Die Belastung von Klebschichten im nicht ausgehärteten Zustand ist ein Problem vieler klebtechnischer Anwendungen. Normalbeanspruchungen führen zu einer Einschnürung der Klebfläche und beeinträchtigen deren Festigkeit. Ein Beispiel hierfür ist der Wärmeaushärteprozess von Klebschichten in hybridgefügten Mischbaustrukturen. Weisen die gefügten Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, kann dies bei der Warmaushärtung zu einer Aufweitung des Klebspalts und damit zu einer Normalbeanspruchung der flüssigen Klebschicht führen. Dadurch kann die ursprüngliche Klebfläche deutlich reduziert werden und weist eine mäanderförmige Struktur auf. Im weiteren Fertigungsprozess wird diese Struktur ausgehärtet, was aufgrund der reduzierten Klebfläche und der auftretenden Kerbwirkung zu einem erhöhten Spannungsaufbau in der ausgehärteten Verbindung führen kann. Ein wichtiger, aber noch weitgehend unberücksichtigter Einfluss auf die Klebflächenreduktion ist dabei der Wärmeeintrag in die Klebschicht und die damit einhergehende Änderung von Viskosität und Aushärtegrad. Das Ziel des Projekts besteht darin, den Einfluss verschiedener Temperaturprofile und Aushärtegrade auf das als viscous fingering bekannte Problem experimentell zu charakterisieren und numerisch zu beschreiben. Dabei liegt der Fokus auf dem „Kleben stahlintensiver Strukturen“. Hierfür werden fluiddynamische Simulationen, unter Berücksichtigung viskoelastischen Klebstoffverhaltens, durchgeführt, um die Klebflächenreduktion vorherzusagen. Auf Basis der Ergebnisse wird ein Metamodell erweitert, das die effektive Klebfläche simulationsfrei vorhersagt. Ingenieurbüros und Anwender punktförmiger Fügetechnik - insbesondere KMU - erhalten damit ein Werkzeug zur optimalen Auslegung gefügter Strukturen unter Berücksichtigung des Fertigungsprozesses. Weiterhin wird das Metamodell in FE-Simulationssoftware integriert um den Einfluss des viscous fingering auf die mechanischen Eigenschaften bewerten zu können.

Beginn: 05/2024

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz/AiF-IGF

Förderkennzeichen: 01IF23212N

Im Rahmen des Projekts wird erstmalig ein ganzheitlicher Lösungsansatz für eine modulare und stufenweise energetische Sanierung von MFH und Quartieren verfolgt. Dieser beinhaltet einen einfach zu bedienenden, herstellerübergreifendem digitalen Sanierungsassistenten für die konkrete Planung und Inbetriebnahme, eine standardisierte, effiziente Integration von Wärmepumpen mit innovativer PVT- und PCM-Technologie sowie ein selbstlernendes Energiemanagement mit integrierter Betriebsüberwachung. Die Hauptinnovationen des dargelegten Lösungsansatzes liegen in den folgenden Punkten: - Digitale Unterstützung während Planung, Umsetzung und Inbetriebnahme durch innovative, datenbasierende Methoden - Integration von PVT-Wärmepumpe-PCM-Speicher-Heizsystemen in heterogenen Gebäudebestand - Umsetzung und Demonstration eines selbstlernenden, prädiktiven Energiemanagers als Vernetzung von lokalen Gebäudeenergiemanagern und einem zentralen Quartierenergiemanagern - Entwicklung, Modellierung und Einsatz von PCM-Speichern ermöglicht zudem den zeitflexiblen, effizienten Betrieb des Heizsystems in Hinblick auf Kosten- und Treibhausgasemissionsreduzierung Die Validierung und Demonstration beinhaltet die Konzeptionierung, Umsetzung sowie Monitoring von Sanierungsmaßnahmen für 20 MFH und erfolgt zur praxisnahen Entwicklung und Erprobung des digitalen Sanierungsassistenten und der anlagentechnischen Lösungsbausteine zur CO2-minimierten Wärme- und Stromversorgung iterativ. Das zwei-Ebenen Energiemanagement wird in einem Mehrfamilienhaus praktisch untersucht und in einem Quartier virtuell mittels Hardware-in-the-loop Simulation erprobt.

Beginn: 01/2024

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Förderkennzeichen: 03EN6024A

Die Dekarbonisierung von industrieller Prozesswärme ist eine Herausforderung der Energiewende. Im überwiegend fossil beheizten Temperaturbereich bis 200 °C, welcher etwa 40 % des Prozesswärmebedarfs ausmacht, liegt in der Abwärmenutzung durch Wärmerückgewinnung und Wärmepumpen ein kaum erschlossenes Potenzial zur Reduktion von Treibhausgasemissionen. Fehlendes Know-how hinsichtlich sinnvoller Anwendungen und optimaler Integrationspunkte bei komplexen Prozessen sowie variablen Infrastrukturen, fehlende technologische Lösungen zur Wandlung und Speicherung von Wärme größer 100°C, hoher Aufwand zur Datenerhebung und Bedenken hinsichtlich der Prozesssicherheit sind wesentliche Gründe für das Fehlen von Umsetzungen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher ein digitales Entscheidungsunterstützungssystem als zentralen Anker zur Planung und Konfiguration von Wärmepumpen-Speicher-Systemen (WSS) für die resiliente und effiziente Wandlung und Speicherung von Wärme zu entwickeln. Um die hohen Transaktionskosten bei der dafür notwendigen Datenerhebung zu reduzieren, ist geplant, dazu Methoden aus dem Process Mining zu nutzen. Auf dieser Datengrundlage lassen sich Design, Integration und Auslegung von WSS unter Berücksichtigung der Kombinationsmöglichkeiten von Wärmequellen und -senken sowie von prozesstechnischen, zeitlichen, räumlichen sowie ökologischen und ökonomischen Restriktionen für die Entscheidungsunterstützung optimieren. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung und der Aufbau eines modularen und konfigurierbaren Hochtemperaturspeichersystems im Labormaßstab, um eine robuste und unterbrechungsfreie Versorgung zu gewährleisten. In einer virtuellen Produktionsumgebung werden die entwickelten Systeme unternehmensspezifisch und sensitiv erprobt. Sowohl das Speichersystem als auch die prototypischen Inkremente des Entscheidungsunterstützungssystems werden zur Dissemination, Weiterentwicklung und Multiplikation in einem Demonstrator implementiert.

Beginn: 01/2024

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Förderkennzeichen: 03EN2109A

Im Vergleich zu gewöhnlichen Strukturpackungen erlauben Anstaupackungen (engl. sandwich packings) einen intensivierten Stoffaustausch und eine reduzierte Flüssigkeitsfehlverteilung. Dies gelingt durch die Kombination von strukturierten Packungssegmenten unterschiedlicher geometrischer Oberflächen. Die untere Anstaulage weißt dabei eine höhere spezifische geometrische Oberfläche und somit eine geringere Kapazitätsgrenze im Vergleich zur oberen Abscheidelage auf. Anstaupackungen werden bevorzugt mit gefluteter Anstaulage betrieben. Dadurch stellt sich in dieser und der darüber entstehenden Sprudelschicht der gewünschte intensivierte Phasenkontakt ein. Im Rahmen der ersten Förderphase wurde ein Rate-based-Stofftransportmodell entwickelt, mit dem die Trennleistung von Anstaupackungen unter Berücksichtigung der komplexen Fluiddynamik über den kompletten Betriebsbereich gut berechnet werden kann. Die Analyse der Fluiddynamik erfolgte mithilfe der ultraschnellen Röntgentomographie, die dafür etabliert wurde und für die nun umfangreiche Algorithmen zur Verfügung stehen. Die Gesamtmodellvalidierung erfolgte anhand von Experimenten zur CO2-Absoroption mit wässrigen MEA-Lösungen. Die umfangreichen experimentellen und numerischen Studien zeigen gleichzeitig einen Bedarf für die Erweiterung des Modells auf. Die Bestimmung der Flutpunkte soll auf Grundlage eines mechanistischen Fluiddynamikmodells verbessert werden. Zudem wird bisher die Flüssigkeitsströmung als ideale Kolbenströmung ohne Erfassung von Rückvermischungseffekten betrachtet. Insbesondere in der Anstaulage und der darüber liegenden Sprudelschicht sind jedoch eintretende Dispersionsströmungen zu erwarten. Mithilfe regimespezifischer Dispersionskoeffizienten im erweiterten Rate-based-Modell wird eine differenziertere Betrachtung des Stofftransports und der Reaktionen möglich. Zudem werden die bisher gänzlich unbekannten Stofftransportparameter in der der Sprudelschicht bestimmt und das Modell wird auf die Anwendung für Rektifikationsprozesse erweitert. 

