAs/AlGaAs Heterostrukturoberfläche aufgebracht wurden. Durch das Anlegen negativer Spannungen in Bezug auf das Potential des 2DEGs, wurde das Elektronengas unter den gates verdrängt, so dass eine isolierte Insel entstand, die bis zu ca. 30 Elektronen zählte. Zwei Tunnelbarrieren dienten als elektrische Verbindung dieses Quantenpunkts zu den Zuleitungen. Unter Verwendung einer speziellen Stromheizungstechnik wurde eine Temperaturdifferenz zwischen den zwei Zuleitungsreservoirs über dem Quantenpunkt erzeugt. Die Untersuchung von Ladungs- und Spintransportprozessen erfolgte über den direkten Vergleich der resultierenden thermoelektrischen Spannung mit den jeweiligen Energiespektren der Quantenpunkte. Im Allgemeinen weist eine solche zweidimensionale Insel ein diskretes Energiespektrum auf, das vergleichbar mit dem einzelner Atome ist. Unterhalb einer Temperatur von wenigen Grad Kelvin, ist die elektrostatische Aufladungsenergie des Quantenpunkts größer als die thermische Anregungsenergie der Elektronen in den Zuleitungen. Als Folge bestimmen Elektron-Elektron-Wechselwirkungseffekte den Transport von Elektronen durch den Quantenpunkt. Die durchgeführten Messungen erklären den Verlauf der Thermokraft als Funktion des Quantenpunktpotentials einschließlich der aufgeprägten Feinstruktur sowie zusätzliche thermoelektrische Effekte, die von den Spin-Eigenschaften des Quantenpunkts hervorgerufen werden. Die Beobachtungen beweisen, dass es möglich ist Stärke und Richtung des elektronischen Wärmeflusses auf der Größenskala einzelner Verunreinigungen zu kontrollieren und gegebenenfalls zu optimieren sowie Spin-korrelierten thermoelektrischen Transport in künstlich hergestellten Nanostrukturen zu verwirklichen, welche eine gezielte Kontrolle der Transportbedingungen erlauben. Die Ergebnisse untermauern die Annahmen einer möglichen Verbesserung der Effizienz thermoelektrisch aktiver Materialien durch die Anpassung der energetischen Lage entsprechender Quantenpunktzustände und durch die Ausnutzung der thermoelektrischen Effekte im Spin-korrelierten Ladungstransport durch energetisch entartete, lokalisierte Zustände. In diesem Rahmen wurde erläutert, dass Spinentropie neben den kinetischen Beiträgen eine weitere treibende Kraft des thermoelektrischen Transports durch Quantenpunkte darstellt. Grundlegende Überlegungen, die auf einfachen Modellannahmen beruhen, lassen erwarten, dass die Beiträge der Spinentropie zum thermoelektischen Transport bei vorhandenen Fluktuationen der Anzahl der Ladungen auf dem Quantenpunkt eine signifikante Rolle spielen. Das vorgestellte Modell bietet hierzu einen geeigneten Ausgangspunkt für weitere quantitative Analysen der Thermoelektrizität im Spin-korrelierten Transportregime. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass die experimentelle Untersuchung der Thermokraft von Quantenpunktstrukturen, wie sie hier verwendet wurden, den Entropietransport und die Entropieerzeugung in Bezug zu Ein-Bit-Rechenoperationen setzen. Fragestellungen dieser Art sind von fundamentalem physikalischen Interesse aufgrund ihrer engen Verknüpfung mit der Frage nach dem minimalen Energieaufwand, der eine Kommunikation ermöglicht. Dieses Problem wird häufig mittels des so genannten Maxwell'schen Dämon diskutiert und hinterfragt in ihrem Ursprung den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Zur in situ Messung von Richtung und Geschwindigkeit des Grundwasserstromes in nur einer Bohrung wurde ein Mikroflowmeter auf der Basis der kontinuierlich thermischen Anregung entwickelt. Das Messprinzip beruht auf der Deformation des Temperaturfeldes, das sich in Abhängigkeit vom antreibenden Gradienten des Grundwasserstromes mehr oder weniger stark unsymmetrisch als Wärmefahne im Messbereich der Sonde abbildet. Von Interesse sind dabei horizontale Fluidbewegungen mit sehr geringen Fließgeschwindigkeiten. Zur Realisierung der Aufgabenstellung werden sowohl eine Modellierung des Wärmetransports als auch Versuche zur Simulation von Strömungsvorgängen und Testmessungen im Gelände durchgeführt. Als Ergebnis der Abhandlung verschiedener numerischer Randwertprobleme erweist sich die Temperaturabhängigkeit der Fluiddichte als eine nicht zu vernachlässigende Einflussgröße, die in Form einer nach oben gerichteten Auftriebsströmung den Wärmetransport maßgebend bestimmt. Infolge der Überlagerung von freier und erzwungener Konvektion wird eine Mitführung von Wärme mit der Grundwasserbewegung gehemmt und die Ausbildung einer in Strömungsrichtung weisenden Wärmefahne drastisch eingeschränkt. Laborversuche bestätigen die am numerischen Modell gewonnenen Ergebnisse.

