Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik

Eisbrei
Kältelabor

Das Institut, seine Professoren und Mitarbeiter

Am Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik forschen verschiedene Arbeitsgruppen um die Professoren:

  • Prof. Dr.-Ing. Michael Arnemann
  • Prof. Dr.-Ing. Marco Braun
  • Prof. Dr.-Ing. Jens Denecke
  • Prof. Dr.-Ing. Jan Hoinkis
  • Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld
    Weitere Informationen:

  • Prof. Dr.-Ing. Maurice Kettner
  • Prof. Dr.-Ing. Matthias Stripf
  • Prof. Dr.-Ing. Matthäus Wollfarth

Unterstützt werden die sieben genannten Professoren durch derzeit 20 wissenschaftliche Mitarbeiter.

Neben diesen Mitarbeitern werden auch Studierende in die Forschungsvorhaben eingebunden, entweder über Abschluss- und Projektarbeiten oder über ihren Einsatz als studentische Hilfskräfte-

Studienschwerpunkt Kälte-, Klima- und Umwelttechnik - Bachelorstudiengänge Maschinenbau und Mechatronik

Die Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik bietet den Studienschwerpunkt Kälte-, Klima- und Umwelttechnik (KKU) bei folgenden Studiengängen an: Bachelor of Engineering (B. Eng.)

  • Maschinenbau
  • Mechatronik

Auch bei Kälte- und Klimaanlagen muss in Zukunft der Energiebedarf stark reduziert werden. Es gibt jedoch keine bzw. kaum Ingenieure mit den notwenigen mechatronischen und kältetechnischen Kentnissen. Daher haben Studierende mit dem Schwerpunkt KKU sehr gute Berufsaussichten.

Sie erwerben Kenntnisse in zukunftsträchtigen und innovativen Feldern der Kälte-, Klima- und Umwelttechnik und können dazu beitragen, umweltfreundliche Verfahren zu entwickeln. Studierende dürfen dabei in aktuellen Forschungs- und Entwicklungsprojekten mitarbeiten. Auch die kostenlose Mitgliedschaft im Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Verein e. V. (DKV) hilft ihnen, ein ganz persönliches Netzwerk aufzubauen.

Kälte- und Klimatechnik

Seit Urzeiten versucht der Mensch seine Umgebung und auch seine Lebensmittel zu temperieren. Höhlen wurden durch Feuerstellen erwärmt, Fleisch durch Kühlung in Schnee haltbar gemacht.

Über Jahrtausende stand das Heizen im Vordergrund, doch seit der Römerzeit gibt es auch Bestrebungen zur gezielten Abkühlung von Räumen, was heute mit dem Begriff „Klimatechnik“ umschrieben wird. Raumlufttechnische Anlagen, die neben dem Heizen auch das Kühlen sowie Be- und Entfeuchten beherrschen, existieren erst seit rund 100 Jahren.

Kältetechnik wird in vielen Gebieten der Technik und des täglichen Lebens eingesetzt, wie z. B. bei der Kühlung von Lebensmitteln, bei Klimaanlagen in Gebäuden und Fahrzeugen oder auch bei der Rechnerkühlung.

Heute werden nicht nur Bürogebäude, Wohnräume und Autos klimatisiert, sondern auch Operationssäle, Theater, Einkaufszentren, Flug- und Weltraumfahrzeuge, Eisenbahnen und vieles mehr.

Umwelttechnik

Umwelttechnik ist eine typische Querschnittstechnologie, bei der eine breite Palette von natur- und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen praktische Anwendung findet. Einige typische Felder der Umwelttechnik sind:

  • Abwasser- sowie Prozesswasserreinigung und Wiederverwendung durch Einsatz unterschiedlicher Technologien, wie biologische Reinigung und Filtrationstechniken
  • Abgas- und Abluftreinigung in der Automobiltechnik und Industrie
  • Abfallmanagement und Wertstoffrecycling
  • Ökobilanzen und Ökomanagement
  • Neue Technologien der Energietechnik, wie z. B. der Einsatz von Brennstoffzellen.

