Der Einsatz von Kurzzeit-Multi-Wasserspeichern mit mehreren Temperaturniveaus unter der Einbindung von Solarthermie und anderen Wärmequellen für unterschiedliche Temperaturanforderungen der Verbraucher ist heute noch wenig verbreitet. Bisher wurden kaum größere Kurzzeit-Multiwasserspeicher für eine industrielle Anwendung in Kombination mit einer solarthermischen Anlage, Wärmerückgewinnung und weiteren Wärmequellen untersucht. In dieser Arbeit wird eine Simulation der Einsatzmöglichkeiten von mehreren heißen bzw. warmen Wasserspeichern, in denen die Wassermengen variabel sind, für verschiedene Anwendungen durchgeführt. Dabei kommt das Kurzzeit-Multispeichersystem nicht nur als Wasserspeicher, sondern auch zur Wärmeverteilung von mehreren Wärmequellen und Wärmeverbrauchern in Betracht. Mit den Berechnungen wird das Kurzzeit-Multispeichersystem aus energetischer Sicht bewertet. Dabei werden die Betrachtungen durch mehrere Fallstudien für die Stadt Chemnitz, Deutschland und die Stadt Homs, Syrien durchgeführt. Die Anordnungen und die Wärmedämmungen von Speicherelementen sowie die Verbindungen zwischen den Behältern im Speichersystem werden auch untersucht. Den Simulationen liegt ein selbst geschriebenes Programm in MATLAB, das aus mehreren Unterprogrammen besteht, zugrunde. Dabei werden ein- und zweidimensionale Matrizen benutzt. Die Ergebnisse der energetischen Untersuchungen zeigen Potenziale für die Erhöhung des solaren Energieertrags und der anderen verfügbaren Wärmequellen sowie Einsparungen des konventionellen Energieverbrauchs. / The application of short-term multi-water storage of different temperature levels with the integration of solar thermal and other heat sources for different temperature consumers is still not widely used today. So far, hardly any short-term multi-water storage has been studied for industrial applications in combination with a solar thermal system and a heat recovery as well as other heat sources. In this thesis, a simulation for possible implementation of several hot and/or warm water reservoirs, in which the water quantities are variable, is carried out for different applications. The shortterm multi-storage system is not only considered as water storage but also as heat distribution of several heat sources and heat consumers. The calculations assess the short-term multi-storage system from an energy point of view. Thereby, the considerations for several case studies for comparison with the city of Chemnitz, Germany and the city Homs, Syria will be carried out exemplarily. The arrangements and thermal insulation of storage elements as well as the connections between the containers in the storage system have also been investigated. The simulations are based on a program in MATLAB, which consists of several subroutines to simplify the calculation. One and two-dimensional matrices are used. The results of the energetic investigations show a potential increase of the solar energy yield and other available heat sources as well as savings of conventional energy consumption.

