Thermische Solarenergie

Robert Stieglitz • Volker Heinzel

Thermische Solarenergie Grundlagen, Technologie, Anwendungen

Robert Stieglitz Institut für Neutronenphysik und Reaktortechnik (INR) Karlsruher Institut für Technologie Eggenstein-Leopoldshafen Deutschland

Volker Heinzel Institut für Neutronenphysik und Reaktortechnik (INR) Karlsruher Institut für Technologie Eggenstein-Leopoldshafen Deutschland

ISBN 978-3-642-29474-7              ISBN 978-3-642-29475-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-29475-4 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media www.springer-vieweg.de

Zusammenfassung

Dieses Buch wendet sich an Ingenieurstudenten im Masterbereich ihres Studiums. Am Anfang steht eine Analyse des Wärme- und Strombedarfs in Deutschland und anderen Staaten. Kapitel zwei widmet sich zunächst der solaren Einstrahlung, deren Intensität und Einstrahlungsrichtung. Kapitel drei behandelt den Aspekt der Konzentration solarer Strahlung und die daraus ableitbaren Konsequenzen für den Wirkungsgrad und den Kollektoraufbau. Im Kapitel vier werden die wesentlichen passiven Aspekte bei der Nutzung solarer Strahlung diskutiert. Dies beinhaltet Verlustmechanismen wie Wärmeleitung in Festkörpern und Gasen, den Strahlungsaustausch zwischen Körpern sowie die elektrodynamische Behandlung des Lichttransports an sowie durch Grenzflächen. Aus dem optischen Strahlungstransport ergeben sich unmittelbar Konsequenzen für die Wärmedämmung und die Randbedingungen zur Herstellung selektiver Absorptionselemente, die die solare Einstrahlung erst nutzbar machen. Kapitel fünf beleuchtet den Energie- und Impulstransport in solarthermischen Systemen, einen der wichtigsten Transfermechanismen. Dieser Transport kann sowohl ein- als auch mehrphasig erfolgen, so dass die wichtigsten Kennzahlen und deren Bedeutung erläutert werden. Den Hauptgegenstand des Kapitels sechs bildet aktive Nutzung solarthermischer Niedertemperatursysteme. Da aktive Systeme im Verbund mehrerer Elemente arbeiten, wird eine Systemsimulation zur Bestimmung der Effizienz erforderlich. Die hierfür erforderlichen Grundgedanken und Modelle werden skizziert. Des Weiteren werden die in den Kapiteln drei und vier erarbeiteten Erkenntnisse auf Niedertemperaturkollektortypen angewandt und diskutiert. Einen weiteren Nutzungsaspekt bildet die kraftwerkstechnische Umsetzung der Solarthermie, in der mehrere Optionen denkbar sind. Technisch bisher realisierte Konzepte, Spezifika und Ankopplung an einen Kraftwerkszyklus sind Gegenstand von Kapitel sieben. Da diese Kraftwerksnutzung auch die Speicherung von Energie beinhaltet, erfolgt in Kapitel acht Kapitels eine Diskussion potenzieller Speicherverfahren bezüglich ihres physikalischen oder elektrochemischen Wirkprinzips und ihrer Leistungsfähigkeit. Da die Solarthermie als Antriebquelle auch für Kühlprozesse immer interessanter wird, beleuchtet Kapitel neun diesen Themenbereich etwas näher.