Beginn: 02/2022

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderkennzeichen: KE 837/26-3

Kooperationspartner: TU Dresden

Intensive Bemühungen zur Reduzierung des fossilen Rohstoffverbrauchs und der damit verbundenen Senkung des Schadstoffausstoßes durch Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung sind derzeit allgegenwärtig. Wärmeübertrager als zentrales Element zahlreicher industrieller Anlagen liefern hierzu einen erheblichen Beitrag. Sie dienen der Wärmeübertragung von einem Stoffstrom auf einen anderen und sind somit für die Funktion bzw. Energieeffizienz verfahrenstechnischer Prozesse äußerst relevant. Sogenannte Kissenplatten-Wärmeübertrager (KPWÜ), auch als „Thermoblech-Wärmeübertrager“ bezeichnet, sind eine neuartige Bauform und stellen eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Glattrohr-Rohrbündel-Wärmeübertragern (RBWÜ) oder Platten-Wärmeübertragern (PWÜ) dar. KPWÜ sind innovative, vollverschweißte Plattenwärmeübertrager. KPWÜ werden typischerweise aus ebenen Blechhalbzeugen hergestellt, zunächst zu Doppelplatinen gefügt und anschließend innenhochdruckumgeformt. Durch dieses Verfahren wird ihre charakteristische „kissenartige“ Oberfläche erzeugt. Eine Oberflächenstrukturierung bzw. sogenannte „Sekundärstrukturierung“ verbessert den Wärmeübergang bei nur minimalem Druckverlust. Dies resultiert aus einer Vergrößerung der spezifischen Oberfläche sowie einer vorteilhaften Beeinflussung des Strömungsverhaltens, insbesondere im wandnahen Bereich. Die optimale Ausprägung der Oberflächenstrukturierung ist zumeist anwendungs- bzw. bauteilspezifisch und kann derzeit nur durch aufwändige thermofluiddynamische Berechnungen bestimmt werden. Zeil dieses Projekts ist es, mit Hilfe der CFD-basierten Simulationen (Computational Fluid Dynamics) verschiedene Sekundärstrukturen zur Steigerung der Effizienz der KPWÜ zu erforschen.

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kooperationspartner: Lehrstuhl für Umformende und Spanende Fertigungstechnik (LUF)

Die fortschreitende Miniaturisierung von Apparaten hat zur Entwicklung von Mikrokanal-Wärmeübertragern geführt, welche neben kleinen geometrischen Abmessungen gleichzeitig durch intensivierte Transportprozesse gekennzeichnet sind. Diese effizienten Wärmeübertrager im Mikromaßstab werden insbesondere bei innovativen Anwendungen mit begrenztem Bauraum eingesetzt, wie es zum Beispiel in der Mikroelektronik der Fall ist.       Eine weitere Steigerung der Wärmeübertragungsleitung dieser Apparate wird durch verschiedene Optimierungsansätze angestrebt. Ein Ansatz zur Reduktion des Wärmeleitwiderstands stellt der Einsatz mikrostrukturierter Kanalwände dar. Aus der Strukturierung der Oberfläche resultiert neben den verbesserten thermischen Eigenschaften jedoch ein erhöhter Druckverlust. Folglich besteht die wesentliche Herausforderung bei der Auslegung strukturierter Mikrokanäle in der Vereinbarung dieser konträren Einflüsse.         Im Rahmen des Projekts wird daher der Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Fluiddynamik und den Wärmetransport basierend auf numerischen Methoden untersucht. Dazu werden Geometrien unterschiedlicher Oberflächenrauheit mittels additiver Fertigung hergestellt und in CAD-Modelle überführt. Diese dienen als Grundlage für das Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modell, anhand dessen die Transportprozesse an der rauen Oberfläche abgebildet werden.      Aus den gewonnenen Ergebnissen sollen abschließend Konzepte zur Auslegung von additiv gefertigten Mikrokanal-Wärmeübertragern mit mikrostrukturierten Oberflächen abgeleitet werden.

Beginn: 09/2021

Finanzierung: Haushaltsmittel

Die Offshore-Gewinnung fossiler Brennstoffe gewinnt aufgrund ihres nach wie vor steigenden Bedarfs an Bedeutung. Vermehrt werden sogenannte „Floating Production Storage and Offloading“ (FPSO) Units eingesetzt um entferntere und kleinere Felder auch in Tiefseegebieten zu erschließen. Neben der eigentlichen Förderung findet auf den FPSOs zeitgleich die Vorbehandlung des Förderprodukts sowie die Herstellung petrochemischer Produkte statt. Bedingt durch den Wellengang und permanent anliegender Winde unterliegen die, auf den FPSOs betriebenen Apparate großen technischen Herausforderungen. Die dynamischen Bewegungen bewirken durch Gravitations- und Trägheitseffekte Phasenfehlverteilungen die einen deutlichen Einfluss auf die ablaufenden Trennprozesse haben. Daher sollen in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) charakteristische Strömungsstrukturen dynamisch identifiziert und vermessen werden. Mittels abgeleiteter Korrelationen für die Fluiddynamik der Zweiphasenströmung soll ein dynamischer Modellierungsansatz der hydrodynamischen Analogien zur Beschreibung der Trennleistung des Beispielprozesses zur Lufttrocknung mittels Triethylenglykol entwickelt werden. Sowohl die Entwicklung der Korrelationen als auch die Validierung des Gesamtmodells erfolgen anhand experimenteller Untersuchungen zur Fluiddynamik und zur Trennleistung bei der Lufttrocknung unter Einfluss von Winkel- und Translationsbewegungen.

Beginn: 10/2020

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderkennzeichen: KE 837/42-1

Kooperationspartner: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Ziel des Projektes ist es, die Digitalisierung, Internationalisierung, Zugänglichkeit und Sichtbarkeit der Ingenieurausbildung in der EU durch den Einsatz von per Computer gesteuerten, realen Praktikumsversuchen in den Partneruniversitäten zu stärken. Der Fokus liegt in der Digitalisierung entweder schon bestehender oder neuer, realer Praktikumsversuche wie zum Beispiel einer Wärmeübertragereinheit, welche von den Studierenden der Partneruniversitäten per Computer bedient werden, um so physikalische Phänomene an realen Versuchsständen zu erforschen. Der Aufbau dieser digitalisierten, praktischen Versuche ermöglicht einen qualitativ hochwertigen Fernunterricht in den technische Fächern mit einem zusätzlichen Fokus auf der Ausbildung vieler Studierenden.