Die vorliegende Arbeit ist die erste empirische Studie zum Betriebsverhalten von unbelüfteten Festbettreaktoren mit Wärmeentzug, sog. Biomeilern. Es werden vier Biomeiler systematisch und mehrschichtig hinsichtlich der biochemischen Abbauprozesse untersucht. Zusätzlich dazu werden die Daten von 130 Temperatursensoren über einen Zeitraum von 140 Versuchstagen für eine energetische Bewertung herangezogen. Die Bewertung der biochemischen Abbauprozesse erfolgt durch Analyse des Substratgemischs, der Gaskonzentration im Haufwerk und der Temperaturverteilung. Im zylinderförimgen Reaktorraum wird eine rotationssymetische Verteilung der Zustandsgrößen nachgewiesen, um deren Rotationsachse hohe Methankonzentartion, abhängig vom Gesamtvolumen, nachweisbar sind. Die energetische Bewertung ergibt eine maximale Wärmeleistung von 5 kW über einen Zeitraum von 60 Tagen für 12h Wärmeentzug pro Tag. Diese Werte sind mit den publizierten Höchstwerten für die Wärmeleistung vergleichbar. Zur Erfassung der maximal möglichen Wärmeleistung war das gegebene Versuchsobjekt mangelhaft. Zur Verbesserung sowohl der Wärmeleistungsbereitstellung als auch der Prozessführung wird eine Belüftung vorgeschlagen und erläutert. Ein möglicher Einsatz im Bereich der regenerativen Energieversorgung im Niedertemperaturbereich (bsp. Flächenheizungen) oder zur Deckung der Heizgrundlast sind denkbar.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Grundlagen der Kompostierung 3.1 Definition 3.2 Mikroorganismen der Kompostierung 3.3 Substrat 3.3.1 Nährstoffe 3.3.2 Wassergehalt 3.3.3 Porengröße und Partikelgröße 3.4 Temperatur, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff 3.4.1 Zusammenhänge 3.4.2 Hygienisierung 3.4.3 Temperaturführung 3.5 Belüftungsverfahren statischer Reaktoren 3.5.1 Bedeutung 3.5.2 Aktive Belüftungsverfahren 3.5.3 Passive Belüftungsverfahren 3.5.4 Dombelüftungsverfahren 4 Stand der Wissenschaft 4.1 Theoretische Modellierung 4.1.1 Allgemeines 4.1.2 Thermodynamische Modellierung 4.1.2.1 Wärmebilanz 4.1.2.2 Speicherwärme und spezifische Wärmekapazität 4.1.2.3 Wärmeübertragung 4.1.2.4 Wärmeverlust 4.1.3 Modellierung der Selbsterhitzung und Reaktionswärme 4.1.3.1 Begriffsbestimmung 4.1.3.2 Deterministisch geprägte Modelle 4.1.3.3 Stöchiometrische Modelle mit Prozessgasen 4.1.3.4 Abschätzung durch den Heizwert des Substrat 4.1.3.5 Abschätzung durch die Heizwerte der Nährstoffe 4.1.4 Modellierung des Wasserhaushalts 4.2 Technologien zum Wärmeentzug aus der Kompostierung 4.2.1 Möglichkeiten des Wärmeentzugs 4.2.2 Steuerung der Prozesse 4.2.2.1 Bedeutung 4.2.2.2 Belüftung 4.2.2.3 C:N-Verhältnis 4.2.2.4 Temperaturführung 4.2.3 Bestehende Verfahren zum Wärmeentzug aus der Kompostierung 4.2.3.1 Kontinuierliche Verfahren 4.2.3.2 Kurzzeit-Batch 4.2.3.3 Langzeit-Batch 4.3 Datengrundlage zur Wärmeleistung 4.3.1 Ermittlung der Wärmeleistung 4.3.2 Experimente und Fehleranalyse 4.3.3 Datengrundlage 4.4 Fazit 5 Methoden zur Vermessung der Biomeiler 5.1 Versuch 5.1.1 Versuchsfeld und Umgebungsbedingungen 5.1.2 Aufbau und Betriebsweise der Biomeiler 5.1.2.1 Aufbau und Sensorik 5.1.2.2 Substratvorbereitung 5.1.2.3 Steuerung des Wärmeentzugs 5.1.3 Versuchszeitraum 5.2 Messungen 5.2.1 Charakterisierung des Substrats 5.2.1.1 Probenahme und Messpunkte 5.2.1.2 Schüttdichtemessung 5.2.1.3 Laboruntersuchungen 5.2.2 Temperaturmessungen 5.2.2.1 Automatisierte Temperaturmessungen 5.2.2.2 Manuelle Temperaturmessungen 5.2.2.3 Messung der Oberflächentemperatur 5.2.3 Volumenstrommessung im Heizkreislauf 5.2.4 Messung der Gaszusammensetzung im Festbettreaktor 5.2.5 Messung der Wetterdaten 5.3 Messfehlerbetrachtung 5.3.1 Nicht-quantifizierbare Fehlerquellen 5.3.2 Quantifizierbare Fehlerquellen 5.3.3 Auswertung der Fehler der