V

VI

Zusammenfassung

Das Buch ist so angelegt, dass es auch als Nachschlagewerk genutzt werden kann. Insbesondere sind die einzelnen Kapitel so verfasst, dass sie weitestgehend in sich abgeschlossen sind und nur wenig hin- und hergeblättert werden muss. Dennoch ist eine physikalischtechnische Grundausbildung zum Verständnis der aufgeführten Argumentationsketten und Gedankengänge sinnvoll. Die Autoren KIT Karlsruhe, den 4. April 2012

Vorwort

Mitte der 80er Jahre ging das Interesse der Studenten an der Vorlesung Reaktortechnik zurück. Im Kontakt mit Diplomanden wurde häufig der Wunsch an mich herangetragen, dass doch jemand eine Vorlesung über Reaktortechnik und Erneuerbare Energietechniken sozusagen beides aus einer Hand halten möge. Ich leitete den Wunsch an Herrn Prof. Dieter Smidt, dem damaligen Leiter des Instituts für Reaktorentwicklung im früheren Kernforschungszentrum, weiter. Er arbeitete daraufhin die Vorlesung „Energiesysteme“ aus, die im ersten Semester „Erneuerbare Energien“ und im zweiten Semester „Reaktortechnik“ mit einem starken Anteil über Reaktorsicherheit behandelte. Bei der Ausarbeitung des Manuskriptes war ich eingebunden. Ebenso wurde mir die Betreuung von Studien- und Diplomarbeiten im Bereich der „Erneuerbaren Energien“ übertragen. Die Vorlesung fand bei den Studenten sofort großen Anklang. Die Kombination meiner bisherigen Tätigkeit, des Umfeldes im Institut und die Beobachtung der Aktivitäten und des Marktes für „thermische Solarenergie“ führten zur Entscheidung, die Dampferzeugung mittels Solarkollektoren zu untersuchen. Der Einsatzbereich bezüglich Leistung, Kollektorgröße und Temperatur wurde eingeschränkt, da die Kollektoranlagen in Kalifornien und auch einer deutschen Firma den Großindustriellen Einsatz abdecken konnten. Die Kenntnis der Strömungsinstabilitäten von Zwei-Phasen-Strömungen in Kernkraftwerken sollte den Einstieg erleichtern. Die bekannten Instabilitäten traten nicht auf, jedoch andere Typen stellten sich ein und verhinderten die gleichmäßige Dampfabgabe. In der Folge entstanden zahlreiche Diplom- und Studienarbeiten mit wertvollen wissenschaftlichen Ergebnissen und technischen Lösungen. Zusammen mit eigenen Arbeiten flossen die Erkenntnisse in die Vorlesung schließlich auch in das vorliegende Buch ein. Den Studenten bin ich sehr dankbar für ihre engagierten Mitarbeiten. Sie brachten oft Material mit, das in das Vorlesungsmanuskript eingearbeitet wurde. Dem Forschungszentrum bin für die großzügige Unterstützung von Sachmittel für die experimentellen Arbeiten zu Dank verpflichtet. Nach der Emeritierung von Prof. Smidt hielt ich die Vorlesung „Energiesysteme I – Regenerative Energien“ bis zu meinem Wechsel in das Forschungszentrum. Danach konzentrierte sich der Inhalt meiner Vorlesung auf die „Thermische Solarenergie“. Mit meinem VII

VIII

Vorwort

Ausscheiden ging die Vorlesung an Herrn Dr. Ihli und schließlich an Herrn Prof. Dr. Robert Stieglitz über. Roberts Entschluss, mit dem Vorlesungsmaterial als Start ein Buch zu schreiben und seinen großen Einsatz dabei schätze ich mit großem Respekt. 

