Technische Thermodynamik - TU Bergakademie Freiberg

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Lehrstuhl für
Technische Thermodynamik
Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Groß
Kurzdarstellung des Lehrstuhls
Prof. Dr.-Ing. habil. U. Groß, [email protected] , http://tu-freiberg.de/fakult4/iwtt/ttd/
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Freiberg - Universität
Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
• Technische Thermodynamik, Thermofluiddynamik
• Wärme und Stoffübertragung
• Projektierung von Wärmeübertragern
• Geothermie, Wärmepumpen, Kälteanlagen
• Thermophysikalische Stoffeigenschaften
Lehrstuhl für Gas und Wärmetechnische Anlagen
• Porenbrennertechnologie
• Energietechnik, Brennstoffzellen
• Hochtemperaturanlagen
• Berechnung und Modellierung für den Industrieofenbau
• Anwendung der Mikrowellentechnologie
• Gewinnung von Biogas aus regenerativen Materialien
Lehrstuhl für Gastechnik
• Gasanwendung, -versorgung, -technik
• Management in der Gasökonomie
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Lehrstuhl Technische Thermodynamik
Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik unter der Leitung von
Prof. Dr.-Ing. habil. U. Groß beschäftigt sich seit mehr als 20 Jahren
mit experimentellen und numerischen Untersuchungen zum
Wärmeübergang bei der Kondensation und Verdampfung. Ein weiterer
Forschungsschwerpunkt des Lehrstuhls ist die Untersuchung und
Bestimmung thermophysikalischer Eigenschaften.
Arbeitsgruppe: Konvektive Wärmeübertragung
• Grundlagenforschung zum Wärmeübergang bei Phasenänderungen
• Tropfenkondensation
• Fallfilmverdampfung und -Kondensation
• Wärmerohr
• Geothermie
Arbeitsgruppe: Thermophysikalische Stoffeigenschaften
• Messung von:
• Wärmeleitfähigkeit (bis 1600°C)
• Temperaturleitfähigkeit (bis 1800°C)
• spezifische Wärmekapazität (bis 1600°C)
• thermische Ausdehnung (-180 bis 1600°C)
• Materialien:
• Metalle (fest, flüssig), Schaumstrukturen, Dämmstoffe, Baustoffe,
• Granulate, Spritzschichten (thermal barrier coatings)
• Kalibrierung von Temperatur-Messfühlern
Arbeitsgruppe: Numerische Thermofluiddynamik
• Strömungen mit gekoppelten Transportprozessen (Wärmeübertragung,
Verbrennung, Mehrphasen)
• Strömungen mit freien Oberflächen (Filmströmungen) Geothermie
• Optimierung von Wärmeübertragern und thermischen Prozessen
• Verwendung von Lattice-Boltzmann-Methoden für Mehrphasensysteme
(Entwicklung eines LBM-Programmes, LBM3f)
• Geothermie
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Fallfilmverdampfung und -kondensation
• Wärmeübergangsmessung in senkrechten Rohren:
- untersuchte Flüssigkeiten: Wasser, Ethanol, Isopropanol
- Einfluss der dampfseitigen Schubspannung
- Gleichstrom/Gegenstrom
S. Thumm: Filmkondensation im senkrechten Rohr bei Gegenstrom von Dampf und Flüssigkeit. Diss., TU
Bergakademie Freiberg, 2000
U. Gross: Reflux condensation heat transfer inside a closed thermosyphon. Int. J. Heat and Mass Transfer 35 (1992),
S. 279-294.
4
Filmkondensation (Dampf-Gegenströmung)
- Einfluss der dampfseitigen Schubspannung auf den
Wärmeübergang
- Einflüsse der Reynolds-, Prandtl-, Kapitza-Zahl, Schubspannung
0.67
Re 1.4 *
Re 2.4
Re 6.5 **
Re 6.7
Nu
0.62
* 22 °C
** 50 °C
0.57
0.52
0.47
0.42
0.00
0.25
τ*
0.50
0.75
Dimensionlose Schubspannung
U. Gross: Shear Stress Effects on Counter Current Film Condensation inside Tubes: a Review of Recent
Developments 90 Years after Nusselt. Proceedings, Invited lecture at International Heat Transfer Conference 2006,
Sydney, Australia
U. Gross, Ch. Philipp, S. Thumm: Effect of countercurrent vapour flow on film condensation heat transfer inside a
vertical tube. Proc. 12th Internat. Heat Transfer Conf., Grenoble/Frankreich, 18.-22.8.2002
