Studien- und Abschlussarbeiten

Kurzbeschreibung

Die Vielseitigkeit von Schüttungen in der Energie- und Prozessindustrie ist nahezu unbegrenzt. Ihr bemerkenswertes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen macht sie für unzählige Anwendungen unentbehrlich, sei es als Abscheider oder als chemische Reaktoren in verschiedenen Ausführungen. Gleichzeitig spielen Schüttungen eine zentrale Rolle bei thermodynamischen Prozessen wie der Kühlung von Zementklinker oder bei Trocknungsprozessen, zum Beispiel in der Erdgasspeicherung.

Die Größenverteilung reicht von Pulverbetten mit staubgroßen Partikeln bis hin zu Kiesbetten mit ausgeprägten Randeffekten und umfasst ein breites Spektrum. Dabei haben die Anordnung sowie die Partikelgrößen sehr große Einflüsse auf das Strömungsverhalten. Um diese Durchströmung visualisieren zu können und den Forschungsbereich der Wärmeübertragung präsentieren zu können, soll ein Apparat entwickelt werden. Dieser Apparat soll die Durchströmung von diversen Schüttungen unter Zuhilfenahme einer Nebelmaschine darstellen.

Ziel dieser Arbeit ist es diesen Demonstrator zu entwickeln, auszuarbeiten, zu konstruieren und in Betrieb zu nehmen.

Aufgabenstellung

• Ausführliche Literatur-Recherche zur Durchströmung von Schüttungen
• Aufstellen einer genauen Anforderungsliste an den Demonstrator
• Entwicklung und Konstruktion des Demonstrators
• Inbetriebnahme und ggf. Optimierung
• Ausführliche Dokumentation und Darstellung der Arbeit
• Präsentation der Ergebnisse im Rahmen eines Vortrages

Ihr Profil

• Student*in des Maschinenbaus, der Energietechnik oder ähnlicher Studiengänge
• Selbständige, gewissenhafte und strukturierte Arbeitsweise
• Handwerkliche Fähigkeiten hilfreich

Kurzbeschreibung

Abfallverbrennungskraftwerke spielen auch in Zukunft eine wichtige Rolle, da Abfälle kontinuierlich anfallen und diese zur Sicherheit von Mensch und Umwelt thermisch verwertet werden müssen. Die entstehende Energie kann anschließend für Industrieprozesse, für Fernwärme oder Stromernzeugung genutzt werden. Bei der Verbrennung entsteht Rauchgas, das gereinigt wird und anschließend in die Umgebung abgegeben wird. Im Zuge des Ziels zur Reduktion von CO2 Ausstößen und als Beitrag zur Kreislaufwirtschaft soll die Abscheidung von CO2 auch in Abfallverbrennungskraftwerken implementiert werden. Im Rahmen des Projektes DrACO2 wird am IKW die Rauchgasreinigung von Abfallverbrennungskraftwerken in Kombination mit CO2-Abscheidungsverfahren  untersucht. Dafür werden Modelle mit der Prozesssimulationssoftware Aspen erstellt.
In dieser Arbeit soll die trockene Rauchgasreinigung einer Modellanlage modelliert werden und mithilfe von Messergebnissen validiert werden.

Aufgabenstellung

• Einarbeitung in Rauchgasreinigung von Abfallverbrennungskraftwerken
• Einarbeitung in Simulationssoftware Aspen Plus
• Modellierung der Komponenten der Rauchgasreinigung einer Modellanlage
• Validierung durch Messdaten
• Ausführliche Dokumentation und Darstellung der Arbeit im Rahmen einer schriftlichen Ausarbeitung
• Präsentation der Ergebnisse im Rahmen eines Vortrages

Ihr Profil

• Student*in des Maschinenbaus, der Energietechnik oder ähnlicher Studiengänge
• Selbständige, gewissenhafte und strukturierte Arbeitsweise
• Kenntnisse der Wärmeübertragung, Thermodynamik und Strömungsmechanik
• Idealerweise Kentnisse in Gemischthermodynamik

Kurzbeschreibung

Die effiziente Gestaltung von Reaktoren ist entscheidend für viele industrielle Prozesse, insbesondere in der chemischen und verfahrenstechnischen Industrie. Ein zentrales Ziel ist die Verbesserung der Wärmeübertragung innerhalb des Reaktors, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten und die Reaktorleistung zu optimieren. In dieser Arbeit soll die Strömung und Wärmeübertragung in einem zylindrischen Reaktor untersucht werden, der mit Einbauten ausgestattet ist, um die Strömung gezielt abzulenken. Diese Ablenkung soll die Randströmung minimieren und die Wärmeübertragung verbessern. Die Simulationen sollen mithilfe der Open-Source-Software OpenFOAM durchgeführt werden. Ziel ist es, die Strömungs- und Wärmeübertragungsdynamik zu analysieren und Optimierungsstrategien zu entwickeln.