Volker Heinzel

Inhalt

1  Energiebedarf ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������   1 1.1 Weltweite Entwicklung des Energiebedarfs, Energieressourcen ��������������������   1 1.2 Auswirkungen des Energiebedarfs ����������������������������������������������������������������������   3 1.3 Energieformen, -träger und -umwandlungsprozesse, Exergie-Anergie ��������   7 1.4 Bedarfsdiagramme Deutschland- wirtschaftliche Überlegungen ������������������  11 1.5 Energiepreise, Erneuerbare Energiengesetz (EEG), Kyoto-Protokoll, Emissionshandel ����������������������������������������������������������������������  17 1.6 Erneuerbare Energien (EE) in Deutschland ������������������������������������������������������  20 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  21 2  Sonne ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  2.1 Einleitung Sonne ����������������������������������������������������������������������������������������������������  2.2 Fusionsreaktion in der Sonne – Sonne als Energiequelle ��������������������������������  2.3 Aufbau der Sonne ��������������������������������������������������������������������������������������������������  2.3.1 Blickwinkel der Sonne, Leuchtdichtenverteilung über der Sonnenscheibe ��������������������������������������������������������������������������  2.3.2 Solarkonstante, Globalstrahlung, direkte und diffuse Einstrahlung ��������������������������������������������������������������������������  2.3.3 Spektrum der extraterrestrischen Strahlung ����������������������������������������  2.3.4 Schwächungsmechanismen in der Atmosphäre ����������������������������������  2.3.5 Technische Berechnung der Schwächung in der Atmosphäre ������������  2.3.6 Räumliche und zeitliche Variation der Solarstrahlung ������������������������  2.3.7 Direktstrahlung auf horizontale oder geneigte Flächen ����������������������  2.3.8 Tages-, Jahressummen der extraterrestrischen Einstrahlung auf unterschiedlich ausgerichtete Flächen ��������������������������������������������  2.3.9 Einstrahlungsrichtung auf nachgeführte Flächen ��������������������������������  2.3.10 Einstrahlungsrichtung der diffusen Strahlung ��������������������������������������  2.3.11 Typische Werte der Globalstrahlung ������������������������������������������������������  2.3.12 Einstrahlung bei Bewölkung – Statistische Verfahren ������������������������  2.4 Terrestrisch nutzbare Solarstrahlung, Strahlungsbilanz der Erde ������������������  Literatur ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 

23 24 24 26 27 28 30 34 41 44 51 53 58 61 71 72 78 81 IX

X

Inhalt

3  Einfluss der Konzentration auf solarthermische Systeme ����������������������������������    83 3.1 Abgrenzung zwischen aktiver und passiver Solarthermie ����������������������������   83 3.2 Kollektoren ������������������������������������������������������������������������������������������������������������   85 3.2.1 Kollektorarten und typische Einsatztemperaturen ����������������������������   85 3.3 Prinzipieller Aufbau eines Kollektors ����������������������������������������������������������������   89 3.4 Wirkungsgrad nichtkonzentrierender Solarkollektoren ��������������������������������   91 3.5 Konzentrierende Systeme ����������������������������������������������������������������������������������  100 3.5.1 Kollektorwirkungsgrad konzentrierender Systeme ����������������������������  102 3.5.2 Bedeutung und Grenzen des Konzentrationsverhältnisses ��������������  105 3.5.3 Maximale Absorbertemperatur ������������������������������������������������������������  107 3.5.4 Geometrische Nachführungsaspekte ��������������������������������������������������  110 3.5.5 Nicht-abbildende Konzentratoren ��������������������������������������������������������  112 3.5.6 Linear-abbildende Konzentratoren – Parabolrinnen ������������������������  118 3.5.7 Reflektorbedingte Grenzen des Konzentrationsverhältnisses ����������  119 3.5.8 Konzentrationsbedingte technische Nutzungsfelder ������������������������  122 Literatur ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  124 4  Passive Mechanismen in der Solarenergie ��������������������������������������������������������������  4.1 Passive Transportvorgänge und Anwendung in der Solarthermie ��������������  4.2 Arten der Wärmeübertragung ��������������������������������������������������������������������������  4.3 Wärmeleitung in Fluiden und Festkörpern ������������������������������������������������������  4.3.1 Stationäre Wärmeleitung in Fluiden und Festkörpern ����������������������  4.3.2 Instationäre Wärmeleitung in einem Kontinuum ������������������������������  4.3.3 Anwendung der Wärmeleitung in der Gebäudetechnik ��������������������  4.3.4 Molekulare Wärmeleitung ��������������������������������������������������������������������  4.4 Strahlungswärmetransport ��������������������������������������������������������������������������������  4.4.1 Emission, Absorption und Reflexion ��������������������������������������������������  4.4.2 Kirchhoff ’sches Strahlungsgesetz ����������������������������������������������������������  4.4.3 Strahlungsaustausch zwischen Körpern ����������������������������������������������  4.4.4 Strahlungsaustausch zwischen grauen, diffus strahlenden unendlichen Flächen ����������������������������������������������  4.4.5 Strahlungsaustausch zwischen schwarz strahlenden endlich großen Flächen ��������������������������������������������������������������������������  4.4.6 Strahlungsaustausch zwischen grau strahlenden, endlich großen Flächen ��������������������������������������������������������������������������  4.4.7 Strahlung in Anwesenheit der Sonne ��������������������������������������������������  4.5 Strahlungstransport in transparenten Medien ������������������������������������������������  4.5.1 Reflexion, Snelliussches-Brechungsgesetz und Totalreflektion ��������  4.5.2 Polarisation, Fresnel’sche Formeln und Brewster Winkel ����������������  4.5.3 Transmission und Reflexion in transparenten Medien ����������������������  4.5.4 Ursachen der Absorption und Reflexion in transparenten Medien ������������������������������������������������������������������������  4.5.5 Technische Manipulation des Strahlungstransports in transparenten Körpern ���������������������������������������������������������������������� 