In jüngerer Vergangenheit hat sich das Bewusstsein der Gesellschaft für die ökologischen Folgen unseres Handelns auf unsere Umwelt signifikant verändert. Die unter anderem daraus resultierende Energiewende stellt sowohl die Betreiber als auch die Maschinen zur Erzeugung elektrischer Energie vor völlig neue Herausforderungen. Durch die Einspeisung regenerativ erzeugter Elektroenergie, welche aber nicht immer gleichmäßig zur Verfügung steht, ändern sich die Lastprofile der konventionell zur Stromerzeugung verwendeten Gas und Dampfturbinen erheblich. Die sich stark ändernden Lastanforderungen erzeugen in den Bauteilen der Turbinen teilweise sehr hohe thermische Spannungen, welche durch die schnell vorzunehmenden Temperaturwechsel im lastflexiblen Betrieb hervorgerufen werden. Eine davon besonders betroffene Stelle an den Turbinen sind die Seitenräume im Gehäuse, welche wenig von Dampf durchströmt werden und dadurch ein deutlich anderes thermisches Verhalten zeigen als die Bauteile im Hauptströmungspfad. Mit Hilfe eines Modellversuchsstandes (Totraumversuchstand SiSTeR), welcher im Rahmen einer Diplomarbeit [Spura 2012] ausgelegt und konstruiert wurde, wurden experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung des Wärmeübergangs in solchen Seitenräumen durchgeführt. Die Zielstellung der vorliegenden Arbeit ist die Auslegung und Entwicklung sowie der Aufbau und die Validierung / Kalibrierung der Messtechnik für den Modellversuchsstand. Besonders im Fokus steht dabei die Messtechnik zur Bestimmung des Wärmeübergangs an der Innenseite der Außenwand einer ringförmigen Kavität, welche einen Seitenraum im Gehäuse einer Dampfturbine repräsentiert. Aus den Erfahrungen und der Expertise am Lehrstuhl sowie einer Recherche zu Anwendungsmöglichkeiten verschiedener Messmethoden z.B. in [Kaiser 1981] wurden zwei unterschiedliche und möglichst voneinander unabhängige Methoden ausgewählt und hinsichtlich der Anwendung am Modellversuchsstand entwickelt und erprobt. Die erste ausgewählte Methode, die sogenannte Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode, ist vom Prinzip eine Hilfswand-Methode. Dabei wird ein Wärmestrom z.B. von einer Heizung über eine thermisch isolierende Hilfswand und eine weitere, thermisch gut leitfähige Wand an ein Fluid abgegeben. Zur Bestimmung des Wärmeübergangs wird der Wärmestrom durch die Hilfswand bestimmt und ins Verhältnis zur Wärmeübertragenden Fläche sowie der Temperaturdifferenz zwischen Wand und Fluid gesetzt. Für die technische Umsetzung der Methode ist die Außenwand aus 8 identischen Ringen aufgebaut, welcher jeder für sich die Anwendung der Messmethode gestattet. Die 8 Ringe, thermisch voneinander isoliert, nebeneinander angeordnet und zwischen zwei Flanschen fixiert ergeben die Außenwand für den Totraum. Die zweite ausgewählte Methode ist die sogenannte lokale Übertemperatur-Methode. Auf Basis der Erfahrungen der Arbeitsgruppe wurde das Sensorkonzept der z.B. in [Günther 2011] und [Uffrecht 2012] beschriebenen Sensoren weiterentwickelt und mit einem neuen Isolationsmaterial zur Anwendung gebracht. Die Sensoren basieren auf der Anwendung einer sehr lokal, mit Hilfe eines kleinen NTC-Thermistors, aufgeprägten Übertemperatur. In den 8 Ringen der Außenwand sind jeweils zwei Stück dieser Sensoren mit einem Winkel von 90° zueinander eingebaut. Es ist festzustellen, dass die Ergebnisse der Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode gut mit Daten aus der Literatur übereinstimmen. Die somit ermittelten Nusselt-Zahlen können mit hohem Vertrauen sowohl als quantitative Werte zum Vergleich mit anderen Versuchsaufbauten als auch für vergleichende Untersuchungen am selben Versuchsstand für die Erarbeitung von Abhängigkeiten genutzt werden. Die Messergebnisse der Übertemperatur-Sensoren liefern zunächst Messwerte für lokale Wandschubspannungen in der Rohrströmung. Der Vergleich dieser Messwerte mit Literaturdaten für die Strömung durch hydraulisch glatte Rohre sowie mit den experimentell aus der Differenzdruckmessungen ermittelten Daten