Studienschwerpunkt Energieeffizienz in der Kälte-, Klima- und Umwelttechnik - Masterstudiengang Maschinenbau

Energieeffizienz ist der Schlüssel zu einem fortgesetzt hohen Lebensstandard bei schwindenden fossilen Energieträgern und reduzierten CO2-Emissionen. Die Nachfrage nach Absolventen ist seit Jahren sehr gut. Selbst in der Wirtschaftskrise 2009 gab es keine arbeitslosen Kälte-Klima-Absolventen der Hochschule Karlsruhe.

Mögliche, spätere Arbeitgeber sind:
Planer, Hersteller, Erbauer und Betreiber von großen Kälte- und Klimaanlagen, Wärmepumpen und Blockheizkraftwerken, Komponentenhersteller,
auch Fahrzeughersteller und deren Zulieferer, Energieversorger

Inhalte, die vermittelt werden für alle neuen Masterstudiengänge:

  • Ausgewählte Kapitel d. Ingenieurmathematik
  • Personalführung
  • Einführung in das wiss. Arbeiten
  • Software-Technik
  • Steuerungs- und Messtechnik
  • Wärmeübertragung
  • Modellbildung und Simulation

Schwerpunkte zur Energieeffizienz:

  • Energieübertragung u. Energiespeicherung
  • Regenerative Energien
  • Simulation thermischer Systeme
  • Aerodynamik / CFD
  • Alternative Kälteerzeugung und Wärmepumpen
  • KWK / BHKW mit Labor
  • Regelung von Kälte- und Klimaanlagen
  • Energieeffizienz in der Kälte- und Klimatechnik

Der Studienschwerpunkt Energieeffizienz beginnt jeweils zum Wintersemester. Bewerbungsschluss für diesen Studiengang ist der 15. Juli des jeweiligen Jahres.

  

Absolventinnen/Absolventen sind nach Abschluss des Masterstudiums Maschinenbau mit dem Studienschwerpunkt Energieeffizienz:

  • Befähigt umfangreiche wissenschaftliche und technische Kenntnisse (z.B. auf den Gebieten der Mathematik, Ingenieurmechanik, Wärmeübertragung und der numerischen computerorientierten Methoden) einzusetzen, um komplexe mathematische, mechanische, mechatronische und thermische Systeme und Prozesse zu beurteilen und zu entwickeln
  • In der Lage, komplexe thermische Systeme zu modellieren, analysieren und zu bewerten
  • Fähig, Energieerzeugungs- und -verteilketten zu analysieren und zu bewerten
  • Sie Können regenerative Energiesysteme und Systeme der Kraft-, Wärme-, Kältekopplung auslegen, analysieren und bewerten
  • In der Lage effiziente Regelungssysteme für Kälte- und Klimaanlagen auszulegen
  • Sie können Kälte- und Klimaanlagen energieeffizient planen und betreiben sowie bestehende Anlagen energetisch optimieren.
  • Sie haben vertiefte Kenntnisse auf dem Gebiet der Wärmepumpen und alternativen Kälteerzeugung.

Übersicht über die Laboratorien

Innerhalb des Studienschwerpunkts Kälte-, Klima- und Umwelttechnik erhalten die Studierenden die Möglichkeit, das in den Vorlesungen erlernte Wissen praktisch anzuwenden. Der Studienschwerpunkt verfügt über folgende Labore:

  • Kältemaschinenlabor für vorlesungsbegleitende Übungen mit kältetechnischen Versuchen zu verschiedenen Themen der Kältetechnik, z. B.:

    • Aufbau und Inbetriebnahme von Kälteanlagen
    • Fehlersuche an Kälteanlagen
    • Tieftemperaturkaskade

  • Kältemaschinenlabor für Studien- und Abschlussarbeiten sowie Forschungsprojekte:

    • Wärmeübergang in Minichannel-Profilen
    • Eisbrei-Versuchsanlagen
    • Fahrzeugklimatisierung

  • Klima- und Kältekammern für Temperaturen von -50 °C bis +50 °C
  • Demonstrationsklimaanlage zur Hörsaalklimatisierung
  • Umwelttechnisches Labor

Weitere Informationen zu den Einrichtungen des Instituts finden Sie hier: Laboratorien IKKU

Rundblick im Kältelabor

Vorlesungen und Laborübungen

in den Laboren des Instituts für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik finden Vorlesungen bzw. Laborübungen zu folgenden Themen statt:

  • Thermodynamik
  • Wärmeübertragung
  • Klimatechnik
  • Kältetechnik
  • Fahrzeugklimatisierung
  • Labor für Kältemaschinen und Wärmepumpen
  • Ice Slurry
  • Simulation thermischer Systeme

Aktuelles, Termine und Veranstaltungen

Offene Abschlussarbeiten im Bereich Motorentechnik

   

Bei Interesse an:

  • 3D-Strömungs- und Verbrennungssimulation,
     
  • 1D-Motorprozesssimulation
     
  • und/oder der Durchführung von Motorversuchen

... kontaktieren Sie bitte:
  

Denis Neher
Tel.: +49 (0)721/925 - 1825
E-Mail: denis.neher[at]hs-karlsruhe.de

oder

Fino Scholl
Tel.: +49 (0)721/925 - 1826
E-Mail: fino.scholl[at]hs-karlsruhe.de

Die Forschungsbereiche, -vorhaben und -projekte
des Instituts für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik

Foto: Mikroskopische Aufnahme von Eisbrei [Prof. Dr.-Ing. Rainer Schwab]

Eisbrei

Ein Forschungsschwerpunkt des IKKU befasst sich mit den thermodynamischen Grundlagen der Eisbreierzeugung, -alterung sowie der Wärmeübertragung bei der Eisbreiproduktion und -abschmelzung.

Was ist Eisbrei?
Wird eine flüssige Lösung aus Wasser und einem gefrierpunktserniedrigendem Additiv, z.B. Salz oder Ethanol, soweit abgekühlt, dass sich Eiskristalle (0,1 – 0,5 mm) ausbilden, liegt ein 2-Phasen-Gemisch mit der Bezeichnung Eisbrei (engl.: Ice Slurry) vor. In Abhängigkeit des Zusatzes und dessen Konzentration wird der Gefrierpunkt auf eine bestimmte Temperatur unter 0 °C gesenkt. Bei Betriebstemperatur liegen Wasser als flüssige und feste Form sowie das Additiv in flüssiger oder in im Wasser gelöster Form vor, sozusagen Flüssigkeit (Kälteträger) und Eiskristalle. Dieses Verhalten ermöglicht die Verwendung des umweltfreundlichen Kälteträgers Wasser bei Einsatztemperaturen unterhalb seines Gefrierpunktes. Die Bezeichnung als Brei basiert auf dem viskosen Fließverhalten, das bei den meisten Mischungsverhältnissen einem Bingham-Fluid mit einer Anfangsschubspannung entspricht.

Der Kälteträger hat eine deutlich höhere Energiedichte (mehrfach höher als flüssiges Wasser) und einen bis zu 100 % höheren Wärmeübergang. Eisbrei wird erfolgreich und mit entsprechender Energieeinsparung eingesetzt, z.B. in Brauereien zur Bierkühlung, in Krankenhäusern zur Lebensmittelkühlung, auf Fischkuttern als Scherbeneisersatz oder auch zur Raum- bzw. Gebäudekühlung.

Derzeit arbeiten am IKKU zahlreiche wissenschaftliche Mitarbeiter in diversen Forschungsprojekten zum Thema Eisbrei. Insbesondere das Partikelwachstum und dessen Einfluss auf die Viskosität und den Wärmeübergang sind Themen von bearbeiteten Forschungsprojekten.

Auch fehlt es immer noch an einem kostengünstigen und zuverlässigen Eisbreierzeugungsverfahren. Hier werden Untersuchungen zur Eiskristallbildung in strömenden Flüssigkeiten durchgeführt, die zukünftig um grundlegendere Untersuchungen ergänzt werden sollen.

                     

Forschungsprojekte:

  

Studentische Projekte:

Motorentechnik

Weitere Informationen zum Forschungsbereich Motorentechnik finden Sie hier:

Motorentechnik

Energieeffizienz von Kälteanlagen

Die Bundesregierung möchte den Elektroenergieverbrauch bis 2020 um 11 % senken. Kälte- und Klimaanlagen in Deutschland verbrauchen ca. 14 % dieser Energie und verfügen über hohe Einsparpotentiale.
Teurere, aber energieeffiziente Lösungen können sich über die Lebenszeit der Anlage rechnen, jedoch spielen Lebenszyklusbetrachtungen bisher kaum eine Rolle. Um hier ein Umdenken zu erreichen, ist es wichtig, den betroffenen Branchen entsprechende Alternativen anzubieten, welche am IKKU bereits entwickelt wurden.