Beginn: 06/2021

Kooperationspartner: Königlich-technische Hochschule Stockholm, Polytechnikum Milano

In vielfältigen industriellen Anwendungsgebieten erhält die Klebtechnik aufgrund ihres Potentials zum Fügen artverschiedener Materialien eine immer größere Bedeutung. Ein häufiger Anwendungsfall ist das klebtechnische Fügen von Stahl in Kombination mit Aluminium. Während der Warmaushärtung der Klebstoffe kommt es, bedingt durch die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe, zu einer Vergrößerung des Klebspaltes zwischen den Bauteilen. Diese Spaltaufweitung tritt dominierend auf, solange der Klebstoff noch flüssig ist und führt damit zu einer mitunter deutlichen Reduktion der ursprünglichen Klebfläche. Die resultierende Klebfläche weist eine mäanderförmige Struktur (Finger) auf, deren Flächeninhalt mit größerer Spaltaufweitung abnimmt. Diese Struktur wird durch das anschließende Aushärten „eingefroren“. Aufgrund der reduzierten Klebfläche ist mit einem deutlich erhöhten Spannungsaufbau und einer damit einhergehenden Schädigung des ausgehärteten Klebstoffes zu rechnen. Die Folge ist eine deutlich geminderte Tragfähigkeit und Alterungsbeständigkeit der Klebverbindungen.Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Methode zur Quantifizierung der im Produkt tatsächlich vorliegenden Klebfläche zur Verbesserung von Fertigungsprozessen sowie der Auslegung für den späteren Betriebslastfall. Hierzu sollen sowohl experimentelle Untersuchungen als auch Methoden der Finite-Elemente-Simulation sowie der Computational Fluid Dynamics (CFD) eingesetzt werden.Die Aufgaben des Lehrstuhls FVT bestehen in der Simulation der Klebstoffverteilung innerhalb des sich aufweitenden Spalts und der Ermittlung der resultierenden effektiven Klebefläche mittels CFD. Die Ergebnisse werden mittels der vom Kooperationspartner durchgeführten Experimente validiert und bilden die Grundlage für Korrelationen mit denen sich die Schwächung der Klebverbindung während der Aushärtung, ohne zusätzliche CFD Simulationen abschätzen lässt.

Beginn: 03/2021

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)/AiF-IGF

Förderkennzeichen: 21686 N/2

Kooperationspartner: Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn

Das Gesamtziel des Projekts, das gemeinsam von den deutschen sowie mongolischen Partner verfolgt wird, ist die Entwicklung eines für die harschen Bedingungen der Mongolei geeigneten Heizsystems, das regenerativ mittels Photovoltaik (PV) erzeugte Energie in Wärme (H) umwandelt. Zudem sollen die Grundlagen gelegt werden, um der mongolischen Regierung auf Basis des Projekts ein großskaliges Rollout der Systeme und damit eine nachhaltige Versorgung der Bevölkerung mit Strom und Wärme über EE-2- Heat-Anlagen zu ermöglichen, wobei neben den Photovoltaik-Ansätzen auch der Einsatz von Windkraft geprüft werden soll. Der erste Entwicklungspfad betrifft die Auslegung und Konstruktion von einem PV-2-Heat- System, das den harschen klimatischen Bedingungen sowie dem, im Vergleich zu Deutschland, niedrigeren technischen Niveaus in der Mongolei angepasst ist. Die abgeleiteten Systeme werden für verschiedene Nutzungsumgebungen (private Haushalte, öffentliche Einrichtungen, Handel/Gewerbe) als Demonstratoranlagen konzipiert, aufgebaut und getestet. Ziel ist es, ein System zu entwickeln, das nicht nur sicher in der Mongolei betrieben, sondern auch größtenteils dort hergestellt und gewartet werden kann, da einerseits so die Kosten niedrig gehalten werden und andererseits ein großskaliges Rollout der Anlagen in der Mongolei nur durch zahlreiche, mit dem System vertraute Partner ermöglicht werden kann. Eine aktive Einbindung und Beteiligung der mongolischen Partner an der Entwicklung der Anlagen, Produktionskonzepte und Kommerzialisierungsstrategien während der gesamten Projektlaufzeit ist dafür ausschlaggebend. Das Projekt soll weiterhin über die internationale Zusammenarbeit in einer Forschungsallianz von Universitäten und Unternehmen den Know-how-Transfer zu den Themen der Umwandlung bzw. Speicherung von erneuerbarer Energie in anderen Energieformen sowie der Sektorkopplung gewährleisten und Partnerschaften auf akademischer wie unternehmerischer Ebene aufbauen und vertiefen.

Beginn: 05/2021

Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Förderkennzeichen: 01LZ2001D

Kooperationspartner: ESDA Technologie GmbH, Klaus Rauch consulting engineer, WestfalenWIND Planungs GmbH & Co. KG, Solar Energy LLC, RTT LLC, National University of Mongolia - School of Engineering and Applied Sciences, Mongolian Academy of Sciences - Institute of Physics and Technology

Das Forschungsprojekt strebt eine signifikante Reduktion der klimarelevanten Prozessemissionen der chemischen Industrie durch die verbesserte Auslegung von strukturierten Packungskolonnen an. Als Ergebnis soll eine neue, innovative Auslegungsmethodik zur Berechnung der notwendigen Packungshöhe von Stoffaustauschkolonnen erarbeitet werden. Der Lösungsansatz adressiert dabei drei unterschiedlich lang in die Zukunft gerichtete Ziele: Die Analyse vorhandener Betriebsdaten soll kurzfristig für die effizientere Betriebsweise vorhandener Bestandsanlagen nutzbar sein. Mittelfristig sollen neu zu entwickelnde Messzellen die experimentelle Informationsbeschaffung für die Auslegung neuer Anlagen schnell und gezielt gewährleisten, ohne dass experimentelle Erfahrungen im Pilotierungsmaßstab notwendig sind. Langfristig ist die Entwicklung neuartiger Modellierungsansätze anzusehen. Die neu zu entwickelnden Methoden sollen im Idealfall experimentelle Untersuchungen mit dem jeweiligen spezifischen Stoffsystem ersetzen und direkt eine Übertragung von bekannten und gut charakterisierten Stoffsystemen auf neue, reale und stark nicht-ideale Stoffsysteme ermöglichen.Die Aufgaben des Lehrstuhls FVT bestehen in diesem Verbundprojekt in der Durchführung von Kolonnensimulationen mit Hilfe des HA-Modells. Die Ergebnisse aus diesen Simulationen helfen bei der Entwicklung der neuen, verbesserten Auslegungsmethodik, indem Abhängigkeiten und Korrelationen identifiziert und validiert werden. Zusammen mit den Arbeiten der Verbundpartner werden somit Modellierung und Simulation von strukturierten Packungen mit multiplen Methoden und multiplen Skalen realisiert, die zu einem holistischen, verbesserten Verständnis der Fluiddynamik und des Stofftransports in Stoffaustauschkolonnen führen.

Beginn: 03/2021

Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Förderkennzeichen: 01LJ2002H

Kooperationspartner: 5 Universitäten, 16 Industriepartner

Ziel des Projektes ist es, ein neuartiges Fassadenelement zu entwickeln. Nahezu 40 % des Endenergieverbrauchs in der Bundesrepublik ist den Wohn- und Nicht-Wohngebäuden zuzuschreiben. Somit bildet die Energieeinsparung im Gebäudebereich einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Im Fokus dieses Projekts steht die Entwicklung von energie- und ressourceneffizienten, innovativen und architektonisch hochwertigen Fassadenelementen mit multifunktionalen Eigenschaften. Die Multifunktionalität zeigt sich in der Kombination und der sich ergebenden synergetischen Wirkung unterschiedlicher Elemente, die die Nutzung von regenerativen Energiequellen an der Gebäudefassade auf neuartige Weise umsetzen und ausbauen. Ein Element des neuartigen Fassadenelements bildet der integrierte PCM-Wärmespeicher.  Dieser soll mittels thermischer Aktivierung zur Raumheizung und/oder -Kühlung dienen. Die Aufgabe des Lehrstuhls ist es die Geometrie der PCM-Speicherkassetten zu designen und für die thermische Aktivierung zu optimieren. Für die Auslegung der Speicherkassettengeometrie soll ein Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modell entwickelt werden, mit dem die Strömung der Wärmeträgerflüssigkeit innerhalb der Speicherkassette und die thermische Leistung des Fassadenelements realitätsnah abgebildet werden kann. Das neu entwickelte Fassadenelement soll realisiert und mittels Monitorings energetisch charakterisiert sowie einer Betriebsoptimierung unterzogen werden.

