Reaktive Strömungen

Vorlesung

C. Schulz 

Dienstags
16:00–17:30 Uhr

Raum: LB 107 (nur in Präsenz)
Beginn: Di., 14.10.25 
Rhythmus: wöchentlich

Übung

C. Schulz/M. Fikri

Dienstags
17:30–18:30 Uhr

Raum: LB 107 (nur in Präsenz)
Beginn: Di., 28.10.25 
Rhythmus: wöchentlich

Tutorium

C. Schulz/M. Fikri 

Montags
9:00–11:00 Uhr

Raum: MB 2.42 (nur in Präsenz)
Beginn: wird in der Übung bekannt gegeben
Rhythmus: wöchentlich

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Veranstaltungsinhalt

Beschreibung:
Reaktive Strömungen spielen eine große Rolle in technischen Prozessen zur Energiegewinnung und Materialsynthese und werden in zahlreichen technischen Anlagen eingesetzt. Ein zentrales Element ist die Kopplung von Fluiddynamik, chemischer Reaktion sowie Stoff- und Wärmeübergang. Zum Verständnis derartiger Prozesse wird die chemische Thermodynamik und die chemische Kinetik herangezogen. Darüber hinaus ist die Interaktion zwischen Reaktion und Strömung in Gasphasenprozessen mit großem Energieumsatz von großer Bedeutung. Hochtemperaturreaktionen erfordern das Verstehen von Radikalreaktionen und Reaktionsmechanismen.

1 Einleitung
2 Ergebnisse der chemischen Thermodynamik
3 Kinetik homogener und heterogener Reaktionen
4 Allgemeine Flammenerscheinungen und verbrennungstechnische Kenngrößen
5 Theoretische Beschreibung von reaktiven Strömungen
6 Verbrennungswellen in homogenen, vorgemischten Gasen

Die Vorlesung wird von einer Übung und einem Tutorium begleitet. Teil der Übung ist ggf. ein Praktikumsversuch.

Lernziele:
Die Studierenden sind in der Lage die thermodynamischen und kinetischen Aspekte von Gasphasenreaktionen bei hohen Temperaturen zu erklären und zu bewerten. Sie lernen typische relevante Anwendungsfelder kennen.

Reactive Flows

Lecture

C. Schulz 

Tuesdays
09:00–10:30 Uhr

Room: LB 134 (only in person)
Start: Di.,  14.10.25 
Frequency: weekly

Exercise

M. Fikri

Tuesdays
08:15–09:00 Uhr

Room: LB 134 (only in person)
Start: Di.,  28.10.25 
Frequency: weekly

Tutorial

C. Schulz/M. Fikri 

Mondays
9:00–11:00 Uhr

Room: MB 2.42 (only in person)
Start: will be announced during the exercise
Frequency: weekly

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event content

Description:
Reactive flows play a major role in technical processes for energy generation and material synthesis and are used in numerous technical plants. A central element is the coupling of fluid dynamics, chemical reaction and mass and heat transfer. The understanding of these processes strongly relies on chemical thermodynamics and chemical kinetics. The interaction between reaction and fluid flow is of special interest in reactive gas-phase processes with strong energy release. High temperature gas-phase reactions require the fundamental understanding of radical reactions and complex reaction schemes.

1 Introduction
2 Results of Chemical Thermodynamics
3 Kinetics of Homogeneous and Heterogeneous Reactions
4 General flame phenomena and parameters of combustion technology
5 Theoretical description of reactive flows
6 Combustion waves in homogeneous premixed gases

Die Vorlesung wird von einer Übung und einem Tutorium begleitet. Teil der Übung ist ggf. ein Praktikumsversuch.

Learning objectives:
The students learn to explain and critically review the thermodynamical and kinetics background of high-temperature gasphase reactions.

