Wasserbauliches Forschungslabor - Messeinrichtungen

Einrichtungen im Labor (Wärmetechnischer Versuchsstand)

Im Folgenden wird der wärme- und strömungstechnische Versuchsstand vorgestellt, der im Außenbereich des wasserbaulichen Forschungslabors für Untersuchungen an Wärmeübertragern zur Verfügung steht.

zurück zur Übersicht "Messeinrichtungen"

Luftbild des wärmeströmungstechnischen Versuchs- und Prüfstands
Luftbild des wärmeströmungstechnischen Versuchs- und Prüfstands

Wie kann die in Fließgewässern enthaltene hydrothermale Energie möglichst effizient genutzt werden? Die Beantwortung dieser Fragestellung und wie das geringe Temperaturniveau von Fließgewässern nachhaltig den Raumwärmebedarf und die Warmwasserbereitstellung von Gebäuden decken kann, ist einer der Aufgabenbereiche am Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik.

Um den Einfluss thermohydrodynamischer Parameter auf die Wärmeentzugsleistung zu bestimmen und unterschiedliche Ausführungen von Wärmequellenanlagen zu prüfen, betreibt das Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik unter naturnahen und reproduzierbaren Feldbedingungen einen wärmeströmungstechnischen Prüfstand im Außenbereich des wasserbaulichen Forschungslabors. Hierzu umfasst der wärmeströmungstechnische Prüfstand einen gewässerseitigen Wärmequellenkreislauf und einen anlagenseitigen Primär- sowie Heizkreislauf.

Im Wärmequellenkreislauf bildet ein durchströmbares Wasserbecken den Ausschnitt eines Fließgewässers als Umweltwärmequelle ab. Dazu leitet eine Umwälzpumpe das Flusswasser am Beckenende über verschiedene Rohre in eine strömungsberuhigte Vorkammer mit Gleichrichtersieb. Hier können die großskaligen Wirbel der turbulenten Strömung wie auch der Strömungsdrall reduziert werden. Anschließend tritt die vergleichmäßigte sowie möglichst störungsfreie Strömung als Tauchstrahl in den Wasserkörper des Wasserbeckens ein und bildet innerhalb der Kernzone den nutzbaren Untersuchungsbereich mit einer nahezu gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung.

Kenndaten:

  • Flussseitige Fließgeschwindigkeiten: 0 bis 0,8 m/s (Nennbetrieb). Bei Bedarf sind Fließgeschwindigkeiten größer 1 m/s möglich.
  • Förderstrom (Flusswasser): modifizierte Seewasser-Kreiselpumpe Allweiler NIM250 mit Drehzahlregelung KSB PumpDrive: 100 bis 800 m3/h (Nennbetrieb). Bei Bedarf sind Durchflüsse bis 1.200 m3/h möglich.
  • Nutzbarer Fließquerschnitt: ≈ 0,28 m2
  • Nutzbare Beckenlänge: ≈ 4 m
  • Durchflusserfassung: magnetisch-induktiver Durchflussmesser (MID) Endress+Hauser Promag W400
  • Messung Ein- und Austrittstemperatur: Widerstandstemperaturfühler JUMO Pt100 in Vierleiterschaltung und Toleranzklasse AA
  • Messung Wassertiefe und Wasserspiegelschwankungen: Ultraschallabstandssensor microsonic mic+ 130
Grundriss zum Versuchsstand mit Schnittebene auf Höhe der Rohrachse
Grundriss zum Versuchsstand mit Schnittebene auf Höhe der Rohrachse
Geschwindigkeitsverteilung in m/s des Tauchstrahls am Ein- (links) und Auslaufrand (rechts) des Prüfbeckens (Simon 2019)
Geschwindigkeitsverteilung in m/s des Tauchstrahls am Ein- (links) und Auslaufrand (rechts) des Prüfbeckens (Simon 2019)

Der Heizkreislauf besteht überwiegend aus den gängigen Bauteilen einer Heizungsanlage. Zunächst temperiert eine Wärmepumpe das Wärmeträgermedium in einem Pufferbecken auf die Soll-Temperatur. Zwei Heizungsumwälzpumpen fördern das temperierte Wärmeträgermedium zu der untersuchten Wärmequellenanlage im Untersuchungsbecken. Das kühlere Wärmeträgermedium durchströmt die Wärmequellenanlage und nimmt dabei die Wärmeenergie vom umgebenden, wärmeren Flusswasser auf. Im Anschluss strömt das erwärmte Wärmeträgermedium zurück in das Pufferbecken. Die überschüssige Wärmeenergie wird über einen Warmwasserspeicher und Heizkörper an das wasserbauliche Forschungslabor abgegeben.

An der untersuchten Wärmequellenanlage werden die wärmeträger- und flusswasserseitigen Ein- und Austrittstemperaturen messtechnisch erfasst und daraus die Temperaturspreizungen und Grädigkeiten abgeleitet. Ergänzend wird an der untersuchten Wärmequellenanlage der Druckverlust gemessen.

Kenndaten:

  • Förderstrom Wärmeträgermedium: Grundfos MAGNA3: 0 bis 4,8 m3/h
  • Nennwärmeleistung Wärmepumpe: Junkers Supraeco STM 120-2: 10 kW
  • Durchflusserfassung: magnetisch-induktiver Durchflussmesser (MID) Endress+Hauser Promag W400
  • Messung Ein- und Austrittstemperatur: Widerstandstemperaturfühler JUMO Pt100 in Vierleiterschaltung und Toleranzklasse AA
  • Messung Druckverlust: Differenzdrucksensor Hottinger Baldwin PD1
  • Grädigkeit: bis 8°K (systemabhängig!)
  • Speichervolumen Pufferspeicher: ≈ 1,36 m3
Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema der Wärmepumpenanlage
Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema der Wärmepumpenanlage
  • Kennlinien der Entzugsleistungen unterschiedlicher Wärmequellenanlagen für verschiedene Fließgeschwindigkeiten und Temperaturen
  • Biofilmuntersuchungen
  • Betriebsgrenzen
  • Lokale Temperaturänderungen im Fließgewässer durch eine Wärmeentnahme
  • Strömungsbeeinflussungen von Wärmequellenanlagen
  • Kalibrierung und Validierung für numerische Strömungssimulationen
  • Offene Systeme mit Flusswasserentnahme
  • Sensitivitätsuntersuchungen zum Prüfverfahren