INHALTSVERZEICHNIS

INHALTSVERZEICHNIS..........................................................................................................   II

AUFGABENSTELLUNG.   III

NOMENKLATUR   IV

Kurzfassung   1

1  Einleitung  2

2  Der Organic Rankine Cycle (OR)C  3

2.1  Theorie des Organic Rankine Cycle.  3

2.2  Überblick zu den bisherigen wissenschaftlichen Untersuchungen  5

3  Beschreibung der modelltheoretischen Untersuchung  6

3.1  Das Modell und dessen thermodynamische Analyse.  6

3.2  Auswahl der Arbeitsmedien  10

3.3  Überblick zu den Modellannahmen und den vorgegebenen Rahmenbedingungen  11

4  Ergebnisse und Diskussion  12

4.1  Bestimmung des erforderlichen Massenstroms des jeweiligen Arbeitsmediums  13

4.2  Einfluss der Wahl des Arbeitsfluids auf die energetische Güte des Modellprozesses.  14

4.2.1  Überblick über die Ergebnisse zum thermischen Wirkungsgrad und der  

erzielbaren  Nettoleistung.  15

4.2.2  Das T- H -Diagramm als geeignete Darstellungsform des Modellprozesses.  19

4.2.3  Überblick über die Ergebnisse zum Exergieverlust  21

4.3  Einfluss des Arbeitsmediums auf die Größe der Wärmeübertragerflächen.  22

4.4  Ansätze zu einer weiteren Verbesserung des Gesamtprozesses.  24

4.5  Ableitung von abstrahierten Parametern bezüglich der Wahl des Arbeitsmediums  28

5  Schlussbetrachtung und Ausblick.  29

LITERATURVERZEICHNIS   VI

II

AUFGABENSTELLUNG

Bei der Abwärmenutzung können unterschiedliche Fluide in einem Rankine-Kreisprozess genutzt werden. Anhand von Modellrechnungen mit einigen Fluiden soll der Einfluss des Fluids selbst auf den Wirkungsgrad als Funktion des Druckes und der Maximaltemperatur identifiziert werden. Wenn möglich sollen abstrahierte Parameter zur Wahl geeigneter Fluide für ein vorgegebenes Abwärme-Problem identifiziert werden. Hierbei soll auch abgeschätzt werden, welche Wärmeübertragerflächen bei den unterschiedlichen Prozessen benötigt werden.

III

NOMENKLATUR

Abkürzungen

NIST National Institute of Standards and Technology ORC Organic Rankine Cycle PP Pinch Point REFPROP Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database VDI Verein Deutscher Ingenieure

Formelzeichen

Wärmeübertragerfläche [m ² ] A .

E Exergieverluststrom [kW]

v

.

H Enthalpiestrom [kW] .

H Enthalpiestrom der Luft [kW]

L

.

H Enthalpiestrom des Arbeitsmediums im ORC-Prozess [kW]

ORC

P Leistung [kW] .

Q Wärmestrom [kW]

.

S Entropiestrom [kW/K] .

S Entropiestrom der Luft [kW/K]

L

.

S Entropiestrom des Arbeitsmediums des ORC-Prozesses [kW/K]

ORC

T Temperatur [K] T KW Temperatur des Kühlwassers [K] T L Temperatur der Luft [K] T ORC Temperatur des Arbeitsmediums im ORC-Prozess [K]

c P Wärmekapazität [kJ/(kg K)] c P,L Wärmekapazität der Luft im idealen Gaszustand [kJ/(kg K)] h spezifische Enthalpie [kJ/kg]

IV

h KW spezifische Enthalpie des Kühlwassers [kJ/kg] h L spezifische Enthalpie der Luft [kJ/kg] h ORC spezifische Enthalpie des Arbeitsmediums im ORC-Prozess [kJ/kg] η Wirkungsgrad η th thermischer Wirkungsgrad des ORC-Prozesses η P Wirkungsgrad der Pumpe des ORC-Prozesses η P,KW Wirkungsgrad der Pumpe des Kühlwassers η T Wirkungsgrad der Turbine des ORC-Prozesses spezifischer Wärmeübergangskoeffizient [W/(m ² K)] k .

m Massenstrom [kg/s] .

m Massenstrom des Kühlwassers [kg/s]

KW

.

m Massenstrom der Luft [kg/s]

L

.

m Massenstrom des Arbeitsmediums im ORC-Prozess [kg/s]

ORC

p Druck [Pa] p verd oberes Druckniveau des ORC-Prozesses im Verdampfer [Pa] p kond unteres Druckniveau des ORC-Prozesses im Kondensator [Pa] p P,KW Druckniveau der Pumpe des Kühlwassers [Pa] s spezifische Entropie [kJ/(kg K)] s L spezifische Entropie der Luft [kJ/(kg K)] s ORC spezifische Entropie des Arbeitsmediums des ORC-Prozesses[kJ/(kg K)] ρ Dichte [kg/m³] v spezifisches Volumen [m³/kg] v KW spezifisches Volumen des Kühlwassers [m³/kg] w spezifische Arbeit [kJ/kg] x Dampfanteil

V

Kurzfassung

Bei der Abwärmenutzung können unterschiedliche Fluide in einem (organischen) Rankine-Kreisprozess genutzt werden. Anhand von Modellrechnungen mit einigen Fluiden wird der Einfluss des Fluids selbst auf den Wirkungsgrad als Funktion des Druckes und der maximalen Prozesstemperatur identifiziert. Die energetische Güte und die Wirtschaftlichkeit des (organischen) Rankine-Kreisprozesses werden dabei maßgeblich durch die thermodynamischen Eigenschaften der gewählten Arbeitsmedien und die gegebenen Arbeitsbedingungen beeinflusst.

In der vorliegenden Aufgabenstellung steht ein Abgasstrom auf einem Temperaturniveau von 773,15 K zur Abwärmenutzung zur Verfügung. Für den (organischen) Rankine-Kreisprozess werden neben Wasser als klassischem Arbeits- und Vergleichsmedium für die organischen Fluide mit Heptan ein Kohlenwasserstoff aus der Stoffgruppe der Alkane sowie mit 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und Solkatherm ® SES 36 zwei gängige Kühlmittel ausgewählt.

Wie die Modellberechnungen zeigen werden, ist Wasser im Vergleich mit den drei gewählten, organischen Fluiden unter thermodynamischen Gesichtspunkten am besten als Arbeitsmedium für den vorliegenden Modellprozess geeignet. Lediglich Heptan kann ähnliche Ergebnisse hinsichtlich des thermischen Wirkungsgrades des Gesamtprozesses, der erzielbaren Nettoleistung oder des Exergieverlustes aufweisen. Im Rahmen einer wirtschaftlichen Analyse besitzt Wasser auch im Hinblick auf die erforderliche Wärmeübertragerfläche deutliche Vorteile. Des Weiteren werden für die besonders erfolgreichen Fälle weitere Ansatzmöglichkeiten wie beispielsweise der Einsatz eines internen Wärmeübertragers im Hinblick auf eine mögliche energetische und wirtschaftliche Verbesserung des (organischen) Kreisprozesses diskutiert.

.

H -Hinsichtlich einer energetischen Beurteilung des Rankine-Kreisprozesses wird das T-Diagramm als geeignete graphische Darstellungsform identifiziert. Die Lage der Enthalpieströme der beteiligten Medien zueinander ist dabei ein sichtbares Indiz für dessen energetische Güte.

Darüber hinaus werden auf Basis der Modellberechnungen verschiedene thermodynamische Parameter als hilfreiche Ansatzpunkte für die allgemeine Auswahl eines geeigneten Arbeitsmediums ermittelt. Es werden die Verdampfungsenthalpie und -entropie des Fluids im Kondensator, die Wärmekapazität des Mediums im flüssigen Zustand sowie die Lage des kritischen Punktes als solche vermutet.

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1 Einleitung

Im Rahmen von industriellen Prozessen und weiteren Anwendungen wie Geothermie, konzentrierter Solarthermie oder dezentralen Kraftwerksprozessen entstehen in vielen Bereichen erhebliche Mengen an Abwärme im Temperaturbereich von ca. 373,15-773,15 K, die sich aufgrund ihres niedrigen Temperaturniveaus mit konventionellen Techniken oder aus wirtschaftlichen Gründen nicht nutzen lassen [1]. Vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussion um die wachsende Klimaproblematik sowie der Tatsache, dass fossile Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas oder Kohle als Hauptenergiequellen auf absehbare Zeit nicht mehr zur Verfügung stehen werden, befassen sich Wissenschaft und Praxis zunehmend mit der Suche nach einer möglichst umwelt-freundlichen und effizienten Rückgewinnung dieser so genannten Niedertemperatur-Wärme [2].

Insbesondere bei industriellen Prozessen ist die Abwärmenutzung aufgrund von meist höheren Temperaturen und Durchsätzen von bedeutsamem Interesse. So kann die Abwärme bei ausreichender Wärmeleistung als alternative Energiequelle zur Stromerzeugung genutzt werden. Neben der teilweisen Gewinnung dieser bisher ungenutzten Energie sind etwa die Einsparung an fossilen Brennstoffen, die damit verbundene Vermeidung des Ausstoßes von CO 2 oder die Vergütung von eingespeistem Strom nach dem Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz als weitere mögliche Vorteile der industriellen Abwärmenutzung zu nennen [3, 4].

Die Stromerzeugung aus Abwärme gelingt mit Hilfe dieser Technologien, deren allgemeines Funktionsprinzip in Abbildung 1 dargestellt ist [1]: Das System zur Verstromung der Wärme befindet sich zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke. Von der Wärmequelle wird ein bestimmter Wärmestrom Q in auf ein System übertragen und dort über die Erzeugung von mechanischer Arbeit in einer Turbine mit Hilfe eines Generators teilweise in elektrischen Strom umgewandelt. Der Anteil des Wärmestroms Q out , der in einem realen thermodynamischen System aufgrund von Irreversibilitäten nicht umgewandelt werden kann, fließt einer Wärmesenke,

2

beispielsweise der Umgebung, zu [1, 5]. Der so genannte Organic Rankine Cycle (ORC) stellt eine mögliche Variante dar, mit dem die Verstromung von Niedertemperatur-Abwärme durchgeführt werden kann [6]. Als Arbeitsmedien sind dabei verschiedene (organische) Fluide denkbar. Die wissenschaftliche Leistung dieser Arbeit besteht darin, anhand von Modellrechnungen zu einem vorgegebenen (organischen) Rankine-Kreisprozess den Einfluss des Fluids selbst auf den Wirkungsgrad als Funktion des Druckes und der Maximaltemperatur zu untersuchen. In diesem Zusammenhang werden vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Aspekte die jeweils benötigten Wärmeübertrager-Flächen abgeschätzt. Darüber hinaus werden Ansatzpunkte für allgemeingültige, abstrahierte Parameter zur Wahl geeigneter Fluide hinsichtlich eines vorgegebenen Abwärme-Problems identifiziert.

Ausgehend von einer theoretischen Darstellung der wesentlichen Merkmale des Organic Rankine Cycle und einem kurzen Überblick zu den bisherigen wissenschaftlichen Untersuchungen im zweiten Kapitel wird im dritten Abschnitt das zu untersuchende Modell zum (organischen) Rankine-Kreisprozess vorgestellt. Die benötigten thermodynamischen Berechnungsgleichungen, die gewählten Arbeitsmedien sowie die grundlegenden Modellannahmen werden in diesem Zusammenhang näher erläutert. Das vierte Kapitel stellt die Ergebnisse der Modellrechnungen übersichtlich dar und unterzieht diese einer kritischen Diskussion. Die Arbeit endet mit einer Schlussbetrachtung im fünften Kapitel.

2 Der Organic Rankine Cycle (ORC)

Das zweite Kapitel führt im ersten Abschnitt in die Theorie des Organic Rankine Cycle (ORC) ein und gibt anschließend im Abschnitt 2.2 einen kurzen Überblick über die bisherigen wissenschaftlichen Untersuchungen zu diesem Thema.

2.1 Theorie des Organic Rankine Cycle

Den Ausgangspunkt der theoretischen Überlegungen zum Organic Rankine Cycle stellt das klassische, wasserbetriebene Dampfturbinen-Kraftwerk dar. Der Organic Rankine Cycle ist ein Klein-Kraftwerk, das auf einem geschlossenen Kreisprozess basiert und hinsichtlich des Aufbaus sowie des Funktionsprinzips diesem sehr ähnlich ist [7]. Wie im einfachen Clausius-Rankine-Kreisprozess, der als Modellprozess die wesentlichen Vorgänge im Dampfkraftwerk beschreibt [8], durchläuft das Arbeitsmedium des einfachen ORC-Prozesses vier Arbeitstufen:

(1) Druckerhöhung durch eine Pumpe auf den benötigten Prozessdruck und Zufuhr des Arbeitsmediums zum Verdampfer

(2) Erwärmung des Arbeitsmediums auf Siedetemperatur, vollständige Verdampfung und gegebenenfalls Überhitzung im Verdampfer

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