Bestimmung der temperatur- und volumenstromabhängigen Druckverluste einer hydraulischen Baugruppe zur Abschätzung und Optimierung der Gesamtenergieffizienz im Verlauf der Neuentwicklung einer hochintegrativen Komponente eines Wärmepumpensystems

Bestimmung der temperatur- und volumenstromabhängigen Druckverluste einer hydraulischen Baugruppe zur Abschätzung und Optimierung der Gesamtenergieffizienz im Verlauf der Neuentwicklung einer hochintegrativen Komponente eines Wärmepumpensystems

Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssighelium erfordern einen hohen technischen Aufwand zu dessen Lagerung und Transfer. Aufgrund der extrem niedrigen Normalsiedetemperatur von 4,2 K ist die Verflüssigung des unter Normbedingungen gasförmigen Heliums sehr energieintensiv. Darüber hinaus besitzt Helium eine sehr niedrige Verdampfungsenthalpie, weshalb bereits geringe Wärmeeinträge signifikante Verdampfungsverluste verursachen. Infolge der räumlichen Trennung von Heliumverflüssigungsanlagen und Verbrauchern ist ein Flüssigheliumtransfer in der Regel unvermeidlich. Beim Transfervorgang durch Wärmeeintrag und Druckverluste generiertes Heliumkaltgas muss erneut dem energieaufwändigen Verflüssigungsprozess zugeführt werden, bevor es als Kältemittel verwendet werden kann. Zur Etablierung eines verlustarmen Flüssigheliumtransfers mit einflutigen flexiblen Transferleitungen sind daher die Verdampfungsverluste im Rahmen der thermohydraulischen Optimierung zu reduzieren. Die Optimierung erfolgt dabei durch die Kopplung von systematischen Messungen mit thermohydraulischen Berechnungen. Untersuchungen mit instrumentierten Versuchstransferleitungen erfolgen an einem an der Heliumverflüssigungsanlage der Technischen Universität Dresden neu eingerichteten Versuchsstand. Dabei stellt sich heraus, dass der Gesamtdruckverlust vorwiegend durch das im flexiblen Abschnitt eingesetzte Wellrohr verursacht wird. Mittels eines gesonderten Messaufbaus werden verschiedene Wellrohrtypen hinsichtlich der resultierenden Reibungsdruckverluste untersucht und eine verlustarme Wellrohrgeometrie identifiziert. Neben den Druckverlusten wird auch der Wärmeeintrag durch Modifikationen des Isolationsaufbaus reduziert. Im Zuge der thermohydraulischen Optimierung vermindern sich die Verdampfungsverluste, wodurch die pro Zeiteinheit in der Transportkanne deponierte Flüssigheliummenge zunimmt. Zusätzliche Messungen während des Stillstands der Transferleitung liefern Rückschlüsse auf das Verhalten der Transferleitung, wenn kein Flüssighelium transferiert wird. Im Stillstand neigen die betrachteten Transferleitungsgeometrien zu thermisch angetriebenen Druckschwingungen, sogenannten thermoakustischen Oszillationen. Diese beeinflussen die Betriebssicherheit und die Lagergüte des stationären Speichers negativ, weshalb geeignete Methoden zur Dämpfung der thermoakustischen Oszillationen vorgeschlagen werden.

Pumping is the most efficient transportation and placing method for concrete. Despite the immense progress in the field of concrete technology in the last years, so far there are still neither official regulations nor verified theoretical foundations to be used for the assessment and accurate prediction pumping behaviour of ordinary and high performance concretes. This thesis aims at purposefully investigating pumping of modern concretes and bridging the existing knowledge gap. The main achievement of the present research is the development and verification of a sitecompliant and scientifically based methodology for characterisation and prediction of fresh concrete pumping behaviour. The research focus is set on the importance of the forming lubricating layer (LL) during pumping. Within an extended experimental program, the properties of the LL are captured and quantified. They determine the reduction of friction at the pipe wallconcrete interface and thereby govern the concrete flow. It is proven that the composition and the rheological properties of the forming LL exert an enormous impact on pumping since most of the induced shear stress by pumping pressure is concentrated in this layer. In a further step, the flow pattern of concrete is analytically and numerically determined. The concrete exhibits various principal flow types which are already defined at low flow rates: plug flow in case of strainhardening cementbased composite (SHCC), partial concrete bulk shear in ordinary concretes and pronounced bulk shear for selfcompacting concrete (SCC). The results from the fullscale pumping campaign are confronted with the existing pressure performance nomogram on the determination of pumping parameters. The nomogram’s prediction capacity is extended and verified for highly flowable concretes by replacing the slump and flow table results with the viscosity parameter of the LL. Furthermore, the challenges during pumping of concrete, inter alia, priming of the pipeline, blockage formation and final cleaning, are exemplified, and recommendations for the practitioners are provided. Finally, the transfer of the developed scientifically based and ready to use methodology on site is strongly advocated as a part of the future in situ rheology monitoring concept towards envisaged full automation of concrete production and casting processes. / Das Pumpen stellt die effektivste Methode für das Fördern und Einbringen von Frischbeton