125 126 128 131 132 141 153 157 168 169 172 175 182 184 189 194 195 195 200 210 217 223

Inhalt

4.5.6  Verfahren zur Erzeugung dünner, selektiver Schichten ������������������  4.5.7  Fenster ����������������������������������������������������������������������������������������������������  4.5.8  Transparente Wärmedämmung ����������������������������������������������������������  4.6 Selektive Absorber ����������������������������������������������������������������������������������������������  4.6.1   Anforderungen an einen selektiven Absorber ����������������������������������  4.6.2   Aufbau selektiver Absorber ����������������������������������������������������������������  4.6.3   Absorberschichten für die Anwendung im Vakuum ����������������������  4.6.4  Nieder- u. Mitteltemperaturabsorberschichten in Luft/Vakuum ������������������������������������������������������������������������������������  4.6.5  Absorberschichten für Hochtemperaturanwendungen ������������������  4.6.6  Degradationsmechanismen selektiver Absorberschichten ������������  Literatur ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  5  Impuls- und Energietransport  in solarthermischen Systemen ������������������������������������������������������������������������������������  5.1 Kollektorstillstand ������������������������������������������������������������������������������������������������  5.2 Einphasiger konvektiver Impuls- und Wärmetransport ��������������������������������  5.2.1   Erhaltungsgleichungen ������������������������������������������������������������������������  5.2.2   Ähnlichkeitsgesetze der Strömungsmechanik ����������������������������������  5.2.3   Laminarer Impulsaustausch ����������������������������������������������������������������  5.2.4   Grenzschichtgleichungen ��������������������������������������������������������������������  5.2.5   Laminarer Energieaustausch ��������������������������������������������������������������  5.2.6  Strömungs- und Wärmeübergangsparameter ����������������������������������  5.2.7  Thermische Randbedingungen ����������������������������������������������������������  5.2.8  Laminare Wärmeübertragung in Rohren ������������������������������������������  5.2.9  Turbulenter Impulsaustausch ��������������������������������������������������������������  5.2.10 Turbulenter Energieaustausch ������������������������������������������������������������  5.2.11 Analogie zwischen Wärme- und Impulstransportparametern ������  5.2.12 Verfahren und Modellierungsansätze zur numerischen Berechnung ������������������������������������������������������������  5.2.13 Anwendung lokaler fluiddynamischer Berechnungen im Kollektor ������������������������������������������������������������������������������������������  5.2.14 Entscheidung Zwang-, Misch- oder auftriebsbehaftete Konvektion ��������������������������������������������������������������������������������������������  5.2.15 Ingenieurtechnisch oft verwendete einphasige Wärmeübergangsbeziehungen ������������������������������������������������������������  5.3 Mehrphasiger Impuls- und Energieaustausch ������������������������������������������������  5.3.1  Wärmeübergang beim Sieden ������������������������������������������������������������  5.3.2  Behältersieden ��������������������������������������������������������������������������������������  5.3.3  Erscheinungsformen des Rohrsiedens ����������������������������������������������  5.3.4  Kenngrößen der Zweiphasenströmung ��������������������������������������������  5.3.5  Homogenes Modell der Zweiphasenströmung ��������������������������������  5.3.6  Schlupfmodell ����������������������������������������������������������������������������������������  5.3.7  Druckverlustberechnung in Ein- u. Mehrphasenströmungen ������ 

