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Prof. Dr.-Ing. habil. U. Groß, [email protected] , http://tu-freiberg.de/fakult4/iwtt/ttd/ 1

Lehrstuhl für

Technische Thermodynamik Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Groß

Kurzdarstellung des Lehrstuhls


Lehrstuhl für Technische Thermodynamik

• Technische Thermodynamik, Thermofluiddynamik

• Wärme und Stoffübertragung

• Projektierung von Wärmeübertragern

• Geothermie, Wärmepumpen, Kälteanlagen

• Thermophysikalische Stoffeigenschaften

Lehrstuhl für Gas und Wärmetechnische Anlagen • Porenbrennertechnologie

• Energietechnik, Brennstoffzellen

• Hochtemperaturanlagen

• Berechnung und Modellierung für den Industrieofenbau

• Anwendung der Mikrowellentechnologie

• Gewinnung von Biogas aus regenerativen Materialien

Lehrstuhl für Gastechnik

• Gasanwendung, -versorgung, -technik

• Management in der Gasökonomie

Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik

Freiberg - Universität


Lehrstuhl Technische Thermodynamik

Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik unter der Leitung von

Prof. Dr.-Ing. habil. U. Groß beschäftigt sich seit mehr als 20 Jahren mit

experimentellen und numerischen Untersuchungen zum

Wärmeübergang bei der Kondensation und Verdampfung. Ein weiterer

Forschungsschwerpunkt des Lehrstuhls ist die Untersuchung und

Bestimmung thermophysikalischer Eigenschaften.

Arbeitsgruppe: Thermophysikalische Stoffeigenschaften

Arbeitsgruppe: Konvektive Wärmeübertragung

• Messung von:

• Wärmeleitfähigkeit (bis 1600°C)

• Temperaturleitfähigkeit (bis 1800°C)

• spezifische Wärmekapazität (bis 1600°C)

• thermische Ausdehnung (-180 bis 1600°C)

• Materialien:

• Metalle (fest, flüssig), Schaumstrukturen, Dämmstoffe, Baustoffe,

• Granulate, Spritzschichten (thermal barrier coatings)

• Kalibrierung von Temperatur-Messfühlern

• Grundlagenforschung zum Wärmeübergang bei Phasenänderungen

• Tropfenkondensation

• Fallfilmverdampfung und -Kondensation

• Wärmerohr

• Geothermie

Arbeitsgruppe: Numerische Thermofluiddynamik

• Strömungen mit gekoppelten Transportprozessen (Wärmeübertragung,

Verbrennung, Mehrphasen)

• Strömungen mit freien Oberflächen (Filmströmungen) Geothermie

• Optimierung von Wärmeübertragern und thermischen Prozessen

• Verwendung von Lattice-Boltzmann-Methoden für Mehrphasensysteme

(Entwicklung eines LBM-Programmes, LBM3f)

• Geothermie


Fallfilmverdampfung und -kondensation

• S. Thumm: Filmkondensation im senkrechten Rohr bei Gegenstrom von Dampf und Flüssigkeit. Diss., TU

Bergakademie Freiberg, 2000

• U. Gross: Reflux condensation heat transfer inside a closed thermosyphon. Int. J. Heat and Mass Transfer 35

(1992), S. 279-294.

• Wärmeübergangsmessung in senkrechten Rohren:

- untersuchte Flüssigkeiten: Wasser, Ethanol, Isopropanol

- Einfluss der dampfseitigen Schubspannung

- Gleichstrom/Gegenstrom



Filmkondensation (Dampf-Gegenströmung)

• U. Gross: Shear Stress Effects on Counter Current Film Condensation inside Tubes: a Review of Recent

Developments 90 Years after Nusselt. Proceedings, Invited lecture at International Heat Transfer Conference

2006, Sydney, Australia

• U. Gross, Ch. Philipp: Conjugated Shear Stress and Prandtl Number Effects on Reflux Condensation Heat

Transfer inside a Vertical Tube. Int. J. Heat Mass Transfer 49 (2006) 144-153

• U. Gross, Ch. Philipp, S. Thumm: Effect of countercurrent vapour flow on film condensation heat transfer inside a

vertical tube. Proc. 12th Internat. Heat Transfer Conf., Grenoble/Frankreich, 18.-22.8.2002

• S. Thumm, Ch. Philipp, U. Gross: Film condensation of water in a vertical tube with countercurrent vapour flow. Int.