Ausgewählte Probleme der reaktiven Fluide

Seminar

C. Schulz/S. Kaiser/T. Endres

Dienstags
14:00–15:00 Uhr

Raum: MB 2.42
Beginn: Di.,  07.10.25 
Rhythmus: wöchentlich

Externe Zuhörer: bei Interesse an der Teilnahme des Seminars bitte E-Mail an folgende Adresse schicken:

 Kerstin Czaplinski

Veranstaltungsinhalt

Die Veranstaltung gibt einen Überblick über laufende Forschung im Bereich der Energie- und Materialprozesse im Rahmen von Abschlussarbeiten, Promotionen, und schließt regelmäßige Vorträge von hochrangigen Gästen ein.

Nanopartikel Entstehungsvorgänge

Vorlesung

H. Wiggers

Montags
11:00–14:00 Uhr

Raum: BB 130 (nur in Präsenz)
Beginn: Mo.,  13.10.25 
Rhythmus: wöchentlich

Übung

H. Wiggers

Montags
12:30 - 13:30 Uhr

Raum: BB 130 (nur in Präsenz)
Beginn: Mo.,  20.10.25 
Rhythmus: wöchentlich

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Veranstaltungsinhalt

Beschreibung:
Die Veranstaltung beschäftigt sich detailliert mit den physikalisch-chemischen Grundlagen der Partikelbildung (Keimbildung, Wachstum, Ostwald-Reifung, Sinterung, Kondensation) und ihrer modellhaften Beschreibung. Im Wesentlichen werden die Synthese auf nasschemischem Weg (Sol-gel-Verfahren , Fällungsreaktionen u.a.), durch Gashasensynthese (homogene/heterogene Partikelbildung in der Gasphase, Spraypyrolyse u.a.) und durch physikalische Verfahren in ihren Grundlagen behandelt.

Lernziele:
Die Studierenden sind in der Lage, die Modelle zur Partikelbildung sowie ihre physikalisch-chemischen Grundlagen zu erklären und zu bewerten.

Bildgebende Messtechniken für Strömungen

Vorlesung

S. Kaiser

Die wöchentlichen Termine für V und Ü werden in der 1. Vorlesung in Absprache mit den Teilnehmenden neu geplant um den bisherigen Terminkonflikt mit „Energiewandlung in Strömungsmaschinen (EWS)“ (Prof. Brillert) zu vermeiden. Die neuen Termine werden dann auch hier veröffentlicht.

Nur 1. Vorlesung:

Dienstag,  14.10.25 
12:00 Uhr MB 143

(an diesem Termin findet die Übung EWS noch nicht statt)

Übung

S. Kaiser/Mitarbeitende

Termin nach Absprache, s.o.

Praktikum

S. Kaiser/Mitarbeitende

Nach Absprache

Labore des Lehrstuhls

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Veranstaltungsinhalt

Beschreibung:
Die Vorlesung behandelt bildgebende Messtechniken, die in Strömungen eingesetzt werden können, um quantitativ und berührungslos physikalische und chemische Eigenschaften ab zu bilden. Z.B. kann mit der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) die Kraftstoffkonzentration in einem Motor vermessen werden. Messprinzipien, Hardware (z.B. Kameratechnologie), und Datenverarbeitung werden erläutert. Im begleitenden Praktikum (separat aufgeführte Veranstaltung) bauen die Studenten einen klassischen Versuch der turbulenten Strömungslehre auf, führen ihn durch, und werten die Ergebnisse aus: 2DMessung des Konzentrationsfeldes im turbulenten Freistrahl. Die Studenten dokumentieren Vorgehen und Ergebnisse in einem Praktikumsbericht.