zeigt ebenfalls sehr gut Übereinstimmung. Mit Hilfe der Analogiebeziehung zwischen Wandschubspannung und Wärmeübertragung wurden die mit den Übertemperatur-Sensoren ermittelten Schubspannungen in Nusselt-Zahlen umgerechnet. Die über diesen Weg mit Hilfe der Übertemperatur-Sensoren ermittelten Nusselt-Zahlen zeigen teils deutliche Abweichungen zu den Literaturdaten und auch zu den Messwerten der Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode. Als möglich Ursache dafür kann die Anwendung der Analogiebeziehung zwischen Wandschubspannung und Wärmeübertragung benannt werden, für deren Anwendung vermutlich die Grenzen der Gültigkeit der Gleichung mit dem Versuchsaufbau nicht eingehalten werden können. Es bleibt damit als Fazit für die Untersuchungen festzuhalten, dass die Anwendung der beiden Messmethoden prinzipiell möglich ist. Allerdings geht aus der Zielgröße der Untersuchung und aus den technischen Gegebenheiten eine Vorzugsanwendung entweder der Wärmestrom-Temperaturdifferenz- oder der lokalen Übertemperatur-Methode hervor. So ist für stationäre Anwendungen mit geringen Restriktionen bezüglich des Einbauraumes sowie der Energieversorgung und für die Zielgröße Wärmeübergangskoeffizient die Auswertung nach der Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode zu bevorzugen. Sollen demgegenüber Untersuchungen an beweglichen Aufbauten mit Restriktionen hinsichtlich Energieversorgung, Datenübertragung und/oder Einbauraum durchgeführt werden und ist als Zielgröße die Wandschubspannung gesucht, können die kleinen Übertemperatur-Sensoren angewandt werden.:Inhaltsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Grundlagen zur Beschreibung der Strömung 2.2 Grundlagen zur Beschreibung des Wärmeübergangs 3 Versuchsstände 4 Experimentelle Untersuchungen 5 Interpretation der Messergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis

Die Tropfenkondensation ermöglicht im Vergleich zur Filmkondensation eine Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten um ein Vielfaches. Dieser Effekt ist im Sinne der Energie- und Ressourceneffizienz für zahlreiche verfahrenstechnische Anwendungen erstrebenswert. Eine Möglichkeit zur Umsetzung der Tropfenkondensation ist die Modifikation der Benetzungseigenschaften von Wärmeübertrageroberflächen durch geeignete Beschichtungen. Dadurch kann die Ausbildung eines geschlossenen Kondensatfilms verhindert werden und es bilden sich stattdessen immer wieder neue Tropfen auf freien Bereichen der Oberfläche. Die Keimbildungsvorgänge bei der Entstehung neuer Tropfen haben einen großen Einfluss auf den Wärmeübergang bei der Tropfenkondensation. Eine Kenntnis dieser Vorgänge ist daher für die Modellierung und Berechnung des Wärmeübergangs erforderlich. Derzeit mangelt es jedoch an geeigneten Methoden, um wichtige Parameter bei der Tropfenbildung messtechnisch zu erfassen. In diesem Zusammenhang liefert die vorliegende Arbeit einen Beitrag zur Bestimmung der Keimstellendichte bei der Tropfenkondensation von Wasser auf hydrophoben Dünnschichten. / Dropwise condensation has the potential to increase the heat transfer coefficient by a multiple compared to filmwise condensation. This effect is desirable for numerous process engineering applications in terms of energy and resource efficiency. One option to implement dropwise condensation is to modify the wetting properties of heat exchanger surfaces with suitable coatings. This prevents the formation of a condensate film. Instead, new drops continue to form on free areas of the surface. The nucleation processes involved in the formation of new drops have a major influence on heat transfer during dropwise condensation. Therefore, a knowledge of these processes is required for modeling and calculating the heat transfer. However, there are currently no adequate methods to measure important parameters during drop formation. In this context, the present work provides a contribution to the determination of the nucleation site density during dropwise condensation of water on hydrophobic thin coatings.

Mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen wird nachgewiesen, daß sich die nutzerseitig abgegebene Wärmestromdichte des außenwandnahen Fußbodenbereiches nicht allein über die Differenz zwischen der Heizflächen- und Raumtemperatur beschreiben läßt. Die Ableitung verallgemeinerbarer Berechnungsansätze ist Schwerpunkt der Arbeit. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen in einem Modellraum in Originalgröße. Meßtechnisch erfaßt werden die Oberflächentemperaturen, die Lufttemperaturverteilung, die Luftgeschwindigkeitsverteilung und die örtliche Gesamtwärmestromdichte der beheizten Fußbodenbereiche. Der konvektive Wärmeübergang wird maßgeblich von der über dem Fußboden umgelenkten Falluftströmung an der Außenwand beeinflußt. Zur Berechnung der örtlichen Maximalgeschwindigkeiten wird ein einfacher Berechnungsansatz entwickelt. Mit Hilfe numerischer Untersuchungen erfolgt ein Vergleich verschiedener Heizsysteme hinsichtlich der Empfindungstemperaturverteilung.

Das Ziel der Dissertationsschrift bestand in der Entwicklung von Modellen, die notwendig waren, um eine komplexe Gebäudesimulation durchführen zu können. Dabei wurde der Schwerpunkt auf die Eigenentwicklung gelegt, während andere Modelle nur erwähnt und kurz beschrieben bzw. deren notwendige Erweiterungen erläutert wurden. Die Arbeit unterteilt sich in die Hauptpunkte Gebäude, Anlage, Modellverifizierung und Beispielrechnungen. Als Simulationswerkzeug wurde das Programmsystem TRNSYS verwendet, in welches letztendlich alle vorgestellten Modelle implementiert werden konnten.

Zur in situ Messung von Richtung und Geschwindigkeit des Grundwasserstromes in nur einer Bohrung wurde ein Mikroflowmeter auf der Basis der kontinuierlich thermischen Anregung entwickelt. Das Messprinzip beruht auf der Deformation des Temperaturfeldes, das sich in Abhängigkeit vom antreibenden Gradienten des Grundwasserstromes mehr oder weniger stark unsymmetrisch als Wärmefahne im Messbereich der Sonde abbildet. Von Interesse sind dabei horizontale Fluidbewegungen mit sehr geringen Fließgeschwindigkeiten. Zur Realisierung der Aufgabenstellung werden sowohl eine Modellierung des Wärmetransports als auch Versuche zur Simulation von Strömungsvorgängen und Testmessungen im Gelände durchgeführt. Als Ergebnis der Abhandlung verschiedener numerischer Randwertprobleme erweist sich die Temperaturabhängigkeit der Fluiddichte als eine nicht zu vernachlässigende Einflussgröße, die in Form einer nach oben gerichteten Auftriebsströmung den Wärmetransport maßgebend bestimmt. Infolge der Überlagerung von freier und erzwungener Konvektion wird eine Mitführung von Wärme mit der Grundwasserbewegung gehemmt und die Ausbildung einer in Strömungsrichtung weisenden Wärmefahne drastisch eingeschränkt. Laborversuche bestätigen die am numerischen Modell gewonnenen Ergebnisse.