Aufgabenstellung

• Erlernen der Grundlagen der OpenFOAM-Simulation, einschließlich der Einrichtung und Durchführung von Strömungssimulationen
• Untersuchung bestehender Studien und Methoden zur Strömungssimulation in Reaktoren und Schüttungen
• Entwicklung eines geeigneten Simulationsmodells für einen zylindrischen Reaktor, gefüllt mit einer Schüttung
• Durchführung von Strömungssimulationen zur Untersuchung der Strömungsprofile und Identifikation von Randströmungen
• Erste qualitative und quantitative Analyse der Strömungsergebnisse, Fokus auf die Identifikation von Randströmungen
• Erstellung einer umfassenden Dokumentation der Studienarbeit, einschließlich der Ergebnisse und einer abschließenden Bewertung

Ihr Profil

• Sie studieren Maschinenbau oder Energietechnik oder einen vergleichbaren Studiengang
• Sie verfügen über ein gutes Verständnis für Thermodynamik, Strömungsmechanik und Wärmeübertragung
• Sie besitzen Grundkenntnisse in der Programmierung
• Vorkenntnisse in OpenFOAM sind wünschenswert aber keine Voraussetzung

Kurzbeschreibung

Die effiziente Gestaltung von Reaktoren ist entscheidend für viele industrielle Prozesse, insbesondere in der chemischen und verfahrenstechnischen Industrie. Ein zentrales Ziel ist die Verbesserung der Wärmeübertragung innerhalb des Reaktors, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten und die Reaktorleistung zu optimieren. In dieser Arbeit soll die Strömung und Wärmeübertragung in einem zylindrischen Reaktor untersucht werden, der mit strömungsablenkenden Einbauten ausgestattet ist. Diese Umlenkung soll die Randströmung minimieren und die Wärmeübertragung verbessern. Die Simulationen werden mithilfe der Open-Source-Software OpenFOAM durchgeführt. Ziel ist es, die Strömungs- und Wärmeübertragungsdynamik zu analysieren und Optimierungsstrategien zu entwickeln.

Aufgabenstellung

• Erlernen der Grundlagen der OpenFOAM-Simulation, einschließlich der Einrichtung und Durchführung von Strömungssimulationen
• Untersuchung bestehender Studien und Methoden zur Strömungs- und Wärmeübertragungssimulation in Reaktoren und Schüttungen
• Entwicklung eines geeigneten Simulationsmodells für einen zylindrischen Reaktor, gefüllt mit einer Schüttung. Anpassung des Simulationsmodells zur Integration von Wärmeübertragungsaspekten
• Durchführung von Strömungs- und Wärmeübertragungssimulationen unter Berücksichtigung von Strömungsprofilen und Randströmungen
• Ausführliche Dokumentation und Darstellung der Arbeit

Ihr Profil

• Sie studieren Maschinenbau oder Energietechnik oder einen vergleichbaren Studiengang
• Sie verfügen über ein gutes Verständnis für Thermodynamik, Strömungsmechanik und Wärmeübertragung
• Sie besitzen Grundkenntnisse in der Programmierung
• Vorkenntnisse in OpenFOAM sind wünschenswert aber keine Voraussetzung

Kurzbeschreibung

In der thermodynamischen Analyse von Schüttungen kann die Berücksichtigung von Wärmestrahlung aufgrund geringer Temperaturunterschiede zwischen Fluid und Schüttungsmedium häufig vernachlässigt werden. Mit steigender Temperaturdifferenz gewinnt jedoch die über Strahlung abgegebene Energie der Schüttungspartikel an Relevanz, was eine Modellierung erforderlich macht. Zur Bestimmung des Strahlungsaustauschs innerhalb eines thermischen Speichers müssen die Sichtfaktoren des Schüttungsaufbaus ermittelt werden.

In dieser Arbeit soll ein Programm in Python oder Matlab entwickelt werden, welches Sichtfaktoren zwischen Partikeln in Schüttungen bestimmen kann. Der Fokus liegt zunächst auf einfachen Kugelanordnungen, und im weiteren Verlauf der Arbeit wird schrittweise eine Annäherung an eine realistische Schüttungsanordnung erfolgen. Durch die Untersuchung verschiedener Betriebspunkte sollen abschließend Aussagen über das Strahlungsverhalten innerhalb eines thermischen Energiespeichers getroffen werden.