auf der Baustelle dar. Trotz der in den letzten Jahren erreichten deutlichen Fortschritte auf betontechnologischem Gebiet existieren für die Beurteilung der Pumpbarkeit von Beton bisher weder offiziell gültige Vorschriften noch abgesicherte theoretische Grundlagen, die eine zielsichere Vorhersage des Pumpverhaltens von Normal- als auch Hochleistungsbetonen ermöglichen. Die vorliegende Arbeit schließt entsprechende Wissenslücken und befasst sich gezielt mit dem Pumpen moderner Betone. Grundlegenden Erkenntnisgewinn stellt die Entwicklung einer wissenschaftlich fundierten, baustellengerechten Prüfmethodik zur Charakterisierung und Vorhersage des Pumpverhaltens von Frischbeton dar. Der Untersuchungsfokus richtet sich auf die Wirkung der sich beim Pumpvorgang ausbildenden Gleitschicht. Ein umfangreiches Untersuchungsprogramm gestattet die Erfassung und Quantifizierung der Eigenschaften dieser Schicht. Sie bestimmen infolge deutlicher Reduzierung der Reibung an der Grenzfläche zwischen Rohrwandung und Beton die Betonströmung entscheidend. Bewiesen wird, dass Betonzusammensetzung und rheologische Eigenschaften der Gleitschicht maßgebende Auswirkungen auf den Pumpvorgang haben, da sich die pumpdruckinduzierte Scherspannung in dieser Schicht konzentriert. Weiterhin erfolgt sowohl eine analytische als auch numerische Charakterisierung der Betonströmung im Rohr. Nachgewiesen wird, dass sich beim Pumpvorgang betonspezifisch unterschiedliche Strömungsarten einstellen, die bereits bei niedrigen Durchflussmengen definiert sind: Pfropfenströmung in hochduktilen Betonen, partielle Scherung des Kernbetons in Normalbetonen und signifikante Scherung in selbstverdichtenden Betonen. Aus großtechnisch durchgeführten Pumpversuchen gewonnene Ergebnisse werden dem derzeit vorhandenen, verbesserungsbedürftigen Betondruck-Leistungs-Nomogramm zur Einstellung von Parametern an der Betonpumpe gegenübergestellt. Die Vorhersagekapazität des Nomogramms kann durch den Ersatz der Ausbreit- bzw. Setzfließmaßangaben mit Viskositätsangaben der Gleitschicht erweitert und verifiziert werden. Des Weiteren werden baustellenbezogene Herausforderungen im Gesamtprozess des Betonpumpvorgangs, u. a. Vorbereitung der Rohrleitung vor dem Pumpen, Auftreten von Stopfern und Endreinigung exemplarisch dargestellt sowie Empfehlungen für die Praktiker erarbeitet. Schließlich wird der Transfer der in dieser Arbeit entwickelten wissenschaftlich basierten und anwendungsbereiten Methodik als Teil des zukünftigen Konzeptes für die in-situ Rheologie-Überwachung hinsichtlich einer angestrebten vollständigen Automatisierung von Fertigungs- und Einbringprozessen von Beton mit Nachdruck empfohlen.

Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssighelium erfordern einen hohen technischen Aufwand zu dessen Lagerung und Transfer. Aufgrund der extrem niedrigen Normalsiedetemperatur von 4,2 K ist die Verflüssigung des unter Normbedingungen gasförmigen Heliums sehr energieintensiv. Darüber hinaus besitzt Helium eine sehr niedrige Verdampfungsenthalpie, weshalb bereits geringe Wärmeeinträge signifikante Verdampfungsverluste verursachen. Infolge der räumlichen Trennung von Heliumverflüssigungsanlagen und Verbrauchern ist ein Flüssigheliumtransfer in der Regel unvermeidlich. Beim Transfervorgang durch Wärmeeintrag und Druckverluste generiertes Heliumkaltgas muss erneut dem energieaufwändigen Verflüssigungsprozess zugeführt werden, bevor es als Kältemittel verwendet werden kann. Zur Etablierung eines verlustarmen Flüssigheliumtransfers mit einflutigen flexiblen Transferleitungen sind daher die Verdampfungsverluste im Rahmen der thermohydraulischen Optimierung zu reduzieren. Die Optimierung erfolgt dabei durch die Kopplung von systematischen Messungen mit thermohydraulischen Berechnungen. Untersuchungen mit instrumentierten Versuchstransferleitungen erfolgen an einem an der Heliumverflüssigungsanlage der Technischen Universität Dresden neu eingerichteten Versuchsstand. Dabei stellt sich heraus, dass der Gesamtdruckverlust vorwiegend durch das im flexiblen Abschnitt eingesetzte Wellrohr verursacht wird. Mittels eines gesonderten Messaufbaus werden verschiedene Wellrohrtypen hinsichtlich der resultierenden Reibungsdruckverluste untersucht und eine verlustarme Wellrohrgeometrie identifiziert. Neben den Druckverlusten wird auch der Wärmeeintrag durch Modifikationen des Isolationsaufbaus reduziert. Im Zuge der thermohydraulischen Optimierung vermindern sich die Verdampfungsverluste, wodurch die pro Zeiteinheit in der Transportkanne deponierte Flüssigheliummenge zunimmt. Zusätzliche Messungen während des Stillstands der Transferleitung liefern Rückschlüsse auf das Verhalten der Transferleitung, wenn kein Flüssighelium transferiert wird. Im Stillstand neigen die betrachteten Transferleitungsgeometrien zu thermisch angetriebenen Druckschwingungen, sogenannten thermoakustischen Oszillationen. Diese beeinflussen die Betriebssicherheit und die Lagergüte des stationären Speichers negativ, weshalb geeignete Methoden zur Dämpfung der thermoakustischen Oszillationen vorgeschlagen werden.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Stand der Wissenschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Gegenstand und Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Helium als Kälteträger 6 2.1 Grundlegende Stoffeigenschaften von Helium . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Vorkommen, Gewinnung und Verwendung von Helium . . . . . . . . . . . 7 2.3 Bereitstellung von Flüssighelium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 Aufbau einer flexiblen Transferleitung für Flüssighelium . . . . . . . . . . . 12 3 Berechnungsgrundlagen 14 3.1 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.1 Gesamtdruckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.2 Reibungsdruckverlust im Glattrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Reibungsdruckverlust im Rohr mit parallelen Wellen . . . . . . . . 15 3.1.4 Zweiphasenmultiplikator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.5 Druckverlust durch Höhenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.6 Beschleunigungsdruckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.7 Druckverlust durch Einzelwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 Gesamtwärmeeintrag der Transferleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 Lokaler Wärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.1 Strahlungswärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.2 Wärmetransport durch die MLI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3.3 Wärmetransport durch die Rohrwand . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3.4 Wärmetransport entlang der Konstruktionselemente . . . . . . . . 25 3.3.5 Konvektiver Wärmeübergang bei einphasiger Strömung . . . . . . . 25 3.3.6 Wärmeübergang beim Sieden einer erzwungenen Strömung . . . . 26 3.4 Thermoakustische Oszillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4.1 Definition und Entstehung einer thermoakustischen Oszillation . . . 28 3.4.2 Abschätzung von Amplitude und Frequenz . . . . . . . . . . . . . 31 4 Messaufbau und Versuchsdurchführung 34 4.1 Charakterisierung der Transferleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.3 Untersuchte Transferleitungskonfigurationen . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Druckverlust in parallel gewellten Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.3 Untersuchte Wellrohrgeometrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3 Messmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.2 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.3 Volumenstrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.4 Wägeeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.5 Supraleitende Füllstandssonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.6 Datenaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Thermohydraulisches Berechnungsmodell 44 5.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.1 Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3.3 Transferrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6 Ergebnisse der messtechnischen Untersuchung 59 6.1 Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.3 Austrittsdampfgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.4 Transferrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.5 Einkühl- und Aufwärmverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.6 Schwingungsneigung der Transferleitung im Stillstand . . . . . . . . . .72 6.6.1 Auftreten thermoakustischer Oszillationen . . . . . . . . . . . . . . 72 6.6.2 Ermittlung des Temperaturprofils . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.6.3 Berechnung von Druckamplitude und Frequenz . . . . . . . . . . . 76 6.6.4 Resultierender Wärmeeintrag in den Heliumspeicher . . . . . . . . 79 6.6.5 Dämpfung thermoakustischer Oszillationen . . . . . . . . . . . . . 79 6.7 Reibungsdruckverlust in parallel gewellten Rohren . . . . . . . . . . . . 81 7 Design- und Anwendungsempfehlungen 87 8 Zusammenfassung 91 Literatur 94 Anhang 100 A Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 1 . . 100 B Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 2 . . 101 C Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 3 . . 103 D Messwerte des Kannendrucks für alle untersuchten Transferleitungen . . . 105 E Reibungsbeiwerte der Wellrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 F Berechnung des Wärmeeintrags durch thermoakustische Oszillationen . . . 107

Selective laser melting (SLM), one type of metal additive manufacturing (AM) technology, uses a highintensity laser to selectively melt pre-spread metal powders by a layer-on-layer manner. The technology does not only provide a new way of manufacturing but also innovates product design methodology. In this study, a hydraulic block manifold is designed and manufactured using SLM. In this paper, we present an AM-driven design approach of hydraulic manifolds based on a case study. The target is not only to reduce weight but also to enhance fluid flow by optimizing fluid path to reduce pressure drop. The novelty of the research includes developing a design approach of hydraulic manifolds using SLM with a particular focus on fluid flow. Compared to the traditional hydraulic manifold, the weight of the new SLMed hydraulic manifold was reduced by more than 80%, size by half. Pressure loss of the main functional oil circuit was reduced by 31%, illustrating that the new hydraulic manifold design simultaneously achieves lightweight and high performance. This study contributes to providing theoretical guidance to the design of additively manufactured hydraulic components with high performance.