Beginn: 01/2021

Finanzierung: Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Förderkennzeichen: 03EN1028C

Kooperationspartner: 4 Forschungseinrichtungen, 5 Industrieunternehmen

Transportvorgänge um bewegte Phasengrenzen treten in einer Vielzahl verfahrenstechnischer Trennverfahren auf, z.B. an Tropfen bei der Flüssig-flüssig-Extraktion, an Blasen bei der Absorption und in Destillations- bzw. Rektifikationsprozessen. Für eine genaue und sichere Auslegung dieser Prozesse ist daher das grundlegende Verständnis solcher Transportvorgänge von entscheidender Bedeutung. CFD-basierte Simulationen (Computational Fluid Dynamics), bei denen die Bewegung der Grenzfläche örtlich und zeitlich aufgelöst simuliert wird, erlauben detaillierte Einblicke in Transportvorgänge in Zweiphasenströmungen. Im Falle eines signifikanten Stofftransports über die Grenzfläche oder einer konzentrationsabhängigen Grenzflächenspannung muss ein gekoppeltes Problem für den Impuls- und Stofftransports gelöst werden. Solche Probleme sind besonders kompliziert, da die Verformung der Grenzfläche den Stofftransport beeinflusst und umgekehrt, so dass die häufig getroffene Annahme, dass das Geschwindigkeitsfeld nicht von dem Konzentrationsfeld beeinflusst wird, nicht zutrifft. Die Bewegung der Phasengrenze kann durch zwei Mechanismen verursacht werden: Auf der einen Seite die Bewegung aufgrund der Strömung selbst, die bspw. durch unterschiedliche Dichten der Phasen unter Gravitationskraft entsteht, und auf der anderen Seite die Bewegung der Phasengrenze aufgrund des Stoffübergangs (bspw. Verdampfung oder Kondensation). Insbesondere diese stofftransportinduzierte Grenzflächenbewegung steht im Fokus des beantragten Projektes. Derzeit gibt es nur wenige CFD-basierte Methoden zur Beschreibung von Transportphänomenen an bewegten Phasengrenzen, die den Stofftransport und die Bewegung der Phasengrenze gekoppelt betrachten. Hier setzt das beantragte Forschungsvorhaben an. Es wird ein Modell und eine entsprechende numerische Methode entwickelt, die in der Lage sind den Stoffübergang an bewegten Phasengrenzen exakt zu erfassen und die aus dem Stofftransport resultierende Grenzflächenbewegung wiederzugeben.

Finanzierung: Haushalt

Ziel des Vorhabens ist die Implementierung der additiven Fertigung im Elektromaschinenbau. Im Fokus steht dabei die Entwicklung eines Elektromotors, welcher sich durch innovative, nur mittels additiver Fertigung realisierbarer Kühl- und Leichtbaukonzepte auszeichnet. Diese additiv herzustellenden Motorkomponenten werden fertigungsgerecht gestaltet und hinsichtlich ihres Kühl- und Leichtbaupotentials optimiert, wobei zeit- und kosteneffizient numerische Methoden eingesetzt werden. Zur Validierung der numerischen Ergebnisse sowie zur Quantifizierung des erschlossenen Optimierungspotentials werden weiterhin experimentelle Untersuchungen anhand von Effektdemonstratoren bzw. des finalen Motordemonstrators durchgeführt. Die gewonnen Ergebnisse des Vorhabens werden Unternehmen zur Verfügung gestellt, um diesen die Möglichkeit zu geben innovative, erfolgsversprechende Produkte zu entwickeln und neue Märkte mit Hilfe der additiven Fertigung zu erschließen.

Beginn: 01/2020

Finanzierung: AIF - FVA

Die Simulation der Strömungsmorphologien von freien gas-flüssig Grenzflächen in strukturierten Packungen ist bisher auf die Modellierung eines effektiven Kontaktwinkels angewiesen, da die Mikrostrukturierung der Packungslagen nicht abgebildet werden konnte. Effektive Kontaktwinkel können nur durch experimentelle Untersuchungen ausreichend validiert werden. Ziel dieses Projektes ist es eine Methodik zu entwickeln, wie die Mikrostrukturierung direkt in den CFD-Simulationen von strukturierten Packungen abgebildet werden kann, damit nur der physikalische Kontaktwinkel zur Darstellung der Strömungsformen benötigt wird. Die Überprüfung dieser Methodik erfolgt durch Vergleiche mit experimentellen Ergebnissen für verschiedene Stoffgemische in unterschiedlichen strukturierten Packungen. Die validierte Methodik wird anschließend genutzt um ein tieferes Verständnis für die Flüssigkeitstopologie innerhalb von strukturierten Packungen zu erhalten. Desweitern werden genauere Parameter bestimmt, die für die Auslegung von Trennapparaten benötigt werden.

Beginn: 07/2020

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Förderkennzeichen: KE 837/41-1

Ziel dieses Verbundprojektes mit drei weiteren Universitäten sowie 14 Industriepartnern ist es die Anwendung von Kissenplatten und strukturierten Rohren als Kondensatoren und Verdampfer in der Prozessindustrie zu etablieren. Da jedoch bislang Dimensionierungsgrundlagen für diese Bauformen bei der Wärmeübertragung mit Phasenwechsel fehlen und diese Apparate somit zur Gewährleistung der geforderten Wärmeübertragung in der Regel überdimensioniert werden, müssen diese Dimensionierungsgrundlagen erarbeitet werden. Zur Erarbeitung der Dimensionierungsgrundlagen in Form von Korrelationen werden hierzu an der Universität Paderborn experimentelle Untersuchungen zur Kondensation von Reinstoffen und Gemischen an Kissenplatten durchgeführt. Auf Basis der erarbeiteten Korrelationen werden dann Kondensatoren in Kissenplattenbauform im Vergleich zu Glattrohrapparaten bewertet, um vorteilhafte Einsatz- und Betriebsbereiche von Kissenplattenkondensatoren identifizieren zu können. Die Korrelationen werden während des Projektes und danach publiziert und können beispielsweise somit von kleinen und mittelständischen Unternehmen, welche solche Bauformen in ihrem Portfolio anbieten, zur Auslegung verwendet werden.

Beginn: 12/2019

Finanzierung: Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Förderkennzeichen: 20755 N

Kooperationspartner: TU Braunschweig, Universität Kassel, TU München

Wässrige Lösungen der Aminozucker, d. h. Zuckermoleküle, bei denen eine Hydroxylgruppe durch eine Aminogruppe ersetzt wurde, gelten als potenziell neue Lösungsmittel zur CO2-Abscheidung. Die Aminozucker sind für diese Anwendung besonders attraktiv, weil sie sicher, nicht korrosiv, biologisch abbaubar und vor allem in großer Menge in der Natur vorhanden sind. Das Hauptziel dieses Forschungsprojekts ist die Untersuchung der CO2-Abscheidung unter Verwendung wässriger Lösungen des Aminozuckers N-Acetylglucosamin (GlcNAc) und seiner Mischungen mit herkömmlichen Aminen. Dabei wird eine neue Methodik entwickelt, mit der innovative Lösungsmittel zur CO2-Abscheidung mithilfe einer Kombination von virtuellen und realen Experimenten effizient identifiziert und getestet werden können. Virtuelle Experimente werden mittels validierter Modelle durchgeführt, um CO2-Absorptionsprozesse in typischen Absorptionsanlagen unter ausgewählten Standardbetriebsbedingungen zu simulieren. Die erforderlichen Eingabedaten (Reaktionskinetik, Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht, physikalisch-chemische Daten usw.) für die Modellierung und Simulation des Prozesses werden durch Experimente am Standort des indischen Partners, der Gruppe um Prof. Vaidya, Institut für Chemische Technologie, ICT, Mumbai, generiert.