S. Thumm, Ch. Philipp, U. Gross: Film condensation of water in a vertical tube with countercurrent vapour flow. Int. J.
Heat and Mass Transfer, 44(22), 4245-4256, 2001
5
Filmkondensation
(Extrapolation zum ruhenden Dampf)
- Grenzfall für vernachlässigbare Dampfgeschwindigkeit
- untersucht wurde der laminar-wellige Bereich
- Einflüsse der Reynolds-, Prandtl- und Kapitza-Zahl
Wellenfaktor
U. Gross, Th. Storch, Ch. Philipp, A. Doeg : Wave Frequency of Falling Liquid Films and its Effect on Reflux
Condensation in Vertical Tubes. Int. J. Multiphase Flow, 35 (4), 398 – 409, 2009
Ch. Philipp, A. Doeg, S. Kufaas Tellefsen, U. Gross: Wave Characteristics of Liquid Films – Correlation of Heat
Transfer Data with Visual Observations. Proc. International Heat Transfer Conference 2006, Sydney, Australia
6
Fallfilmverdampfung und Wellenstruktur
light 2
glass
vapour out to condenser 1
liquid in
3750
1580
brass tube
D i = 28.2 mm
with a heated, cooled or
isothermal outer surface
measuring level (heat transfer)
120
7 x 20 = 140
measuring probe
pencil-like camera 1
Do = 14 mm
• Untersuchung der Filmstruktur
(Wellenform, -frequenz) und
deren Einfluss auf den
Wärmeübergang
• Benetzungsuntersuchungen
(Wasserfilm – verschiedene
Oberflächen)
vapour out to condenser 2
or in (for condensation)
liquid out
light 1
glass
camera 2
Wellenfrequenz
Wellenstruktur
Wellenfaktor
Film – Reynolds-Zahl
Th. Storch, Ch. Philipp, U. Gross: Zero Shear-stress Experiments of Falling Film Evaporatioon inside a Vertical Tube.
Proc. 5th Europ. Thermal Sci. Conf. (EUROTHERM 2008), 18.-22. 5. 2008, Eindhoven, Netherlands, Paper No. 699
U. Gross: Falling film evaporation inside a closed thermosyphon. Proc. 8th Int. Heat Pipe Conf., Beijing 1992, S. 83-88
.
Th. Storch, Ch. Philipp, A. Doeg, U. Gross: Heat Flux Effects on Falling Film Evaporation inside a vertical tube. 7th
World Conf. on Exp. Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 28.6.-03.7.2009, Krakow, Polen.
U. Gross, Th. Storch, Ch. Philipp, A. Doeg, : Wave frequency of falling liquid films and the effect on reflux
condensation in vertical tubes. International Journal of Multiphase Flow 35, 2009, S. 398–409
7
Geothermische Direktverdampfungssonden
• Umsetzung des Prinzips der Direktverdampfung in der
Geothermie (oberflächennah; auch tiefe Geothermie)
• Benetzungsuntersuchungen
- Fluideigenschaften
- Geometrie – makroskopisch (Länge, Durchmesser,
Neigungswinkel)
- Geometrie – mikroskopisch (Oberflächenstruktur, Werkstoff,
Beschichtung)
• Thermofluiddynamische Berechnungen für die Auslegung
von Geothermieanlagen (zeitabhängige Temperaturfelder im
Nahbereich geothermischer Sonden)
Quelle: TU Bergakademie Freiberg
Quelle: J. Hamann, www.blz-geotechnik.de
U. Gross: Über die Thermofluiddynamik geothermischer Direktverdampfungssonden. Vortrag: Sächsische Akademie
der Wissenschaften zu Leipzig, 9. 5. 2008
8
Bau von Apparaturen zur Messung der
Wärmeleitfähigkeit
Panel test facility PMA4 – schematic drawing
heating section:
fibreboards
heating elements
measuring section:
lightweight firebricks
sample
cooling system
calorimeter system
(adjustable in height)
G. Barth, U. Gross, R. Wulf: A New Panel Test Facility for Effective Thermal Conductivity Measurements up
to 1,650 °C. Int. J. Thermophysics 28 (2007) 1668 - 1678
W. Poessnecker, U. Gross: A quasi-steady Cylinder Method for Simultaneous Thermophysical Property
Measurements up to 2000K. J. of Thermal Analysis and Calorimetry 86 (2006) 809-817
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Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffen:
