Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung energie(druckverlust)optimierter Rohrelemente mit rechteckigem Querschnitt, wie sie unter anderem in L\u00fcftungs- und Klimaanlagen verwendet werden. Durch energetisch vorteilhaftere, geometrisch beeinflusste Str\u00f6mungsumlenkung in den Rohrelementen sollen die Umlenkverluste mittels systematischer Optimierung minimiert werden. Vorbild f\u00fcr diesen bionischen Entwicklungsansatz sind Str\u00f6mungsumlenkungen in nat\u00fcrlichen Flusssystemen (M\u00e4ander). Die bisher als symmetrische Kreissegmente gestalteten Rechteckkanal-Rohrb\u00f6gen sollen durch eine asymmetrische Formgebung str\u00f6mungsg\u00fcnstiger gestaltet werden.
\nDie Verminderung des Druckverlustes soll im Bereich von 20 % liegen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenF\u00fcr die Durchf\u00fchrung der Entwicklungsarbeiten wurden Versuchsmessstrecken mit drei verschiedenen Str\u00f6mungsquerschnitten (Breite x H\u00f6he: 300×300 mm2, 300×600 mm2 und 600×300 mm2) aufgebaut. Als Str\u00f6mungsmedium wurde Luft benutzt. Optimierte Rohrb\u00f6gen wurden gr\u00f6\u00dftenteils handgefertigt.
\nDie ausgew\u00e4hlten optimierten und standardisierten 90\u00b0-Umlenkelemente (Rohrb\u00f6gen) wurden durch definierte Winkelvariationen experimentell vermessen und hinsichtlich des Druckverlustes im Rohrbogen optimiert d. h. minimiert. Der Versuchsstand einschlie\u00dflich der Umlenkelemente sind Bauteile aus praktischer Anwendung. Die gefundenen optimierten Umlenkelemente k\u00f6nnen auf diese Weise direkt in industrierelevante Str\u00f6mungsanlagen zur Verifizierung der Optimierungsergebnisse eingebaut und gepr\u00fcft werden. F\u00fcr die so genannte Parameter-Optimierung der Umlenkelemente wurden verschiedene Optimierungsstrategien, unter anderem Gradientenstrategie und Evolutionsstrategie, herangezogen.
\nDie experimentellen Ergebnisse wurden schlie\u00dflich mit berechneten Ergebnissen verglichen sowie aus einem Praxiseinsatz erwartete \u00f6konomische bzw. \u00f6kologische Vorteile bewertet.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die experimentell erzielten Ergebnisse f\u00fchrten bei allen durchgef\u00fchrten Energieeffizienz-Experimenten zu einer Reduzierung der Druckverluste in den Bogenelementen. Abh\u00e4ngig von der Gr\u00f6\u00dfe der Str\u00f6mungsquerschnitte lagen die Druckverlustminderungen in den optimierten Rohrbogenformen zwischen 2,5% (Str\u00f6mungsquerschnitt Breite x H\u00f6he = 600 x 300 mm2) und ca. 22,5% (Str\u00f6mungsquerschnitt Breite x H\u00f6he = 200 x 200 mm2).
\nIm Vergleich zu den konventionellen, symmetrischen Rohrb\u00f6gen (Kreissegment) besitzen ausnahmslos alle optimierten Rohrbogenformen die erwartete asymmetrische Geometrie zur effizienteren verlust\u00e4rmeren Str\u00f6mungsumlenkung. Nach positiven Ergebnissen vorangegangener experimenteller Untersuchungen durch Bionik-Systeme\u00ae Ende der 1990er Jahre best\u00e4tigen die vorliegenden Ergebnisse die Wirksamkeit des M\u00e4ander-Effekts\u00ae in Formelementen von Rohrtransportsystemen nur bedingt. Umweltrelevante Auswirkungen, des praktischen Einsatzes bionischer Rohrb\u00f6gen k\u00f6nnen durch die Energieeffizienzsteigerung zu Einsparungen fossiler Energie sowie verringertem CO2-Aussto\u00df f\u00fchren. Technische Vorteile wie ein geringerer reibungsbedingter Verschlei\u00df in bionischen Rohrb\u00f6gen, speziell bei Sch\u00fctt- und St\u00fcckguttransporten, k\u00f6nnen in der Folge durch Einsparung an Material und Fertigungs-aufwand ebenso vermindernd auf Umweltbelastungen einwirken.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ein Ergebnis aus dem Projekt wird im Rahmen einer Bionik-Wanderausstellung bundesweit pr\u00e4sentiert.
\nDurch die Beteiligung am Konsortium Umweltorientierte Optimierung von L\u00fcftungsanlagen (OptiLa) konnten bereits zwei Veranstaltungen mit Forschungs- und Industriepartnern in Osnabr\u00fcck und Essen durchgef\u00fchrt werden. Dort wurden verschiedene L\u00f6sungswege und technische Anwendungen diskutiert, die auch die Ergebnisse dieses Vorhabens mit einbeziehen.
\nEine erste konkrete Entwicklungs-Zusammenarbeit wird gegenw\u00e4rtig mit der Fa. Westatlex in G\u00fctersloh vorbereitet. Es handelt sich hierbei um Energieeffizienz-Verbesserungen f\u00fcr vorhandene Anlagen bzw. spezielle Rohrsysteme der Fa. Westatlex.
\nFerner sind Vortr\u00e4ge \u00fcber die energetischen und umwelttechnischen Vorteile der Projektl\u00f6sungen auf Kongressen und in verschiedenen Industriebranchen geplant.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das anspruchsvolle Vorhaben, Bogenelemente mit Rechteckquerschnitt druckverlustvermindert zu entwickeln, konnte nur bedingt erreicht werden.
\nEs war beabsichtigt, so nahe wie m\u00f6glich an der Nahtstelle zwischen Entwicklung und industrieller Anwendung zu arbeiten. Aus diesem Grund wurde das Experiment einer Simulation vorgezogen.
\nEs sind im Verlauf der Arbeiten Erfahrungen f\u00fcr einen sp\u00e4teren Industrieeinsatz der optimierten Bogenelemente entstanden, die durch eine reine Simulationstechnik wohl nicht erzielt worden w\u00e4ren.
\nDie entwickelte direkte Optimierungsmethode zur Verbesserung der Energieeffizienz in Rohrbogenelementen adaptiert die str\u00f6mungsoptimierten Verl\u00e4ufe von nat\u00fcrlichen Flie\u00dfgew\u00e4ssern f\u00fcr str\u00f6mungstechnisch optimierte Bogenelemente. Erste Verlaufsanalysen von Flie\u00dfgew\u00e4ssern in der Natur zeigen gewis-se \u00c4hnlichkeiten mit Verlaufsformen von technisch optimierten Bogenelementen. Die Entwicklung von druckverlustminimalen technischen Bogenelementen durch systematische Analysen von biologischen m\u00e4andrierenden Flie\u00dfsystemen mit folgender bionischer Anwendung ist ein Entwicklungsweg, der noch weiter verbessert werden kann und ggf. k\u00fcnftig f\u00fcr industrielle Anwendungen interessant werden k\u00f6nnte.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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