Beginn: 04/2020

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Förderkennzeichen: KE 837/38-1

Kooperationspartner: Institute of Chemical Technology (ICT) Mumbai

Das Projektziel ist die Entwicklung eines leistungsstarken und kostengünstiger PCM (Phase Change Material)-Hybridkältespeichers, der es ermöglicht, das gespeicherte Kühlpotential in relativ kurzer Zeit abzurufen. Die Entladezeit soll von ca.60 Stunden auf 1 Stunde bis 30 Minuten reduziert werden. Bei einem PCM-Hybrid-Speicher wird der größte Teil der Energie in PCM-Kapseln gespeichert, die Wärmeübertragung erfolgt durch die Wärmeübertragerflüssigkeit. Es müssen sowohl das PCM selbst, als auch die Geometrie der PCM-Verkapselung entwickelt werden, um Faktoren wie Wärmeleitfähigkeit, Zyklen-Stabilität, Unterkühlungsverhalten, Wärmeübertragungsfläche und Schichtdicke zu optimieren. Für die automatisierte Zusammenführung der Stoffe und das saubere/exakte Abfüllen der Kapseln, müssen außerdem die Prozesse und Anlagen modifiziert werden. Für die Entwicklung der Kapselgeometrie soll ein Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modell entwickelt werden, mit dem die Strömung der Wärmeträgerflüssigkeit um die PCM-Kapseln und die thermische Leistung des Gesamtspeichers während der Be- und Entladung realitätsnah abgebildet werden kann.

Beginn: 01/2020

Finanzierung: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Förderkennzeichen: ZF4032935ZG9

Kooperationspartner: ESDA Technologie GmbH, Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH

Ziel des Projektes ist es, ein innovatives Gesamtkonzept zur kombinierten regenerativen Versorgung von Gebäuden mit Wärme, Kälte, Strom und Frischluft zu entwickeln und im realen Einsatz zu evaluieren. Im Fokus steht dabei eine möglichst umfassende und effiziente Nutzung zur Verfügung stehender regenerativer Umweltenergie und die Verknüpfung mit LowEx-Systemen zur Gebäudekühlung, Heizung und Lüftung. Im Rahmen von RENBuild wird ein Gewerke übergreifendes Gesamtsystem entwickelt, dessen optimierte Komponenten eine möglichst hohe Energieeffizienz bei gleichzeitiger Nutzung regenerativer Energien erlauben. Kernstück des Systems ist ein PVT-Kollektor, der gleichzeitig Strom, Wärme und Kälte rein regenerativ erzeugt. Tagsüber wird Solarenergie in Strom und Wärme umgewandelt, während nachts Umweltkälte – im Wesentlichen durch langwelligen Strahlungsaustausch mit dem kalten Nachthimmel – genutzt wird. Die dabei erreichten Temperaturen liegen auf moderaten Niveaus, können jedoch sehr effizient in Niedertemperaturheiz- und -kühlsystemen wie z.B. Heiz-/Kühldecken oder Fußbodenheizung/-kühlung genutzt werden. Eine Wärmepumpe kann die Temperaturen – sofern notwendig – weiter anheben bzw. absenken. Entsprechend angepasste und optimierte Wärme- und Kältespeicher sorgen für die Überbrückung der Fehlzeiten zwischen Erzeugung und Bedarf. Die Einbindung einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung komplettiert das Gesamtsystem. Eine intelligente Steuerung erlaubt das effiziente Zusammenspiel der Komponenten. Die Steuerung ist dabei auf eine möglichst hohe Eigennutzung ausgelegt. Die Speicher erlauben jedoch auch netzdienliche Funktionen wie z.B. power-to-heat oder power-to-cold.

Beginn: 01/2020

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Förderkennzeichen: 03EN1009F

Kooperationspartner: Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V., PA-ID GmbH, Neuberger Gebäudeautomation GmbH, Ratiotherm Heizungs- und Solartechnik GmbH & Co. KG, Hanse Haus GmbH & Co. KG, Dipl.-Ing. Hölscher GmbH & Co. KG, Renz Solutions GmbH, ESDA Technologie GmbH

Die Verwertung organischer Abfälle aus der Landwirtschaft, insbesondere Gülle und Gärrest, ist eine noch nicht zufriedenstellend gelöste Aufgabe im Bereich des Abfallmanagements. Gülle enthält Stickstoff, daneben Phosphat und weitere Mineralien, welche wichtige Nährstoffe für landwirtschaftliche Nutzpflanzen darstellen. Der direkte Nutzen (z.B. Ausbringung auf Felder) führt bei übermäßigem Einsatz jedoch zu hohen Nitratbelastungen von Böden und Gewässern.In diesem Projekt wollen wir in Zusammenarbeit mit der Envimac Engineering GmbH einen innovativen Trennapparat zur Stickstoffrückgewinnung entwickeln. Dieser soll erstmals geeignet sein, Stickstoff in Form von Ammonium direkt aus der Gülle bzw. dem Gärrest selektiv zu entfernen und somit hochwertige Düngeprodukte herzustellen. Dabei wird ein hochtechnisierter Apparat mit gleichzeitig landwirtschaftlicher Robustheit entwickelt, mit welchem feststoffhaltige Flüssigkeiten behandelt werden können ohne dass es zu einem Ausfall der Anlage kommt. Damit wird erstmals auch die wirtschaftliche Verarbeitung kleiner Menge an Gülle dezentral direkt am Bauernhof ermöglicht.Die Aufgabe für unseren Lehrstuhl liegt dabei in der numerischen Untersuchung der Strömungsverhältnisse innerhalb des Trennapparates.

Beginn: 09/2019

Finanzierung: AiF - Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

Förderkennzeichen: ZF 4032929SA9

Kooperationspartner: Envimac Engineering GmbH

Die Diversifizierung der Gasversorgung durch Liberalisierung des Gashandels, die Erschließung neuer fossiler Quellen und die zunehmende Nutzung erneuerbarer Gase (wie Bio- und Synthesegas) führen zu deutlichen Schwankungen der Gasqualität. Diese ist jedoch entscheidend für die eichpflichtige Messung des Energieinhalts sowie den sicheren, effizienten und emissionsarmen Betrieb von gasbetriebenen Prozessen. Der Energiestrom des Gases in der Betriebsmessung ergibt sich als Produkt aus dem Heizwert und dem verbrauchten Gasvolumen. Für die meisten Gasverbraucher wird am Verbrauchsort nur die Mengenmessung durchgeführt, während die Qualitätsmessung (Heizwert) nach internen Verfahren durch den Lieferanten erfolgt.Das Hauptziel des Deutsch-Schwedischen Projektes ist die Entwicklung und Markteinführung einer innovativen Technologie zur kostengünstigen Echtzeitmessung des Energiestromes von Erd- und Biogas mit Hilfe eines Ultraschalldurchflussmessers. Im Vergleich zu bestehenden Lösungen kann mit der neuen Technologie eine Kostensenkung von voraussichtlich bis zu 94% (im Vergleich zur Gaschromatographie) erreicht werden. Die Kosten für Betrieb und Wartung werden dabei um etwa 90% reduziert.Die Aufgabe unseres Lehrstuhls ist dabei die simulationsgestützte Optimierung der Messkammer in Bezug auf die Störgröße Strömung.

Beginn: 09/2019

Finanzierung: AiF - Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

Förderkennzeichen: ZF 4032930CL9

Kooperationspartner: GasQuaL AB (Schweden), Königlich Technische Hochschule Stockholm

Ziel unserer Kooperation mit der Sulzer Chemtech AG ist es, das Verhalten von Flüssigkeitsströmungen mit freien gas-flüssig Grenzflächen auf strukturierten Oberflächen durch ein CFD-Modell abzubilden. Diese werden in der verfahrenstechnischen Industrie häufig in strukturierten Packungen eingesetzt, die einen möglichst intensiven Austausch zwischen zwei oder mehr fluiden Phasen bei gleichzeitig geringen Druckverlusten herstellen sollen (z.B. bei Rektifikations- und Absorptionsprozessen).Die Untersuchungen erfolgen ohne auferlegte Gasströmung mit Fokus auf der Benetzungseigenschaft der Oberflächen. Die Berücksichtigung der Mikrostruktur im CFD-Modell soll über eine Anpassung des effektiven Kontaktwinkels im CFD Modell erfolgen, wobei derjenige Kontaktwinkel gewählt wird, welcher die Strömungscharakteristik am besten wiedergibt. Um dies bewerten zu können führt die Firma Sulzer Ausbreitungsversuche von Flüssigkeitsfilmen auf Einzelblechen durch, die in ihrer mikrostrukturellen Oberflächenbeschaffenheit den strukturierten Packungen entsprechen.

