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Erneuerbare und umweltfreundliche Materialien und Arbeitsstoffe nehmen in vielen Bereichen an Bedeutung zu. Neben der Verwendung von natürlichen Kältemittel ist die Suche nach ressourcenschonenden umweltfreundlichen Schmierstoffen mit gleichwertigen oder besseren Eigenschaften unabdingbar. Ein möglicher Ersatzstoff sind natürliche Schmierstoffe, die eine gute Biokompatibilität mit gleichzeitig guten Schmiereigenschaften aufweisen. Innerhalb der hier ausgeschriebenen Arbeit soll ein erster Schritt bezüglich der Abschätzung der Einsatzmöglichkeiten durch die Vermessung von typischen kältemittel-Schmierstoff-Eigenschaften erfolgen. Die Bearbeitung umfasst die folgenden Punkte:

• Einarbeitung in die Thematik – speziell: Schmierstoffe, Additive, Wechselwirkungen zwischen Kältemittel und Schmierstoff
• Untersuchungen von Kenngrößen – z.B. Dampfdruck, Mischbarkeit - von verschiedenen Schmierstoff-Kältemittel-Kombinationen
• Auswertung und Aufbereitung der Daten und vergleich mit herkömmlichen Schmierstoffen
• Einordnung des Potentials der neuen Schmierstoffe am aktuellen Markt
• Ausführliche Dokumentation und Präsentation der Ergebnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel, Dipl.-Ing. M. Joswig

Binäre Stoffgemische lassen sich als dreidimensionaler Plot darstellen. Ziel der Arbeit ist es, ein kleines Programm in Python zu entwickelt, dass eine interaktive Visualisierung binärer Kältemittelgemisch aus Basis der Coolprop-Schnittstelle erlaubt.

Betreuer: Dipl.-Ing. B. Bederna

Die Bestimmung der Gemischzusammensetzung in Kreisprozessen ist eine herausfordernde Angelegenheit, im besonderen Maße, wenn das Gemisch an den zu untersuchenden Stellen zweiphasig vorliegt. Um dennoch an diesen Stellen eine repräsentative Probe zu entnehmen, soll ein Trommel- oder Schieberventil entwickelt werden, mit dessen Hilfe ein dezidiertes Volumen aus einem Rohrstück entnommen werden kann.

Betreuer: Dipl.-Ing. B. Bederna

Die Schaumbildung in Kompressoren führt immer wieder zu einem Schadensfall. Um dies zu verhindern muss die Schaumbildung in Kältemittel-Schmierstoff-Gemische besser untersucht und die Wirkung von Schaumhemmen Möglichkeiten besser verstanden werden.

Innerhalb einer experimentellen Arbeit sollen verschiedene Kältemittel-Schmierstoff-Schäume vermessen werden und insbesondere auf Temperaturabhängigkeiten und den Einfluss von Schauminhibitoren getestet werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Die Wärmeleitfähigkeit von Stoffen gehört zu den charakteristischen Größen und ist auch von Stoffgemischen wie Schmierstoff-Kältemittel-gemischen von großen Interesse. Innerhalb dieser Arbeit soll eine bestehende Anlage – funktionierend auf der Basis einer Wheat-Stone-Brücken Schaltung – so verändert werden, dass eine automatisierte Messung erfolgen kann.

Im Zuge dessen ist eine Einarbeitung in die Thematik, die Planung und der Umbau der Messapparatur und das Programmieren des Mess- und Steuerprogramms vorgesehen.

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Die Optimierung von Kompressionskälteanlagen mittels Anpassung der eingesetzten Arbeits- und Schmierstoffe steht im aktuellen technologischen und ökologischen Fokus. Zur Optimierungen werden die thermophysikalischen Stoffeigenschaften aller beteiligten Fluide benötigt. Jedoch ist insbesondere die Datenlage in Bezug auf die Schmierstoffe gering. Ziel dieser Arbeit ist es eine Literaturrecherche bezüglich der Stoffdaten von einem gewählten Kältemittel in Kombination mit verschiedenen durchzuführen. Im zuge dessen die Extraktion der Daten, die Plausibilitätsüberprüfung und die Ergänzung der Datenbank.

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Im Rahmen dieser Aufgaben sollen Isobaren des Zweiphasengebiet von zeotropen Gemischen vermessen werden, welche einen hochgradig nichtlinearen Temperaturverlauf besitzen. Diese exotischen Gemische sind bisher von geringer Bedeutung gewesen, können aber in einigen Anwendungsfällen neuartige WÜ-Konzepte ermöglichen.

Betreuer: Dipl.-Ing. B. Bederna

Neben den aus Daniel-Plots verfügbaren Daten für Öl-Kältemittel-Gemischen sind andere Eigenschaften zur Entwicklung von Zustandsgleichungen entscheidend. Insbesondere kalorische Zustandsgrößen wie die spezifische Wärmekapazität sind hierbei in der Literatur nur unzureichend vermessen und verfügbar. Es wurde daher an der Professur ein eigener Versuchstand konzipiert und aufgebaut, um bei unterschiedlichen thermischen Bedingungen die Wärmekapazität zu vermessen.

Ziel der Arbeit besteht darin, für unterschiedliche handelsübliche Öle und Kältemittel die spezifische Wärmekapazität zu vermessen, und eine Analyse möglicher Fehler und Einflussquellen darzustellen.

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Die Eigenschaften von Schmierölen werden durch die Wahl eines Grundöles und der gezielten Zugabe von Zusatzstoffen, allg. Additive, eingestellt. Die Wahl der Additive wird hierbei derart vorgenommen, dass durch einen minimalen Einsatz dieser Stoffe eine möglichst große Wirksamkeit erreicht wird. Die verwendeten Additive und Grundöle ändern sich hierbei in Folge steigender technologischer Anforderungen.

Ziel dieser Arbeit ist es, mithilfe von Literaturdaten und eigenen Messungen die Wirksamkeit bestimmter Additive und Grundöle auf die Eigenschaften des fertigen Schmierstoffes zu untersuchen. Es soll eine Datenbasis geschaffen werden, welche erste Überschlagsberechnungen des Einflusses ermöglichen.

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Im Tieftemperaturlabor der Professur wurde erfolgreich eine Turbopumpe für Flüssighelium in Betrieb genommen. Diese wird genutzt, um eine beschleunigte und effizientere Abfüllung von mobilen Dewarkannen zu ermöglichen.

In der studentischen Arbeit soll ein CFD-Modell des bestehenden Designs aus Lauf- und Leitrad erstellt werden. Anschließend sollen die Ergebnisse (Kennlinie, Kavitationsneigung) mit experimentellen Daten validiert werden. Darauf aufbauend soll die strömungsführende Geometrie optimiert und numerisch validiert werden.

Zur Bearbeitung der Aufgabe sind erweiterte Kenntnisse im Bereich Turbomaschinen erforderlich. Kenntnisse im Bereich der numerischen Strömungssimulation sind von Vorteil.

Betreuer: Dipl.-Ing. J. Doll

In der Arbeitsgruppe Kryotechnik werden derzeit Kreiselpumpen für den Flüssighelium- und Flüssigwasserstofftransfer entwickelt. Um die betriebsbedingte Erosion der Bauteile zu verhindern, muss unter anderem die Kavitationsneigung der Prototypen in Form der erforderlichen Haltedruckhöhe (NPSHR-Wert) in der Auslegung berücksichtigt werden. Die Quantifizierung der Kavitationsneigung ist dabei mit Hürden verbunden, da häufig gelöste Gase als Kavitationskeime in der tiefkalten Flüssigkeit fehlen. Vorhandene Modelle für Wasser als Fördermedium sind somit nicht einfach anwendbar.

Im Zuge der Belegarbeit sollen die auftretenden Kavitationsmechanismen anhand von Praxisbeispielen identifiziert werden. Weiterhin sollen Ansätze zur Quantifizierung des NPSHR-Werts entwickelt werden.

Mögliche Untersuchungspunkte:

• Literaturrecherche zu Kavitationsmechanismen in kryogenen Flüssigkeiten
• Recherche und Analyse von Praxisbeispielen (Ausführung Inducer oder Saugläuferstufe)
• Identifikation von Maßnahmen zur Minderung der Kavitation bei bestehender Entwicklung

Betreuer: Dipl.-Ing. J. Doll

The work is embedded into the ZEROe program of Airbus Hamburg. A simulation basis shall be worked out for future airplane technologies based on liquid hydrogen as energy carrier. The following task shall be performed:

• Set up a 1D equipped tank system model using different Dymola Modelica libraries according to provided system schematics and/or component specifications
• Analyze the results obtained at the system boundary
• Compare the results and computational performance with the identical model, set up in Amesim Simcenter by the Airbus team
• Evaluate the usage of the Modelica editor while running the established Modelica model directly in Amesim Simcenter

 Desired skills and qualifications

• Enrolled full-time student (d/f/m) in the area of Aerospace Engineering, Cryogenics or an equivalent field of study.
• First practical experience with Dymola Modelica and Amesim Simcenter is desirable.
• Knowledge within thermodynamics and fluid dynamics is a plus.
• Fluent in English, knowledge in German is a plus.

Location: Hamburg
Start: 01.07.2023
Duration: 6 months (or according to university rules)

Die Durchführung der Arbeit erfolgt im Wesentlichen bei Airbus Hamburg. Es wird eine angemessene Aufwandsentschädigung bezahlt. Die Aufgabe kann als Diplom- oder Masterarbeit, ggf. auch im Rahmen eines Forschungs- oder Fachpraktikums bearbeitet werden. Alle vor Ort erstellten Dokumente und Programmcodes sind in Englisch zu verfassen.

Betreuer: Prof. Ch. Haberstroh

Im Rahmen der Energiewende wird flüssiger Wasserstoff (LH₂) als Energieträger für diverse Mobilitätsanwendungen in Betracht gezogen. Bei der Speicherung des gesättigten Fluids bei -253 °C sind Wärmeeinträge unvermeidbar. Daraus resultiert eine stete Verdampfung des Wasserstoffs, welche eine Druckerhöhung im Tank zufolge hat. Es ist damit zu erwarten, dass Wasserstoff aus dem Tank abgeblasen werden muss. Derzeitiger Standard ist das Abblasen des Boil-Off-Gases über Dach oder die Oxidation des Wasserstoffs an einem Katalysator. Ziel der Arbeit ist eine umfassende Betrachtung weiterer Optionen zur energetischen oder stofflichen Nutzung des Boil-Off-Gases.