XI

230 238 245 252 252 253 258 259 263 267 269 273 274 278 281 286 289 292 295 298 300 301 309 318 319 320 323 326 332 337 337 346 349 353 357 358 359

XII

Inhalt

5.3.8 Strömungsformenkarten ������������������������������������������������������������������������  5.3.9 Wärmeübergang beim Phasenwechsel ������������������������������������������������  5.3.10 Instabilitäten der Zweiphasenströmung ����������������������������������������������  5.3.11 Kondensation in Rohrleitungen ������������������������������������������������������������  Literatur �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 

367 370 372 375 383

6  Solarthermische Niedertemperatursysteme ����������������������������������������������������������  6.1 Berechnung solarthermischer Niedertemperatursysteme �����������������������������  6.2 Niedertemperaturkollektorvarianten ����������������������������������������������������������������  6.2.1 Röhrenabsorber ��������������������������������������������������������������������������������������  6.2.2 Flachkollektor ������������������������������������������������������������������������������������������  6.2.3 Vakuumkollektor ������������������������������������������������������������������������������������  6.2.4 Weitere Kollektorvarianten ��������������������������������������������������������������������  6.3 Systemsimulation solarthermischer Systeme ��������������������������������������������������  6.3.1 Energiefluss bei Plug-flow-Modellierung ��������������������������������������������  6.3.2 Fehleranalyse in Systemsimulationen ��������������������������������������������������  6.3.3 Solarkollektormodellierung ������������������������������������������������������������������  6.4 Aufbau solarthermischer Niedertemperatursysteme ��������������������������������������  6.4.1 Thermosiphonanlagen ����������������������������������������������������������������������������  6.4.2 Zwangsumlaufsysteme, Komponenten des Solarkreises ��������������������  6.4.3 Planung, Dimensionierung und Konzeption von Niedertemperatursolarsystemen ��������������������������������������������������  6.4.4 Verringerung und Vermeidung von Stillstandssituationen ��������������  6.4.5 Systemkonzepte solarthermischer Niedertemperaturanlagen ����������  Literatur �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 

387 388 391 392 393 397 402 407 408 410 413 417 418 421 443 455 471 483

7  Solarthermische Hochtemperatursysteme ��������������������������������������������������������������  7.1 Klassifizierung von Solarkraftwerken ��������������������������������������������������������������  7.2 Solarturmanlagen ������������������������������������������������������������������������������������������������  7.3 Parabolrinnenkraftwerke ������������������������������������������������������������������������������������  7.4 Fresnelkraftwerke ������������������������������������������������������������������������������������������������  7.5 Spiegel und Spiegelfeldauslegung ����������������������������������������������������������������������  7.5.1 Strahlungsdichteverteilung der Sonne–Zirkumsolarstrahlung ��������  7.5.2 Geometrische Verluste am Einzelspiegel ��������������������������������������������  7.5.3 Geometrischer Verluste am Spiegelverband ����������������������������������������  7.5.4 Optische, materialspezifische und Absorptionsverluste ��������������������  7.5.5 Berechnungsgrundlagen zur Ermittlung des Receiverertrags ����������  7.6 Aufwindkraftwerke ����������������������������������������������������������������������������������������������  7.6.1 Funktionsprinzip eines Aufwindkraftwerks ����������������������������������������  7.6.2 Leistung und Wirkungsgrad eines Aufwindkraftwerks ��������������������  7.6.3 Komponenten des Aufwindkraftwerks ������������������������������������������������  7.7 Solarpond ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������  7.7.1 Physikalische Wirkungsweise des Solarponds ������������������������������������ 