Pumping is the most efficient transportation and placing method for concrete. Despite the immense progress in the field of concrete technology in the last years, so far there are still neither official regulations nor verified theoretical foundations to be used for the assessment and accurate prediction pumping behaviour of ordinary and high performance concretes. This thesis aims at purposefully investigating pumping of modern concretes and bridging the existing knowledge gap. The main achievement of the present research is the development and verification of a sitecompliant and scientifically based methodology for characterisation and prediction of fresh concrete pumping behaviour. The research focus is set on the importance of the forming lubricating layer (LL) during pumping. Within an extended experimental program, the properties of the LL are captured and quantified. They determine the reduction of friction at the pipe wallconcrete interface and thereby govern the concrete flow. It is proven that the composition and the rheological properties of the forming LL exert an enormous impact on pumping since most of the induced shear stress by pumping pressure is concentrated in this layer. In a further step, the flow pattern of concrete is analytically and numerically determined. The concrete exhibits various principal flow types which are already defined at low flow rates: plug flow in case of strainhardening cementbased composite (SHCC), partial concrete bulk shear in ordinary concretes and pronounced bulk shear for selfcompacting concrete (SCC). The results from the fullscale pumping campaign are confronted with the existing pressure performance nomogram on the determination of pumping parameters. The nomogram’s prediction capacity is extended and verified for highly flowable concretes by replacing the slump and flow table results with the viscosity parameter of the LL. Furthermore, the challenges during pumping of concrete, inter alia, priming of the pipeline, blockage formation and final cleaning, are exemplified, and recommendations for the practitioners are provided. Finally, the transfer of the developed scientifically based and ready to use methodology on site is strongly advocated as a part of the future in situ rheology monitoring concept towards envisaged full automation of concrete production and casting processes.:ZUSAMMENFASSUNG V ABSTRACT VII VORWORT DES HERAUSGEBERS IX DANKSAGUNG XI SYMBOLS XVII INTRODUCTION 1 1.1 FLASHLIGHTS ON HISTORY 1 1.2 MOTIVATION 1 1.3 RESEARCH FIELD 3 1.4 RESEARCH CONCEPT 6 1.5 ECONOMIC RELEVANCE 8 1.6 STRUCTURE AND BOUNDARIES OF THE THESIS 10 STATE OF THE ART 13 2.1 GENERAL 13 2.2 CONCRETE FLOW IN PIPELINE 13 2.3 INFLUENCE OF CONCRETE RHEOLOGY ON PUMPING BEHAVIOUR 16 2.3.1 CEMENT HYDRATION 16 2.3.2 MIXTURE COMPOSITION 17 2.3.2.1 WATER-TO-BINDER RATIO AND PASTE VOLUME 18 2.3.2.2 AGGREGATES 20 2.3.2.3 ADMIXTURES AS PUMPING AIDS 22 2.3.3 HYDRODYNAMIC INTERACTIONS 25 2.3.4 SHEAR HISTORY 27 2.3.5 TEMPERATURE 28 2.4 FORMATION OF LUBRICATING LAYER 30 2.4.1 FLOW-INDUCED PARTICLE MIGRATION 30 2.4.2 PROPERTIES 31 2.4.3 EXPERIMENTAL CHARACTERISATION 32 2.5 BOUNDARY CONDITIONS 32 2.6 PUMPING EQUIPMENT 34 2.7 PRIMING 35 3 APPLIED METHODS 37 3.1 GENERAL 37 3.2 RHEOMETRY 37 3.3 DIRECT DETERMINATION OF PUMPING PRESSURE 40 3.4 SAMPLING AND PRODUCTION OF LUBRICATING MATERIAL 42 3.5 MEASUREMENT OF FILTRATE AMOUNT 45 3.6 ANALYTICAL DETERMINATION OF LUBRICATING LAYER THICKNESS 47 3.7 SMALL-SCALE PUMPING 49 3.8 FULL-SCALE PUMPING 50 3.9 NUMERICAL METHOD 56 3.9.1 MATERIAL MODEL 56 3.9.2 NUMERICAL IMPLEMENTATION 58 4 CHARACTERISATION OF CONCRETE PUMPABILITY 63 4.1 GENERAL 63 4.2 MIXTURE DESIGN PARAMETERS 63 4.3 COMPARISON BETWEEN REFERENCE AND