F&E-Projekte

Betreuer: U. Feuerriegel

Im Lehrgebiet Thermische Energietechnik im FB 8 werden energietechnische Aufgabenstellungen aus der Industrie als Projekte in Lehrveran­staltungen, als Praxisprojekte und in Abschlussarbeiten bearbeitet. Dafür erfolgt eine zielgerichtete Ausbildung in den Lehr­veran­staltungen unter Verwendung eines modulares (Software-) Konzepts für die Erstellung energie­technischer Berechnungen und Simulationen. Der Fokus liegt dabei auf der exer­ge­tischen Bewertung (Berechnung der „Umwandlungsverluste“) der Prozesse. Dieses modulare Konzept wird aktuell im Rahmen eines dritten Lehrbuchs im Springer-Verlag bearbeitet, damit es auch über die Grenzen des FB 8 hinaus Anwendung findet. Die praxisnahe Ausbildung und die aktive Mitarbeit an einem Lehrbuch führt zu einer hohen Motivation der Studierenden. Durch ihre Projekte tragen die Studieren­den dazu bei, die für die Energiewende erforderlichen Transformationen in der Region schneller umzusetzen!

• Diverse laufende studentische Projekte im Rahmen von lehrveranstaltungsbegleitenden Projekten bis Abschlussarbeiten zu den Bereichen der energetischen Optimierung industrieller Prozesse, zur Wertschöpfungskette von Wasserstoff, zur Kraft-Wärme-Kopplung in BHKWs, zum Einsatz von Wärmepumpen und Kältemaschinen bis zur Nutzung von Biogas (als eigene Arbeiten oder als Kooperationen mit Unternehmen). 
• Bachelorarbeit (2023): Energetische Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellen und in Wärmekraft­maschinen. 
• Bachelorarbeit (2023): Simulationen zur Elektrolyse und Speicherung von Wasserstoff.
• Projekt im Rahmen der Lehrveranstaltung "Simulation wärmetechnischer Prozesse" (2023): Verflüssigung von Wasserstoff und Lagerung von LH₂, Boil-off-Effekt.
• Projekt im Rahmen der Lehrveranstaltung "Energietechnik" (2022): Trocknung von Quarzsand in einem Drehrohrofen durch Verbrennung von Heizöl (Nivelsteiner Sandwerke und Sandsteinbrüche GmbH, Herzogenrath).
• Projekt 2 (2022): Simulation der Befüllung von Typ-IV-Druckbehältern mit Wasserstoff aus der Elektrolyse (AE Driven Solutions GmbH, Aachen).
• Projekt im Rahmen der Lehrveranstaltung "Simulation wärmetechnischer Prozesse" (2022): Elektrifizierung der Trocknung von Quarzsand in einem Drehrohrofen (Nivelsteiner Sandwerke und Sandsteinbrüche GmbH, Herzogenrath).
• Bachelorarbeit (2021): Exergetische Berechnungen zur technischen Verbrennung und zu Blockheizkraftwerken. Bachelorarbeit, FH Aachen.

Bearbeiter/Betreuer: A. Matthes, U. Feuerriegel

Der MPEMBA-Effekt beschreibt, dass unter bestimmten Bedingungen und sonst identischen Randbedingungen wärmeres Wasser schneller abkühlt und gefriert als kaltes Wasser. Vor mehr als 2300 Jahren berichtete ARISTOTELES erstmals über dieses Phänomen. Im zwanzigsten Jahrhundert wurde dieser Effekt von dem tansanischen Schüler MPEMBA wiederentdeckt und 1969 publiziert. Bis heute gibt es keine wissenschaftliche Erklärung für diesen Effekt, der sich im Wesentlichen oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser abspielt.

In den eigenen Untersuchungen des MPEMBA-Effekts wurden erste Modelle entwickelt, die das Abkühlverhalten von Wasser in offenen Behältern beschreiben. Die Modelle bilanzieren das System basierend auf den Erhaltungsgleichungen für Masse, Energie und Impuls und beschreiben deren Veränderungen über die Wärme- und Stofftransporteffekte am Behälter. Parallel dazu wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die den MPEMBA-Effekt bestätigen.

Kooperationspartner: TGE Gas Engineering GmbH, Bonn. 

Bearbeiter: A. Patt, U. Feuerriegel.
Betreuer: U. Feuerriegel. 