J. Heat and Mass Transfer, 44(22), 4245-4256, 2001


- Einfluss der dampfseitigen Schubspannung auf den

Wärmeübergang

- Einflüsse der Reynolds-, Prandtl-, Kapitza-Zahl, Schubspannung

Dimensionlose Schubspannung


0.42

0.47

0.52

0.57

0.62

0.67

0.00 0.25 0.50 0.75 t *

Nu

22 °C

50 °C

*

**

Re 1.4

Re 2.4

Re 6.5

Re 6.7

**

*


Filmkondensation (Extrapolation zum ruhenden Dampf)

• U. Gross, Th. Storch, Ch. Philipp, A. Doeg : Wave Frequency of Falling Liquid Films and its Effect on Reflux

Condensation in Vertical Tubes. Int. J. Multiphase Flow, 35 (4), 398 – 409, 2009

• Ch. Philipp, A. Doeg, S. Kufaas Tellefsen, U. Gross: Wave Characteristics of Liquid Films – Correlation of Heat

Transfer Data with Visual Observations. Proc. International Heat Transfer Conference 2006, Sydney, Australia


- Grenzfall für vernachlässigbare Dampfgeschwindigkeit

- untersucht wurde der laminar-wellige Bereich

- Einflüsse der Reynolds-, Prandtl- und Kapitza-Zahl

Wellenfaktor



Fallfilmverdampfung und Wellenstruktur

•Untersuchung der Filmstruktur

(Wellenform, -frequenz) und

deren Einfluss auf den

Wärmeübergang

•Benetzungsuntersuchungen

(Wasserfilm – verschiedene

Oberflächen)

glass

liquid in

brass tube D = 28.2 mmwith a heated, cooled orisothermal outer surface

pencil-like camera 1 D = 14 mm

glass

liquid out

light 1

15

80

measuring level (heat transfer)

vapour out to condenser 2or in (for condensation)

vapour out to condenser 1

12

0

o

i

light 2

camera 2

7 x

20

= 1

40

measuring probe

37

50

Film – Reynolds-Zahl

Wellen-

frequenz

Wellen-

faktor

Wellenstruktur


• Th. Storch, Ch. Philipp, U. Gross: Zero Shear-stress Experiments of Falling Film Evaporatioon inside a Vertical

Tube. Proc. 5th Europ. Thermal Sci. Conf. (EUROTHERM 2008), 2008, Eindhoven, Netherlands, Paper No. 699 • U. Gross: Falling film evaporation inside a closed thermosyphon.Proc. 8th I. Heat Pipe Conf, Beijing 1992,S. 83-88

• Th. Storch, Ch. Philipp, A. Doeg, U. Gross: Heat Flux Effects on Falling Film Evaporation inside a vertical tube. 7th

World Conf. on Exp. Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 28.6.-03.7.2009, Krakow, Polen

• U. Gross, Th. Storch, Ch. Philipp, A. Doeg, : Wave frequency of falling liquid films and the effect on reflux

condensation in vertical tubes. International Journal of Multiphase Flow 35, 2009, S. 398–409


Geothermische Phasenwechselsonden

• U. Gross: Über die Thermofluiddynamik geothermischer Direktverdampfungssonden. Vortrag: Sächsische

Akademie der Wissenschaften zu Leipzig, 9. 5. 2008

• T. Grab, T. Storch, S. Braune, U. Gross, S. Wagner, Performance of a geothermal heat pipe using propane, in: VIII

Minsk Int. Seminar. Minsk, 2011.

• T. Storch, T. Weickert, T. Grab, U. Gross, M. Kasper, Wetting and film behavior of Propane

inside geothermal heat pipes., in: 16th Int. Heat Pipe Conf., 2012.

• Umsetzung des Prinzips der Fallfilmverdampfung in der

Geothermie (oberflächennah; auch tiefe Geothermie)

• Benetzungsuntersuchungen

- Fluideigenschaften

- Geometrie – makroskopisch (Länge, Durchmesser,

Neigungswinkel)

- Geometrie – mikroskopisch (Oberflächenstruktur, Werkstoff,

Beschichtung)

• Thermofluiddynamische Berechnungen für die Auslegung

von Geothermieanlagen (zeitabhängige Temperaturfelder im

Nahbereich geothermischer Sonden)

Quelle: TU Bergakademie Freiberg



Bau von Apparaturen zur Messung der

Wärmeleitfähigkeit

• G. Barth, U. Gross, R. Wulf: A New Panel Test Facility for Effective Thermal Conductivity Measurements

up to 1,650

C. Int. J. Thermophysics 28 (2007) 1668 - 1678

• W. Poessnecker, U. Gross: A quasi-steady Cylinder Method for Simultaneous Thermophysical Property

Measurements up to 2000K. J. of Thermal Analysis and Calorimetry 86 (2006) 809-817


Panel test facility PMA4 – schematic drawing

heating section:

fibreboards

heating elements measuring section:

lightweight firebricks

sample

cooling system

calorimeter system (adjustable in height)


Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffen:

Vergleich unterschiedlicher Messverfahren

• R. Wulf: Wärmeleitfähigkeit von hitzebeständigen und feuerfesten Dämmstoffen – Untersuchungen zu Ursachen für

unterschiedliche Messergebnisse bei Verwendung verschiedener Messverfahren. Dissertation, TU Bergakademie

Freiberg, 2009

• R. Wulf, G. Barth, U. Gross: Intercomparison of Insulation Thermal Conductivities Measured by Various Methods.