DESIGN MORTARS 65 4.4 RESULTS AND DISCUSSION 65 4.4.1 RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF CONCRETES AND DESIGN MORTARS 65 4.4.2 INFLUENCE OF WALL ROUGHNESS ON RHEOLOGICAL PARAMETERS 67 4.4.3 PREDICTION OF PUMPING PRESSURE 72 4.5 SUMMARY 74 5 LUBRICATING LAYER THICKNESS AND CONCRETE FLOW 75 5.1 GENERAL 75 5.2 MIXTURE DESIGN PARAMETERS 75 5.3 RESULTS AND DISCUSSION 76 5.3.1 CONCRETE FLOW TYPE 76 5.3.2 PREDICTION AND VERIFICATION OF PUMPING PRESSURE 77 5.3.3 QUANTIFICATION OF LUBRICATING LAYER THICKNESS 79 5.4 SUMMARY 82 6 FULL-SCALE PUMPING EXPERIMENTS 83 6.1 GENERAL 83 6.2 MIXTURES AND DESIGN PARAMETERS 83 6.3 RESULTS AND DISCUSSION 85 6.3.1 PRESSURE LOSS AND PRESSURE-FLOW RATE CURVES 85 6.3.2 NUMERICAL SIMULATION RESULTS 86 6.3.3 PRESSURE PREDICTION USING MODIFIED NOMOGRAM 88 6.3.4 COMPARISON BETWEEN PREDICTED AND ACTUAL PRESSURE-FLOW RATE CURVES 90 6.4 SUMMARY 92 7 EFFECT OF PUMPING ON FRESH PROPERTIES OF CONCRETE AND FILTRATE FORMATION 95 7.1 GENERAL 95 7.2 MIXTURES DESIGN PARAMETERS 95 7.3 INFLUENCE OF PUMPING ON PROPERTIES OF FRESH CONCRETE 97 7.4 INFLUENCE OF CONCRETE PROPERTIES ON KINETICS OF FILTRATE FORMATION 98 7.5 IMPACT OF FILTRATE AMOUNT ON PUMPABILITY 101 7.6 SUMMARY 104 8 CHALLENGES RELATED TO PUMPING OF CONCRETE 105 8.1 GENERAL 105 8.2 PRIMING GROUT 105 8.3 PIPELINE GEOMETRY 108 8.4 BLOCKAGES 113 8.5 FILLING DEGREE OF PUMP PISTONS 116 8.6 TEMPERATURE CONTROL 117 8.7 VERTICAL PUMPING 118 8.8 CLEANING THE PIPELINE 119 8.9 SUMMARY 120 9 FINAL CONCLUSIONS AND OUTLOOK 121 9.1 GENERAL 121 9.2 CONCRETE FLOW TYPE 121 9.3 LUBRICATING LAYER PROPERTIES 121 9.4 RHEOLOGICAL DEVICES 122 9.5 FILTRATE FORMATION 122 9.6 NUMERICAL SIMULATIONS 122 9.7 MODIFIED NOMOGRAM 123 9.8 RELEVANCE OF PUMPING EXPERIMENTS 123 9.9 INFLUENCE OF PUMPING ON FRESH CONCRETE PROPERTIES 124 9.10 GENERATED DATABASE 124 9.11 IMPROVING NUMERICAL MODEL 124 9.12 TODAY AND TOMORROW 124 BIBLIOGRAPHY 127 APPENDIX A 135 A.1 MATERIALS DESCRIPTION, CHAPTERS 4 AND 5 135 A.2 MATERIALS DESCRIPTION, CHAPTERS 6, 7 AND 8 136 APPENDIX B 137 APPENDIX C 141 LIST OF SELECTED PUBLICATIONS 143 JOURNALS 143 CONFERENCE PAPERS 143 CURRICULUM VITAE 145 / Das Pumpen stellt die effektivste Methode für das Fördern und Einbringen von Frischbeton auf der Baustelle dar. Trotz der in den letzten Jahren erreichten deutlichen Fortschritte auf betontechnologischem Gebiet existieren für die Beurteilung der Pumpbarkeit von Beton bisher weder offiziell gültige Vorschriften noch abgesicherte theoretische Grundlagen, die eine zielsichere Vorhersage des Pumpverhaltens von Normal- als auch Hochleistungsbetonen ermöglichen. Die vorliegende Arbeit schließt entsprechende Wissenslücken und befasst sich gezielt mit dem Pumpen moderner Betone. Grundlegenden Erkenntnisgewinn stellt die Entwicklung einer wissenschaftlich fundierten, baustellengerechten Prüfmethodik zur Charakterisierung und Vorhersage des Pumpverhaltens von Frischbeton dar. Der Untersuchungsfokus richtet sich auf die Wirkung der sich beim Pumpvorgang ausbildenden Gleitschicht. Ein umfangreiches Untersuchungsprogramm gestattet die Erfassung und Quantifizierung der Eigenschaften dieser Schicht. Sie bestimmen infolge deutlicher Reduzierung der Reibung an der Grenzfläche zwischen Rohrwandung und Beton die Betonströmung entscheidend. Bewiesen wird, dass Betonzusammensetzung und rheologische Eigenschaften der Gleitschicht maßgebende Auswirkungen auf den Pumpvorgang haben, da sich die pumpdruckinduzierte Scherspannung in dieser Schicht konzentriert. Weiterhin erfolgt sowohl eine analytische als auch numerische Charakterisierung der Betonströmung im Rohr. Nachgewiesen wird, dass sich beim Pumpvorgang betonspezifisch unterschiedliche Strömungsarten einstellen, die