Schwerpunkte der Arbeit:

• Einarbeitung in die Problemstellung (LH₂, Boil-Off, etc.)
• Einordnung und Potentialanalyse zur stofflichen und energetischen Umsetzung von Wasserstoff
• Recherche zu technischen Lösungsansätzen
• Quantitativer Vergleich und Bewertung der erarbeiteten Optionen
• Detaillierte Ausarbeitung der Vorzugsvariante an gegebenen Randbedingungen
• Dokumentation und grafische Aufbereitung der Ergebnisse.

Die Aufgabenstellung kann bei Bedarf im Laufe der Arbeit modifiziert werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. H. Bischoff

Aufgrund der zunehmenden Nutzung von Wasserstoff als Energieträger müssen verlustreduzierte Transportsysteme entwickelt werden. Für den Langstreckentransport bietet sich flüssiger Wasserstoff (LH2) aufgrund seiner vergleichsweise hohen Energiedichte an. Aufbauend auf einer am Lehrstuhl entwickelten Turbopumpe für Flüssighelium soll eine Turbopumpe für das Umfüllen von LH2 entwickelt werden, welche Umfüllvorgänge beschleunigt und das Potential bietet, Transferverluste zu reduzieren.

Ziel der Arbeit ist es, eine mehrstufige Turbopumpe mit gegebenen Förderparametern auszulegen und zu konstruieren. Über die hydraulische Berechnung sind die Lauf- und Leitradgeometrien zu bestimmen. Besonderes Augenmerk soll auf einem modularen Aufbau der Pumpe, sowie einer Berechnung erwarteter Lagerkräfte und Wirkungsgrade liegen.

Im Einzelnen sind folgende Punkte zu erarbeiten:

• Einarbeitung in den Stand der Technik
• Hydraulische Auslegung der Strömungsgeometrie
• Bestimmung der hydraulischen Kräfte
• Konstruktion einer mehrstufigen Turbopumpe
• Erstellung eines Zeichnungssatzes
• Dokumentation der Auslegung und Konstruktion

Die Aufgabenstellung kann bei Bedarf im Laufe der Arbeit modifiziert werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. H. Bischoff

Im Rahmen des Projekts „Magnetisch rauscharme LHe Kaltkopf-Kryostatierungen (Lowise)“ soll am ILK Dresden intensiv an der Entwicklung nicht-metallischer magnetisch sehr rauscharmer Heliumkryostate für hochempfindliche Messungen geforscht werden.

Für die Kühlung der vorgesehenen kalten SQUID-Gradiometer (engl. Superconducting Quantum Interference Device) werden spezielle Anforderungen am Kryostaten umgesetzt. Ein wichtiger Punkt dabei ist, dass dafür ein magnetisches Rauschen in der Größenordnung von 1 bis 3 ft/√Hz angestrebt wird, was durch einen speziellen Aufbau aus glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) erreicht werden soll. Der Kryostat soll als geschlossener Kühlkreislauf unter Nutzung eines Kryokühlers ausgelegt werden, so dass mit einer einzigen Befüllung eine uneingeschränkte Messzeit ermöglicht werden soll. Weiterhin sollen für diese Kryostaten Möglichkeiten erarbeitet werden, dass diese auch lageunabhängig betrieben werden können.

Mögliche Arbeitsinhalte:

• Erarbeitung von Materialdatensätzen von anisotropen Materialien in Ansys Composite PrepPost (ACP) zur Verwendung in numerischen Analysen.
• Experimentelle Untersuchung des Permeationsverhalten von unterschiedlich beschichteten GFK-Materialien mit Ergebnisauswertung.
• Konstruktive Überarbeitung des inneren Aufbaus eines bestehenden Kryostatsystems auf Basis vorhandener / optimierter Geometrievorschläge.
• Halter-Konstruktion für die einzusetzenden SQUID-Sensoren zur Abdeckung aller drei Raumrichtungen.
• Numerische und / oder analytische Analysen der Designvarianten hinsichtlich ihrem statisch mechanischen, dynamischen und thermischen Verhalten.
• Fertigungsgerechte Konstruktion der Designvorzugsvariante mit 2D-Zeichnungsableitung.
• Experimentelle Untersuchungen an dem aufgebauten Kryostatsystem hinsichtlich Leckage, Verflüssigungsleistung und magnetischer Rauscharmut.

Die Durchführung der Arbeit und die Hauptbetreuung erfolgt am ILK Dresden, Bertolt-Brecht-Allee 20, 01309 Dresden

Das Thema kann als Diplomarbeit, ggf. alternativ als Forschungs- oder Fachpraktikum durchgeführt werden.

Kontakt:

M.Eng. Gregor Trommler, ILK Dresden, Tel.: 0351 / 4081-5132,

Betreuer: Prof. Ch. Haberstroh

Bei CGH2-Tankstellen wird mit Tankdrücken von 350 bar bzw. 700 bar gearbeitet. Um die zulässige Zieltank-Temperatur nicht zu überschreiten, wird der zu transferierende Hochdruck-Wasserstoff tankstellenseitig auf typ. -40 °C vorgekühlt. Die hierfür nötigen Kälteaggregate (auf Basis üblicher Kaltdampf-Drosselprozesse) haben eine schlechte Effizienz, großes Bauvolumen und sind mit immensen Investitionskosten verbunden. Aus dem Bereich der Kryotechnik sind hingegen hocheffiziente Kältekreisläufe auf Basis arbeitsleistender Expansion bekannt.

In der vorliegenden Arbeit sollen Grundlagen ausgearbeitet werden, um solche Expander-Kreisläufe auch für den o.g. Anwendungsfall verfügbar zu machen. Es sind geeignete Anlagenkonzepte zu konzipieren, geeignete Kältemittel zu identifizieren, existierende Expander (Turbo- und Kolbenmaschinen) zu prüfen, geeignete Aggregate auszulegen und ggf. mit potentiellen Herstellern von Expandern mögliche Optionen und noch nötiger Entwicklungsbedarf abzuklären.

Die Arbeit wird in enger Kooperation mit der F&E-Abteilung der Linde Hydrogen FuelTech GmbH durchgeführt. Es ist vorgesehen, dass ein großer Teil der Bearbeitung des Themas bei der Linde Hydrogen FuelTech GmbH in München durchgeführt wird (Unkostenerstattung ist gewährleistet).

Das Thema kann als Diplomarbeit, ggf. alternativ als Forschungs- oder Fachpraktikum durchgeführt werden.

Ansprechpersonen:

Dr. J. Vidic, Linde Hydrogen FuelTech GmbH (Standort Wien);

Betreuer: Prof. Ch. Haberstroh

Die Zerlegung von Luft ist ein wichtiger Prozess mit zahlreichen Anwendungen und für viele Gase das ökonomisch einzig in Frage kommende Verfahren zu deren Reinigung und/​oder Anreicherung. Oftmals fungiert dabei Sauerstoff als Leitprodukt, welches in unterschiedlichen industriellen Prozessen und Einzelanwendungen benötigt wird.

Als Besonderheit ist Sauerstoff – im Gegensatz zu fast allen anderen Gasen – leicht paramagnetisch. Dies erlaubt es, ein auf einem starken magnetischen Gradientenfeld basierendes Anreicherungsverfahren zu realisieren, welches in der vorliegenden Arbeit näher untersucht werden soll. Dabei sind folgende Tätigkeiten durchzuführen: Zusammenstellung der theoretischen Grundlagen, Realisierung von Experimenten, Analyse der Resultate, Identifikation und Erklärung von Parameterzusammenhängen sowie Vorschlag von Optimierungsmöglichkeiten.

Das Thema kann als Diplomarbeit, ggf. alternativ als Forschungs- oder Fachpraktikum durchgeführt werden.

Die Durchführung und Hauptbetreuung erfolgen am ILK Dresden.

Ansprechpersonen:

Dr. Erik Neuber, Hauptbereich Kryotechnik und Tieftemperaturphysik, ILK Dresden

Betreuer: Prof. Ch. Haberstroh

Am IFW Dresden soll ein neuartiges supraleitendes Lager entwickelt werden, umfassend eine supraleitende Statorspule sowie eine supraleitende Rotorspule. Das supraleitende Material muss hierbei auf Temperaturen kleiner als 93 K gehalten werden. Gestaltung und Simulationsmodell sind auszuarbeiten, der Aufbau eines Funktions-Prototyps ist geplant. Dieser ist anschließend hinsichtlich seiner magnetischen und mechanischen Eigenschaften zu charakterisieren.

Teilarbeiten hierzu – insbesondere zur Realisierung der benötigten kryogenen Kühlung – werden als studentische Arbeiten vergeben. Die Durchführung kann im Rahmen eines Fachpraktikums, eines Forschungspraktikums, einer Diplomarbeit, ggf. auch im Rahmen einer Anstellung als Student. Hilfskraft erfolgen.

Ansprechpartner: Prof. Ch. Haberstroh

Die Kryopumpe ist eine gasbindende Vakuumpumpe. Das Pumpprinzip besteht darin, dass gasförmige Substanzen durch Kryokondensation bzw. durch Kryosorption oder Kryotrapping an Kaltflächen im Inneren der Pumpe gebunden werden. Für die Erzeugung von Hoch- und Ultrahoch-Vakuum müssen die Kaltflächen auf hinreichend tiefe Temperaturen abgekühlt werden. Der hochglanzverspiegelte Strahlungsschild und das Baffle sind derzeit aus ETP-Kupfer hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt, damit die Kälteleistung des Refrigerators optimal in Pumpleistung umgesetzt wird. Mit der ersten Stufe des Kaltkopfes werden Strahlungsschild und Baffle auf ca. 45 - 80 K gekühlt. Mit der zweiten Stufe des Kaltkopfes werden die Pumpflächen auf 10 – 20 K gehalten. Im Rahmen der Diplom-/Studienarbeit ist ein Konzept für eine bestmögliche Tieftemperatur-Wärmeleitverbindung bei gleichzeitig minimalem Kostenaufwand zu erstellen. Hierbei ist ebenso der Gewichtsfaktor in Verbindung mit der mechanische Belastbarkeit und der benötigten Wärmekapazität zu berücksichtigen. Die Bearbeitung soll in Kooperation mit Leybold Dresden, Standort Wetterwarte, erfolgen.

Ansprechpartner: Prof. Ch. Haberstroh

Der Ausblick auf kostengünstige und zuverlässige Kühlung mit einem Minimum an magnetischen und mechanischen Störungen hat die technische Entwicklung des Pulsrohrkühlers stark vorangetrieben. In diesem übernimmt eine kompressible Gassäule die Rolle des mechanischen Expanders. Aus dem Fehlen von kaltseitigen, bewegten Bauteilen, welche verschleißen können, folgt eine deutliche Reduktion von Vibrationen und Störfeldern. Weiterhin erhöht sich die Lebensdauer des Kryokühlers, in Kombination mit einem Flexure-Bearing-Kompressor, auf über 50.000 h.