Beginn: 09/2018

Finanzierung: Sulzer Chemtech AG, Universität Paderborn

Kooperationspartner: Sulzer Chemtech AG

Das Vorhaben zielt auf eine Entwicklung von neuartigen Wärmeübertrager-Rohren, um die Wärmeübertragung bei der Kondensation zu verbessern. Lösungsansatz ist eine Stärkung der Tropfenkondensation gegenüber der Filmkondensation, da damit der Wärmeübergangskoeffizient um etwa den Faktor 10 vergrößert wird. Dies soll durch eine zweifache Strukturierung der Kondensationsoberflächen erreicht werden. Zum einen durch geometrische Umformungen mit den Drallrohren, zum anderen durch eine chemische Strukturierung mit neuartigen hydrophil- hydrophoben Beschichtungen. Die technische und wirtschaftliche Bedeutung dieser Innovation ergibt sich unter zwei Aspekten: Erstens eine Verbesserung der Energieeffizienz von Dampfturbinen durch Vergrößerung des wirksamen Druckgefälles, zweitens eine Erhöhung der Materialeffizienz durch kleinere Baugrößen für vorgegebene Kondensationsleistungen.Zusammen mit den Projektpartnern ist es zunächst ein geeignetes Beschichtungssystem zu entwickeln, danach wird unter der Leitung von FVT das modifizierte beschichtete Einzelrohr in einem Testkondensator im Labormaßstab hinsichtlich des Kondensationsverhaltens von Wasserdampf untersucht, um die Verbesserung des Wärmeübergangs quantitativ darzustellen. Ferner wird die Verbesserung des Wärmeübergangs in Rohrbündeln durch Reduzierung des Bündeleffektes untersucht. Zum Schluss werden mathematische und physikalische Zusammenhänge daraus abgeleitet.

Beginn: 05/2018

Finanzierung: AiF - Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

Förderkennzeichen: ZF4032923ST7

Kooperationspartner: Arbeitsgruppe Coatings, Materials & Polymers (Uni Paderborn) und Hatec Haag-Technischer Handel GmbH

In der chemischen Industrie finden trotz aller Sicherheitseinrichtungen und -vorschriften immer wieder Störfälle statt. Die Störfälle führen oft zu Bränden, Explosionen sowie dem Ausstoß giftiger und krebserregender Stoffe und können beträchtliche Personen-, Umwelt- und Sachschäden verursachen. Hinzu kommen dadurch Produktionsausfälle in einem erheblichen Umfang.Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Softwarewerkzeugs, mit dem die Anlagenfahrer kritische Situationen im Bereich der chemischen Absorption erkennen können und über das Werkzeug Steuerbefehle zur Vermeidung kritischer Situationen in nahezu Echtzeit  vorgeschlagen bekommen.Die Aufgaben für unseren Lehrstuhl liegen dabei in der dynamischen Simulation der ausgewählten Prozesse sowie Entwicklung reduzierter Modelle zur Beschreibung dieser.

Beginn: 04/2018

Finanzierung: AiF - Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

Förderkennzeichen: ZF4032921BZ7

Kooperationspartner: Sokratel Kommunikations- und Datensysteme GmbH

Im Zuge steigender Anforderungen an Haushaltstrockner hinsichtlich deren Energieeffizienz ist es notwendig, die Geräte wärmetechnisch zu optimieren. Die Firma Miele & Cie. KG ist bekanntlich einer der führenden Hersteller von Haushaltstrocknern und legt besonderen Wert auf eine optimale Konstruktion und Fertigung der einzelnen Trockner-Komponenten einschließlich der Wärmeübertrager. Zur Optimierung von Kondensatoren in Haushaltstrocknern ist es wichtig, einzelne Einflussparameter des Kondensationsprozesses zu bestimmen. Diese können jedoch mit Hilfe numerischer Simulationen oder Messungen am Gesamtapparat nur schwer erfasst werden. Um die Auswirkung der einzelnen Parameter (Volumenstrom, Temperatur, etc.) auf den Kondensationsprozess in einem Kondenstrockner besser zu verstehen, wurde bei uns am Lehrstuhl in Kooperation mit Miele eine Versuchsanlage konzipiert und aufgebaut, mit der auch ein ausgewählter Teil eines Wärmeübertragers untersucht werden kann. Experimentell bestimmt werden der thermische Wirkungsgrad, die Kondensationsrate und der Druckverlust auf der Luftseite.

Beginn: 10/2013

Finanzierung: Miele & Cie. KG

Die Trennung von viskosen Gemischen in Packungskolonnen ist ein technisch relevanter, aber nicht systematisch untersuchter Prozess. Die Viskosität beeinflusst u.a. die Diffusion in der flüssigen Phase oder die Benetzbarkeit des Packungsmaterials, was die etablierten Korrelationen oder Modelle zur Vorhersage der Trennleistung ungeeignet macht. In vorangegangenen Studien an unserem Lehrstuhl wurde ein Modell entwickelt, das die Rektifikation von Gemischen mit erhöhter Viskosität in strukturierten Packungskolonnen beschreibt. Im aktuellen Projekt wird dieses Modell auf die Rektifikation von Flüssigkeitsgemischen mit Viskositäten von bis zu 50 mPa s erweitert. Dabei wird die Fluiddynamik innerhalb der strukturierten Packung durch tomographische Messungen untersucht und in den auf hydrodynamischen Analogien basierenden Modellierungsansatz implementiert. Schließlich wird in Zusammenarbeit mit der TU Braunschweig eine experimentelle Validierung durchgeführt, um die Anwendbarkeit für verschiedene chemische Systeme bei standardisiertem Messaufwand sicherzustellen.

Beginn: 05/2017

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Förderkennzeichen:  KE 837/19-3

Kooperationspartner: TU Braunschweig

Ziel des Foschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Modells für überlagerte Tropfenkoaleszenz und Marangonikonvektion, das zur Auslegung von Extraktionsverfahren genutzt werden kann. Hierfür werden die gewonnenen Erkenntnisse aus den experimentellen und numerischen (CFD) Untersuchungen kombiniert. Darüber hinaus erweitern die CFD-Simulationen das Grundlagenverständnis zur Tropfenbildung und zum Tropfenaufstieg mit Marangonikonvektion. Zusammen mit den experimentellen Daten wird so die Grundlage für eine zukünftige Modellbildung für diese Prozessphasen geschaffen. Die Bearbeitung erfolgt in Kooperation mit der TU Kaiserslautern, die das experimentelle Programm durchführt. Seitens der FVT Paderborn werden schwerpunktmäßig die numerischen Untersuchungen übernommen.