bereits bei niedrigen Durchflussmengen definiert sind: Pfropfenströmung in hochduktilen Betonen, partielle Scherung des Kernbetons in Normalbetonen und signifikante Scherung in selbstverdichtenden Betonen. Aus großtechnisch durchgeführten Pumpversuchen gewonnene Ergebnisse werden dem derzeit vorhandenen, verbesserungsbedürftigen Betondruck-Leistungs-Nomogramm zur Einstellung von Parametern an der Betonpumpe gegenübergestellt. Die Vorhersagekapazität des Nomogramms kann durch den Ersatz der Ausbreit- bzw. Setzfließmaßangaben mit Viskositätsangaben der Gleitschicht erweitert und verifiziert werden. Des Weiteren werden baustellenbezogene Herausforderungen im Gesamtprozess des Betonpumpvorgangs, u. a. Vorbereitung der Rohrleitung vor dem Pumpen, Auftreten von Stopfern und Endreinigung exemplarisch dargestellt sowie Empfehlungen für die Praktiker erarbeitet. Schließlich wird der Transfer der in dieser Arbeit entwickelten wissenschaftlich basierten und anwendungsbereiten Methodik als Teil des zukünftigen Konzeptes für die in-situ Rheologie-Überwachung hinsichtlich einer angestrebten vollständigen Automatisierung von Fertigungs- und Einbringprozessen von Beton mit Nachdruck empfohlen.:ZUSAMMENFASSUNG V ABSTRACT VII VORWORT DES HERAUSGEBERS IX DANKSAGUNG XI SYMBOLS XVII INTRODUCTION 1 1.1 FLASHLIGHTS ON HISTORY 1 1.2 MOTIVATION 1 1.3 RESEARCH FIELD 3 1.4 RESEARCH CONCEPT 6 1.5 ECONOMIC RELEVANCE 8 1.6 STRUCTURE AND BOUNDARIES OF THE THESIS 10 STATE OF THE ART 13 2.1 GENERAL 13 2.2 CONCRETE FLOW IN PIPELINE 13 2.3 INFLUENCE OF CONCRETE RHEOLOGY ON PUMPING BEHAVIOUR 16 2.3.1 CEMENT HYDRATION 16 2.3.2 MIXTURE COMPOSITION 17 2.3.2.1 WATER-TO-BINDER RATIO AND PASTE VOLUME 18 2.3.2.2 AGGREGATES 20 2.3.2.3 ADMIXTURES AS PUMPING AIDS 22 2.3.3 HYDRODYNAMIC INTERACTIONS 25 2.3.4 SHEAR HISTORY 27 2.3.5 TEMPERATURE 28 2.4 FORMATION OF LUBRICATING LAYER 30 2.4.1 FLOW-INDUCED PARTICLE MIGRATION 30 2.4.2 PROPERTIES 31 2.4.3 EXPERIMENTAL CHARACTERISATION 32 2.5 BOUNDARY CONDITIONS 32 2.6 PUMPING EQUIPMENT 34 2.7 PRIMING 35 3 APPLIED METHODS 37 3.1 GENERAL 37 3.2 RHEOMETRY 37 3.3 DIRECT DETERMINATION OF PUMPING PRESSURE 40 3.4 SAMPLING AND PRODUCTION OF LUBRICATING MATERIAL 42 3.5 MEASUREMENT OF FILTRATE AMOUNT 45 3.6 ANALYTICAL DETERMINATION OF LUBRICATING LAYER THICKNESS 47 3.7 SMALL-SCALE PUMPING 49 3.8 FULL-SCALE PUMPING 50 3.9 NUMERICAL METHOD 56 3.9.1 MATERIAL MODEL 56 3.9.2 NUMERICAL IMPLEMENTATION 58 4 CHARACTERISATION OF CONCRETE PUMPABILITY 63 4.1 GENERAL 63 4.2 MIXTURE DESIGN PARAMETERS 63 4.3 COMPARISON BETWEEN REFERENCE AND DESIGN MORTARS 65 4.4 RESULTS AND DISCUSSION 65 4.4.1 RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF CONCRETES AND DESIGN MORTARS 65 4.4.2 INFLUENCE OF WALL ROUGHNESS ON RHEOLOGICAL PARAMETERS 67 4.4.3 PREDICTION OF PUMPING PRESSURE 72 4.5 SUMMARY 74 5 LUBRICATING LAYER THICKNESS AND CONCRETE FLOW 75 5.1 GENERAL 75 5.2 MIXTURE DESIGN PARAMETERS 75 5.3 RESULTS AND DISCUSSION 76 5.3.1 CONCRETE FLOW TYPE 76 5.3.2 PREDICTION AND VERIFICATION OF PUMPING PRESSURE 77 5.3.3 QUANTIFICATION OF LUBRICATING LAYER THICKNESS 79 5.4 SUMMARY 82 6 FULL-SCALE PUMPING EXPERIMENTS 83 6.1 GENERAL 83 6.2 MIXTURES AND DESIGN PARAMETERS 83 6.3 RESULTS AND DISCUSSION 85 6.3.1 PRESSURE LOSS AND PRESSURE-FLOW RATE CURVES 85 6.3.2 NUMERICAL SIMULATION RESULTS 86 6.3.3 PRESSURE PREDICTION USING MODIFIED NOMOGRAM 88 6.3.4 COMPARISON BETWEEN PREDICTED AND ACTUAL PRESSURE-FLOW RATE CURVES 90 6.4 SUMMARY 92 7 EFFECT OF PUMPING ON FRESH PROPERTIES OF CONCRETE AND FILTRATE FORMATION 95 7.1 GENERAL 95 7.2 MIXTURES DESIGN PARAMETERS 95 7.3 INFLUENCE OF PUMPING ON PROPERTIES OF FRESH CONCRETE 97 7.4 INFLUENCE OF CONCRETE PROPERTIES ON KINETICS OF FILTRATE FORMATION 98 7.5 IMPACT