​ Für die Bereitstellung einer angemessenen Kälteleistung für in der Größe beschränkte Anwendungen, die eine schnelle Abkühlzeit erfordern, wurde ein Miniatur-Pulsrohrkühler mit einer Betriebsfrequenz von 100 Hz entwickelt. Zur messtechnischen Verifizierung erfolgten die Konstruktion eines Prototyps aus den theoretischen Simulationsdaten und eine externe Fertigung der Komponenten.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit ist der genannte Aufbau unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu untersuchen. Mit Hilfe einer messtechnischen Charakterisierung des am Standort vorhandenen Prototyps und weiteren Simulationen sind Optimierungspotentiale zu erarbeiten und umzusetzen. Weiterhin sollen spezifische Untersuchungen für den Weltraumeinsatz durchgeführt werden. Hierzu zählen u.a. Vibrationsverhalten und Schockfestigkeit bei 15facher Erdbeschleunigung.

Die vorgesehene Bearbeitung umfasst die folgenden Arbeitspakete:

• Einarbeitung in die theoretischen Grundlagen (Stand der Technik)
• Planung, Durchführung und Auswertung der Versuche
• Verifizierung und Anpassung des Simulationsmodells
• Ausarbeitung von Optimierungspotential
• Durchführung von konstruktiven Änderungen

Die Diplomarbeit wird in Kooperation mit der Firma AIM am Standort Heilbronn durchgeführt.

Betreuer: Prof. Ch. Haberstroh

Verdichter für Kaltdampfprozesse sind in der Regel ölgeschmiert. Das Öl gelangt konstruktionsbedingt in den Arbeitsraum des Verdichters und wird anteilig mit dem verdichteten Kältemitteldampf aus dem Verdichter ausgetragen, so dass immer von einer im Kältekreislauf zirkulierenden Teilmenge an Öl auszugehen ist (Ölumlauf). Typischerweise sind die gleichzeitig eingesetzten Kältemittel mit dem eingesetzten Öl über weite thermische Zustandsbereiche gut mischbar. Die Öltransportmechanismen sind davon direkt betroffen. In der Folge kann es je nach Betriebspunkt zu einem unzureichenden Ölrücktransport und damit zu einer Ölverlagerung aus dem Verdichter in die anderen Komponenten des Kältekreislaufs kommen.

Ziel dieser Arbeit soll eine experimentelle Untersuchung der Ölabscheidung in einer transkritischen CO₂-Kälteanlage für Gewerbeanwendungen.

Diese Aufgabenstellung wird von der externen Firma ESK-Schultze angeboten. Die Messungen können bei ESK vor Ort (Velten) oder auch im Homeoffice ausgeführt werden.

Ihre Aufgaben:

• Unterstützung bei der Inbetriebnahme der Versuchsanlage
• Erstellung eines Messplanes zur Untersuchung des Ölabscheidegrades bei unterschiedlichen Betriebsparametern
• Durchführung von Messungen gemäß des erstellten Messplanes
• Erstellung eines Tools (z.B. Excel) zur Auswertung der Messdaten
• Vergleich von unterschiedlichen Funktionselementen zur Ölabscheidung anhand der Messdaten
• Optimierung und Weiterentwicklung des Ölabscheiders
• Interdisziplinäre Kommunikation mit den internen Fachbereichen

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Natürliche Kältemittel, insbesondere CO₂, werden aufgrund der EU-F-Gase-Verordnung und des damit verbundenen „Phase-Downs“ zunehmend als Kältemittel in gewerblichen Kälteanlagen eingesetzt. Aufgrund des hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Drosselverluste haben transkritische CO₂-Kälteanlagen typischerweise niedrigere Wirkungsgrade als andere gängige Kältemittel. Um die auftretenden Expansionsverluste im Kältekreislauf zu reduzieren damit die Leistungszahl der Kälteanlage zu verbessern, werden u.a. Ejektoren eingesetzt.

Um ein umfassendes und detailliertes Verständnis des Strömungsverhaltens innerhalb eines Zwei-Phasen-Ejektors mit großem Druckhub zu erhalten, soll im Rahmen dieser Arbeit eine Testanlage mit CO₂ als Arbeitsfluid erstellt werden, welche einen transparenten Zwei-Phasen-Ejektor enthält. Bei den meisten in der Literatur verfügbaren Visualisierungsexperimenten handelt es sich um einphasige Ejektoren, die mit Luft, Stickstoff oder Dampf bei niedrigem bis mittlerem Druck untersucht wurden. Mit Hilfe des transparenten Ejektormodells sollen die inneren Strömungsvorgänge, speziell der Mischprozess, sowie die Ausbildung von Schockwellen bei unterschiedlichen Betriebsparametern sichtbar gemacht werden. Dazu soll ein zweiphasiger Ejektor mit großen Druckhub untersucht werden, wie er in Systemen zur Unterkühlung Anwendung findet.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in bestehende Literatur zur Auslegung von Ejektoren und Möglichkeiten zur Einbindung von Ejektoren in Kälteanlagen
• Definition der relevanten Versuchsparameter und Ejektorgeometrien
• Entwicklung eines R&I Schaltbildes zur Gesamtanlage
• Auslegung und Auswahl der Einzelkomponenten (inkl. Messtechnik)
• Entwicklung einer CAD Zeichnung (3D und 2D) des transparenten Ejektors mithilfe von SolidWorks
• Optimierung

Die Aufgabenstellung kann bei Bedarf im Laufe der Arbeit modifiziert werden. Je nach Art der Arbeit kann der Umfang der Aufgabenstellung erweitert oder minimiert werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Infolge der EU F-Gase Verordnung und des damit einhergehenden „Phase-Down“ werden vermehrt natürliche Stoffe, insbesondere CO₂, als Kältemittel in gewerblichen Kälteanlagen eingesetzt. Dabei weisen transkritisch betriebene CO₂-Kälteanlagen, infolge der hohen Drucklage und den damit verbundenen hohen Drosselverlusten, meist geringere Effizienzwerte als andere gängige Kältemittel auf. Um die Effizienz solcher Kälteanlagen zu erhöhen werden neben Parallelverdichtern, externer Unterkühlung, Expandern auch Ejektoren eingesetzt. Ejektoren ermöglichen eine Reduzierung der Expansionsverluste und damit verbunden eine Effizienzsteigerung der Kälteanlage, wenn diese anstelle des Expansionsventil eingesetzt werden.  Im Rahmen dieser Arbeit soll ein CFD-Modell eines Ejektors erstellt werden, welches das komplexe Strömungsverhalten, speziell die Mischvorgänge von mehrphasigem CO₂ möglichst genau abbildet. Anschließend soll mit dem Modell der Einfluss unterschiedlicher Schlüsselgeometrien auf die Betriebsweise des Ejektors untersucht werden.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in bestehende Literatur zur Auslegung von Ejektoren und Möglichkeiten zur Einbindung von Ejektoren in Kälteanlagen
• Literaturrecherche zu bestehenden CFD-Modellen (einphasig und zweiphasig)
• Erstellen eines CFD-Modells für einen zweiphasigen Ejektor
• Untersuchung des Einflusses von Geometrieänderungen und Rauigkeiten auf das Strömungsverhalten im Ejektor
• Ausarbeitung eines Validierungsplans des CFD-Modells
• Optimierung

Die Aufgabenstellung kann bei Bedarf im Laufe der Arbeit modifiziert werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Verdichter für den Einsatz in Kaltdampfprozessen sind üblicherweise ölgeschmiert. Konstruktions­bedingt gelangt das Öl in den Arbeitsraum des Verdichters und wird anteilig mit dem komprimierten Kältemitteldampf aus dem Verdichter ausgetragen, so dass stets von einer im Kältekreislauf zirkulie­renden Teilmenge an Öl auszugehen ist (Ölumlauf). Typischerweise sind die gleichzeitig eingesetzten Kältemittel über weite Bereiche thermischer Zustände gut mischbar mit dem eingesetzten Öl. Die Öltransportmechanismen sind davon unmittelbar betroffen. Folglich kann es betriebspunktab-hängig zu einem unzureichenden Ölrücktransport und somit zu einer Ölverlagerung aus dem Verdichter in die anderen Komponenten des Kältekreislaufs kommen. Die Ölrückhaltung innerhalb der Anlagenkomponenten kann wiederum die Anlageneffizienz beeinflussen.

In einer Literaturrecherche soll daher der derzeitige wissenschaftliche und technische Stand zu Fra­gen des Ölwurfs, des Öltransports sowie zu dem daraus abzuleitenden Einfluss auf das Betriebsver­halten der Anlage als auch bzgl. der (meist konstruktiv-, aber auch betriebsbedingten) Einfluss­größen auf den Ölwurf zusammen getragen werden. Die Basis für die Recherche bilden dabei wissenschaftliche Veröffentlichungen, Tagungsunterlagen, Fachliteratur und -zeitschriften usw.

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

CO₂-Kälteanlagen gewinnen in verschiedensten Bereichen zunehmend an Attraktivität für die Bereitstellung von Kälte. CO₂ als einziges natürliches A1-Kältemittel weist dabei einige Besonderheiten auf, z.B. die niedrige kritische Temperatur von 31 °C. Daher laufen diese Anlagen bei höheren Wärmeabgabetemperaturen im transkritischen Betrieb, was u.a. Besonderheiten für die Regelung mit sich bringt. Um diese Besonderheiten demonstrieren zu können soll ein Praktikumsversuchsstand für Ausbildungszwecke ausgelegt und konstruiert werden.

