Methoden zur Widerstandsminderung in thermischen ...tga-kongress.de/wp-content/uploads/2018/03/01_Brandt.pdf · TGA-Kongress 2018 | 22.3.2018 | Daniel Brandt | BioNet ... I 2000:

Berlin, 22./23. März 2018

Hermann-Rietschel-Institut, TU Berlin

*Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Methoden zur Widerstandsminderung in thermischen Verteilnetzen auf Basis bionischer Lösungsansätze

Daniel Brandt*

Karsten Tawackolian

Martin Kriegel

TGA-Kongress 2018 | 22.3.2018 | Daniel Brandt | BioNet

Motivation

Zirkulationspumpen in Gebäuden

2–3 % des gesamten elektrischen Energiebedarfs

in der EU (Barthel et al. 2006)

BioNet

FKZ: 03ET1197A

2

Bionische Entwicklungen

angewandt in Wärme- und Kälteverteilnetzen

Bildquellen (v.o.n.u.): Rechenberg, Bechert, Chen, Wiki, Lutz-Bueno

Bildquelle: BDH


• Identifikation von Einzelkomponenten mit Einsparpotential und übertragbaren

bionischen Entwicklungen

• Auswahl der 3 vielversprechendsten Kategorien:

Methodik

Form-

optimierung

Fittings Trägermedium Rohrinnenfläche

Strukturierung

/ RibletsAdditive

3(Sagheby et al. 2014)


1 10 100 1000 10000

Gesamtnetz

Einzelkomponente

>20 % verbesserte

Einzelkomponente

Zu messende Einsparung

<10 % Messunsicherheit

Druckverlust in Pa

Werkzeuge:

• CFD-Simulation und Optimierung

• Gravimetrischer Präzisionsprüfstand

• Repräsentativer Tafelprüfstand

Anforderungen

Messgenauigkeit:

4

FRAGEN?

Hermann-Rietschel-Institut

TU Berlin

Strukturierung

/ Riblets

Rohrinnenfläche


Kategorie: Rohrinnenoberfläche

Herstellung und Versuchsaufbau Experimentelle Untersuchung und Auswertung

Ergebnis:

• Keine eindeutige Druckverlustreduktion für untersuchte Durchmesser und Volumenströme

• Herausforderung: Hohe Abhängigkeit vom Durchmesser: 𝜆 ∝ 𝐷ℎ5

• Potential eher für größere Durchmesser und Rohrlängen

6

• Folie • Abrasion • Coating

0,21M Ø 0,21M Ø

78 cm

0,21M Ø

Gravimetrische Massenstrommessung

Hochbehälter

FRAGEN?


TU Berlin

Form-

optimierung

Fittings


Fitting:

• Bauteil zur Umlenkung, Zusammenführung

und Aufteilung der Strömung auf engem

Bauraum

→ Einzeldruckverluste durch Umlenkung

Numerische Optimierung auf Basis der

Evolutionsstrategie:

• Re = 20 000

• Bauraumrestriktionen

Fertigung und Messung:

• Re = 10 000…50 000

• Ideale und repräsentative Bedingungen

Ergebnis:

• 20 % Reduktion Einzeldruckverluste

Kategorie: Fittings - Krümmer

8

Ablösung

Δ𝑝 =1

2𝜌𝑢2 ×

𝐿

𝐷𝜆 + 𝜁

(Tawackolian et al. 2016)


Kategorie: Fittings – T-Stück

9

𝑄b𝑄c

= 0,2

gemessene

Einsparung

für

𝑄b/𝑄c = 0,2

33 %

48 %

55 %

(Tawackolian und Kriegel 2016), (Richter 2017)

FRAGEN?


TU Berlin

Additive

Trägermedium


Additive FasernLangkettige

PolymereTenside

Wirkung Turbulenzdämpfung

Größe Millimeter Mikrometer Nanometer

Herausforderung

Verklumpung,

Verstopfung von

Rohrnetzkomponenten

Degradation bei

Scherbelastung

Adsorption

Oberflächenaktivität

„Selbstheilung“

Kategorie: Additive

Keine etablierte Anwendung bisher

Tests bisher nur in Fernwärmesystemen

11


Widerstandsmindernde Tenside in der Rohrströmung

Bereich widerstandsmindernder

Wirkung

Erhöhte Wandschub-

spannung

Scherverdünnung;

Laminare Strömung

12

1

𝜗 = 22 ± 2 °C

1


Widerstandsmindernde Tenside in der Rohrströmung


Wirkung

Erhöhte Wandschub-

spannung

Scherverdünnung;