OF FILTRATE AMOUNT ON PUMPABILITY 101 7.6 SUMMARY 104 8 CHALLENGES RELATED TO PUMPING OF CONCRETE 105 8.1 GENERAL 105 8.2 PRIMING GROUT 105 8.3 PIPELINE GEOMETRY 108 8.4 BLOCKAGES 113 8.5 FILLING DEGREE OF PUMP PISTONS 116 8.6 TEMPERATURE CONTROL 117 8.7 VERTICAL PUMPING 118 8.8 CLEANING THE PIPELINE 119 8.9 SUMMARY 120 9 FINAL CONCLUSIONS AND OUTLOOK 121 9.1 GENERAL 121 9.2 CONCRETE FLOW TYPE 121 9.3 LUBRICATING LAYER PROPERTIES 121 9.4 RHEOLOGICAL DEVICES 122 9.5 FILTRATE FORMATION 122 9.6 NUMERICAL SIMULATIONS 122 9.7 MODIFIED NOMOGRAM 123 9.8 RELEVANCE OF PUMPING EXPERIMENTS 123 9.9 INFLUENCE OF PUMPING ON FRESH CONCRETE PROPERTIES 124 9.10 GENERATED DATABASE 124 9.11 IMPROVING NUMERICAL MODEL 124 9.12 TODAY AND TOMORROW 124 BIBLIOGRAPHY 127 APPENDIX A 135 A.1 MATERIALS DESCRIPTION, CHAPTERS 4 AND 5 135 A.2 MATERIALS DESCRIPTION, CHAPTERS 6, 7 AND 8 136 APPENDIX B 137 APPENDIX C 141 LIST OF SELECTED PUBLICATIONS 143 JOURNALS 143 CONFERENCE PAPERS 143 CURRICULUM VITAE 145

Questions that were answered in the dissertation: Which process is suitable to desulphurize biogas knowing that chemical absorption will be used to separate CO2? Which absorption solvent is suitable to separate CO2 from concentrated gases such as biogas at atmospheric pressure? What properties of the selected solvent, namely aqueous diglycolamine (DGA), are already known? How to determine solvent properties such as equilibrium CO2 solubility under absorption and desorption conditions using simple, but robust apparatuses? What values do solvent properties such as density, viscosity and surface tension take at various DGA contents and CO2 loadings? How do primary alkanolamine content and CO2 loading influence solvent properties? What is the optimal DGA content in the solvent? What is the optimal desorption temperature at atmospheric pressure? How can equilibrium CO2 solubility in aqueous DGA solvents be simulated? What is the uncertainty in the results? How to debottleneck an absorber and increase its gas-treating capacity? How to determine the optimal lean loading of the absorption solvent? What are the characteristics of the absorption process that uses aqueous DGA as the solvent to separate CO2 from biogas and is more energy efficient and safer than the state-of-the-art processes? How to quantitatively compare the hazards of absorption solvents? What is the disposition of the German population towards hazards from biogas plants? What are the favourable and adverse environmental impacts of biomethane? / Fragen, die in der Dissertation beantwortet wurden: Welches Verfahren ist zur Entschwefelung von Biogas geeignet, wenn die chemische Absorption zur CO2-Abtrennung genutzt wird? Welches Absorptionsmittel ist geeignet, um CO2 aus konzentrierten Gasen, wie Biogas, bei atmosphärischem Druck abzutrennen? Welche Eigenschaften des ausgewählten Absorptionsmittels, wässriges Diglykolamin (DGA), sind bereits bekannt? Wie wird die CO2-Gleichgewichtsbeladung unter Absorptions- und Desorptionsbedingungen mit einfachen und robusten Laborapparaten bestimmt? Welche Werte nehmen die Absorptionsmitteleigenschaften wie Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung bei verschiedenen DGA-Gehalten und CO2-Beladungen? Wie werden die Absorptionsmitteleigenschaften durch den Primäramin-Gehalt und die CO2-Beladung beeinflusst? Was ist der optimale DGA-Gehalt im Absorptionsmittel? Was ist die optimale Desorptionstemperatur bei atmosphärischem Druck? Wie wird die CO2-Gleichgewichtsbeladung im wässrigen DGA simuliert? Welche Ungenauigkeit ist zu erwarten? Wie wird eine Absorptionskolonne umgerüstet, um die Kapazität zu erweitern? Wie wird die optimale CO2-Beladung des Absorptionsmittels am Absorbereintritt (im unbeladenen Absorptionsmittel) bestimmt? Was sind die Prozesseigenschaften eines Absorptionsverfahrens, das wässriges DGA als Absorptionsmittel nutzt sowie energieeffizienter und sicherer als Verfahren auf dem Stand der Technik ist? Wie kann das Gefahrenpotenzial von Absorptionsmittel quantitativ verglichen werden? Wie werden Gefahren aus einer Biogasanlage durch die deutsche Bevölkerung wahrgenommen? Welche positive und negative Umweltauswirkung hat Biomethan?

