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Energiesysteme und Kältetechnik

Unter Energiesystemen versteht man generell technische Einrichtungen, bei welchen Prozesse zur Energieumwandlung oder Energiebereitstellung eine wichtige Rolle spielen. Typischerweise werden dabei grosse Energiemengen umgesetzt, wodurch es aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht besonders wichtig ist auf hohe Effizienz zu achten.

Schwerpunkt

Im Kompetenzbereich Energiesysteme beschäftigen wir uns mit der Frage, wie die vorhandenen Ressourcen möglichst nutzbringend eingesetzt werden können. Komplexe Energieflüsse werden auf übergeordneter Systemebene analysiert und Optimierungsansätze ausgearbeitet. Hierbei ist es wichtig, die darunter liegenden Vorgänge und Technologien im Detail zu verstehen.

Kompetenzen

Die Kompetenzen des IEFE innerhalb der Fachgruppe Energiesysteme und Kältetechnikumfassen die Bereiche Kältetechnik, Wärmetauscher, Berechnungsmodelle, Anlagen- und Prozessoptimierung, Labor- und Feldmesstechnik.

  

Kältetechnik

Kältemaschinen und Wärmepumpen zählen zu den dominierenden Verbrauchern von elektrischer Energie. Rund 14 % des Elektrizitätsbedarfes in der Schweiz lässt sich auf diese Geräte zurückführen. Werden Kälteanlagen flächendeckend effizienter betrieben, kann eine grosse Menge an Energie eingespart werden.

Das Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) beschäftigt sich intensiv mit der Kältetechnik und arbeitet an einem Messverfahren zur On-Site Performancemessung an Kältemaschinen. Erst wenn die exakte Betriebsweise einer Kälteanlage geklärt ist, lassen sich gezielt Verbesserungen angehen. Hierfür entwickelt das IEFE spezifische Berechnungsprogramme, die aufgrund verschiedener Szenarien den Jahresenergieverbrauch einer Anlage ermitteln.

Ergänzend setzt sich der Fachbereich Energiesysteme mit Kältemitteln und deren Einsatz auseinander. Der Wechsel von umweltschädlichen chlor- und fluorhaltigen zu natürlichen Kältemitteln ist gesetzlich verordnet und muss früher oder später vollzogen werden. Dabei kann das IEFE, ausgestattet mit dem schweizweit einzigartigen Kälteprüfstand, Planern und Anlagenbauern Unterstützung anbieten.

Der Bereich Kältetechnik bietet Kompetenzen wie eine mobile Messeinrichtung, den Kälteprüfstand und das JAZ-Tool.

Anlagen- und Prozessoptimierung

Das IEFE verfügt über ein breites Know-how und langjährige Praxiserfahrung im Bereich Anlagen- und Prozessoptimierungen bei verschiedensten thermischen, fluiddynamischen, energie- oder produktionstechnischen Anlagen. Die Energieeffizienz sowie die Prozesssicherheit und -qualität steht dabei stets im Vordergrund – mit positiven Effekten für Wirtschaft und Umwelt. Ziel des IEFE ist es, entscheidende Wettbewerbsvorteile am Markt für unsere Kunden zu generieren.

Thermische Berechnungsmodelle

Modelle sind nützliche Werkzeuge bei der Planung und Optimierung von Anlagen sowie beim Vergleich verschiedener Technologien und können bei der Wahl und Auslegung von Maschinenkomponenten helfen.

Je nach Zweck muss ein Modell die Realität unterschiedlich detailliert abbilden können. Für qualitative Aussagen und grobe Schätzungen genügen einfache Modellansätze, während für die Berücksichtigung von transienten Effekten (zum Beispiel thermische Trägheit) ausführliche, dynamische Modelle erforderlich sind.

Der Anwendungsbereich thermischer Berechnungsmodelle ist gross und vielseitig. Nach Möglichkeit wird die Modellbildung mit einer Messkampagne am jeweiligen Objekt begleitet, um das Modell zu validieren.

Bei der Modellentwicklung geht das IEFE methodisch vor. Bei den zu berechnenden Anlagen bzw. Komponenten werden die Systemgrenzen gezogen, die Details abstrahiert und die wichtigsten Prozessgrössen definiert. Der aktuelle Stand der Forschung und Entwicklung auf dem jeweiligen Gebiet wird vorab mit einer Literaturrecherche erfasst.

Auf dieser Basis werden die Berechnungsmodelle mit den gebräuchlichsten Softwarewerkzeugen wie MATLAB beziehungsweise Simulink und Excel VBA aufgebaut, wobei zur Berechnung von Zustandsgrössen auf Stoffdatenbanken zurückgegriffen wird. 

Labor- und Feldmesstechnik

Das IEFE verfügt über grosses praktisches und theoretisches Wissen in der Labor- und Feldmesstechnik. Mobile oder kleinere bis mittlere Maschinen, deren einzelne Komponenten und ganze Anlagen können in der hauseigenen Laborhalle untersucht werden. Dazu konzipiert, baut und nimmt das IEFE, wenn nötig oder vom Kunden gewünscht, Prüfstände mit der passenden Messtechnik in Betrieb.

Für die Datenerfassung, Anzeige und Auswertung werden bedarfsgerechte Programme erstellt. Für grössere und ortsfeste Maschinen bietet das IEFE Feldmessungen vor Ort beim Kunden an. Dabei wird den jeweiligen Umgebungsbedingungen wie Schmutz, hohen Temperaturen etc. Rechnung getragen.

Mit modernsten Datenloggern unterschiedlichster Ausführung erfolgt die Messdatenaufzeichnung kabellos. Dabei können Messdaten vor Ort gespeichert oder laufend mit einem eigens dafür eingerichteten Server über das Internet synchronisiert werden. So kann auf Ihren Wunsch ein Monitoring mit Fernabfrage des untersuchten Objekts aufgebaut und betrieben werden.

Nachfolgend eine Auswahl vorhandener Messtechnik am IEFE:

  • Div. Temperatur-, Druck- und Feuchtemesstechnik
  • Div. Durchflussmesstechnik (u.a. Ultraschall-Messverfahren
  • Leistungsmessungen (elektrisch, thermisch)
  • Wärmebildkamera
  • PIV-Geschwindigkeitsmessung (Particle Image Velocimetry)
  • LDA-Geschwindigkeitsmessung (Laser Doppler Anemometry)
  • CO2-Messungen

Die aus den Messkampagnen resultierenden Erkenntnisse bilden oft die Grundlage für Neu- und Weiterentwicklungen von Maschinen, deren einzelnen Komponenten oder ganzen Anlagen. Das IEFE arbeitet eng mit unseren Kunden mögliche Lösungsansätze aus und überprüft deren Machbar- und Wirksamkeit in der Praxis. 

Kompetenzbeispiel: Prüfstand zur Performancemessung von Kundenanlagen

Kompetenzbeispiel: Performance-Messung vor Ort

Wärmetauscher

Die Wärmeübertragung spielt bei industriellen und gebäudetechnischen Anlagen eine zentrale Rolle. Ein grosser Knackpunkt bei Wärmetauschern stellt die Verschmutzungsproblematik (Fouling) dar. Viele durchströmende Medien verschmutzen die Wärmetauscher, wodurch sich auf Dauer die Effizienz der Wärmeübertragung markant verringert. Mit speziellen Oberflächenbeschichtungen kann das Anhaften von Schmutzpartikeln erschwert werden.

Bei besonders schmutzigen Medien kann unter Umständen mit einem Reinigungsmechanismus die Funktion des Wärmetauschers sichergestellt werden. Oft liegt die Lösung in der Kombination von unterschiedlichen Ansätzen, ausgerichtet auf die spezifischen Anforderungen des vorherrschenden Prozesses.

Weitere aktuelle Themen betreffend Wärmetauschern sind Hochtemperaturanwendungen, der Einsatz nichtmetallischer Werkstoffe für den Bau von Wärmetauschern und Konzepte zur Nutzung von Abwärme bei den unterschiedlichsten Anwendungen. Das IEFE untersucht bestehende oder neuartige Wärmetauschertechnologien mittels Feldmessungen und/oder in Labortests. Hierfür braucht es oft massgeschneiderte Messkonzepte und Prüfstandsbauten sowie genauste Messtechnik.

Gerne stehen wir Ihnen bei Ihren Fragestellungen mit unseren Kompetenzen zur Seite. Wir unterstützen und begleiten Sie bei Neu- und Weiterentwicklungen sowie messtechnischen Herausforderungen.

Die Abbildung zeigt einen Wärmetauscher.

Projektbeispiele Energiesysteme und Kältetechnik