Es sind dabei folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in Systemkonzepte von transkritischen CO₂-Kälteanlagen
• Ausarbeitung des Praktikumsinhalts
• Recherche zu verfügbaren Komponenten und Auslegung des Versuchsstands
• Kostenkalkulation
• CAD-Konstruktion des Versuchsstands

Diese Aufgabe kann auch als Gemeinschaftsarbeit von 2 Studierenden bearbeitet werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Für den Sublimationskreislauf wird ein spezielles Drosselorgan bzw. eine Düsenbaugruppe eingesetzt. Währende des Sublimationsbetriebs wird die Baugruppe durch das entstehende feste CO₂ nach der Düse abgekühlt. Fällt die Oberflächentemperatur unter die Tripeltemperatur des CO₂, könnte das flüssiges CO₂ im engsten Querschnitt der Düse oder bereits vor der Düse beim Kontakt mit den kalten Oberflächen gefrieren, was zur Verblockung führen könnte. Deswegen ist die Kenntnis der Temperaturverteilung innerhalb des Drosselorgans wichtig.

lm Einzelnen sind folgende Arbeitspunkte geplant:

• Erstellen des numerischen Modells in ANSYS mit der vorgegebenen Geometrie eines Expansionsorgans
• Festlegung der Randbedingungen
• Durchführung der Simulation
• Untersuchung verschiedenen Einflussfaktoren z.B. Material, CO₂-Massenstrom auf die Temperaturverteilung
• Festlegung der Einsatzgrenze und Ableitung der Optimierungsansätze für die Geometrie
• Dokumentation der Ergebnisse

Betreuer:  Dipl.-Ing. Y. Xu

Im Rahmen der Dekarbonisierung industrieller Prozesse spielt die Dampferzeugung eine wichtige Rolle. Zukünftig wird dabei die Brüdenkompression eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von Dampf aus Ab- oder Umweltwärme spielen. Verschieden Verdichtungsprinzipien werden derzeit bei der Wasserdampfverdichtung eingesetzt, z.B. Roots-Gebläse, Radialverdichter oder auch Schraubenverdichter. Das Arbeitsmedium stellt dabei aufgrund seiner geringen molaren Masse und den hohen benötigten Druckverhältnissen hohe Anforderungen an den Verdichter. In dieser Arbeit sollen neben den bekannten Verdichtungsprinzipien weitere mögliche recherchiert werden und hinsichtlich ihrer Eignung für die Verdichtung von Wasserdampf auf Grundlage einfacher Auslegungsmodelle verglichen werden. Neben dem Einfluss der Geometrie soll dabei auf die Möglichkeit der Kühlung durch das Verdampfen von eingespritzem Wasser untersucht werden.

Konkret ergeben sich die folgenden Teilaufgaben:

• Zusammenstellung verschiedener Verdichtungsprinzipien und Verdichterbauarten
• Ableitung grundlegender Auslegungsgleichungen aus der Literatur
• Vergleich des Einflusses der Eigenschaften des Arbeitsmediums auf die jeweilige Verdichterbauart
• Jeweils Bewertung der Eignung für die Verdichtungsaufgabe
• Untersuchen der Möglichkeiten und Grenzen der Wassereinspritzung

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Im Rahmen der Dekarbonisierung industrieller Prozesse spielt die Dampferzeugung eine wichtige Rolle. Dabei kommen neben dampferzeugenden Hochtemperaturwärmepumpen auch Dampfverdichter zum Einsatz, wie sie bisher vor allem aus der Brüdenverdichtung bekannt sind, z.B. Drehkolben- bzw. Radialturbogebläse. Dabei liegt der Fokus bisher vor allem auf der Entwicklung von Verdichtern für Anwendungen mit hohen Wärmeleistungen (100 kW … 10 MW). Im Rahmen dieser Arbeit soll daher der Verdichtertyp Scroll für Anwendungen im mittleren Leistungsbereich (10 kW bis 100 kW) untersucht werden. Das Ziel der Arbeit ist es, einen ersten Entwurf einer möglichen Geometrie und die maschinentechnischen Besonderheiten eines trockenlaufenden Scrollverdichters für Wasserdampf zu erarbeiten. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Recherche dimensionsloser Auslegungsparameter von Scrollspiralen
• Recherche konkreter industriellen Anwendungen im mittleren Leistungsbereich (10 kW – 100 kW)
• Einarbeitung in die Pythonbibliothek PDSim zur Erzeugung und Nachrechnung von Scroll-Geometrien
• Auslegung geeigneter Scroll-Spiralen für eine konkrete Anwendung
• Erstellung eines ersten Maschinenkonzepts auf Basis existierender Scrollverdichter

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Schrauben-Spindel-Verdichter stellen eine Sonderform von Schraubenverdichtern da. Sie werden typischerweise in der Vakuumtechnik eingesetzt. In vorhergehenden Arbeiten wurde zunächst ein Berechnungstool namens „KVA-Spindel“ erstellt und Messungen mit einer bestehenden Schrauben-Spindel-Vakuumpumpe durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Berechnungstool mithilfe der Messdaten validiert und durch gezielte Anpassung von Parametern optimiert werden. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in bisherige Arbeiten zur Messung und zum Programm „KVA-Spindel“ sowie in Normen zur Verdichterleistungsmessung / -kennfeldern
• Aufbereitung und Auswertung der Messergebnisse
• Durchführung von Berechnungskampagnen mithilfe von „KVA-Spindel“ und den Messergebnissen zugrundeliegenden Betriebsparametern
• Vergleich von Messung und Berechnung und iterative Anpassung ausgewählter Berechnungsparameter
• Erstellung von Verdichterleistungskennfeldern mithilfe von einer Parameterstudie in „KVA-Spindel“

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Diverse Industrieprozesse in der Lebensmittel-, Papier- und Chemieindustrie verwenden Heißdampf als Energieträger und Prozessmedium. Die jeweiligen Prozesse und deren Temperaturbereiche sind bereits in diversen Veröffentlichung aufgeführt. Im Rahmen dieser Recherchearbeit sollen für diverse Industrieprozesse der konkrete Dampfbedarf (Temperatur, Druck, Massenstrom), das Dampfsystem (Dampferzeuger, Verteiler, Wärmerückgewinnung) und alternative Dampferzeuger (z.B. Wärmepumpen, erneuerbare Energien) erarbeitet werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Für die Milchindustrie wird derzeit eine Hochtemperaturwärmepumpe auf Basis eines R718- Kompressionskältemaschine erstellt. Als Verdichter werden zwei sogenannte Brüdenverdichter eingesetzt. Im Rahmen der studentischen Arbeit sollen diese Brüdenverdichter zunächst auf einem bereits konzipierten und aufgebauten Verdichterleistungsprüfstand vermessen werden. Die Messdaten sollen anschließend ausgewertet und daraus Verdichterkennfelder abgeleitet werden. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in einschlägige Normen zur Verdichterleistungsmessung, in das Steuerungs-/ Regelungs- / Messkonzept des Verdichterleistungsprüfstands und in die Datenblätter / die Literatur zu den ausgewählten Brüdenverdichtern
• Erstellung einer Checkliste zum Anfahren, Betreiben und Herunterfahren der Versuchsanlage
• Erste Inbetriebnahme der Versuchsanlage
• Vorbereitung / Planung der Messkampagne der beiden Prüfverdichter auf Grundlage des späteren Betriebsbereichs der Hochtemperaturwärmepumpe
• Durchführung der Messung und Auswertung der Messergebnisse
• Erstellung von Verdichterleistungskennfeldern für beide Brüdenverdichter

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Das Kältemittel R718 (Wasser) eignet sich aufgrund seiner Umweltverträglichkeit (nicht toxisch, nicht brennbar), seiner Klimaverträglichkeit (ODP = 0, GWP ≈ 1) und seiner thermodynamischen Eigenschaften hervorragend für Kältekompressionsmaschinen, insb. für Wärmepumpenanlagen mit Verdampfungstemperaturen > 0 °C und stellt damit eine nachhaltige Alternative zu gängigen Kältemitteln dar. Aufgrund der der niedrigen Dampfdrücke und -dichten (z.B. 23 mbar abs. und 17 g/m³ bei 20 °C) müssen aufgrund der Rohrleitungsdimensionen Anlagen kompakter geplant werden, um die Wirtschaftlichkeit der Anlage darstellen zu können und die Druckverluste gering zu halten. Daher kommen bei R718-Anlagen u.a. Direkt-Kontakt-Wärmeübertrager als Verdampfer bzw. als Verflüssiger zum Einsatz.  Im Rahmen dieser Arbeit soll ein transparenter Tischversuchsstand erstellt werden, in dem die Vorgänge innerhalb dieser Direkt-Kontakt-Wärmeübertrager sichtbar gemacht werden soll. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in das Thema Direkt-Kontakt-Wärmeübertrager und etwaige Wärmeübertragungs-Korrelationen
• Definition der relevanten Versuchsparameter
• Erstellung eines R&I Schaltbildes zur Gesamtanlage
• Auslegung und Auswahl der Einzelkomponenten (insb. Verdichter, Behälter, Sensoren)
• Erstellung einer CAD Zeichnung (3D) und Ableitung der technischen Zeichnungen (2D) mithilfe von SolidWorks
• Unterstützung beim Aufbau der Gesamtanlage

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Brennstoffzellenbasierte Flugzeuge stellen für die Kurzdistanz eine vielversprechende Alternative dar. Dabei ermöglichen Brennstoffzellen eine effiziente Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Neben der elektrischen Energie entsteht jedoch auch Wärme, die abgeführt werden muss, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle in einem festgelegten Bereich zu halten. In einem Zweiphasen-Kühlsystem erfolgt die Wärmeabgabe dabei für gewöhnlich in einem Kondensator unter Nutzung der Umgebungsluft.
Ziel der Arbeit ist die Auslegung und Optimierung eines für diese Anwendung geeigneten Lamellenrohr-Wärmeübertragers unter Verwendung der Simulationsumgebung Dymola und der TIL-Bibliothek. Dazu soll eine Parameterstudie durchgeführt werden unter Berücksichtigung der relevanten geometrischen Größen des Wärmeübertragers, um eine Minimierung des resultierenden Luftwiderstands für das Flugzeug zu erreichen.

Es sind folgende Aufgabenschwerpunkte zu bearbeiten:

• Kurze Literaturrecherche zu Lamellenrohr-Wärmeübertragern in der Luftfahrt
• Einarbeitung in die Simulationsumgebung Dymola und das Lamellenrohr-Wärmeübertrager-Modell in der TIL-Bibliothek
• Festlegung der relevanten geometrischen Optimierungsgrößen
• Durchführung einer Parameterstudie unter Berücksichtigung der festgelegten Größen und verschiedener kältemittelseitigen Kondensationskorrelationen
• Ermittlung der Kondensator-Konfiguration mit dem geringsten Luftwiderstand

Betreuer: Dipl.- Ing. P. Koschel

Die Kühlung von Elektronikkomponenten wird zu einem großen Anteil immer noch einphasig realisiert aufgrund der Komplexität der Zweiphasenkühlung.

Für die Untersuchung der Zweiphasenkühlung im Thermalmanagement von Fahrzeugen und Flugzeugen soll ein kippbarer Kaltdampfkompressionskältekreislauf in einem Versuchsstand mit zwei Wärmequellen und einem internen Wärmeübertrager simuliert werden. Hierfür sollen geeignete Messungen ausgewählt werden, die zur Validierung des Modells dienen. Es soll außerdem besonders auf die Regelung der Kühlleistung und der Überhitzung für verschiedene Teillastbetriebe eingegangen werden.

