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Das Ziel dieser Arbeit ist es, zum einen systematische Untersuchungen der Hydrodynamik und des Stofftransports in T-, Y- und MS-förmigen Mikroreaktoren durchzuführen, und zum anderen den Einfluss der Vermischung auf chemische Reaktionen zweiter Ordnung zu erforschen. Dafür kommen Methoden der numerischen Strömungsmechanik zum Einsatz, die es ermöglichen, die Transportprozesse in den Mikroreaktoren detailliert zu beschreiben. Mittels der berechneten Geschwindigkeits- und Konzentrationsfelder sowie einigen zusätzlich eingeführten lokalen und integralen Größen werden die Hydrodynamik, der Mischvorgang und die chemische Leistung tiefgehend analysiert. Insgesamt konnten die in den untersuchten T-, Y- und MS-förmigen Mikroreaktoren ablaufenden Prozesse in der reaktiven Strömung sowohl auf dem lokalen als auch auf dem integralen Niveau detailliert erforscht werden. Der Effekt der Mikrovermischung und ihr komplexer Einfluss auf die chemische Leistung einer Reaktion zweiter Ordnung bei der chaotischen Advektion wurden sowohl reaktionstechnisch experimentell als auch mittels der numerischen Strömungsmechanik nachgewiesen und qualitativ sowie quantitativ umfassend charakterisiert.

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.

Zur Kühlung von Prozessströmen kommen aufgrund hoher Leistungsdichten häufig Verdunstungskühltürme zum Einsatz. Um die Übertragungsfläche für Wärme und Stoff zu vergrößern, werden in diesen Kühltürmen Struktureinbauten integriert. Die Weiterentwicklung von Kühlturmeinbauten und die Untersuchung der den Kühlprozess beeinflussenden Faktoren erfolgt empirisch, was eine Vielzahl von Versuchen notwendig macht. Eine numerische Simulation des Kühlprozesses kann diese Messungen unterstützen und so helfen eine Vielzahl an Versuchen einzusparen. Des Weiteren können bei versuchsbegleitender Simulation mit einem geeigneten Modell weitere Untersuchungen durchgeführt und Erkenntnisse gewonnen werden, die bei Messungen am Versuchskühlturm verborgen bleiben. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze der numerischen Simulation eines Verdunstungskühlturms betrachtet. Es werden eine CFD-Simulation und ein vereinfachtes Modellkonzept hinsichtlich der Anwendbarkeit auf diese Problemstellung untersucht. Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die methodische Entwicklung eines solchen vereinfachten mathematischen Modells. Dieses beruht auf der physikalisch deterministischen Beschreibung der im Kühlturm ablaufenden Prozesse der Wärme- und Stoffübertragung unter Berücksichtigung des Stoffverhaltens. Aufgrund der Nichtlinearität des Stoffverhaltens und der erforderlichen Inkrementierung des Berechnungsgebiets ist ein methodisches Vorgehen erforderlich, um die Erstellung der Modellgleichungen und deren Lösung überhaupt realisieren zu können. Hierfür wird auf allgemeine Methoden der gleichungsorientierten Simulation technischer Systeme zurückgegriffen. Das entwickelte Modellkonzept wird für die Modellierung und Simulation eines Versuchskühlturms angewandt. Mit den so ermittelten Messdaten wird das Modell kalibriert und validiert. Es zeigt sich, dass mit dem erstellten Modell quantitativ und qualitativ valide Ergebnisse erzielt werden können. Due to the high power density, the cooling of process streams is often done bei evaporative cooling towers. To enlarge the exchange area for the heat and mass transfer, these cooling towers contain integrated structural fills. The future development of cooling tower fills and the research regarding the cooling process and its influencing parameters will be carried out empirically, resulting in a large number of required experiments. A numeric simulation of the cooling process can support theses measurements and reduce the vast number of needed experiments. Furthermore, with the use of test-related simulations and adapted models, it will be possible to gain knowledge and do research in areas which are omitted during regular measurements on cooling towers. In this study it is looked to two different approaches of numeric simulation of a evaporative cooling tower. There will be an examination of a CFD-Simulation and a simplified model concept regarding their respective applicability for this problem. This work is focussed on the systematic developement of such simplified mathematical models, based on the physical deterministic description of the occurring processes of heat and mass transfer in cooling towers considering the stock behaviour. Due to the non-linearity of the stock behaviour and the required incrementation of the calculation area, a systematic approach is needed to model equations and their respective solutions. For this purpose it is necessary to access general techniques of equation-based simulations of technological systems. The developed model concept will be applied for the modelation and simulation of an experimental cooling tower. The model will be calibrated and validated with data from this experimental tower. It shows, that the results from this model are qualitatively and quantitatevily valid.