Laminare Strömung

13

1

𝜗 = 22 ± 2 °C

1

3

3

Verringerung

von λ um bis zu

70 %

2

2


Steigerung der Konzentration


Wirkung

Scherverdünnung;

Laminare Strömung

Erhöhte Wandschub-

spannung

14


Reduktion des Durchmessers

Bereich

widerstandsmindernder

Wirkung

Scherverdünnung;

Laminare Strömung

Erhöhte Wandschub-

spannung

15

Weitere Einflussgrößen:

• Einzeldruckverluste1

• Additivzusammensetzung2

• Synergie mit Polymeren3

• Scherverdünnung4

• Temperatur

• Wasserqualität

• Langzeitstabilität

1(Brandt et al. 2017)

2(Kazemi 2016)

3(Akdemir 2017)

4(Tawackolian et al. 2017)


Potential des

Einsatzes von

Additiven

Reduktion

Druckverlust

Steigerung

Volumenstrom

Reduktion

hydraulischer

Durchmesser

Anwendungspotential

16

• Steigerung des

Wärmekapazitätsstroms

• Reduktion von

Materialkosten und

Platzbedarf

• Einsparung Pumpleistung


Additive

Form-

optimierungPo

ten

tial

Realisierbarkeit

Strukturierung

/ Riblets

Zusammenfassung

+/- 0 % durch Beschichtung und Strukturierung (Riblets)

Herausforderung: kleine Nennweiten → 𝜆 ∝ 𝐷ℎ5

> 40 % durch Tenside, Polymere und Fasern

Herausforderung: Wirkung spezifisch → 𝑓(𝑅𝑒)

5─6 % durch

Krümmer,

Raumkrümmer,

T-Stück

17

Beispielhaftes Einsparpotential für ein Einfamilienhaus

FRAGEN?


TU Berlin

Daniel Brandt

[email protected]

www.hri.tu-berlin.de

mailto:[email protected]

http://www.hri.tu-berlin.de/


Literatur

Akdemir, M 2017: Widerstandsminderung mit Polymerlösungen in Wärme- und Kältenetzen, Diplomarbeit

Barthel, C et al. 2006: Energy and Pumps – Technology Procurement for very Energy Efficient Circulation Pumps, Wuppertal Institute for Climate,

Environment, Energy, Wuppertal

Brandt D. et al. 2017: Applicability of Drag Reducing Agents in Domestic Heating Systems. European Drag Reduction and Flow Control Meeting 2017,

Frascati (Rom), 03.-06.04.2017

Kazemi, M 2016: Bionische Verteilernetze: Druckverlustmessungen an einem bionischen Wasserkreislauf, Diplomarbeit

Richter, N 2017: Experimentelle Charakterisierung und Vergleich bionisch optimierter T-Stücke zur Stromtrennung, Masterarbeit

Sagheby, SH et al. 2014: Bio-Net: Bionik in thermischen Verteilnetzen, DKV (Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein), Nov. 2014, ISBN: 978-3-

932715-50-1

Tawackolian, K; Kriegel, M: Design improvements of a tee split for heating systems. STAR Global Conference 2016, Prague, Czech Republic

Tawackolian, K et al. 2016: Development and tests of bionic fittings for heating nets. Clima 2016 conference, Aalborg, Denmark

Tawackolian K et. al. 2017: Additives Shear-Thinning and Turbulence Damping Influence on the Fitting Loss Coefficient of Bends. European Drag

Reduction and Flow Control Meeting 2017, Frascati (Rom), 03.-06.04.2017

Quellenangaben


Bildquellen

Quellenangaben

Bechert Bechert, D et al. 1997: Biological surfaces and their technological application - Laboratory and flight experiments on drag reduction and

separation control. AIAA Fluid Dynamics Conf. USA

BDH Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie, Effiziente Systeme und erneuerbare Energien 2015, http://www.bdh-

koeln.de/fileadmin/user_upload/Publikationen/Effiziente%20Systeme%20und%20erneuerbare%20Energien%202015.pdf (16.03.2018)

Chen Chen, H et al. 2014: Investigation on large-area fabrication of vivid shark skin with superior surface functions, Applied Surface Science 316, 124–

131

Rechenberg Rechenberg, I 2000: Biologische Evolution auf dem experimentellen Prüfstand, Vorlesung Bionik 1, TU Berlin

Wiki Wikimedia Commons, the free media repository, "File:Barracuda laban.jpg,",

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Barracuda_laban.jpg&oldid=269831320 (16.03.2018)

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