Vergleich unterschiedlicher Messverfahren
R. Wulf, G. Barth, U. Gross: Intercomparison of Insulation Thermal Conductivities Measured by Various Methods. Int. J.
Thermophysics 28 (2007) 1679 - 1692
R. Wulf, U. Gross, G. Barth: Wärmeleitfähigkeit keramischer Fasermatten – vergleichende Messungen mit
unterschiedlichen Methoden. Keramische Zeitschrift 56 (2004) 554-561
10
Wärmeleitung in porösen Medien (Knudseneffekt)
- reduzierte Wärmeleitfähigkeit
a) bei nanoskaligen Poren
b) bei reduziertem Druck
- dazu: Experimente, Korrelation, Numerik für mikro- und nanoskalige Poren
K. Raed, U. Gross: Modeling of Influence of Gas-Atmosphere and Pore Size Distribution on the Effective Thermal
Conductivity of Knudsen and non-Knudsen Porous Materials. Int. J. Thermophysics, 30 (2009) 1343 - 1356
K. Raed, U. Gross: Modeling Gas Atmosphere Contributions to the Effective Thermal Conductivity of Macro, Micro, and
Nano Porous Materials. Angenommen für die 18th European Conference on Thermophysical Properties, August 31st to
September 4th to 8th 2008, Pau, France
K. Raed, U. Gross: Review on Gas Thermal Conductivity in Porous Materials and Knudsen Effect. in: Thermal
Conductivity 29, DEStech Publ., Lancester, Pennsylvania, USA, ISBN No. 978-1-932078-72-5, 2008, 357-373
11
Temperaturleitfähigkeit von Metallen
- Zinn, Kupfer, Aluminiumlegierungen (fest, flüssig)
- Gemessen mit einer Laser-flash Apparatur
Temperaturleitfähigkeit in cm²/s
1,2
1,0
Kupfer - Schmelztemperatur 1083 °C
0,8
0,6
Aluminiumlegierung
0,4
Zinn - Schmelztemperatur 232 °C
0,2
0,0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Temperatur in °C
S. Rudtsch, H.-P. Ebert, F. Hemberger, G. Barth, R. Brandt, U. Gross, W. Hohnauer, K. Jaenicke-Roessler, E.
Kaschnitz, E. Pfaff, W. Poeßnecker, G. Pottlacher, M. Rhode, B. Walthan: Intercomparison of Thermophysical Property
Measurements on an Austentic Stainless Steel. Int. J. of Thermophysics 26 (2005) 3, 855-867
12
Wärmeleitfähigkeit von Stahl am Curiepunkt
0,18
2 -1
0,16
Thermal diffusivity / cm s
Temperaturleitfähigkeit
TCurie
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
300
500
700
900
1100
1300
1500
1700
1300
1500
1700
1300
1500
1700
Temperature / K
2,50
-1
2,00
-1
Specific heat / J g K
Spezifische
Wärmekapazität
1,50
1,00
TCurie
0,50
0,00
300
500
700
900
1100
Temperature / K
80,0
-1
70,0
-1
Thermal conductivity / W m K
Wärmeleitfähigkeit
60,0
50,0
40,0
30,0
300
500
700
900
1100
Temperature / K
U. Gross, G. Barth: Measured Transport Properties of Steel along the Ferromagnetic to Paramagnetic Transition (Curie
Point). Proc. 8th Asian Transport Properties Conf., 21.-24. 8. 2007, Fukuoka, Japan, Paper No. 122