Beginn: 07/2016

Ende: 12/2019

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderkennzeichen: KE 837/28-1

Kooperationspartner: TU Kaiserslautern

Im Rahmen des Projektes MoLaWS soll gemeinsam mit der ESDA Technologie GmbH ein neues, modulares, luftgeführtes Wärmespeichersystem aus innovativen, druckverlustarmen und kaskadierbaren Hochleistungs-Latentwärmespeicherelementen entwickelt werden. Ziel ist hierbei, das Wärme- bzw. Kälteangebot dem aktuellen Bedarf anzupassen und den kostenintensiven Verbrauch von Elektrizität und fossilen Energieträgern zu minimieren. In Wärmespeichern wird Wärme zyklisch gespeichert und wieder abgerufen, während ein durch den Speicher strömendes Medium (z.B. Luft) diese Wärme abgibt und aufnimmt. In Latentwärmespeichern wird zudem die Phasenwechselenergie des Materials (engl. Phase Change Material, PCM) ausgenutzt. Die volumenspezifische Wärmespeicherkapazität sowie die Triebkräfte sind bei Latentwärmespeichern um ein Vielfaches größer als bei sensibler Speicherung. Latente Wärmespeicherung ermöglicht damit deutlich kompaktere Speicher, wodurch Wärmeverluste verringert und die Energieeffizienz gesteigert werden. Seitens des FVT liegen die Schwerpunkte hierbei auf der Modellierung und CFD-basierten Untersuchung der durch den Phasenwechsel beeinflussten Wärmetransportprozesse sowie auf der wärmetechnischen Auslegung der Wärmespeicherelemente.

Beginn: 07/2017

Finanzierung: AiF - Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

Förderkennzeichen: ZF4032917ST7

Kooperationspartner: ESDA Technologie GmbH

Das primäre Ziel des Projektes ist neben der Steigerung des Wirkungsgrades die Erhöhung der Lebensdauer von Photovoltaik-Modulen durch die Integration hochkapazitiver, polymergebundener Phasenwechselmaterialien (PCM) mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass sich durch die Integration von PCM in PV-Module nicht nur die Betriebstemperatur sondern auch die Temperaturänderungsrate signifikant reduzieren lässt. Letztere ist der entscheidende Faktor für die alterungsbedingte Degradationsrate, die auf die thermisch angeregte zyklische Materialbeanspruchung zurückgeführt wird. Zudem konnte durch die gezielte Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Ausbildung sogenannter Hotspots, welche vornehmlich aufgrund von unvorhergesehenen Verschattungen entstehen und die Betriebstemperatur an der betroffenen Stelle stark erhöhen, entgegengewirkt werden. Die Bearbeitung erfolgt in enger Zusammenarbeit aller vier am Kompetenzzentrum für nachhaltige Energietechnik (KET) beteiligten Lehrstühle. Dabei liegt seitens des FVT ein Schwerpunkt auf der Modellierung sowie CFD-basierten Untersuchung der durch den Phasenwechsel beeinflussten Wärmetransportprozesse.

Beginn: 07/2016

Finanzierung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Förderkennzeichen: 0324084A

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines anwendungsorientierten und prädiktiven Modellierungsansatzes zur Beschreibung der Trennleistung von Kolonnen mit Anstaupackungen. In Anstaupackungen stellt sich im Betriebsbereich ein heterogenes Strömungsmuster ein (Blasenströmung, Sprudelschicht und Rieselfilm-strömung). Um die Auswirkungen der einzelnen Strömungsregime auf die Fluid-dynamik und den Stofftransport getrennt voneinander zu erfassen, werden verschiedene experimentelle Methoden kombiniert. In einer Absorptions-/Desorptionsanlage wird der Einfluss diverser Betriebs- und Designparameter auf den Stofftransport untersucht. Weiterhin sollen lokale Informationen der Mehrphasenströmungen in Anstaupackungen mittels ultraschneller-röntgen-Tomographie generiert werden. Die Ergebnisse beider Methoden sollen in die Entwicklung eines rate-based Modells einfließen. Die Bearbeitung erfolgt in Kooperation mit der TU Dresden, wobei seitens der FVT Paderborn schwerpunktmäßig die experimentellen und theoretischen Untersuchungen des Stofftransports von Anstaupackungen bei der Ab-/Desorption durchgeführt werden, während an der TU Dresden die Fluiddynamik mittels ultraschneller-röntgen-Tomographie untersucht wird.

Beginn: 02/2016

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderkennzeichen: KE 837/26-1

Kooperationspartner: TU Dresden

Zwecks Kühlung ihrer Produkte stellen Betriebe der Lebensmittelindustrie Eis in Form von Eisscherben direkt am Produktionsstandort her. Dies erfolgt mittels Eiserzeugern, welche als Film aufgegebenes Wasser auf der Oberfläche von Wärmeübertragern (meist s.g. Kissenplatten) gefrieren, die so erzeugten Eisplatten zyklisch ablösen und anschließend zerkleinern. Die derzeit verfügbaren Eiserzeuger weisen einen hohen Fluidinhalt an bedenklichem Kältemittel (toxisch, brennbar, Treibhauspotential) auf, sodass hieraus hohe Betriebsmittelkosten, eine kostenaufwendige konstruktive Gestaltung und im Schadensfall ein erhebliches Sicherheitsrisiko für Personal und Umwelt folgen. Daher soll im Rahmen des geplanten Projektes in Kooperation mit dem Unternehmen BUCO Wärmeaustauscher International GmbH ein neuartiger Eiserzeuger entwickelt werden, bei welchem der Kältemittelbedarf mittels Substitution durch einen unbedenklichen Kälteträger auf ein Minimum gesenkt wird. Die Verwendung von Kälteträger anstelle von Kältemittel bringt jedoch erhebliche Unsicherheiten hinsichtlich der Apparateauslegung mit sich, welche mithilfe von CFD basierten Studien (Mehrphasensimulationen) sowie experimentellen Untersuchungen an einer im Rahmen des Projektes zu erstellenden Versuchsanlage beseitigt werden sollen.

Beginn: 01/2017

Finanzierung: AiF - Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM, BMWi)

Kooperationspartner: BUCO Wärmeaustauscher International GmbH

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung neuer Füllkörpergeometrien zur Effizienzsteigerung von Trennapparaten. Dies soll mit Hilfe eines neuen, wissenschaftlich fundierten und rechnergestützten Ansatzes in enger Zusammenarbeit mit dem Unternehmens Envimac Engineering GmbH, Oberhausen erreicht werden. Die Arbeit unseres Lehrstuhls fokussiert sich vor allem auf die Entwicklung und Validierung eines Simulationsmodells auf Basis hydrodynamischer Analogien, welches eine prädiktive Berechnung von Trenneffizienzen der neuen Einbautenformen erlaubt.

Beginn: 09/2016

Finanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Förderkennzeichen: 01LY1602B

Kooperationspartner: ENVIMAC Engineering GmbH, Oberhausen

In diesem Projekt wird mit der Gravidestillation (zero gravity distillation) ein mögliches Konzept zur Realisierung von Destillationsprozessen im Mikromaßstab untersucht. Für die Führung von Dampf- und Flüssigphase, welche in Apparaten mit Abmessungen unter einem Millimeter eine Herausforderung darstellt, werden dabei Kapillarkräfte ausgenutzt. Als Strukturelemente stehen Rillen sowie eine poröse Struktur zur Untersuchung aus. Die Erfassung der Transportvorgänge in diesen Elementen, die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung von Gravidestillationsprozessen sowie die Erarbeitung von Grundlagen für die Auslegung von entsprechenden technischen Apparaten stellen die Hauptziele des Projektes dar.Die Bearbeitung erfolgt in Kooperation mit der TU Darmstadt, wobei seitens der FVT Paderborn schwerpunktmäßig die Modellierung und Simulation übernommen werden. Die experimentelle Validierung der Ergebnisse erfolgt an der TU Darmstadt.

Beginn: 09/2014

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Förderkennzeichen: KE 837/23-1

Kooperationspartner: TU Darmstadt

In der thermischen Verfahrenstechnik wird für Trennaufgaben in Packungskolonnen eine hohe Phasengrenzfläche benötigt. Dies kann durch den Einsatz von strukturierten Packungen gewährleistet werden, wobei die geometrischen Beschaffenheiten der Packungen sowie auch Stoffeigenschaften und Betriebsparameter die Fluiddynamik von Gas- und Flüssigphase maßgeblich beeinflussen. Im Rahmen dieses Projektes sollen ein- und zweiphasige Strömungsphänomene in strukturierten Packungen mit Hilfe der CFD-Methoden aufgeklärt werden. Ziel dabei ist es, ein vertieftes Verständnis der lokalen Strömungsvorgänge zu erhalten. Dadurch können Packungskolonnen genauer ausgelegt und strukturierte Packungen weiter optimiert werden.