487 488 490 496 503 506 508 510 512 515 517 525 525 527 529 541 541

Inhalt

XIII

7.7.2 Mathematische Beschreibung des Solarteichs und der Randbedingungen ��������������������������������������������������������������������  7.7.3 Stabilitätsüberlegungen und vertikale Grenzflächenbewegung in Solarteichen ����������������������������������������������  7.7.4 Verfahren zur thermischen Ausspeicherung der Wärme ������������������  7.7.5 Operative und technische Maßnahmen zum Betrieb eines Solarponds ��������������������������������������������������������������������������������������  7.8 Energiewandlungsprozesse ��������������������������������������������������������������������������������  7.8.1 Energiewandelnde Kreisprozesse ����������������������������������������������������������  7.8.2 Carnot Prozess, Auswirkung irreversibler Vorgänge ������������������������  7.8.3 Joule-Brayton-Prozess (Gasturbinenprozess) ������������������������������������  7.8.4 Clausius-Rankine-Prozess (Dampfprozess) ����������������������������������������  7.8.5 Kombinierte Prozesse-GuD ������������������������������������������������������������������  7.8.6 Alternative Kreisprozesse, Organic Rankine Cycle (ORC), KALINA Prozess ������������������������������������������������������������������������������������  7.8.7 Kopplung Spiegelfeld- Energiekonversion, fossil-solare Hybridkraftwerke ������������������������������������������������������������������������������������  7.8.8 Kostenstrukturen und Optionen solarthermischer Kraftwerke ������  Literatur �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 

584 588 591

8  Energiespeicher ������������������������������������������������������������������������������������������������������������  8.1 Energieinhalt und Anforderungen an Speicher ����������������������������������������������  8.2 Auslegungsverhältnis solarthermischer Kraftwerke ��������������������������������������  8.3 Direkte thermische Speicher ������������������������������������������������������������������������������  8.3.1 Flüssige Speichermedien ������������������������������������������������������������������������  8.3.2 Speicherkapazität ������������������������������������������������������������������������������������  8.3.3 Arten flüssiger thermischer Energiespeichersysteme ������������������������  8.3.4 Thermische Speicher mit festem Speichermedium ����������������������������  8.4 Latentwärmespeicher ������������������������������������������������������������������������������������������  8.5 Reaktionsspeicher ������������������������������������������������������������������������������������������������  8.5.1 Katalytische Reaktionen ������������������������������������������������������������������������  8.5.2 Thermische Dissoziationsreaktionen ��������������������������������������������������  8.5.3 Adsorptionsvorgänge ������������������������������������������������������������������������������  8.6 Niedertemperaturspeicher ����������������������������������������������������������������������������������  8.6.1 Niedertemperaturspeicherarten ������������������������������������������������������������  8.6.2 Thermische Anforderungen an Wärmespeicher ��������������������������������  8.6.3 Temperaturschichtung innerhalb des Speichers ��������������������������������  Literatur �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 

595 595 598 599 599 601 603 607 609 611 611 612 613 619 621 627 629 634

9  Solare Klimatisierung ��������������������������������������������������������������������������������������������������  9.1 Kühlung und Klimatisierung �����������������������������������������������������������������������������  9.2 Bewertungsgrößen von Kälte- und Klimaprozessen ��������������������������������������  9.3 Raumklima, Behaglichkeit und Kühllast ���������������������������������������������������������� 

