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 hin-sichtlich 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.
Hinsichtlich einer energetischen Beurteilung des Rankine-Kreisprozesses wird das T-H-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 Pa-rameter 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.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Der Organic Rankine Cycle (ORC)
2.1 Theorie des Organic Rankine Cycle
2.2 Überblick zu den bisherigen wissenschaftlichen Untersuchungen
3 Beschreibung der modelltheoretischen Untersuchung
3.1 Das Modell und dessen thermodynamische Analyse
3.2 Auswahl der Arbeitsmedien
3.3 Überblick zu den Modellannahmen und den vorgegebenen Rahmenbedingungen
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Bestimmung des erforderlichen Massenstroms des jeweiligen Arbeitsmediums
4.2 Einfluss der Wahl des Arbeitsfluids auf die energetische Güte des Modellprozesses
4.2.1 Überblick über die Ergebnisse zum thermischen Wirkungsgrad und der erzielbaren Nettoleistung
4.2.2 Das T- H -Diagramm als geeignete Darstellungsform des Modellprozesses
4.2.3 Überblick über die Ergebnisse zum Exergieverlust
4.3 Einfluss des Arbeitsmediums auf die Größe der Wärmeübertragerflächen
4.4 Ansätze zu einer weiteren Verbesserung des Gesamtprozesses
4.5 Ableitung von abstrahierten Parametern bezüglich der Wahl des Arbeitsmediums
5 Schlussbetrachtung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht anhand von Modellrechnungen den Einfluss verschiedener Arbeitsfluide (Wasser, Heptan, R245fa, SES36) auf die Effizienz eines Organic Rankine Cycle (ORC) zur Verstromung von Abwärme. Ziel ist es, thermodynamische Parameter für die optimale Wahl des Arbeitsmediums zu identifizieren, um den thermischen Wirkungsgrad und die Nettoleistung bei gegebenen Abwärmebedingungen zu maximieren.
- Thermodynamische Analyse von ORC-Prozessen bei Niedertemperatur-Abwärme.
- Vergleichende Untersuchung von Wasser und organischen Fluiden (Heptan, R245fa, SES36).
- Einfluss von Prozessparametern wie Druck und Temperatur auf den Wirkungsgrad.
- Bewertung der benötigten Wärmeübertragerflächen für die wirtschaftliche Anlagenauslegung.
- Optimierungsansätze durch interne Wärmeübertrager und Druckabsenkung.
Auszug aus dem Buch
4.2.1 Überblick über die Ergebnisse zum thermischen Wirkungsgrad und der erzielbaren Nettoleistung
Der thermische Wirkungsgrad des (organischen) Rankine-Kreisprozesses ηth,ORC wird nach Gleichung (9) für das jeweilige Arbeitsmedium in Abhängigkeit vom oberen Druckniveau p = pverd und der maximalen Prozesstemperatur TORC,3 berechnet. Von den vier zu analysierenden Arbeitsmedien weist Wasser den größten thermischen Wirkungsgrad für den betrachteten Modellprozess auf. Dieser nimmt mit steigendem oberen Druckniveau und zunehmender Überhitzung stetig zu (vgl. Tabelle 4).
Von den organischen Fluiden besitzt Heptan den größten thermischen Wirkungsgrad des ORC-Prozesses, das Kältemittel R245fa hingegen den kleinsten. Als Grund wird unter anderem der wesentlich niedrigere Dampfdruck im Kondensator von Heptan (wie auch von Wasser) im Vergleich zu den beiden anderen Fluiden vermutet (vgl. Tabelle 2) [18]. Allen drei organischen Fluiden ist gemeinsam, dass der thermische Wirkungsgrad mit steigendem oberem Druckniveau zunimmt, im Gegensatz zu Wasser jedoch für einen Kreisprozess ohne Überhitzung am größten ist und mit zunehmender Überhitzung stetig abnimmt [5]. Die Ursache liegt im retrograden Charakter der meisten organischen Fluide. Da die Entspannung in der Turbine im überhitzten Zustand endet, wird die Enthalpiedifferenz zwischen Turbinenein- und –austritt und somit die spezifische Arbeit der Turbine mit zunehmender Überhitzung stetig kleiner [5, 9].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beschreibt die Relevanz der Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme zur Stromerzeugung und stellt den Organic Rankine Cycle als Technologie zur Rückgewinnung dieser Energie vor.
2 Der Organic Rankine Cycle (ORC): Das Kapitel erläutert die theoretischen Grundlagen des geschlossenen Kreisprozesses und gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der wissenschaftlichen Forschung zu diesem Thema.
3 Beschreibung der modelltheoretischen Untersuchung: Hier werden das Modell des ORC-Prozesses, die thermodynamischen Grundgleichungen, die ausgewählten Arbeitsmedien sowie die angenommenen Rahmenbedingungen für die Analyse definiert.
4 Ergebnisse und Diskussion: Dieses Kapitel präsentiert die Berechnungsergebnisse für die Massenströme, Wirkungsgrade, Exergieverluste und Wärmeübertragerflächen und diskutiert Ansätze zur Prozessverbesserung.
5 Schlussbetrachtung und Ausblick: Der Autor fasst die Ergebnisse zusammen, wonach Wasser unter thermodynamischen Gesichtspunkten oft am besten geeignet ist, und gibt Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen.
Schlüsselwörter
Organic Rankine Cycle, ORC, Abwärmenutzung, thermischer Wirkungsgrad, Arbeitsmedium, Wasser, Heptan, R245fa, Solkatherm SES36, Exergieverlust, Wärmeübertragerfläche, Niedertemperatur-Wärme, Modellrechnung, Enthalpiestrom, thermodynamische Analyse.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Projektarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der energetischen und wirtschaftlichen Untersuchung von Organic Rankine Cycle (ORC) Prozessen zur Stromerzeugung aus industrieller Niedertemperatur-Abwärme.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Im Fokus stehen der thermodynamische Vergleich verschiedener Arbeitsmedien, der Einfluss der Prozessparameter (Druck, Temperatur) auf die Effizienz sowie die Abschätzung der notwendigen Anlagengröße durch Wärmeübertragerflächen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist es, den Einfluss des Arbeitsfluids selbst auf den Wirkungsgrad zu identifizieren und abstrahierte Parameter zu finden, die die Auswahl geeigneter Medien für spezifische Abwärme-Probleme erleichtern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor führt modelltheoretische Berechnungen durch, basierend auf thermodynamischen Gleichungen für Kreisprozesse, und vergleicht diese Ergebnisse für vier verschiedene Medien.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die Modellbeschreibung, die Berechnung von Massenströmen, thermischen Wirkungsgraden, Exergieverlusten und Wärmeübertragerflächen sowie die Diskussion von Optimierungsansätzen wie dem internen Wärmeübertrager.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Organic Rankine Cycle (ORC), Abwärmenutzung, thermischer Wirkungsgrad, Arbeitsmedien (Wasser, Heptan) und thermodynamische Optimierung.
Wie schneidet Wasser im Vergleich zu organischen Arbeitsmedien ab?
Wasser erweist sich im Rahmen der gewählten Modellannahmen unter thermodynamischen Gesichtspunkten als am besten geeignet für den untersuchten Abwärmeprozess.
Was bringt der Einsatz eines internen Wärmeübertragers bei Heptan?
Der Einsatz eines internen Wärmeübertragers steigert den thermischen Wirkungsgrad des Gesamtprozesses bei Heptan um etwa zwei Prozentpunkte, erhöht jedoch auch die erforderliche Wärmeübertragerfläche signifikant.
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- Diplom-Kaufmann t. o. Florian Müller (Author), 2009, Einfluss des Arbeitsfluids auf den Wirkungsgrad von Rankine-Kreisprozessen zur Abwärmenutzung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/166496