Beginn: 09/2015

Ende: 12/2018

Finanzierung: Haushaltsmittel

Lebensmittel mit hohem Feuchtigkeitsanteil werden im afrikanischen Raum überwiegend direkt auf der Erdoberfläche getrocknet. Diese Vorgehensweise führt zu Verlusten durch Wettereinflüsse, Fäulnis und Insektenbefall sowie zu Qualitätsverminderung durch Verunreinigungen oder Verkehrsabgase. Hybride Solartrockner werden eingesetzt, um kontrolliert unter umweltfreundlichen Bedingungen zu trocknen und somit die Lebenssituation der Bauern in Ghana zu verbessern.Die Kwame Nkrumah University of Science and Technology (KNUST) in Kumasi hat einen Solartrockner zur Trocknung von Mais entwickelt, dessen aktuelle Bauform mit Hilfe von CFD-Methoden abgebildet wurde. Die Ergebnisse wurden anhand von Temperaturmessungen validiert. Aufbauend auf der erfolgreichen Abbildung des aktuellen Prozesses können nun Modifikationen hinsichtlich der Betriebsbedingungen und der Trocknergeometrie geprüft werden.In unseren aktuellen Arbeiten streben wir u.a. durch eine verbesserte Auslegung des Kompressors an den Luftaustausch zu erhöhen und so die Prozessdauer zu verkürzen. Zudem untersuchen wir den Einfluss von Ventilatoren auf die Temperaturverteilung im Trockner und die Homogenität des Produktes.

Beginn: 2013

Finanzierung: DAAD

Kooperationspartner: Kwame Nkrumah University of Science and Technology u. a.

Dieses Vorhaben gehört zu Transferprojekten, welche ein Förderungsinstrument im Rahmen des Spitzenclusters it‘s OWL „Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe“ darstellen. In Zusammenarbeit mit der Fa. Schaffner Deutschland GmbH soll eine thermische Analyse von Induktivitäten mittels CFD-Methoden als Transferprojekt durchgeführt werden.Induktivitäten werden in einer Vielzahl von Anwendungen als Filterelemente zur Formung des elektrischen Stroms verwendet. Häufig wird ein möglichst geringes Gewicht und Volumen der Wickelgüter einhergehend mit einer hohen Leistungsdichte angestrebt. Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von Wickelgütern sind maßgeblich abhängig von der thermischen Belastung. Daher werden die Induktivitäten forciert gekühlt, um eine lokale thermische Überlastung des Wicklungsisolationssystems zu vermeiden. Hierzu werden Kühlkanäle in die Wicklungen integriert, deren Auslegung heute jedoch bisher häufig großen Unsicherheiten unterliegt. Mittels Methoden der numerischen Strömungsmechanik (CFD) sind genauere Vorhersage der Strömungsverhältnisse und somit der Wärmeabfuhr möglich. Aufgrund ihrer Komplexität wurde die CFD bisher jedoch noch nicht standardmäßig im Auslegungsprozess von Wickelgütern eingesetzt. Das Ziel dieses Projekts ist daher die Integration der CFD in die bestehenden Berechnungsmethoden von Wickelgütern bei der Schaffner Deutschland GmbH. Dazu wird von unserem Lehrstuhl ein geeigneter Modellierungsansatz für die thermische Analyse von Wickelgütern hergeleitet und durch Messerergebnisse der Schaffner Deutschland GmbH validiert. Genutzt wird hierbei die kommerzielle CFD-Software StarCCM+ der Firma Siemens. Durch Schulungsmaßnahmen soll ein erfolgreicher Know-how-Transfer von der Universität Paderborn hin zum Unternehmen sichergestellt werden, sodass am Ende des Projekts Mitarbeiter der Schaffner Deutschland GmbH in der Lage sind, die weitere Einarbeitung in numerische Strömungssimulationen für Wickelgüter selbstständig durchzuführen.

Beginn: 01/2017

Finanzierung: Spitzencluster it’s OWL „Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe“

Kooperationspartner: Schaffner Deutschland GmbH

Dieses Vorhaben gehört zu Transferprojekten, welche ein Förderungsinstrument im Rahmen des Spitzenclusters it‘s OWL „Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe“ darstellen. In Zusammenarbeit mit der Fa. ST-Vitrinen Trautmann GmbH & Co. KG soll ein effizientes Kühlkonzept für Monitor-Vitrinen entwickelt werden, wobei die CFD-Methoden zu Hilfe genommen werden.Unter Monitor-Vitrinen sind in einem Gehäuse fest verbaute LCD-Displays zu verstehen, welche der Verbreitung von s.g. Digital-out-of-Home-Medien dienen. Hierzu zählen beispielsweise Touristeninformationen, Werbeinhalte, Abfahrtpläne für Bus- und Bahn, Wegweisesysteme in Einkaufzentren oder das Filmprogramm von Kinos. Der Vorteil der Monitor-Vitrinen im Vergleich zu Plakaten besteht darin, dass per Kommunikation mit einem Computersystem die anzuzeigenden Inhalte rund um die Uhr aktualisiert bzw. an die zu erwartende Personengruppe angepasst werden können. Der Trend geht zu immer größeren Displays, wodurch die Oberfläche, welche Wärmeenergie infolge von Sonneneinstrahlung aufnimmt, sowie die Wärmeproduktion im Inneren der Vitrine durch elektrische Verluste der Lichtquelle, aufgrund der Notwendigkeit von höheren Lichtleistungen zur Bewahrung einer guten Ablesbarkeit des Displays, zukünftig weiter ansteigen werden. Daraus folgen höhere Anforderungen bezüglich der Kühlung. Das Potential des aktuell eingesetzten Kühlkonzepts ist jedoch schon bei heute üblichen Displaygrößen nicht mehr ausreichend, sodass die maximal zulässige Innenraumtemperatur der Vitrinen von 50°C an sonnigen Sommertagen temporär überschritten wird und die Temperatur auf bis zu 60°C steigt. Dies führt zu Problemen hinsichtlich der Lebensdauer und Zuverlässigkeit der von dem Unternehmen ST-Vitrinen produzierten Monitor-Vitrinen. Im Rahmen dieses Transferprojekts werden deshalb ein anforderungsgerechtes, leistungsfähigeres Kühlkonzept sowie die dazugehörigen Auslegungsgrundlagen erarbeitet.Beginn: 01/2017Finanzierung: Spitzencluster it’s OWL „Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe“ (BMBF)Kooperationspartner: ST-Vitrinen Trautmann GmbH & Co. Kg

Transportvorgänge an bewegten Phasengrenzen treten in einer Vielzahl verfahrenstechnischer Prozesse auf. Für eine genaue und sichere Auslegung dieser Prozesse ist daher das grundlegende und detaillierte Verständnis der Transportvorgänge von entscheidender Bedeutung. CFD-basierte numerische Simulationen tragen in zunehmendem Maße dazu bei, das Verständnis komplexer Transportvorgänge in Mehrphasenströmungen weiter auszubauen. Für Trennverfahren stellt der Stofftransport über bewegte Phasengrenzen ein besonders wichtiges Phänomen dar. Im Falle eines signifikanten Stofftransports über die Phasengrenze oder einer konzentrationsabhängigen Grenzflächenspannung muss ein stark gekoppeltes Problem für den Impuls- und Stofftransport gelöst werden. Darüber hinaus treten in vielen Verfahren Systeme mit mehr als zwei Komponenten in jeder Phase auf. In solchen Systemen müssen die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten durch geeignete Transportansätze beschrieben werden. Schwerpunkt des Projektes ist die Weiterentwicklung eines mathematischen Modells und einer numerischen Methode zur Beschreibung des Stofftransports in Mehrphasensystemen mit bewegten Phasengrenzen

Beginn: 12/2014

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Förderkennzeichen: KE 837/24-1