Die Teilaufgaben beinhalten:

• Literaturrecherche zum Thema
  • Thermalmanagement von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Flugzeugen in Hinsicht auf die Zweiphasenkühlung der Elektronik-Komponenten
  • Thermalmanagement von Elektronik und Temperaturabhängigkeit von Elektronikkomponenten
  • Regelung von Kälteanlagen mit mehreren Verdampfern
• Unterstützung bei Messungen
• Simulation eines vorgegebenen Versuchsstandes
• Bewertung, Validierung und Optimierung des ermittelten Simulationsmodells

(Kann noch zum Start und in Absprache angepasst werden)

Gewünschte Voraussetzungen für die erfolgreiche Bearbeitung:

• Grundlagen der Thermodynamik
• Grundlagen der Kältetechnik, Regelung von Kälteanlagen, Lastmanagement
• Beherrschen eines Simulations-Tools ( Modelica, GT-Suite o.ä.)

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Kramer

Die Kühlung von Elektronikkomponenten wird zu einem großen Anteil immer noch einphasig realisiert aufgrund der Komplexität der Zweiphasenkühlung.

Für die Untersuchung der Zweiphasenkühlung im Thermalmanagement von Flugzeugen und Fahrzeugen soll ein kippbarer Kaltdampfkompressionskältekreislauf in einem Versuchsstand mit zwei Wärmequellen und einem internen Wärmeübertrager untersucht werden. Es soll vor allem auf die Regelung des Versuchsstandes eingegangen werden.

Die Teilaufgaben beinhalten:

• Literaturrecherche zum Thema
  • Thermalmanagement von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Flugzeugen in Hinsicht auf die Zweiphasenkühlung der Elektronik-Komponenten
  • Thermalmanagement von Elektronik und Temperaturabhängigkeit von Elektronikkomponenten
  • Regelung von Kälteanlagen mit mehreren Verdampfern
• Unterstützung bei Messungen
• Vorhandenes Regelungskonzept in Matlab-Simulink implementieren und Regler entwerfen
• Regelung am Thermalmanagement-Prüfstandes basierend auf vorhandenem Regelkonzept implementieren

• Steuerung und Regelung optimieren mithilfe einer Matlab-Simulink-Simulation

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Kramer

(Kann noch zum Start und in Absprache angepasst werden)

Eine vielversprechende Technologie für die klimaneutrale Bereitstellung von Wärme für Gebäude und Wohnviertel basiert auf der Nutzung von Solarstrahlung und Umweltwärme in kalten Nahwärmenetzen, die bei niedrigen Temperaturen im Bereich von -10 bis 20 °C betrieben werden können. Hauptbestandteile solcher Systeme sind saisonale Eisspeicher, Luft-Sole-Kollektoren und dezentrale Wärmepumpen in den Gebäuden. Eine alternative Umsetzungsmöglichkeit beinhaltet den Einsatz einer zentralen Wärmepumpe, welche die Quelltemperaturen der dezentralen Wärmepumpe erhöhen kann und dabei die Möglichkeit der Verwendung von Wasser anstelle von Wasser-Glykol als Wärmeträgermedium bietet, welche zahlreiche Vorteile mit sich bringt.

Das Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines Simulationsmodells der zentralen Wärmepumpe in Dymola. Dazu sollen alle Komponenten der Wärmepumpe möglichst genau implementiert werden und anschließend transiente Simulationen der Wärmepumpe durchgeführt werden.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in Dymola als Simulationsprogramm unter Verwendung von TIL-Suite
• Implementierung von allen notwendigen Komponenten der Wärmepumpe in Dymola
• Erstellen des Gesamtsimulationskreislaufes inkl. der Regelung der Wärmepumpe
• Durchführen von transienten Simulationen von vorgegebenen Betriebsmodi
• Optimierung des Kreislaufs durch Erweiterung des Simulationsmodells mit vorgegebenen Effizienzsteigernden Maßnahmen (modifizierte Kreislaufvariante)
• Vergleich der beiden Kreislaufmodelle hinsichtlich der Effizienz bei verschiedenen Betriebsmodi und Bewertung des gesamten Energiebedarfs
• Ausführliche Dokumentation der Teilarbeitsschritte

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Eine vielversprechende Technologie für die klimaneutrale Bereitstellung von Wärme für Gebäude und Wohnviertel basiert auf der Nutzung von Solarstrahlung und Umweltwärme in kalten Nahwärmenetzen, die bei niedrigen Temperaturen im Bereich von -10 bis 20 °C betrieben werden können. Hauptbestandteile solcher Systeme sind saisonale Eisspeicher, Luft-Sole-Kollektoren und dezentrale Wärmepumpen in den Gebäuden. Eine alternative Umsetzungsmöglichkeit beinhaltet den Einsatz einer zentralen Wärmepumpe, welche die Quelltemperaturen der dezentralen Wärmepumpe erhöhen kann und dabei die Möglichkeit der Verwendung von Wasser anstelle von Wasser-Glykol als Wärmeträgermedium bietet, welche zahlreiche Vorteile mit sich bringt.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Auslegung und Konstruktion eines Prüfstandes für eine solche zentrale Wärmepumpe unter festgelegten Randbedingungen durchzuführen.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in kalte Nahwärmenetze
• Auslegung einer Wärmepumpe unter vorgegebenen Randbedingungen
• Einholung von Angeboten bei Herstellern von Komponenten
• Erstellung eines RI-Fließbilds und einer Stückliste der Komponenten inklusive der Messtechnik
• Erstellung eines CAD-Modells der Wärmepumpe in Solidworks
• Ausführliche Dokumentation der Teilarbeitsschritte

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Eine vielversprechende Technologie für die klimaneutrale Bereitstellung von Wärme für Gebäude und Wohnviertel basiert auf der Nutzung von Solarstrahlung und Umweltwärme in kalten Nahwärmenetzen, die bei niedrigen Temperaturen im Bereich von -10 bis 20 °C betrieben werden können. Hauptbestandteile solcher Systeme sind saisonale Eisspeicher, Luft-Sole-Kollektoren und dezentrale Wärmepumpen in den Gebäuden. Eine alternative Umsetzungsmöglichkeit beinhaltet den Einsatz einer zentralen Wärmepumpe, welche die Quelltemperaturen der dezentralen Wärmepumpe erhöhen kann und dabei die Möglichkeit der Verwendung von Wasser anstelle von Wasser-Glykol als Wärmeträgermedium bietet, welche zahlreiche Vorteile mit sich bringt.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Durchführung einer Lebenszyklusanalyse der zentralen Wärmepumpe inkl. der angrenzenden Peripherie, die ausweist, wie viel Energie- und Ressourcenaufwand für die Herstellung, die Aufstellung, den Betrieb sowie das Recycling der Anlage von Nöten ist. Bewertet werden soll dies auch in Bezug auf die Energieausbeute und die Laufzeit.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in die Lebenszyklusanalyse und die DIN ISO 14044
• Einarbeitung in das LCA-Programm openLCA und die Datenbank ecoinvent
• Datenerhebung und Abschätzung
  • Datenerhebung zum ORC-Modul bei der kooperierenden Firma
  • Datenerhebung bei Komponentenhersteller, soweit möglich
  • Abschätzung der Fehlstellen
  • Begründete Auswahl mehrerer Betriebsfälle
• Softwaregestützte Auswertung
  • Durchführung einer parametrierbaren Lebenszyklusanalyse
  • Untersuchung der Sensitivität von Betriebsfällen und Laufzeit
  • Auswertung und Identifikation von Optimierungspotenzialen im Lebenszyklus (Betrieb, Laufzeit, Prozessabläufen, Komponentenbezug)
• Ausführliche Dokumentation der Teilarbeitsschritte

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Zur Untersuchung der erwarteten Vorteile des Einsatzes von zeotropen Kohlenwasserstoffgemischen in Wärmepumpen, soll eine Wärmepumpen-Pilotanlage bis zu 20 kW_th konzipiert und aufgebaut werden. Im Vorfeld können bereits verschiedene Hauptkomponenten- wie der Verdichter- ausgewählt sein, alle weiteren Komponenten müssen im Zuge der Arbeit ausgewählt und dimensioniert werden. Der Schwerpunkt des Prüfstandes liegt insbesondere in der Untersuchung der Auswirkungen von Öl-Kältemittel-Interaktionen auf die Gesamteffizienz der Anlage, sowie auf die Bewertung der Ölabscheidereffizienz für verschiedene Ölabscheidungskonzepte.

Die Bearbeitung kann unteranderem folgende Punkte umfassen:

• Literaturrecherche bezüglich verschiedener Konzepte der Messung und Bewertung von der Effizienz von Ölabscheidern
• Auswahl, Auslegung und Dimensionierung der Komponenten und Sensorik für den Kältemittelkreislauf
• Erstellen eines CAD-Modells der Wärmepumpen-Pilotanlage, Ableitung der technischen Zeichnungen und Erstellen einer Stückliste
• Ausführliche Dokumentation und Präsentation der Ergebnisse,

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Die Europäische Union verfolgt mit dem European Green Deal das Ziel einer ressourceneffizienten Wirtschaft. U.a. wird die Verbesserung der Ressourceneffizienz und Langlebigkeit von Produkten angestrebt. Bei Kältemittelverdichtern spielt hierfür die Verringerung der genutzten Ressourcen wie Schmieröl eine entscheidende Rolle. Da es im Stand der Technik bisher nur vereinzelte Untersuchungen zu ölfreien Kälteanlagen und Wärmepumpen gab, sollen mittels eines Demonstrators die Potentiale des ölfreien Betriebs aufgezeigt werden.

Im Rahmen dieser Aufstellung soll daher ein Demonstrator einer ölfreien Wärmepumpe konzeptioniert und aufgebaut werden. Für dessen Konzeption und Aufbaustellt die Professur die benötigten Komponenten und Ressourcen und die geeignete Infrastruktur zur Verfügung.

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themengebiete Scroll-Verdichter, Wärmepumpen, ölfreie Verdichtung und Auslegung von Kaltdampfkompressionsanlagen
• Konzeption des Demonstrators mit Auslegung des Kältemittelkreislaufs, Auswahl des Kältemittels, der Messtechnik, der tragenden Struktur und der Kreislaufkomponenten unter Berücksichtigung der vorhandenen Infrastruktur
• Aufbau des Demonstrators mit Verrohrung, Anordnung der Komponenten sowie Messtechnik und der tragenden Struktur
• Erstellung eines Steuerungs- und Messtools mittels Labview
• Zusammenfassung und Dokumentation der Herangehensweise, der Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dipl-Ing. M. Joswig

Mobile Anwendungen weisen im Unterschied zu stationären Anwendungen eine Reihe von Besonderheiten auf, wie sich stark ändernde Randbedingungen und hohe Anforderungen an Platz und Gewicht. Daher stellt es sich als problematisch heraus, neue Technologien bzw. Ansätze zur Effizienzsteigerung in diesen Anwendungen zu integrieren, ohne diese spezifischen Forderungen zu verletzen. Ein Ansatz ist es daher, den bzw. die verwendeten Verdichterkonzepte bzw. auch neue  Verdichterdesigns möglichst effizient zu verschalten und zu regeln.