Aufgabenstellung

• Ausführliche Literaturrecherche zu Schüttungsanordnungen und Wärmestrahlung in thermischen Energiespeichern auf Basis von Schüttungen
• Entwicklung eines Programms in Python oder Matlab zur Sichtfaktorbestimmung verschiedener Kugelanordnungen
• Simulation verschiedener Betriebspunkte mithilfe des entwickelten Programms
• Ausführliche Dokumentation und Darstellung der Arbeit

Ihr Profil

• Sie studieren Maschinenbau oder Energietechnik
• Sie verfügen über ein gutes Verständnis für Thermodynamik und Wärmeübertragung
• Sie besitzen Grundkenntnisse in der Programmierung
• Vorkenntnisse in Python oder MATLAB sind wünschenswert aber keine Voraussetzung

Kurzbeschreibung

In der numerischen Strömungsmechanik (auch CFD; Computational Fluid Dynamics) ist die Erzeugung eines Rechennetzes ein entscheidender Prozessschritt. In Abhängigkeit seiner Güte fallen die Simulationsergebnisse aus, weswegen mit größter Sorgfalt und Voraussicht vorgegangen werden muss. Mit steigender Komplexität der zu vernetzenden Geometrien steigt der Aufwand erheblich. Aus diesem Grund bietet es sich an, repetitive Aufgaben mithilfe von Programmen zu teilautomatisieren.

In dieser Arbeit soll ein in Python entwickeltes Programm entstehen, welches die CAD-Umgebung Salome steuert. Mithilfe von Salome können sog. stl-Dateien erzeugt werden, welche als Grundlage der späteren Rechennetzerstellung dienen. Das entwickelte Programm soll verschiedene, vom Benutzer definierte Parameter einlesen und berücksichtigen können. Über die Einbindung von YadeDEM soll zusätzlich die Möglichkeit bestehen, zufällige Schüttungsanordnungen zu erzeugen.

Aufgabenstellung

• Ausführliche Literaturrecherche zu Schüttungsanordnungen und -geometrien
• Entwicklung eines Python-Programms zur parametergesteuerten stl-Generierung mithilfe von Salome
• Einbindung von YadeDEM zur Erzeugung zufälliger Schüttungsanordnungen
• Validierung des entstandenen Programms mittels Erzeugung von Einheitszellen und zufälligen Schüttungen
• Ausführliche Dokumentation und Darstellung der Arbeit

Ihr Profil

• Sie studieren Maschinenbau oder Energietechnik
• Sie verfügen über ein gutes Verständnis für Thermodynamik und Wärmeübertragung
• Sie besitzen Grundkenntnisse in der Programmierung
• Vorkenntnisse in Salome sind wünschenswert aber keine Voraussetzung

Kurzbeschreibung

In der thermodynamischen Analyse von Schüttungen kann die Berücksichtigung von Wärmestrahlung aufgrund geringer Temperaturunterschiede zwischen Fluid und Schüttungsmedium häufig vernachlässigt werden. Mit steigender Temperaturdifferenz gewinnt jedoch die über Strahlung abgegebene Energie der Schüttungspartikel an Relevanz, was eine Modellierung erforderlich macht.

In dieser Arbeit soll die Wärmestrahlung in Schüttungen mithilfe von OpenFOAM modelliert werden. Der Fokus liegt zunächst auf einfachen Kugelanordnungen. Im weiteren Verlauf der Arbeit soll anschließend schrittweise eine Annäherung an eine realistische Schüttungsanordnung erfolgen. Durch die Untersuchung verschiedener Betriebspunkte sollen abschließend Aussagen über das Strahlungsverhalten innerhalb eines thermischen Energiespeichers getroffen werden.

Aufgabenstellung

• Ausführliche Literaturrecherche zu Schüttungsanordnungen und Wärmestrahlung in thermischen Energiespeichern auf Basis von Schüttungen
• Analyse des Strahlungsaustauschs verschiedener Kugelanordnungen mithilfe von OpenFOAM
• Ausführliche Dokumentation und Darstellung der Arbeit

Ihr Profil

• Sie studieren Maschinenbau oder Energietechnik
• Sie verfügen über ein gutes Verständnis für Thermodynamik und Wärmeübertragung
• Sie besitzen Grundkenntnisse in der Modellierung mittels CFD
• Vorkenntnisse in OpenFOAM sind wünschenswert aber keine Voraussetzung