Thermal co-processing of coal and biomass has been increasingly focused for its environmental and economic benefits. In the present work, the experimental and kinetic study on co-pyrolysis and co-gasification of Rhenish brown coal (HKN) and wheat straw (WS) was made. The pyrolysis behavior, especially for co-pyrolysis, was investigated in a thermogravimetric analyzer (TGA) and a small fixed bed reactor (LPA). In TGA, the mass loss and reaction rate of single and blend samples were studied under various experimental conditions, and their effects on synergy effects. The synergy effects on products yield and properties of chars were studied in LPA. The kinetics of pyrolysis was obtained based on data from TGA by using the Coats-Redfern method. For gasification with CO2, a small fixed bed reactor (quartz glass reactor), equipped with an online GC to monitor the gas composition, was used. The effects of processing conditions on gasification behavior and synergy effects for mixed chars and co-pyrolysis chars were investigated. The volume reaction model (VRM), shrinking core model (SCM) and random pore model (RPM), were applied to fit the experimental data. The model best fitting the experiments was used to calculate the kinetic parameters. The reaction orders of gasification reactions with single chars are also investigated. The pyrolysis study showed that a small amount of wheat straw added to the brown coal promoted the decomposition better and showed more significant synergy effects. The synergy effects varied with increasing heating rates and pressures, especially at 40 bar. The kinetic parameters were inconsistent with experimental behavior during co-pyrolysis, since the reaction was also affected by heat transfer, contact time, particles distribution and so on. The gasification study on single chars showed that Rhenish brown coal chars had higher reactivity; chars pyrolyzed at higher temperatures showed lower reactivity; and higher gasification temperatures and CO2 partial pressures led to higher reactivity. For co-gasification process, there was no significant synergy effect for mixed chars. However, negative synergy effects (reactivity decreased compared to the calculated values based on rule of mixing) were observed for co-pyrolysis chars, caused by properties change by co-pyrolysis process. For kinetics, the reaction orders of chars ranged from 0.3 to 0.7. Only random pore model fitted most experiments at low and high temperatures. Synergy effects were also observed in kinetic parameters. The values of activation energy E and pre-exponential factor A for mixed chars and co-pyrolysis chars were lower than expected. The negative synergy effects showed the pre-exponential factor A had more effects. However, the higher reactivity of mixed chars than co-pyrolysis chars showed that the reaction was affected more by activation energy E. Therefore, only investigating E or A value was not enough. In addition, a marked compensation effect between activation energies and pre-exponential factors was found in the present study. The isokinetic temperature for the present study was 856 °C. This was close to the temperature at which the gasification reaction transforms from the chemical controlled zone to the diffusion controlled zone for most chars.

Zur Verringerung von Schadstoffemissionen werden in Kaminöfen oft Keramikfilter integriert, die Staub und Ruß aus dem Abgas entfernen sollen. Die Filter beeinflussen jedoch die strömungsmechanischen, energetischen und chemischen Vorgänge im Feuerraum. Für die Auslegung und die praktische Anwendung der Filter ist die Kenntnis der Einflussgrößen und deren Umfang nötig. Mit Hilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden die Stoff- und Energietransportvorgänge von zwei Kaminöfen charakterisiert. Zur Bestimmung der Massenabnahme von Holzscheiten kam eine neue, praktisch leicht umsetzbare Methode, basierend auf einer Schockkühlung mit flüssigem Stickstoff, zum Einsatz. Parallel dazu wurde die Massenabnahme der Holzscheite mit Hilfe einer Online-Massenbestimmung mittels Waage aufgezeichnet und ein Verfahren zur Bestimmung der Abbrandkinetik entwickelt. Die Schwierigkeiten der messtechnischen Erfassung und Auswertung der instationären Vorgänge wurden dargestellt und diskutiert. Für die zwei Kaminöfen sind numerische Simulationen mit der Software ANSYS CFX erstellt worden, die weitgehend auf realen Geometrien beruhen. Vergleichende null- und eindimensionale Simulationen mit unterschiedlichen Reaktionsmechanismen und gasförmigen Brennstoffen wurden realisiert und hinsichtlich ihrer Eignung für die Berechnung von Kaminöfen untersucht. Nach erfolgter Validierung wurde ein parametrisches Simulationsmodell eines Kaminofens erstellt. Mit diesem wurde eine Parameterstudie zur Untersuchung der Veränderung der Zielgrößen Heizleistung, Kohlenmonoxid- und Rußkonzentration sowie Gesamt- und Sekundärluftmassenstrom in Abhängigkeit der Parameter durchgeführt.