manuellen Messungen 5.4 Auswertungsverfahren 5.4.1 Auswahl der Biomeiler 5.4.2 Darstellung des vertikalen Profils 5.4.3 Berechnung der Wärmeleistung 6 Auswertung 53 6.1 Auswertung der Wetterdaten 6.2 Charakterisierung des Substrats 6.2.1 Schüttdichte 6.2.2 Wassergehalt, Wärmekapazität und -leitfähigkeit 6.2.3 C:N-Verhältnis und Heizwert 6.2.4 Korngröße und oTS 6.2.5 Volumenschwund durch Setzung 6.3 Untersuchung des horizontalen Profils 6.4 Untersuchung des vertikalen Profils 6.4.1 Annahmen und Begriffsbestimmung 6.4.2 Profil der Schüttdichte und des Abbaugrads 6.4.2.1 Schüttdichte 6.4.2.2 Abbaugrad 6.4.3 Profil der Gaszusammensetzung 6.4.3.1 Gaskonzentrationen im Festbettreaktor 6.4.3.2 Optischer Nachweis der Mikroorganismen 6.4.4 Profil der Temperatur 6.4.4.1 Temperaturfeld im Festbettreaktor 6.4.4.2 Oberflächentemperatur 6.5 Untersuchung der Reaktionswärme und des Wärmeentzugs 6.5.1 Abhängigkeit von dem Biomeilervolumen 6.5.2 Abhängigkeit von der Steuerung des Wärmeentzugs 6.5.3 Auswertung der Wärmeleistung 6.5.4 Identifikation von Einflussfaktoren 6.5.4.1 Abhängigkeiten der Parameter 6.5.4.2 Einfluss der Umgebungsbedingungen 6.6 Ansatz zur Erweiterung eines Modells 6.6.1 Auswahl des Modells 6.6.2 Wärmebilanz 6.6.3 Räumliche Verteilung der Zustandsgrößen 6.6.4 Wärmeübertragung zum Wärmeübertrager 7 Bewertung und Diskussion 8 Zusammenfassung 9 Ausblick Literatur Anhang

In der Dissertationsschrift wurden zwei Schwerpunkte untersucht, die sich zum einen mit der Entwicklung einer Bewertungsmatrix zur Erstabschätzung potenzieller Abwärmenutzungen und zum anderen mit der Integration thermoelektrischer Generatoren im Gießereiprozess auseinandersetzten. In der Matrix wurden 4 Modellabwärmequellen definiert, die sich jeweils in 9 verschiedene Betriebszustände unterteilen, um die vielfältigen Prozessbedingungen widerzuspiegeln. Weiterhin wurden 4 Modellwärmesenken festgelegt, die in Abhängigkeit der thermischen Leistung der Abwärmequellen, die Bewertungsreferenz darstellen. Im Ergebnis erfolgte eine Bewertung von 144 unterschiedlichen Abwärmenutzungskonzepten nach den Kriterien: Energieeffizienzsteigerung, Kaskadennutzung, wirtschaftlich maximal vertretbares Budget und erzielte CO2-Einsparung. Die Integration der thermoelektrischen Generatoren erfolgte am Pfannenfeuer, im Formkasten und an der Druckgussmaschine. Die höchsten Durchschnittswerte der elektrischen Leistung wurden mit 45mW im Formkasten erreicht. Damit können Sensornetzwerke energieautark versorgt, die Datenverfügbarkeit erhöht und die Prozesseffizienz gesteigert werden.

In dieser Arbeit wird der Wärmeübergang bei der Tropfenkondensation aus feuchter, turbulent strömender Luft experimentell untersucht. Die Versuchsstrecke besteht aus einem horizontalen Kanal in den Abmessungen (12 × 32 × 750) mm . Die Kondensation findet auf einem mit Kunststoff beschichteten Wärmestromsensor statt, der in einer der vertikalen Kanalwände bündig eingelassen ist. Experimentell erfasst werden der Wärmedurchgangswiderstand der Kondensatschicht durch Anwendung eines theromografischen Verfahrens sowie der in den Sensor eindringende Wärmestrom. Messergebnisse werden für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten, Luftfeuchten und -temperaturen, sowie für variierende Temperaturen der Sensoroberfläche gewonnen. Die Messergebnisse werden mit den Vorhersagen eines aus dem Kontext der Filmkondensation entlehnten Modells verglichen. Systematische Abweichungen konnten mit der Größe der Tropfen auf der Oberfläche korreliert werden. Die ermittelten Korrelationsgleichungen werden angegeben. Die Übertragbarkeit des hier entwickelten Ansatzes auf andere Geometrien und Randbedingungen konnte durch seine Anwendung auf externe Messdaten gezeigt werden.