Ziel der Arbeit ist es, für eine spezifische mobile Anwendung unterschiedliche Verdichterkonzepte und -anordnungen zu vergleichen.

Folgende Teilaufgaben sind zu bearbeiten:

• Einarbeitung in die Thematik (Spezifika der mobilen Anwendung, klimatische Randbedingungen, Verdichtertypen, Verdichterregelung, Teillastverhalten etc.)
• Recherche von verschiedenen marktverfügbaren Verdichtern sowie deren Betriebskennwerte
• Konzeptionierung unterschiedlicher Anordnungen für einen möglichst effizienten Betrieb der gewählten Verdichter bei unterschiedlichen Randbedingungen
• Aufbau eines Berechnungsprogramms zum Vergleich der Verdichter sowie der unterschiedlichen Verdichteranordnungen
• Detaillierte Auswertung und Dokumentation der erhaltenen Ergebnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Kunath

Innerhalb dieser Arbeit soll in Python ein modularer Wärmepumpenkreislauf erstellt werden. Im Zuge dessen sollen die einzelnen Anlagenkomponenten austauschbar und skalierbar erarbeitet und in einem gesamten Kreislauf eingefügt werden können. Das Ziel ist es mit dem Kreislauf durch die Verwendung von verschiedenen Komponenten den besten COP für einen bestimmten Anwendungsfall und Kältemittel bestimmen zu können.

Die Bearbeitung kann unteranderem folgende Punkte umfassen:

• Einarbeitung in die Thematik,
• Aufbau eines modularen Wärmepumpensystems mit austauschbaren Komponenten – wünschenswert als Klassenstruktur,
• Dimensionierung der Wärmepumpe als Optimierungspunkt soll vorbereitet werden,
• Test des Wärmepumpensystems mit der Berechnung des COPs für ein Beispiel Fluid,
• Robustheitstest mit der Verwendung von verschiedenen Randbedingungen,
• Dokumentation und Präsentation

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Für Kältemittelkreisläufe mit teilweise nicht mischbaren Kältemittel ist die Ölabscheidung unerlässlich. Ebenfalls kann durch die Verwendung sinnvoller Ölmanagement kann die Füllmenge von Öl und damit die Füllmenge von Kältemittel verringert werden. Durch eine signifikante Verringerung des im Öl gelösten Kältemittel, kann die Sicherheitsbetrachtung von A3-Kälteanlagen deutlich verbessert werden. Innerhalb dieser Arbeit sollen verschieden Methoden der Ölabscheidung recherchiert und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in Abhängigkeit von dem Kältemittel – insbesondere A3 Kältemittel - bewertet werden.  Am Beispiel von einem R290 Wärmepumpenkreislauf soll ein Kältemittelkreislauf konzeptioniert werden. 

Die Bearbeitung umfasst unteranderem die folgenden Punkte:

• Einarbeitung in die Thematik und Marktanalyse – insbesondere: bezgl. Technologien für die Ölabscheidung,
• Erarbeitung von Einbaukonzepten der verschiedenen Technologien für die Ölabscheidung in einem Wärmepumpenkreislauf in Abhängigkeit des Kältemittels,
• Bewertung der Technologien für die Ölabscheidung in Abhängigkeit des Kältemittels,
• Konzeptionierung des Kältemittelkreislaufs von mind. eines bevorzugten Konzeptes für ein A3 Kältemittel,

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Mobile Anwendungen weisen im Unterschied zu stationären Anwendungen eine Reihe von Besonderheiten, wie sich stark ändernde Randbedingungen und hohe Anforderungen an Platz und Gewicht, auf. Daher stellt es sich als problematisch heraus, neue Technologien bzw. Ansätze zur Effizienzsteigerung in diesen Anwendungen zu integrieren, ohne diese spezifischen Gegebenheiten zu verletzen.

Ziel der Arbeit ist es, für eine spezifische mobile Anwendung unterschiedliche effizienzsteigernde Maßnahmen zu evaluieren und diese Anhand eines Referenzkreisprozesses simulativ zu untersuchen; am Ende der Bearbeitung soll eine Aussage über die Anwendbarkeit und den Nutzen der gewählten Technologien getroffen werden.

• Einarbeitung in die Thematik sowie in die Simulationssoftware (Dymola)
• Auswahl von geeigneten effizienzsteigernden Technologiekonzepten
• Aufbau eines Referenzsystems für den Wärmepumpen- und Kältebetrieb in der besagten Software
• Integration der gewählten effizienzsteigernden Technologien
• Bewertung der effizienzsteigernden Maßnahmen im Vergleich zum Referenzsystem im Hinblick auf Effizienz und etwaigen Besonderheiten
• Bewertung sowie Diskussion der erhaltenden Ergebnisse mit Fokus auf der Anwendbarkeit in der mobilen Anwendung
• Detaillierte Dokumentation der Ergebnisse sowie des Simulations-Modells

Eine kontinuierliche Zusammenarbeit und Austausch mit dem Betreuer sind erforderlich. Die Aufgabenstellung kann im Laufe des Bearbeitungszeitraumes gegebenenfalls angepasst werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Kunath

Die Forderung nach Kältemitteln mit niedrigem Global Warming Potential (GWP) bzw. generell sog. natürlichen Kältemitteln wird in Zukunft für den Großteil von Kühl- und Heizsystemen noch weiter zunehmen. Die Prozesskette von der Gewinnung, dem Einsatz der Kältemittel in der Anwendung, bis zum Recycling und den Auswirkungen bei Leckagen auf die Umwelt werden seit Jahren untersucht und werden derzeit detailliert beleuchtet.

Die Prozesskette vom Ausgangsstoff bis zum eingesetzten Kältemittel ist aktuell nicht überall nachvollziehbar, bzw. bewertet. Im Rahmen einer studentischen Arbeit soll daher die Grundlage dafür geschaffen werden, die Prozesse zur Produktion von Hydrofluorolefin (HFO), Kohlenwasserstoffen (KW) und Ammoniak gegenüberzustellen und die CO2-Footprints der jeweiligen Produktionsketten zu bewerten.

Die zukünftigen Kältemittel müssen über die gesamte Prozesskette bewertet und verstanden werden, sodass der zukünftige Einsatz die maximale Ressourcenoptimierung zulässt.

Aufgaben:

• Prozessketten für HFO, KW und Ammoniak aufzeigen
• Prozessketten nach Aufwand, Energieeinsatz und CO2 Emissionen bewerten
• Bewertungsmartix zu verschiedenen Kältemitteln erstellen (Bsp. R1234yf, R1336mzz(Z), R290, R600, R601, R717)
• Ausblick auf die Prozessketten. Wird das Kältemittel gezielt hergestellt oder ist dieses ein Abfallprodukt der fossilen Prozessketten? Welches Verhalten könnte eintreten, wenn die fossilen Prozessketten rückläufig sind, der Bedarf weiter steigt und das Kältemittel kein Abfallprodukt mehr ist, sondern gezielt hergestellt werden muss?
• Dokumentation und Präsentation

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Wördemann

Zur einfachen Durchführung von Funktions- und Leistungsmessungen von Wärmepumpen müssen Temperaturen, Drücke, Volumenströme gezielt überwacht und gesteuert werden. Diese Daten müssen regelungstechnisch entsprechend erfasst und für die Weiterverarbeitung vorbereitet werden.

Die Herausforderung dieses hydraulischen Versuchsaufbaus, ist die Regelung von Leistungen. Die erzeugte Kälte/Wärme soll entsprechend wiederverwendet werden. Nur die zusätzlich eingebrachte Wärmemenge des Verdichters aus dem System entfernt werden. Zudem soll die Studie zeigen, welche Leistungsbreiten abgedeckt werden können. Vor allem soll herausgearbeitet werden, welche Leistungsbandbeite möglich ist. Ist es möglich den hydraulischen Aufbau von 1 bis 100 kW zu realisieren? Wie viel ist auf begrenzten Platz im Labor möglich? Wie hoch liegen die Kosten für diesen Versuchsaufbau?

Die ganze Studie würde in Kooperation mit der Firma PEWO (https://www.pewo.com/)
durchgeführt werden. PEWO ist ein Spezialist für hydraulische Baugruppen, Fernwärmestationen etc. Das Unternehmen ist deutschlandweit aufgestellt und hat den Unternehmenssitz in Hoyerswerda.

Ob die Arbeit direkt bei PEWO oder am Lehrstuhl geschrieben wird, ist dann individuell zu klären.

Ein Start zwischen Juni und September wäre ideal.

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Wördemann

Wärmepumpen stellen einen wichtigen Beitrag zur Wärmewende dar. Ihr Anwendungsbereich erstreckt sich hierbei von Anwendungen im Haushaltsbereich (Wärmepumpenwäschetrockner) über die Heizungs- und Warmwasserbereitstellung von ein und Mehrfamilienhäusern bis hin zu Großanlagen im industriellen Bereich und für Hochtemperaturapplikationen.

Dabei spielt die kontinuierliche Funktionsfähigkeit eine zentrale Rolle auch bei schwankenden Lastbedingungen. Fehlerfälle können schwerwiegende Folgen für die Nutzer haben.

Im Rahmen einer studentischen Arbeit sollen mögliche Stör- und Fehlerfälle recherchiert und in ein entsprechendes Prüfstandskonzept überführt werden. Die Auslegung der Komponenten und eine entsprechende Konstruktion sowie die Mess- und Regelungstechnik sind zentrale Punkte der Aufgabenstellung.

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Wördemann

Beim Einsatz von Kältemittelgemischen kommt es in Wärmeübertragern zu einer Ansammlung der tiefersiedenderen Komponenten. Dies hat Einfluss auf den Wärmeübertragungsprozess an sich und beeinflusst auch den Kreisprozess selbst. Ziel ist es dieses Phänomen besser zu verstehen und zu modellieren (CFD oder Modelica).

Betreuer: Dipl.-Ing. B. Bederna

Scroll-Verdichter werden in den verschiedensten Anwendungen (Druckluft, Vakuum, Kälte- und Klimatechnik) eingesetzt. Hierbei stellt insbesondere die ölfreie Verdichtung von Gasen eine Herausforderung in Hinblick auf Abdichtung und Wärmehaushalt dar. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Recherche (insb. Patente) durchgeführt werden, um die konstruktiven / maschinentechnischen Besonderheiten trockenlaufender (ölfreier) Scroll-Verdichter, vor allem im Bereich der Vakuumtechnik zusammenzutragen. Dabei sollte der Fokus auf der Abdichtung, dem Wärmetransport und der Scroll-Spiralgeometrie liegen.