Questions that were answered in the dissertation: Which process is suitable to desulphurize biogas knowing that chemical absorption will be used to separate CO2? Which absorption solvent is suitable to separate CO2 from concentrated gases such as biogas at atmospheric pressure? What properties of the selected solvent, namely aqueous diglycolamine (DGA), are already known? How to determine solvent properties such as equilibrium CO2 solubility under absorption and desorption conditions using simple, but robust apparatuses? What values do solvent properties such as density, viscosity and surface tension take at various DGA contents and CO2 loadings? How do primary alkanolamine content and CO2 loading influence solvent properties? What is the optimal DGA content in the solvent? What is the optimal desorption temperature at atmospheric pressure? How can equilibrium CO2 solubility in aqueous DGA solvents be simulated? What is the uncertainty in the results? How to debottleneck an absorber and increase its gas-treating capacity? How to determine the optimal lean loading of the absorption solvent? What are the characteristics of the absorption process that uses aqueous DGA as the solvent to separate CO2 from biogas and is more energy efficient and safer than the state-of-the-art processes? How to quantitatively compare the hazards of absorption solvents? What is the disposition of the German population towards hazards from biogas plants? What are the favourable and adverse environmental impacts of biomethane? / Fragen, die in der Dissertation beantwortet wurden: Welches Verfahren ist zur Entschwefelung von Biogas geeignet, wenn die chemische Absorption zur CO2-Abtrennung genutzt wird? Welches Absorptionsmittel ist geeignet, um CO2 aus konzentrierten Gasen, wie Biogas, bei atmosphärischem Druck abzutrennen? Welche Eigenschaften des ausgewählten Absorptionsmittels, wässriges Diglykolamin (DGA), sind bereits bekannt? Wie wird die CO2-Gleichgewichtsbeladung unter Absorptions- und Desorptionsbedingungen mit einfachen und robusten Laborapparaten bestimmt? Welche Werte nehmen die Absorptionsmitteleigenschaften wie Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung bei verschiedenen DGA-Gehalten und CO2-Beladungen? Wie werden die Absorptionsmitteleigenschaften durch den Primäramin-Gehalt und die CO2-Beladung beeinflusst? Was ist der optimale DGA-Gehalt im Absorptionsmittel? Was ist die optimale Desorptionstemperatur bei atmosphärischem Druck? Wie wird die CO2-Gleichgewichtsbeladung im wässrigen DGA simuliert? Welche Ungenauigkeit ist zu erwarten? Wie wird eine Absorptionskolonne umgerüstet, um die Kapazität zu erweitern? Wie wird die optimale CO2-Beladung des Absorptionsmittels am Absorbereintritt (im unbeladenen Absorptionsmittel) bestimmt? Was sind die Prozesseigenschaften eines Absorptionsverfahrens, das wässriges DGA als Absorptionsmittel nutzt sowie energieeffizienter und sicherer als Verfahren auf dem Stand der Technik ist? Wie kann das Gefahrenpotenzial von Absorptionsmittel quantitativ verglichen werden? Wie werden Gefahren aus einer Biogasanlage durch die deutsche Bevölkerung wahrgenommen? Welche positive und negative Umweltauswirkung hat Biomethan?

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