Inhalte:
Vorlesung und Übung:

1) Warum laser-basierte Messmethoden in Strömungen?
Vorführen eines typischen Experimentes im Labor.
2) Bildgebende Strömungsmessung: Methoden, Anwendungen, Beispiele
3) Einfache Optik: Strahlenoptik, Polarisation, Interferenz, Filter
4) Laser: Physik, Laserarten, Baugruppen. LEDs.
5) Bildformung: Auflösung, Objektive, Abbildungsfehler.
6) Kameras und Detektoren: CCD, ICCD, CMOS, Photodiode, PMT. Sensorgüte und Rauschen.
7) Bildverarbeitung: Photometrie, Filtern, Statistische Analyse.
Praktikum (Fluoreszenz-basierte Abbildung eines turbulenten Freistrahls):
Literaturüberblick
Aufbau des Experimentes
Datenerfassung, Bearbeitung und Auswertung
Bericht

Lernziele:
Die Studierenden verstehen die Grundlagen und Anwendungen quantitativer bildgebender Messverfahren in reaktiven Strömungen, insbesondere die dazu gehörigen Technologien wie Kamerasysteme und Lichtquellen. Sie können grundlegende Parameter der Bildgebung in typischen Anwendungen abschätzen.

Messmethoden in der Energie- und Verfahrenstechnik

Vorlesung

J. Menser

Montags
13:00 bis 14:30

Raum: MB 143
Beginn: Mo.,  13.10.25
Rhythmus: wöchentlich

Übung

J. Menser/Mitarbeitende

Montags
15:00 bis 15:45 Uhr

Raum: MB 143
Beginn: Mo., 13.10.25
Rhythmus: wöchentlich

Praktikum

J. Menser/Mitarbeitende

Nach Absprache

Labore des Lehrstuhls

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Veranstaltungsinhalt

Beschreibung:
Die Vorlesung vermittelt grundlegende und angewandte Kenntnisse zu Messmethoden in der Energie- und Verfahrenstechnik. Sie behandelt die physikalischen Prinzipien zentraler Messverfahren und zeigt, wie Temperatur, Druck, Durchfluss und Zusammensetzung von Stoffströmen im Forschungs- und Industriebetrieb erfasst werden können. Ein Schwerpunkt liegt auf der Auswahl geeigneter Sensoren und deren Einsatz im laufenden Anlagenbetrieb. Kurze Demonstrationsexperimente in der Vorlesung verdeutlichen die Messprinzipien, im begleitenden Praktikum werden sie praktisch umgesetzt. Ziel ist es, ein Verständnis für die Leistungsfähigkeit und Grenzen moderner Messtechnik zu entwickeln und sie sicher in verfahrenstechnischen Prozessen anzuwenden.

Inhalte:
Vorlesung:

1. Physikalische Grundlagen
   1. Ladung, Widerstand, Impedanz
   2. Spektroskopie, Lichtquellen, Detektoren
   3. Wechselwirkung von Licht mit Materie
   4. Elektrochemie
   5. Oberflächeneffekte
   6. Massenspektroskopie
2. Messgrößen
   1. Temperatur
   2. Konzentration
   3. Druck, Vakuum
   4. Durchfluss, Strömungsfelder, Füllstand
   5. Partikel, Aerosole, Dispersionen
3. Weitere Themen
   1. Bussysteme
   2. Proxy-Messungen und Soft Sensors
   3. KI, Big Data und Datenmanagement

Praktika (mind. 1 Versuch)

• Flammenversuch: Abgasmesstechnik und Chemilumineszenz
  • Durchführung
  • Auswertung
  • Bericht
• TBD

Lernziele:
Studierende verstehen grundlegende physikalische Messprinzipien und deren Anwendung in der Energie- und Verfahrenstechnik. Sie erkennen geeignete Verfahren und Sensoren für typische Messaufgaben, bewerten deren Einsatzgrenzen und können Messergebnisse im technischen Kontext richtig einordnen.

Verbrennungsmotoren (PO19) /Kolbenkraftmaschinen (PO24)

Vorlesung

S. Kaiser

Donnerstags
13:00–15:00

Raum: MB 144 (nur in Präsenz)
Beginn: Do., 10.04.2025
Rhythmus: wöchentlich

Übung

S. Kaiser/Mitarbeitende

Donnerstags
12:00–13:00 Uhr

Raum: MB 144 (nur in Präsenz)
Beginn: Do., 17.04.2025
Rhythmus: wöchentlich

Praktikum

S. Kaiser/Mitarbeitende

Zur Anerkennung der Prüfung Verbrennungsmotoren (PO 19) als Modul Kolbenkraftmaschinen (PO 24) müssen Sie zusätzlich den Praktikumsversuch Kolbenkraftmaschinen erfolgreich durchführen.

Organisation über den genannten Moodlekurs.

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Veranstaltungsinhalt

Beschreibung:
Die Veranstaltung führt in die Grundlagen der Kolbenkraftmaschinen, insbesondere des Verbrennungsmotors, ein. Der Schwerpunkt ist sind die thermochemischen Prozesse der Energiewandlung im Zylinder der Maschine.

1. Einleitung, Kursorganisation. Anwendungsbeispiele.
2. Leistungskenngrößen
3. Kraftstoffe
4. Modelle und Arbeitsprozesse
5. Ladungswechsel
6. Aufladung
7. Ottomoto
8. Dieselmotor
9. Emissionen

 
Lernziele:
Die Studierenden verstehen die Konzepte der Kolbenkraftmaschinen und können die Grundlagen des innermotorischen Prozesses und die Grundlagen der technischen Realisierung erklären. Sie sind in der Lage, einfache Rechnungen zur überschlägigen Auslegung von Kolbenkraftmaschinen durchzuführen. Sie verstehen die Entwicklungsziele und deren Bedeutung.

Wärme-, Kraft- und Arbeitsmaschinen -Teil B: Kolbenmaschinen (PO19)

Vorlesung

S. Kaiser

Donnerstags
9:00–11:00 Uhr

Raum: LB 107 (nur in Präsenz)
Beginn: Do., 10.04.2025
Rhythmus: wöchentlich

Übung

S. Kaiser/Mitarbeitende

Donnerstags
11:00–12:00 Uhr

Raum: LB 107 (nur in Präsenz)
Beginn: Do., 17.04.2025
Rhythmus: wöchentlich

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Veranstaltungsinhalt

Beschreibung:
Das Fach behandelt die Fluidenergiemaschinen, auch Wärmekraftmaschinen bzw. Arbeitsmaschinen genannt.
Unterteilt in (A) Strömungsmaschinen und (B) Kolbenmaschinen werden jeweils Funktion und Einsatzgebiet
vermittelt. Als Grundlage dienen Thermodynamik und Strömungslehre, die in den Maschinen ihre Anwendung
finden. Beispiele sind die Energiewandler in Windkraftanlagen und Kraftwerken (Solar, Geothermie, Gezeiten,
Gas-und-Dampf), die Medienförderung in verfahrenstechnischen Anlagen, Brennstoffzellen, mechanischen und
thermischen Speicherkraftwerken (Pumpspeicherkraftwerke, Carnot-Batterie), mobile Antriebe, Druck- und
Unterdruckbereitstellung in Hydraulik, Pneumatik und Vakuumtechnik, die Förderung von Wasserstoff und
Methan in Pipelines, und die Wasser- und Abwasserförderung.
Teil A (Strömungsmaschinen, Dozent: Brillert): Die eindimensionale Theorie der hydraulischen und thermischen
Maschinen wird erläutert. Die wichtigste Gleichung der Strömungsmaschinen, die Euler’sche
Turbinenhauptgleichung, und der Zusammenhang mit den Geschwindigkeitsdreiecken wird behandelt. Für die
Anwendungen in den oben genannten Systemen werden die Maschinenkennfelder und das Betriebsverhalten
diskutiert.
Teil B (Kolbenmaschinen, Dozent: Kaiser): Die relevanten Grundlagen der Thermodynamik werden
zusammenfassend wiederholt und auf die Maschinenarten Kolbenpumpe, Kolbenverdichter und
Hubkolbenmotor angewendet. Reale Prozesse und entsprechende vereinfachte Modelle werden insbesondere
im Druck-Volumen-Diagramm diskutiert. Die Bauformen, Kennfelder, Maschinenelemente und
Maschinendynamik werden für verschiedenen Einsatzbereiche erläutert.

Lernziele:
Studierende verstehen die thermodynamischen und strömungsmechanischen Vorgänge in den Maschinen und wie sie in Systemen eingesetzt werden können und sich in diesen verhalten. Sie sind in der Lage für die Maschinen die thermodynamischen Kreisprozesse zu interpretieren und kennen die Grundlagen der technischen Realisierung.

Laseroptische Messverfahren in reaktiven Strömungsprozessen

Vorlesung

T. Endres

Dienstags
14:00–16:00 Uhr

Raum: MD 468 (nur in Präsenz)
Beginn: Mi., 08.04.2025
Rhythmus: wöchentlich

Übung

T. Endres/Mitarbeitende

Dienstags
16:00–17:00 Uhr

Raum: MD 468 (nur in Präsenz)
Beginn: Mi., 15.04.2025
Rhythmus: wöchentlich

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Veranstaltungsinhalt

Beschreibung:
Die Vorlesung vermittelt zunächst einige Grundlagen der geometrischen Optik, der mikroskopischen Beschreibung von Atomen und Molekülen, sowie deren Absorptions- und Emissionsspektren. Dazu werden auch grundlegende Betrachtungen zur Quantenmechanik der Atome und Moleküle vermittelt, wie sie für ein Verständnis der später diskutierten optischen Messmethoden notwendig sind. Weiterhin werden der Aufbau und die Funktionsweise von Lasern und optischen Detektoren behandelt. Anschließend vermittelt die Vorlesung einen Einblick in verschiedene, vorwiegend Laser-basierte Methoden zur berührungslosen optischen Diagnostik der Gas- oder Partikelphase in reaktiven Systemen und (in geringerem Umfang) Flüssigkeiten. Schwerpunkte sind die Diskussion anwendungsnaher Beispiele für die in-situ-Messung von Temperatur, Spezies-spezifischer Stoffkonzentrationen, Partikeleigenschaften und Strömungsgeschwindigkeiten in reaktiven strömenden Medien. Hierbei wird die Signalerzeugung durch Streuprozesse (Rayleigh, Raman), Absorption, Laserinduzierte Fluoreszenz, Laser-induzierte Inkandeszenz und nichtlinearer optischer Verfahren vorgestellt. Beispiele aus praktischen Anwendungsfeldern der Laserdiagnostik in Verbrennungsprozessen werden gegeben.

Das begleitende, einstündige Praktikum wird auf Grundlage aktueller Forschungsfragen individuell abgestimmt und organisiert. Details werden mit den Lehrenden abgestimmt.

Lernziele:
Die Vorlesung „Laseroptische Messverfahren in reaktiven Systemen“ versucht auf dem Stoff der Vorlesung „Quantitative bildgebende Messtechniken in Strömungen“ von Prof. Sebastian Kaiser aufzubauen. Der dort behandelte Stoff wird in Auszügen kurz wiederholt; es ist also nicht zwingend notwendig diese Vorlesung vorher gehört zu haben; sie bietet allerdings ein vertieftes Verständnis einiger Grundlagen der hier angebotenen Vorlesung.Die Studierenden bekommen grundlegende Kenntnisse zur geometrischen und Wellenoptik vermittelt. Sie verstehen die Grundlagen (weitgehend basierend auf spektroskopischen Betrachtungen) und Anwendungen moderner laseroptischer Messverfahren für die Orts- und Zeitaufgelöste berührungsfreie Messung in reaktiven Strömungsprozessen. Sie verstehen die komplexen Zusammenhänge, die zur Auswahl von geeigneten Lichtquellen, Strahlanordnungen und Detektionskonzepten erforderlich sind.

Ausgewählte Probleme der reaktiven Fluide

Seminar

C. Schulz/S. Kaiser

Dienstags
14:00–15:00 Uhr

Raum: MB 242
Beginn: Di., 08.04.2025
Rhythmus: wöchentlich

Veranstaltungsinhalt

Die Veranstaltung gibt einen Überblick über laufende Forschung im Bereich der Energie- und Materialprozesse im Rahmen von Abschlussarbeiten, Promotionen, und schließt regelmäßige Vorträge von hochrangigen Gästen ein.

Auslegung und Sicherheit von Gasphasenprozessen

Vorlesung

H. Wiggers

Freitags
9:00–11:00 Uhr

Raum: MB 244 (nur in Präsenz)
Beginn: Fr., 11.04.2025 
Rhythmus: wöchentlich

Übung

H. Wiggers/Mitarbeitende

Freitags
11:00–12:00 Uhr

Raum: MB 244 (nur in Präsenz)
Beginn: Fr. 25.04.2025
Rhythmus: wöchentlich

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Veranstaltungsinhalt

Beschreibung:
Das Modul besteht aus einer Lehrveranstaltung mit Vorlesung und einem Seminar. Die Veranstaltung führt ein in die Auslegung von Gasphasenprozessen mit den Schwerpunkten Gasphasensynthese und Gasphasenabscheidung. An ausgewählten Beispielen wird die verfahrens- und sicherheitstechnische Auslegung von Gasphasenprozessen erläutert. Die Veranstaltung zielt insbesondere darauf ab, auf Basis ausgewählter Reaktionen und ihrer Prozessbedingungen (Thermodynamik und Kinetik von Gasphasenreaktionen, Massenströme, Umsatz, Trennung...) ein geeignetes Anlagendesign zu entwickeln und sicherheitstechnisch zu hinterfragen. Dabei kommen etablierte Methoden aus der chemischen Verfahrenstechnik (Erstellung von R&I- Fließbildern, Gefahrenanalyse mittels PAAG) zum Einsatz. Die gesetzlichen Vorgaben (Betriebssicherheitsverordnung, Gefährdungsbeurteilungen) wie sie sowohl im Hochschul-Bereich wie auch bei Aufbau und Betrieb von Industrieanlagen Anwendung finden, werden dargestellt.

Lernziele:
Die Studierenden sind nach aktivem Besuch der Veranstaltungen in der Lage, verfahrenstechnische Anlagen für Gasphasenprozesse auszulegen, diese anhand von R&I Fließbildern darzustellen und auf ihre Gefährdungen hin zu untersuchen. Sie sind in der Lage, Gefahrenanalysen nach PAAG/HAZOP durchzuführen, Gefährdungen zu erkennen, Risiken durch geeignete Lösungen zu vermeiden und diese kritisch zu hinterfragen. Sie sind über die gesetzlichen Bestimmungen basierend auf der Betriebssicherheitsverordnung informiert und haben gelernt, diese auf Beispiele aus der Praxis anzuwenden.

Praktikum zur reaktiven Fluiden und Thermodynamik

Prof. Schulz und Prof. Atakan und Prof. Kaiser

nach Vereinbarung 

Kontakt:

Prof. Christof Schulz Prof. Burak Atakan Prof. Sebastian Kaiser

Beschreibung:
Ein individuelles, an die in den Lehrstühlen laufende Forschung angelehntes, Forschungsprojekt wird den Studierenden zur eigenständigen, von einem Wissenschaftler betreuten Arbeit gestellt. Die Studierenden bearbeiten die Aufgabe, recherchieren, beschreiben Grundlagen, Arbeit und Ergebnisse und stellen ihre Arbeit im Rahmen eines Seminarvortrages zur Diskussion.

Lernziele:
Die Studierenden erlernen das eigenständige experimentelle Arbeiten in modern ausgestatteten Forschungslaboratorien. Sie beschäftigen sich mit der Literaturrecherche, erlernen das Verfassen eines Forschungsberichts und die Präsentation von Forschungsergebnissen.