Bachelorarbeit/Masterarbeit. Hydraulische, statische und thermodynamische Optimierung

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1 Bachelorarbeit/Masterarbeit Hydraulische, statische und thermodynamische Optimierung Motivation Die Energietechnik ist durch derzeitig geführte Debatten über globale Klimaveränderung, sichere und auch kostengünstige Energieversorgung, zu einem wichtigen politischen und gesellschaftlichen Thema geworden. In allen Szenarien für die zukünftige Energieversorgung spielt eine Steigerung der Effizienz bei Energieerzeugung und -verbrauch eine wesentliche Rolle. Dabei ist die Nutzung der Abwärme bei der Stromerzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung, KWK) von entscheidender Bedeutung. Die Erweiterung von KWK-Systemen durch mit Abwärme angetriebene Absorptionskältemaschinen (AKM) zu Kraft-Wärme- Kälte-Kopplungssystemen (KWKK) eröffnet die Möglichkeit eines ganzjährigen Betriebes von KWK Anlagen zur effizienten Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte. Das ZAE Bayern Das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) arbeitet an der Schnittstelle zwischen erkenntnisbasierter Grundlagenforschung und angewandter Industrieforschung. Jährlich führt das Institut eine große Zahl von Projekten mit der Industrie, vom KMU bis zum Großkonzern, sowie mit universitären und außeruniversitären Forschungspartnern durch. Die Hauptforschungsschwerpunkte des ZAE Bayern sind den Bereichen verstärkter Einsatz von Erneuerbaren Energien und der Steigerung der Energieeffizienz, sowie Energie Speicherung zugeordnet. Projektrahmen Das ZAE Bayern ist auf dem Gebiet der Entwicklung und Realisierung von innovativen KWKK-Konzepten mit mehrstufigen AKM bzw. Wärmepumpen tätig. Dabei werden das Rauchgas und das Motorkühlwasser eines Motorblockheizkraftwerks direkt in einer AKM zur Kälteerzeugung genutzt. Im Gegensatz zu konventionellen einstufigen Absorptionskältemaschinen, bei denen Rauchgas- und Motorkühlwasserwärme auf einen Wasserkreis gekoppelt werden, wodurch große Exergieverluste entstehen, wird ein deutlich höheres Wärmeverhältnis (EER, Energy Efficency Ratio) möglich. Durch ein spezielles Systemkonzept wird die vollständige Nutzung der BHKW-Abwärme, hohe thermodynamische Effizienz und große Flexibilität zwischen Kälteund Wärmebereitstellung erreicht. Im Rahmen eines Verbundvorhabens wird ein Gesamtsystem - bestehend aus motorischem Blockheizkraftwerk (BHKW) und Absorptionskältemaschine (AKM) - als AKM LWT2 ZAE Bayern AWT K2 K1 V G2 G1 LWT1 A zum Abgassystem Motor-BHKW Elektro Generator

2 dezentrales Energiesystem für die Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte entwickelt. Wesentliche Entwicklungsziele des Vorhabens sind: elektrische Leistung 25 kw Wärmeleistung (Heizbetrieb) 40 kw Kälteleistung (Kühlbetrieb) 36 kw Teillastfähigkeit % Gleitende Umschaltung zwischen Heizen und Kühlen Integrierte Anlagensteuerung für alle Systemfunktionen: Strom, Heizen, Kühlen, Wärme- und Kältespeicherladung Als wesentlicher Entwicklungsschritt wurde im Labor des ZAE Bayern eine Versuchsanlage bestehend aus einem angepasstem BHKW und der speziell entwickelten einstufigen AKM aufgebaut. Inhalt der Arbeit Eine der wichtigsten Baugruppen einer AKM sind die Wärmetauscher. Diese sind als Rohrbündel umgesetzt, die von den externen Wasserkreisen durchströmt werden. Rohrbündel mit Wasserkasten Wasserkasten

3 Die Aufteilung des Wasserstroms auf einzelne Rohrreihen und die Strömungsführung zwischen den Rohrreihen wird durch sogenannte Wasserkästen vorgegeben. Dies sind Metallblöcke in die sogenannte Wassertaschen gefräst werden, die das Wasser von einer Rohrreihe zur nächsten umlenken. Durch die Größe der Wassertaschen wird vorgegeben, wie viele Rohrreihen zu einem Strömungskanal zusammengefasst werden. Anhand der vorhandenen Geometrie soll ein Modell aufgebaut werden, dass anhand von Messdaten aus der Versuchsanlage validiert werden kann. Dieses Modell soll die thermodynamischen und statischen Charakteristiken des Wasserkastens abbilden. Anhand dieses Modells soll die Konstruktion des Wasserkastens in Hinsicht auf mehrere Aspekte optimiert werden: Hydraulisch: Geeignete Maßnahmen zur Reduktion der Druckverluste sollen ermittelt und quantitativ bewertet werden (z.b. Tiefe und Form der Wassertaschen) Thermodynamisch: Über die Trennwände, die die Wassertaschen bilden findet ein Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Wasserkreisen statt. Dies soll weitgehend unterbunden werden. Geeignete Maßnahmen sollen anhand des Modells untersucht werden. Statisch: Die Wasserkästen leisten einen Beitrag zur Stabilität der Behälter in denen sich die Wärmetauscher befinden. Der Einfluss der ermittelten hydraulischen und thermodynamischen Optimierungsmaßnahmen auf die Stabilität muss beachtet werden und limitiert gegebenenfalls die Möglichkeiten.

4 Aufgabenpakete Einarbeitung in die relevanten Themengebiete Versuche: o Durchführung von Versuchen zur Charakterisierung der Eigenschaften an der Versuchsanalage o Auswertung der Versuche Modellaufbau o Aufbau eines geeigneten Modells in CAD o Validierung des Modells anhand der Messdaten Simulation o Erarbeitung von Maßnahmen zur Optimierung in Hinsicht auf die hydraulischen, thermodynamischen und statischen Eigenschaften des Wasserkastens o Bewertung der Maßnahmen anhand von Simulationsergebnissen unter Berücksichtigung der Wechselwirkung unter den Teilaspekten Ableitung einer optimierten Konstruktion Dokumentation des Vorgehens und der Ergebnisse Kandidaten Studierende einer Universität oder Fachhochschule im Fachbereich Maschinenbau, Versorgungstechnik, Physikalische Technik oder angrenzender Bereiche Vorkenntnisse In folgenden Gebieten sind Vorkenntnisse für die Bearbeitung der Aufgaben hilfreich: Energie- und Anlagentechnik, Thermodynamik, Wärme- und Stoffübertragung, CAD/CFD Programme, Statik und Office Anwendungen Diese Kenntnisse können weitgehend auch während der Arbeit erworben werden. Sonstiges Die Durchführung einer Bachelorarbeit im Anschluss an das Praktikum ist möglich und insbesondere bei einer Praktikumsdauer von weniger als einem halben Jahr gewünscht. Die Aufgabenpakete können an Umfang und Tiefe an die Ansprüche einer Bachelor- und Masterarbeit angepasst werden Wir freuen uns auf Ihre Bewerbungsunterlagen! Sollten Sie noch Fragen haben oder uns Ihre Bewerbungsunterlagen schicken wollen, nutzen Sie bitte die aufgeführten Kontaktdaten. Ansprechpartner: Termin / Beginn: Christian Wuschig Tel.: 089 / Fax.: 089 / christian.wuschig@zae-bayern.de Ab sofort

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