Int. J. Thermophysics 28 (2007) 1679 - 1692

• R. Wulf, U. Gross, G. Barth: Wärmeleitfähigkeit keramischer Fasermatten – vergleichende

Messungen mit unterschiedlichen Methoden. Keramische Zeitschrift 56 (2004) 554-561



Wärmeleitung in porösen Medien (Knudseneffekt)

• U. Gross, K. Raed: Study on the Effective Thermal Conductivity of Macro, Micro and Nano Porous Materials in the

Light of Knudsen Conduction/ Radiation Coupling Effect. Proc 14th Int. Heat Transfer Conf., IHTC14, August 8–13,

2010, Washington, DC, USA

• K. Raed, U. Gross: Modeling of Influence of Gas-Atmosphere and Pore Size Distribution on the Effective Thermal

Conductivity of Knudsen and non-Knudsen Porous Materials. Int. J. Thermophysics, 30 (2009) 1343 - 1356

• K. Raed, U. Gross: Modeling Gas Atmosphere Contributions to the Effective Thermal Conductivity of Macro, Micro,

and Nano Porous Materials. Angenommen für die 18th European Conference on Thermophysical Properties, August

31st to September 4th to 8th 2008, Pau, France

• K. Raed, U. Gross: Review on Gas Thermal Conductivity in Porous Materials and Knudsen Effect. in: Thermal

Conductivity 29, DEStech Publ., Lancester, Pennsylvania, USA, ISBN No. 978-1-932078-72-5, 2008, 357-373


- reduzierte Wärmeleitfähigkeit

a) bei nanoskaligen Poren

b) bei reduziertem Druck

- dazu: Experimente, Korrelation, Numerik für mikro- und nanoskalige Poren


Temperaturleitfähigkeit von Metallen

• S. Rudtsch, H.-P. Ebert, F. Hemberger, G. Barth, R. Brandt, U. Gross, W. Hohnauer, K. Jaenicke-Roessler, E.

Kaschnitz, E. Pfaff, W. Poeßnecker, G. Pottlacher, M. Rhode, B. Walthan: Intercomparison of Thermophysical

Property Measurements on an Austentic Stainless Steel. Int. J. of Thermophysics 26 (2005) 3, 855-867


- Zinn, Kupfer, Aluminiumlegierungen (fest, flüssig)

- Gemessen mit einer Laser-flash Apparatur

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Temperatur in °C

Te

mp

era

turl

eit

fäh

igk

eit

in

cm

²/s

Kupfer - Schmelztemperatur 1083 °C

Aluminiumlegierung

Zinn - Schmelztemperatur 232 °C


Wärmeleitfähigkeit von Stahl am Curiepunkt

• U. Gross, G. Barth: Measured Transport Properties of Steel along the Ferromagnetic to Paramagnetic Transition

(Curie Point). Proc. 8th Asian Transport Properties Conf., 21.-24. 8. 2007, Fukuoka, Japan, Paper No. 122

• S. Rudtsch, H.-P. Ebert, F. Hemberger, G. Barth, R. Brandt, U. Gross, W. Hohnauer, K. Jaenicke-Roessler, E.

Kaschnitz, E. Pfaff, W. Poeßnecker, G. Pottlacher, M. Rhode, B. Walthan: Intercomparison of Thermophysical

Property Measurements on an Austentic Stainless Steel. Int. J. of Thermophysics 26 (2005) 3, 855-867


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

300 500 700 900 1100 1300 1500 1700

Temperature / K

Th

erm

al d

iffu

sivit

y / c

m 2s

-1

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

300 500 700 900 1100 1300 1500 1700

Temperature / K

Sp

ecif

ic h

eat

/ J g

-1K

-1

TCurie

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

300 500 700 900 1100 1300 1500 1700

Temperature / K

Th

erm

al co

nd

ucti

vit

y / W

m -

1 K

-1

CurieTTemperatur-

leitfähigkeit

Spezifische

Wärmekapazität

Wärmeleit-

fähigkeit



Messung der Wärmeleitfähigkeit von

Spritzschichten

• O. Nashed, U. Gross, H.J. Seifert: Preparation and Thermophysical Property Determination of La2Zr2O7

Ceramics for Thermal Barrier Coatings. Angenommen für die 18th European Conference on Thermophysical