Die Effektivität keramischer Wärmeübertrager kann durch eine feinere Strukturierung der Oberflächen gesteigert werden. Dies kann durch die Integration textiler Urformen anstatt der konventionell im Schlickguss hergestellten gröberen Geometrien erfolgen. Für Strukturierungen in Form von wandgebundenen Halbbögen werden die Ergebnisse umfangreicher experimenteller und numerischer Untersuchungen zu den wärmetechnischen und strömungsmechanischen Eigenschaften vorgestellt. Basierend auf den Erkenntnissen der mittels numerischer Simulation durchgeführten Parameterstudie werden verschiedene Empfehlungen für eine optimierte Anordnung der Halbbögen gegeben, um das Verhältnis von Wärmeübergang zur Druckverlust zu verbessern. Die experimentellen Ergebnisse belegen die Richtigkeit der gewählten Randbedingungen und Vereinfachungen im numerischen Modell. Des Weiteren wurden die Strömungsstrukturen mit laserdiagnostischen Messmethoden umfangreich charakterisiert.

Die Effektivität keramischer Wärmeübertrager kann durch eine feinere Strukturierung der Oberflächen gesteigert werden. Dies kann durch die Integration textiler Urformen anstatt der konventionell im Schlickguss hergestellten gröberen Geometrien erfolgen. Für Strukturierungen in Form von wandgebundenen Halbbögen werden die Ergebnisse umfangreicher experimenteller und numerischer Untersuchungen zu den wärmetechnischen und strömungsmechanischen Eigenschaften vorgestellt. Basierend auf den Erkenntnissen der mittels numerischer Simulation durchgeführten Parameterstudie werden verschiedene Empfehlungen für eine optimierte Anordnung der Halbbögen gegeben, um das Verhältnis von Wärmeübergang zur Druckverlust zu verbessern. Die experimentellen Ergebnisse belegen die Richtigkeit der gewählten Randbedingungen und Vereinfachungen im numerischen Modell. Des Weiteren wurden die Strömungsstrukturen mit laserdiagnostischen Messmethoden umfangreich charakterisiert.:0 Verwendete Symbole und Formelzeichen IV 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Lösungsansatz 2 1.3 Zielstellung und Struktur der Arbeit 4 2 Stand der Technik 5 2.1 Vorwort 5 2.2 Kennzahlen zur Charakterisierung von Rekuperatoren und Wärmeüber-trageroberflächen 6 2.3 Strömungszustände und Strömungsprofile 13 2.3.1 Grenzschichten von Strömungen 13 2.3.2 Laminare Strömung zwischen zwei parallelen Platten und im Rechteckkanal 14 2.3.3 Turbulente Strömung zwischen zwei parallelen Platten 15 2.3.4 Kenngrößen, Längen- und Zeitmaße von turbulenten Strömungen 16 2.4 Umströmung von Zylindern und Wärmeübergang an Zylindern 19 2.4.1 Quer angeströmter Zylinder, Wirbelablösung und Kármánsche Wirbelstraße 19 2.4.2 Hufeisenwirbel um einen wandgebundenen Zylinder 25 2.4.3 Zylinder in Wechselwirkung miteinander und Zylinder in Tandempaarung 27 2.4.4 Quer angeströmter Zylinder parallel zu einer Wand 28 2.5 Weitere den Wärmeübergang steigernde Strukturen 29 2.5.1 Rohrbündel 30 2.5.2 Stabrippen – „pin fins“ 31 2.5.3 Zweidimensionale Rippengeometrien 33 2.5.4 Gedrehte Bleche und andere Einbauten in Rohrquerschnitten 36 2.5.5 Turbulatoren 38 2.5.6 Poröse Körper 39 2.5.7 Drähte als wärmeübergangsteigernde Struktur 40 2.6 Wärmeübertrager für