637 637 640 642

542 548 549 552 554 555 557 562 567 573 575

XIV

Inhalt

9.4 Bestimmung der Kühlleistung ��������������������������������������������������������������������������  9.5 Solare Kühlverfahren ������������������������������������������������������������������������������������������  9.6 Kälte- und Klimatisierungsprozessführung ����������������������������������������������������  9.6.1 Ideale Kompressionskältemaschine, Carnot’scher Vergleichsprozess ������������������������������������������������������������������������������������  9.6.2 Reale Kompressionskältemaschine und Kältemittelwahl ������������������  9.6.3 Thermisch getriebene Kältemaschinen (Sorptionskältemaschinen) ��������������������������������������������������������������������  9.7 Bewertung der Klimatisierung ��������������������������������������������������������������������������  Literatur �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 

645 645 647 647 650 652 668 672

Anhang A  Berechnung von Wärmeübertragern��������������������������������������������������������  675 Sachverzeichnis ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  695

Über die Autoren

Volker Heinzel  begann seinen beruflichen Werdegang mit dem Studium des allgemeinen Maschinenbaus mit der Vertiefungsrichtung Kerntechnik an der Universität Karlsruhe (TH). Seine Arbeiten in den folgenden Jahren konzentrierten sich auf die Auslegung von Forschungsreaktoren. In einem Spezialbereich ergab sich die Möglichkeit zur Promotion. Mit den Kenntnissen zur Zwei-Phasen-Strömung ergab sich der Wechsel zur Direktverdampfung und Erzeugung von Prozessdampf mittels Solarkollektoren. Die Aufgabenstellung beinhaltete konstruktive Systemlösungen in Verbindung mit Kenntnissen in der Strömungs- und Mechanik so wie der Messtechnik. Thermische Solarenergie war das Thema seiner Habilitation. Die genannte Kombination findet sich wieder im jetzigen, auch nach dem Übergang in den Ruhestand, Arbeitsgebiet, der Auslegung einer Neutronenquelle für die Materialentwicklung für die Kernfusion. Während der langjährigen Tätigkeit an der Universität und Forschungszentrum Karlsruhe – heute im „Karlsruhe Institut für Technologie“ vereint – war er stets in die Lehre an der Universität und Ausbildungskurse eingebunden. Robert Stieglitz  studierte allgemeinen Maschinenbau mit dem Fokus thermische Turbomaschinen und Thermohydraulik an der Universität Karlsruhe und begann seine berufliche Karriere als Projektingenieur bei einer Ingenieurgesellschaft. Im Rahmen seiner Tätigkeit ergab sich die Möglichkeit zu einer Promotion im Bereich der Fusionstechnologie, deren Schwerpunkt neben der Thermohydraulik, die Messtechnik und Elektrodynamik war. Danach übernahm er am damaligen Forschungszentrum Karlsruhe zunächst die Leitung einer Grundlagenforschungsgruppe, bevor ihm die Leitung des Karlsruher Flüssigmetalllabors KALLA übertragen wurde. Auf der Basis seiner Erfahrung, die auch die Materialforschung beinhaltete, fokussierte er sich unter anderem auf die Wärmeabfuhr thermisch hochbelasteter Oberflächen, die die Schnittmenge zur Solarthermie darstellte. Darüber hinaus konzentriert sich seine wissenschaftliche Tätigkeit auf die Erarbeitung konstruktiver Elemente wie auch systemdynamischer Studien für Energiekonversionssysteme, Flüssigmetall- und Beschleunigeranwendungen. Gegenwärtig leitet er das Institut für Neutronenphysik und Reaktortechnik und hat einen Lehrstuhl am Institut für Fusions- und Reaktortechnik der Fakultät Maschinenbau des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). XV