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Getrieben durch die EU-F-Gase-Verordnung orientieren sich Kälteanlagen- und Wärmepumpenhersteller hin zu alternativen, klimafreundlichen Kältemitteln. Ein Ansatz sind dabei Kohlenwasserstoffe, welche allerdings neben ihren hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften brennbar sind. Um die potentielle Gefährdung am Aufstellungsort zu minimieren, sind gesetzlich Höchstfüllmengen definiert, unterhalb derer keine Sicherheitseinrichtungen zur Vermeidung von Explosionen notwendig sind. Ein Ansatz zur Füllmengenreduzierung ist die Vermeidung von Öl im Kältemittelkreislauf. Hierzu werden jedoch trockenlaufende Kältemittelverdichter, das heißt ohne Schmiermittel im Verdichtungsraum, benötigt. Es sollen vorhandene Konzepte zu trockenlaufenden Verdichtern und die Übertragbarkeit auf Verdichter für Wärmepumpen untersucht werden.

Folgende Teilaufgaben sind zu bearbeiten:

• Erarbeitung gesetzlicher und normativer Vorgaben zur Kältemittelfüllmenge
• Erarbeitung Stand der Technik trockenlaufender Verdichter und Verdichtertypen
• Untersuchung der Übertragbarkeit der Technologien auf Kältemittelverdichter für Wärmepumpen im Wohngebäudesektor

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche

Aktuell wird auf europäischer Ebene ein breites Verbot von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (kurz PFAS) unter der REACH-Verordnung diskutiert. Solche Substanzen fallen unter anderem bei der Herstellung und Verwendung von Polytetrafluorethylen (PTFE) an. Werden sie freigesetzt, reichern sie sich im Menschen und der Umwelt an und können aufgrund ihrer Langlebigkeit nur sehr langsam abgebaut werden.

Ein Verbot würde auch die Verwendung von PTFE in ölfreien Hubkolbenverdichtern betreffen. Dieser wird dort für Kolbenringe und Kolbenstangen-Dichtungen eingesetzt. Der Vorteil liegt darin, dass das Polymer selbstschmierend ist und eine Ölkontamination des Fördergases durch geschmierte Dichtungen vermieden werden kann. Dies ist beispielsweise bei Luft- und insbesondere bei Wasserstoffverdichtern relevant.

Im Rahmen dieser Aufgabenstellung sollen daher alternative Werkstoffe und deren Fertigungsmethoden recherchiert werden. Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themengebiete Hubkolbenverdichter und Tribologie
• Erfassung des Stands der Technik hinsichtlich der Eigenschaften von PTFE und dessen Einsatz im Hubkolbenverdichter
• Recherche zu alternativen Werkstoffen und Vergleich dieser mit den bisher eingesetzten PTFE-Werkstoffen insbesondere hinsichtlich ihrer tribologisch relevanten Eigenschaften (Temperaturstabilität, mechanische Festigkeit, Selbstschmierung)
• Recherche zu Fertigungs- und Verarbeitungsmethoden der Werkstoffe und ihrer tribologischen Relevanz

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig

Bei Hubkolbenkompressoren werden durch das oszillierende Funktionsprinzip unvermeidlich Pulsationen erzeugt. Ihre Ausbreitung in die peripheren Leitungen und Anlagenteile kann verschiedene nachteilige Auswirkungen nach sich ziehen. Daher werden üblicherweise Maßnahmen getroffen, um die Pulsationen zu beeinflussen bzw. auf ein ausreichend niedriges Niveau zu verringern.

Um hierzu einen detaillierten Überblick zu bekommen, soll im Rahmen diese Arbeit der Stand der Forschung und Technik auf dem Gebiet der Pulsationen in gasführenden Anlagen sowie Maßnahmen zur Vermeidung bzw. Unterdrückung recherchiert, dargestellt und bewertet werden. Es sollen dabei aktive und passive Möglichkeiten zur Pulsationsbeeinflussung betrachtet werden und in Bezug auf Effektivität, Einsatzbereich und -breite, Robustheit und Aufwand bewertet werden. Insbesondere sollen Anlagen betrachtet werden, in denen mehrstufige Hubkolbenkompressoren eingesetzt werden. Neben wissenschaftlichen und technischen Publikationen sollen insbesondere auch Patente und Firmenpublikationen mit betrachtet werden. Aus diesen Ergebnissen sollen Handlungsempfehlungen für weiterführende Forschungsarbeiten abgeleitet werden.

Hierzu sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in die Thematik der Kreuzkopfkompressoren und gasführender Anlagen
• Recherche zu Pulsationen sowie Maßnahmen und Verfahren zu deren Beeinflussung
• Dokumentation aller relevanten Recherche-Ergebnisse
• Erstellung einer zusammenfassenden Präsentation

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche

Lamellenventile werden als Ein- und Auslassorgane in Kältemittelverdichtern in milliardenfacher Stückzahl eingesetzt und sind von entscheidender Bedeutung für deren Funktionsweise und energieeffizienten Betrieb. Sie sind gleichzeitig hohen Anfor­de­rung­en sowie verschiedenen Optimierungsproblemen ausgesetzt.

Um das Verhalten derzeitiger Ventile gegenüber diesen Herausforderungen zu verbessern, existiert die Idee, anstelle des bisher verwendeten Flachstahls mehrschichtige Lamellenventile einzusetzen. Hierdurch soll u.a. die Lebensdauer sowie das Bewegungs- und Schließverhalten der Ventile durch den maßgeschneiderten Aufbau der Werkstoff­schichten und deren Eigenschaften optimiert werden. Um das Verhalten mehr­schichtiger Lamellenventile erstmals experimentell untersuchen und mit konven­tionellen Ausführ­ungen vergleichen zu können, soll ein entsprechender Versuchs­stand entworfen, aufge­baut und in Betrieb genommen werden.

Hierzu sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Recherche zum Stand der Technik und des Wissens bez. der Themenbereiche Kältemittelverdichter und Lamellenventile, insb. deren Aufbau und Erprobung
• Erarbeitung des Lastenheftes zum Versuchsstand
• Konstruktion des Versuchsstands
• Aufbau und Inbetriebnahme des Versuchsstands
• Erstellung erforderlicher Versuchsstand-Dokumente (Bedienungsanleitung, Gefährdungs­beurteilung, Betriebsanweisung)
• Schriftliche Dokumentation der Arbeiten, Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche

Durch die EU-F-Gas-Verordnung werden die verfügbaren Mengen fluorierter Kältemittel seit 2014 schrittweise reduziert. Die aktuell diskutierte Novellierung dieser Verordnung wird diese Reduzierung voraussichtlich weiter beschleunigen. Bereits heute werden daher natürliche Kältemittel wie CO₂ (R-744) oder Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Propan (R-290), für Anwendungen in der Kälte- und Wärmepumpentechnik eingesetzt.

Beim Einsatz solcher Anlagen zeigen sich Schadensfälle an den Kältemittelverdichtern, die unter anderem auf Probleme bei der Schmierung hindeuten. Im Rahmen dieser Aufgabenstellung soll daher ein Versuchsstand konzeptioniert werden, der Degradationstests von Kältemittelverdichtern ermöglicht.  

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themenfelder natürliche Kältemittel, Kältemittelverdichter und Degradationstest
• Recherche zu bestehenden Normen und Abläufen zu Degradationstests
• Konzeption eines Heißgas-Dreiecks-Prozesses unter Berücksichtigung des ausgewählten Kältemittels und Kältemittelverdichters sowie der vorhandenen Komponenten
• Auswahl und Anordnung der benötigten Messtechnik zur Überwachung des Kreislaufes
• Erarbeitung eines Regelkonzeptes für den Kreislauf
• Erarbeitung eines automatisierten Testablaufs
• Sorgfältige Dokumentation der Ergebnisse

Betreuer: Dipl-Ing. M. Joswig

Die aktuelle Verschärfung der EU-F-Gas-Verordnung schränkt schrittweise die Verwendung fluorierter Kältemittel ein. Bereits heute werden daher natürliche Kältemittel wie CO₂ (R-744) oder Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Propan (R-290), für Anwendungen in der Kälte- und Wärmepumpentechnik eingesetzt.

Beim Einsatz solcher Anlagen zeigen sich Schadensfälle an den Kältemittelverdichtern, die unter anderem auf Probleme  bei der Schmierung hindeuten. Im Rahmen dieser Aufgabenstellung soll daher ein Versuchsstand konzeptioniert werden, der die reibungs- und verschleißtechnische Untersuchung eines ausgewählten Hubkolbenverdichters für eine ausgewählte Kältemittelklasse (CO₂, A3-Kältemittel, o.ä.) ermöglicht.

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themenfelder Tribologie, natürliche Kältemittel, Kältemaschinenöle und Kältemittelverdichter
• Konzeption eines Heißgas-Dreiecks-Prozesses unter Berücksichtigung des ausgewählten Kältemittels und Kältemittelverdichters sowie der vorhandenen Komponenten
• Berechnung der relevanten kinematischen und tribologischen Größen des Kältemittelverdichters
• Auswahl und Anordnung der benötigten Messtechnik zur Überwachung des Kreislaufes
• Erarbeitung eines Regelkonzeptes für den Kreislauf
• Erarbeitung von in-situ-Methoden zur Bestimmung tribologischer Kenngrößen (z.B. Reibkraft, Anpresskraft, Verschleißweg) in den Hauptlagern der Kurbelwelle, im Pleuellager, des Kolbenbolzens und an den Kolbenringen und Auswahl der geeigneten Messtechnik
• Sorgfältige Dokumentation der Ergebnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig

Für die Milchindustrie wird derzeit eine Hochtemperaturwärmepumpe auf Basis eines R718- Kompressionskältemaschine erstellt. Als Verdichter werden zwei sogenannte Brüdenverdichter eingesetzt. Im Rahmen der studentischen Arbeit sollen diese Brüdenverdichter zunächst auf einem bereits konzipierten und aufgebauten Verdichterleistungsprüfstand vermessen werden. Die Messdaten sollen anschließend ausgewertet und daraus Verdichterkennfelder abgeleitet werden. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in einschlägige Normen zur Verdichterleistungsmessung, in das Steuerungs-/ Regelungs- / Messkonzept des Verdichterleistungsprüfstands und in die Datenblätter / die Literatur zu den ausgewählten Brüdenverdichtern
• Erstellung einer Checkliste zum Anfahren, Betreiben und Herunterfahren der Versuchsanlage
• Erste Inbetriebnahme der Versuchsanlage

Betreuer:  Dipl.-Ing. Th. Mösch

Im Rahmen eines Forschungsprojektes bei J.P. Sauer & Sohn wird aktuell eine Kompressoranlage zur Verdichtung von CO₂ speziell unter den dynamischen Randbedingungen überkritischer Anwendungen entwickelt. Neben einem experimentellen Versuchsaufbau der zu einem späteren Zeitpunkt realisiert wird, soll ein modulares Simulationsmodell in der Software Dymola von Dassault Systemes unter Verwendung der TIL-Suite von TLK-Thermo aufgebaut werden, mithilfe dessen sich das Verhalten des Kompressors abbilden lässt.