         

Projekte:

     

Elektrische Energieverbraucher in einem typischen Supermarkt, bei welchen eine Energieeinsparung durch verschiedene Maßnahmen möglich ist. Elektrische Energieverbraucher in einem typischen Supermarkt, bei welchen eine Energieeinsparung durch verschiedene Maßnahmen möglich ist.

Minichannel

Das IKKU verfügt über Versuchseinrichtungen zur Messung des inneren Wärmeübergangskoeffizienten in Minichannelprofilen sowie einen Klimawindkanal, der die Vermessung von Wärmeübertragern bis zu einer Frontfläche von 700 x 700 mm gestattet.

Die bisherigen Erkenntnisse auf dem Gebiet des Wärmeübergangs beim Verdampfen in Mini- und Mikrokanälen werden derzeit in neue Anwendungsfelder übertragen, z. B. für die Kühlung von Spritzgussformen und Werkzeugschneiden

Kaltluftprozess

Die Mitglieder des IKKU haben 4 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet von Kaltluftprozessen, die insbesondere für tiefe Temperaturen von Interesse sind.

Alle derzeit in diesem Bereich eingesetzten sogenannten Sicherheitskältemittel sind vollfluoriert mit entsprechend hohem Treibhauspotenzial. Hier sind in absehbarer Zeit Reglementierungen zu erwarten und die Hersteller von entsprechenden Kälteanlagen bzw. -kammern werden sich nach Alternativen
umsehen.

Thermomanagement im Fahrzeug

Der Einsatz elektrischer Antriebe im Straßenverkehr erfordert neue Ansätze für die Klimatisierung der Kabine und der Batterie (Kühlen und Heizen).

Am IKKU werden auch unkonventionelle Konzepte zur Kälteerzeugung und Heizung untersucht wie auch bewertet. So soll das Thema energieeffizientes Kühlen und Heizen im Fahrzeug künftig stärker berücksichtigt werden.

Blockheizkraftwerke

Das IKKU ist derzeit mit drei Blockheizkraftwerken (BHKW) der Firma Mayer & Cie sowie je einem vom Typ Whispergen und „Dachs“ der Firma Senertec ausgestattet.

Neben dem Wirkungsgrad ist bei BHKW-Antrieben die Reduzierung der Schadstoffemissionen von großer Bedeutung. Gleichzeitig ist die Verringerung der Investitions- und Betriebskosten ein wichtiger Schlüssel zu wirtschaftlichem Betrieb. Durch hohe Betriebsstundenzahlen ergeben sich hier besonders große Herausforderungen für die Entwicklung.

Das IKKU arbeitet derzeit an neuen Zündsystemen sowie Emissionsminderung.

Blockheizkraftwerk der Firma Senertec Blockheizkraftwerk der Firma Senertec

 Umwelttechnik - Wasseraufbereitung bzw. -reinigung

Das IKKU hat umfangreiche Aktivitäten im Bereich Wasserbehandlung und Wasserrecycling, welche zukünftig noch vertieft bzw. erweitert werden sollen.

Hierbei spielt die sogenannte Membranbioreaktor (MBR) Technik eine besondere Rolle. Das Ziel der Forschung ist es MBR Membranen zu entwickeln, welche u. A. eine bessere Trenngrenze aufweisen.

Weiteres Projekt:
Aufbau eines Forschungs- und Entwicklungsnetzwerks zwischen europäischen und asiatischen Partnern, um innovative Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung und Reinigung industriellen Abwassers zu entwickeln und vor Ort zu testen.

Hintergrund: In China und Bangladesch bereitet das industrielle Abwasser der Textilindustrie große Probleme und in direkter Folge die Bereitstellung von sauberem Trinkwasser. In Bangladesch ist außerdem das aus Brunnen gewonnene Trinkwasser in vielen Fällen stark arsenbelastet.