Properties, August 31st to September 4th to 8th 2008, Pau, France

• B. Wielage, G. Reisel, A. Wank, U. Gross, G. Barth: Optimization of Wear Protective Coatings for Heat

Transferring Components. Thermal Spray 2004: Advances in Technology and Application: Proceedings of the

International Thermal Spray Conference, May 10th to 12th 2004, Osaka, Japan, 504-509


Optimierung von Wärmeübertragern und

thermischen Prozessen (Rippen-/Lamellenrohrbündel)

• A. Hantsch, T. Reis, U. Gross: Numerical simulation of thermal effects with lattice Boltzmann method 8. Int. Conf.

for Mesoscopic Methods in Engineering and Science (ICMMES), 4.–8. Juli 2011, Lyon, Frankreich

• R. Rakette, D. Lange, I. Riehl: Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsbrennern und deren Einsatz an

prozessoptimierten Anlassöfen.Gaswärme International 6 (2008) 445-448

• M.S. Mon, U. Gross: Numerical study of fin-spacing effects in annular-finned tube heat exchangers. International

Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004) 1953-1964

• S. Kaminski, U. Gross: Luftseitige Transportprozesse in Lamellenrohrbündeln – numerische Untersuchung. KI Luft-

und Kältetechnik 39 (2003) 220-224

• I. Rez, U. Gross, S. Kaminski, I. Riehl: The numerical investigation of temperature and flow field in finned-tube heat

exchangers. Proceedings of the MicroCAD International Scientific Conf., 6.-7.3.2003, Miskolc/Ungarn, 109-117

Anwendung von CFD-Methoden zur Auslegung,

Nachrechnung und Optimierung von Wärmeübertragern,

Gasbrennern und verfahrenstechnischen Anlagen

Einsatz spezieller Optimierungsstrategien



Strömungen mit gekoppelten Transportprozessen

• A. Hantsch, I. Riehl, U. Gross:Falling liquid film modelling with Shan–Chen model. 7th Int. Conf. for Mesoscopic

Methods in Engineering and Science (ICMMES), 12.–16. Juli 2010, Edmonton, Kanada

• Hantsch, A.: Documentation for the multiphase Lattice Boltzmann solver LBM3f; LBM3f_2d, V. 1.2, TU

Bergakademie Freiberg, (2009)

• R. Rakette, D. Lange, I. Riehl:Development of high velocity burners and their use in process-optimized

tempering furnaces.Heat Processing 1 (2009) 36-38

• R. Rakette, D. Lange, I. Riehl: Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsbrennern und deren Einsatz an

prozessoptimierten Anlassöfen.Gaswärme International 6 (2008) 445-448

• Rakette, R.; Harbeck, W.; Riehl, I.: Charakterisierung der Wärmeübertragungsverhältnisse beim Einsatz von

Flachflammenbrennern. Gaswärme International (53) 6, 2004

Wärmeübertragung

Verbrennung

Mehrphasen


Beschreibung der gekoppelten Transportprozesse von

Masse, Impuls, Energie, Massespezies für Ein- &

Mehrphasenströmungen

Strömungen mit freien Oberflächen (Filmströmungen)

Untersuchung des Wärmeüberganges in Filmen mit

Strukturbildung

Vergleich unterschiedlicher Modellansätze (RANS, Lattice-

Boltzmann) mit experimentellen Daten und Entwicklung

eines geeigneten Berechnungsmodells

Entwicklung des Mehrphasen Lattice-Boltzmann-

Programmes LBM3f

Beschreibung der Strömung und Wärmeübertragung in

frei fließenden Flüssigkeitsfilmen


Geothermie

Entwicklung und Anwendung von Modellen geothermischer

Sonden (Flüssigkeitssonden und Direktverdampfersonden)

mit unterschiedlichem Abstraktionsgrad

Entwicklung und Anwendung von Modellen zur

Beschreibung der gekoppelten Transportprozesse im

Boden beim Einsatz geothermischer Sonden

Langzeitsimulation geothermischer Energiegewinnung bei

beliebigem Betriebsregime (Ausspeisung-Einspeisung)


CFD-basierte Berechnungen: Einsatz von kommerzieller

(StarCCM+, CFX, Fluent) und freie (OpenFOAM) CFD-

Codes

Geothermische Berechnungen basieren vorwiegend auf

eigenen Codeentwicklungen.

• A. Hantsch, U. Gross, Numerical investigation of partially-wetted geothermal heat pipe performance. eingereicht

zur Veröffentlichung bei: Geothermics (07.2012).

• Th. Oppelt, I. Riehl, U. Gross: Modelling of the borehole filling of double U-pipe heat exchangers. Geothermics

39 (2010) 3, 270-276

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