S. Rudtsch, H.-P. Ebert, F. Hemberger, G. Barth, R. Brandt, U. Gross, W. Hohnauer, K. Jaenicke-Roessler, E.
Kaschnitz, E. Pfaff, W. Poeßnecker, G. Pottlacher, M. Rhode, B. Walthan: Intercomparison of Thermophysical Property
Measurements on an Austentic Stainless Steel. Int. J. of Thermophysics 26 (2005) 3, 855-867
13
Messung der Wärmeleitfähigkeit von
Spritzschichten
O. Nashed, U. Gross, H.J. Seifert: Preparation and Thermophysical Property Determination of La2Zr2O7 Ceramics
for Thermal Barrier Coatings. Angenommen für die 18th European Conference on Thermophysical Properties,
August 31st to September 4th to 8th 2008, Pau, France
B. Wielage, G. Reisel, A. Wank, U. Gross, G. Barth: Optimization of Wear Protective Coatings for Heat Transferring
Components. Thermal Spray 2004: Advances in Technology and Application: Proceedings of the International
Thermal Spray Conference, May 10th to 12th 2004, Osaka, Japan, 504-509
14
Optimierung von Wärmeübertragern und
thermischen Prozessen (Rippen-/Lamellenrohrbündel)
Anwendung von CFD-Methoden zur Auslegung,
Nachrechnung und Optimierung von Wärmeübertragern,
Gasbrennern und verfahrenstechnischen Anlagen
Einsatz spezieller Optimierungsstrategien
R. Rakette, D. Lange, I. Riehl: Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsbrennern und deren Einsatz an
prozessoptimierten Anlassöfen.Gaswärme International 6 (2008) 445-448
M.S. Mon, U. Gross: Numerical study of fin-spacing effects in annular-finned tube heat exchangers. International
Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004) 1953-1964
S. Kaminski, U. Gross: Luftseitige Transportprozesse in Lamellenrohrbündeln – numerische Untersuchung. KI Luftund Kältetechnik 39 (2003) 220-224
I. Rez, U. Gross, S. Kaminski, I. Riehl: The numerical investigation of temperature and flow field in finned-tube heat
exchangers. Proceedings of the MicroCAD International Scientific Conf., 6.-7.3.2003, Miskolc/Ungarn, 109-117
15
Strömungen mit gekoppelten Transportprozessen
Wärmeübertragung
Verbrennung
Mehrphasen
Beschreibung der gekoppelten Transportprozesse von
Masse, Impuls, Energie, Massespezies für Ein- &
Mehrphasenströmungen
Strömungen mit freien Oberflächen (Filmströmungen)
Untersuchung des Wärmeüberganges in Filmen mit
Strukturbildung
Vergleich unterschiedlicher Modellansätze (RANS, LatticeBoltzmann) mit experimentellen Daten und Entwicklung
eines geeigneten Berechnungsmodells
Entwicklung des Mehrphasen Lattice-BoltzmannProgrammes LBM3f
Beschreibung der Strömung und Wärmeübertragung in
frei fließenden Flüssigkeitsfilmen
Hantsch, A.: Documentation for the multiphase Lattice Boltzmann solver LBM3f; LBM3f_2d, V. 1.2, TU
Bergakademie Freiberg, (2009)
R. Rakette, D. Lange, I. Riehl:Development of high velocity burners and their use in process-optimized tempering
furnaces.Heat Processing 1 (2009) 36-38
R. Rakette, D. Lange, I. Riehl: Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsbrennern und deren Einsatz an
prozessoptimierten Anlassöfen.Gaswärme International 6 (2008) 445-448
Rakette, R.; Harbeck, W.; Riehl, I.: Charakterisierung der Wärmeübertragungsverhältnisse beim Einsatz von
Flachflammenbrennern. Gaswärme International (53) 6, 2004
16
Geothermie
Entwicklung und Anwendung von Modellen geothermischer
Sonden (Flüssigkeitssonden und Direktverdampfersonden)
mit unterschiedlichem Abstraktionsgrad
Entwicklung und Anwendung von Modellen zur
Beschreibung der gekoppelten Transportprozesse im
Boden beim Einsatz geothermischer Sonden
Langzeitsimulation geothermischer Energiegewinnung bei
beliebigem Betriebsregime (Ausspeisung-Einspeisung)
CFD-basierte Berechnungen: Einsatz von kommerzieller
(StarCCM+, CFX, Fluent) und freie (OpenFOAM) CFDCodes
Geothermische Berechnungen basieren vorwiegend auf
eigenen Codeentwicklungen.
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