Bei der unterkritischen Verdampfung in waagerechten, dampfbeheizten Rohren durchläuft das zu verdampfende Medium unterschiedliche Bereiche: Den einphasigen Wärmeübergang bis zum Erreichen des Sättigungszustands, die Verdampfung einschließlich der Phänomene des Strömungssiedens unterkühlter Flüssigkeiten, des Strömungssiedens gesättigter Flüssigkeiten und möglicherweise den kritischen Siedezustand und den Wärmeübergang nach der Siedekrise. Die Berechnung der Stoffwerte des zu verdampfenden Fluid stellt eine weiterer Herausforderung dar.

In dieser Aufgabenstellung wurde die Methode der Diskretisierung verwendet wird, um die Differentialgleichungen in ein algebraisches Gleichungssystem umzuwandeln und anschließend numerisch zu lösen.

Bearbeiter: A. Ruland, A. Eckert., W. Kaiser,
P. Schumacher
Betreuer: U. Feuerriegel 

Ziel des Projekts ist die Untersuchung des Wärmeübergangs beim Sieden, insbesondere beim Filmsieden sowie beim Blasensieden und konvektiven Sieden. Dafür soll anhand von Messungen der zeitliche Verlauf des Wärmeübergangskoeffizienten bei der Abkühlung einer auf bis zu 900 °C erwärmten Nickelkugel in Wasser in den unterschiedlichen Siedebereichen ermittelt werden. Weiterhin soll die Simulation des instationären Abkühlverhaltens bei der Tauchkühlung in den unterschiedlichen Siedebereichen erfolgen.

Kooperationspartner: Zentis GmbH & Co. KG, Aachen.
Bearbeiter: G. Wersch.
Betreuer: U. Feuerriegel, J. Becker.

Der Entzug von Wasser aus Fruchtzubereitungen durch Eindampfung dient zur Haltbarmachung und Herstellung konzentrierter Produkte. Die Eindampfung von Fruchtzubereitungen kann mit verschiedenen Verdampfern und meist unter Vakuum erfolgen, wobei diskontinuierliche oder kontinuierliche Verfahren möglich sind, die sich auch auf die Qualitäten der sehr temperaturempfindlichen Produkte auswirken. Im Rahmen dieses Projekts wurden ausgewählte Verfahren anhand der Massen- und Energiebilanzen und der Investitionskosten miteinander verglichen.

Kooperationspartner: TGE Gas Engineering GmbH, Bonn. 
Bearbeiter: S. Wittenhorst.
Betreuer: U. Feuerriegel, U. Hoffmann.
Veröffentlichung: Wittenhorst, S.; Feuerriegel, U.; Hoffmann, U.; Ecker, M.: Untersuchung des dynamischen Verhaltens von dampfbeheizten Kohlenwasserstoff-Verdampfern. Posterbeitrag auf der ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, September 2010.

Im Rahmen dieses F&E-Projektes wurde das dynamische Verhalten eines Ethylen-Verdampfers simuliert. Dazu wurden die Standard-Softwareprogramme MS Excel und LabVIEW verwendet und kombiniert. Die Simulation gibt das dynamische Verhalten des Wärmeübertragers realistisch wieder und ermöglicht zusätzlich die regelungstechnische Optimierung des Wärmeübertragers (Feedforward-Regelung), u. a. zur Untersuchung von Betriebs- und Störungsszenarien.

Kooperationspartner: Prof. Dr.-Ing. U. Kunz, Institut für Chemische Verfahrenstechnik, Technische Universtität Clausthal.
Bearbeiter: S. Wittenhorst. 
Betreuer: U. Feuerriegel, U. Kunz (TU Clausthal).
Veröffentlichung: Feuerriegel, U.; Kunz, U.; Wittenhorst, S.: Infrared imaging and simulation of temperature profiles in directly electrically-heated tubular reactors. Vortrag auf dem 5. Internationalen Infrarotforum infraR&D 2009, Fulda, Juni 2009.

Die direkte elektrische Beheizung ist die einfachste Möglichkeit, ein durchströmtes Rohr zu beheizen. Besondere Vorteile: Die Wärme wird relativ gleichmäßig über die gesamte Oberfläche zugeführt, verringerte Totzeiten, keine Wärmeträgermedien, einfacher Aufbau der Anlage, gute Regelbarkeit der Heizleistung. Die stationäre und dynamische Simulation des elektrisch beheizten Strömungsrohrs erfolgte in Excel-VBA, basierend auf einer Finite-Differenzen-Methode. Zur Überprüfung der Simulationen wurden Messungen mit einer Infrarotkamera durchgeführt. Anwendungen ergeben sich u.a. in der Reaktionstechnik.