Vorgesehen ist hierzu ein semi-empirisches Modell das im ersten Schritt die Reproduktion des erwarteten stationären Verdichterverhaltens aus der Vorauslegung erlaubt. Dabei ist die Anpassung des Modells mithilfe messtechnisch erfasster Daten aus dem Versuch vorzubereiten.

Zudem soll die Erweiterung des Modells auf instationäre Betriebszustände und Schaltvorgänge während des Betriebs konzeptionell ausgearbeitet werden, sodass eine spätere Integration in ein übergeordnetes Anlagenmodell ermöglicht wird.

Die Aufgabenstellung umfasst:

• Die Einarbeitung in die Softwares Dymola und TIL, sowie die Programmierumgebung Modelica.
• Den Aufbau eines semi-empirischen stationären Modells des Verdichters, das die Anpassung über später zu ermittelnde Messwerte am Versuchsaufbau ermöglicht.
• Die Konzipierung einer späteren Erweiterung des Modells auf instationäre Betriebsfälle.
• Die Präsentation der Ergebnisse im Hause Sauer, sowie die Übergabe des Simulationsmodells.

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche, Dipl.-Ing. B. Bederna

Für die thermodynamische Berechnung von Verdrängermaschinen (insb. vom Typ Hubkolben, Wankel und Schrauben-Spindel) liegt eine intern entwickelte Software KVA (Kolbenverdichteranlagen) vor. Mit dieser Software können Verdrängermaschinen im Rahmen eines thermodynamischen 0D-Kammermodells sehr detailliert beschrieben und schnell berechnet werden. Die Software bzw. die dort verwendeten Methoden/Funktionen selbst basieren auf Skripten der Programmiersprache Fortran und sollen im Rahmen einer studentischen Arbeit auf die Programmiersprache Python übertragen werden. Um die Vorteile von Fortran weiterhin zu nutzen, soll der Code weitestgehend erhalten bleiben und als neue Python-Bibliothek umgesetzt werden (z.B. mittels F2PY = Fortran to Python interface generator). Ziel dieser Bibliothek ist es, ein komplettes Verdrängermaschinenmodell in Python auf Basis von Fortran-(bzw. KVA-)modulen erstellen zu können. Die Aufgabe umfasst folgende Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in die bisherige Software KVA und die programmatischen Zusammenhänge (z.B. Klassen, Kapselung, …) und Parameter
• Einarbeitung in die Schnittstelle Fortran/Python (z.B. F2PY) und die notwendigen Deklarationen zur Einbindung von Fortran-Code in Python
• Erstellung einer Python-Bibliothek auf Basis der Fortran-Module unter Beachtung einer guten Benutzerfreundlichkeit (z.B. Parameterbezeichnungen und Dokumentation)
• Erstellung eines exemplarischen Verdichtermodells (auf Basis eines bestehenden Fortran-Modells) in Python
• Vergleich des Python basierten Verdichtermodells mit dem Fortran-Modell hinsichtlich Berechnungszeit und Ergebnisgüte

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Die Europäische Union verfolgt mit dem European Green Deal das Ziel einer ressourceneffizienten Wirtschaft. U.a. wird die Verbesserung der Ressourceneffizienz und Langlebigkeit von Produkten angestrebt. Bei Kältemittelverdichtern spielt hierfür die Verringerung der genutzten Ressourcen wie Schmieröl eine entscheidende Rolle. Da es im Stand der Technik bisher nur vereinzelte Untersuchungen zu ölfreien Kälteanlagen und Wärmepumpen gab, sollen mittels eines Demonstrators die Potentiale des ölfreien Betriebs aufgezeigt werden.

Da bisher wenig Erfahrungen mit dem Betrieb ölfreier Scroll-Verdichter für Wärmepumpenanwendungen vorliegen, soll in einem ersten Schritt ein thermodynamisches Simulationsmodell für einen vorhandenen Verdichter erstellt werden.

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themengebiete Scroll-Verdichter, Wärmepumpen, ölfreie Verdichtung und Kaltdampfkompressionsanlagen
• Einarbeitung in die Open-Source-Simulationssoftware PDSim
• Geometrische Vermessung der vorhandenen Scroll-Geometrie
• Erstellung eines thermodynamischen Modells des Scroll-Verdichters
• Zusammenfassung und Dokumentation der Herangehensweise, der Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig

Die Europäische Union verfolgt mit dem European Green Deal das Ziel einer ressourceneffizienten Wirtschaft. U.a. wird die Verbesserung der Energieeffizienz und der Langlebigkeit von Produkten angestrebt. Bei Kältemittelverdichter spielt hierfür die Verringerung der auftretenden Reibverluste eine entscheidende Rolle. Da die Einzelreibverluste nicht ausreichend bekannt sind, sollen diese mittels eines Simulationsmodells ermittelt werden.

Mit dem Simulationsprogramm GT-Suite sind prädiktive Reibverlust-Modellierungen möglich. Im Rahmen dieser Aufgabenstellung soll ein Modell für einen Hubkolbenverdichter für natürliche Kältemittel aufgebaut und erste Simulationen durchgeführt werden.  Für die Bearbeitung steht ein PC mit notwendiger Software zur Verfügung.

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themenfelder Kältemittelverdichter, Einsatzgrenzen-Diagramm, Kältemaschinenöle, Schmierungstechnik und Simulation mit GT-Suite
• Literaturrecherche hinsichtlich Predictive Friction Modeling
• Erstellung eines CAD-Modells für die Simulation anhand vorgegebener Verdichterbauteile
• Aufbau des Simulationsmodells in GT-Suite und Implementierung von ausgewählten Reibkontakten und Lagerstellen unter Berücksichtigung der Schmieröl-Kältemittel-Interaktion
• Simulation der Reibverluste in verschiedenen Betriebspunkten des Verdichters
• Vergleich der Einzelreibverluste und Vergleich zur gesamten Maschine (indizierte Arbeit, mechanischer Wirkungsgrad, etc.)
• Durchführung einer Parameterstudie (Oberflächenrauhigkeit, Ölviskosität, Geschwindigkeit, etc.) in einem ausgewählten Betriebspunkt, um Optimierungspotentiale hinsichtlich der Reibverluste aufzuzeigen
• Zusammenfassung und Dokumentation der Herangehensweise, der Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig

Schrauben-Spindel-Verdichter stellen eine Sonderform von Schraubenverdichtern da. Sie werden typischerweise in der Vakuumtechnik eingesetzt. In vorhergehenden Arbeiten wurde zunächst ein Berechnungstool namens „KVA-Spindel“ erstellt und Messungen mit einer bestehenden Schrauben-Spindel-Vakuumpumpe durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Berechnungstool mithilfe der Messdaten validiert und durch gezielte Anpassung von Parametern optimiert werden. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in bisherige Arbeiten zur Messung und zum Programm „KVA-Spindel“ sowie in Normen zur Verdichterleistungsmessung / -kennfeldern
• Aufbereitung und Auswertung der Messergebnisse
• Durchführung von Berechnungskampagnen mithilfe von „KVA-Spindel“ und den Messergebnissen zugrundeliegenden Betriebsparametern
• Vergleich von Messung und Berechnung und iterative Anpassung ausgewählter Berechnungsparameter
• Erstellung von Verdichterleistungskennfeldern mithilfe von einer Parameterstudie in „KVA-Spindel“

Betreuer:  Dipl.-Ing. Th. Mösch

Bei Hubkolbenkompressoren werden durch das oszillierende Funktionsprinzip unvermeidlich Pulsationen erzeugt. Ihre Ausbreitung in die peripheren Leitungen und Anlagenteile kann verschiedene nachteilige Auswirkungen nach sich ziehen. Daher werden üblicherweise Maßnahmen getroffen, um die Pulsationen zu beeinflussen bzw. auf ein ausreichend niedriges Niveau zu verringern.

Ziel der Arbeit ist es, ein eindimensionales Simulationsmodell einer repräsentativen Kolbenkompressoranlage Basis von Open-Source-Softwaretools (z.B. OpenModelica) zu erstellen und zu testen. Die Anlage soll im Modell so abgebildet werden, dass das instationäre Verhalten der thermodynamischen und strömungsmechanischen Größen während des Betriebs wiedergegeben wird. Damit sollen dann Druckschwankungen, die der Kompressor erzeugt und die sich in der Anlage fortpflanzen, berechnet und untersucht werden. Das Modell soll so gestaltet werden, dass es für verschiedenste Anlagen angepasst werden kann und später dazu dienen, Pulsationen in Kompressoranlagen zu modellieren und zu verstehen.

Hierzu sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in die Thematik der Kreuzkopfkompressoren und gasführender Anlagen sowie in die Funktionsweise und Handhabung einer geeigneten Simulationssoftware
• Erarbeitung eines vielseitigen, leistungsfähigen Simulationsmodells zur Berechnung der instationären thermo- und fluiddynamischen Vorgänge in einer Hubkolbenkompressoranlage
• Validierung des erarbeiteten Simulationsmodells
• Exemplarische Darstellung verschiedener Berechnungsfälle mit Erläuterungen
• Erstellung einer Benutzer-Dokumentation zum erarbeiteten Simulationsmodell

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche

Für die Kolbenstangeninnenkühlung, die sich als vielversprechende Kühltechnologie für Kreuzkopfverdichter gezeigt hat, ist die Kolbenstange hohlzubohren. Dadurch wird auch die tragende Querschnittsfläche der Kolbenstange verringert, welche den wechselnden Belastungen im Verdichterbetrieb standhalten muss. Besonders diese Dynamik und die in diesem Fall zu berücksichtigende Versagensform des Knickens erschweren die korrekte Vorausberechnung und Aussagen zur Dauerfestigkeit. Daher soll in dieser Arbeit ein Berechnungsmodell entwickelt werden, mit dem das zeitliche Festigkeitsverhalten einer hohlen Kolbenstange in Abhängigkeit aller relevanten Belastungen und der geometrischen sowie werkstofftechnischen Eigenschaften ermittelt werden kann.

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche