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
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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
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• 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)
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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
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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?
Hermann-Rietschel-Institut
TU Berlin
Form-
optimierung
Fittings
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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)
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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?
Hermann-Rietschel-Institut
TU Berlin
Additive
Trägermedium
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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
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Widerstandsmindernde Tenside in der Rohrströmung
Bereich widerstandsmindernder
Wirkung
Erhöhte Wandschub-
spannung
Scherverdünnung;
Laminare Strömung
12
1
𝜗 = 22 ± 2 °C
1
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Widerstandsmindernde Tenside in der Rohrströmung
Bereich widerstandsmindernder
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
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Steigerung der Konzentration
Bereich widerstandsmindernder
Wirkung
Scherverdünnung;
Laminare Strömung
Erhöhte Wandschub-
spannung
14
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Reduktion des Durchmessers
Bereich
widerstandsmindernder
Wirkung
Scherverdünnung;
Laminare Strömung
Erhöhte Wandschub-
spannung
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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)
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Potential des
Einsatzes von
Additiven
Reduktion
Druckverlust
Steigerung
Volumenstrom
Reduktion
hydraulischer
Durchmesser
Anwendungspotential
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• Steigerung des
Wärmekapazitätsstroms
• Reduktion von
Materialkosten und
Platzbedarf
• Einsparung Pumpleistung
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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
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Beispielhaftes Einsparpotential für ein Einfamilienhaus
FRAGEN?
Hermann-Rietschel-Institut
TU Berlin
Daniel Brandt
www.hri.tu-berlin.de
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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
TGA-Kongress 2018 | 22.3.2018 | Daniel Brandt | BioNet
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)