Industriegasbrenner 41 3 Numerische und experimentelle Untersuchungen der neuentwickelten Wärmeübertragerstruktur 45 4 Numerische Untersuchungen bezüglich des Strömungsfelds um die Bogenstrukturen 49 4.1 Randbedingungen und Vernetzung der numerischen Simulation 49 4.2 Bemerkungen zum Turbulenzmodell 54 4.3 Validierung des numerischen Modells am leeren Kanal 59 4.4 Ergebnisse für die Grundgeometrie 63 4.5 Parameterstudie zur Anordnung und Anzahl der Bögen 70 4.5.1 Variation der Bogendichte 70 4.5.2 Variation der Anordnung der Bögen zueinander bei konstanter Bogendichte 75 4.5.3 Variation der Kanalhöhe bei konstanten Randbedingungen 78 4.5.4 Variation der Kanalhöhe bei umgekehrten Randbedingungen 80 4.5.5 Variation des Bogendurchmessers D 82 4.5.6 Bemerkung zum Anstellwinkel 83 5 Experimentelle Untersuchungen zum Wärmeübergangskoeffizienten 85 5.1 Versuchsaufbau 85 5.2 Versuchsdurchführung und Auswertung 88 5.3 Vergleich des Versuchsstandes mit Untersuchungen für Spaltströmungen 90 5.4 Referenzmessungen mit metallischen Wärmeübertragerstrukturen 93 5.4.1 Ergebnisse für die Grundgeometrie 93 5.4.2 Variation der Kanalhöhe 96 5.4.3 Variation der Kanalhöhe bei umgekehrten Randbedingungen 97 5.5 Messung mit keramischen Strukturen 98 6 Experimentelle Untersuchungen zum Strömungsverhalten 101 6.1 Versuchsaufbau 101 6.2 PIV-Messungen 104 6.2.1 Allgemeines zum Messprinzip 104 6.2.2 Messaufbau 105 6.2.3 Versuchsergebnisse 106 6.3 LDA-Messungen 111 6.3.1 Allgemeines zum Messprinzip und zur Versuchsdurchführung 111 6.3.2 Validierung des Versuchsstandes 114 6.3.3 Strömungsprofile aus der LDA-Messung 117 6.3.4 Wirbelablösung im Bogennachlauf 130 6.3.5 Skalen der Strömung 144 7 Anwendungsbeispiel: Rekuperatorbrenner 151 7.1 Brennerprototyp und Versuchsdurchführung 151 7.2 Versuchsergebnisse und Auswertung 153 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 9 Literaturverzeichnis 161 10 Anhang 173 10.1 Messtechnik des Windkanals 173 10.2 PIV-Messtechnik 175 10.3 LDA-Messtechnik 176 10.4 Versuche mit dem Rekuperatorprototypen 177

Shell and tube heat exchangers (STHEs) are the most common type of heat exchanger in preheat trains (PHT) of oil refineries and in chemical process plants. Most commercial design software tools for STHE assume uniform distribution over all tubes of a tube bundle. This leads to various challenges in the operation of the affected devices. Flow maldistribution reduces heat duty of STHE in many applications and supports fouling buildup in fluids that tend to particle, bio, and crystallization fouling (Verein Deutscher Ingenieure, ed., 2010, Heat Atlas, 2nd ed., VDI-Buch., Springer-Verlag). In this article, a fluid mechanics study about tube side flow distribution of crude oil and related hydrocarbons in two-pass PHT heat exchangers is described. It is shown that the amount of flow maldistribution varies significantly between the different STHE designs. Therefore, a parameter study was conducted to investigate reasons for maldistribution. For instance, the nozzles diameter, type, and orientation were identified as crucial parameters. In consequence, simple design suggestions for reducing tube side flow maldistribution are proposed.