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
- Einleitung
- Der Organic Rankine Cycle (ORC)
- Theorie des Organic Rankine Cycle
- Überblick zu den bisherigen wissenschaftlichen Untersuchungen
- Beschreibung der modelltheoretischen Untersuchung
- Das Modell und dessen thermodynamische Analyse
- Auswahl der Arbeitsmedien
- Überblick zu den Modellannahmen und den vorgegebenen Rahmenbedingungen
- Ergebnisse und Diskussion
- Bestimmung des erforderlichen Massenstroms des jeweiligen Arbeitsmediums
- Einfluss der Wahl des Arbeitsfluids auf die energetische Güte des Modellprozesses
- Überblick über die Ergebnisse zum thermischen Wirkungsgrad und der erzielbaren Nettoleistung
- Das T-H-Diagramm als geeignete Darstellungsform des Modellprozesses
- Überblick über die Ergebnisse zum Exergieverlust
- Einfluss des Arbeitsmediums auf die Größe der Wärmeübertragerflächen
- Ansätze zu einer weiteren Verbesserung des Gesamtprozesses
- Ableitung von abstrahierten Parametern bezüglich der Wahl des Arbeitsmediums
- Schlussbetrachtung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Projektarbeit untersucht den Einfluss des Arbeitsfluids auf den Wirkungsgrad von Rankine-Kreisprozessen zur Abwärmenutzung. Durch Modellrechnungen mit verschiedenen Fluiden wird der Einfluss des Fluids auf den Wirkungsgrad als Funktion des Drucks und der Maximaltemperatur analysiert. Darüber hinaus werden abstrahierte Parameter zur Wahl geeigneter Fluide für vorgegebene Abwärme-Probleme identifiziert und die benötigten Wärmeübertragerflächen für die unterschiedlichen Prozesse abgeschätzt.
- Untersuchung des Einflusses des Arbeitsfluids auf den Wirkungsgrad von Rankine-Kreisprozessen
- Identifizierung abstrahierter Parameter für die Wahl geeigneter Arbeitsfluide
- Abschätzung der benötigten Wärmeübertragerflächen für verschiedene Prozesse
- Analyse des T-H-Diagramms als geeignete Darstellungsform des Modellprozesses
- Beurteilung des Exergieverlusts im Prozess
Zusammenfassung der Kapitel
- Einleitung: Dieses Kapitel führt in die Thematik der Abwärmenutzung und die Funktionsweise des Organic Rankine Cycle (ORC) ein. Es beleuchtet die Bedeutung der Prozessoptimierung durch geeignete Arbeitsfluidauswahl.
- Der Organic Rankine Cycle (ORC): Dieses Kapitel beschreibt die grundlegende Theorie des ORC und bietet einen Überblick über bisherige wissenschaftliche Untersuchungen. Es legt die theoretischen Grundlagen für die spätere Modellanalyse.
- Beschreibung der modelltheoretischen Untersuchung: Dieses Kapitel stellt das Modell und dessen thermodynamische Analyse vor, beschreibt die Auswahl der Arbeitsmedien und gibt einen Überblick über die Modellannahmen und Rahmenbedingungen.
- Ergebnisse und Diskussion: Dieses Kapitel präsentiert die Ergebnisse der Modellrechnungen, analysiert den Einfluss des Arbeitsfluids auf die energetische Güte des Modellprozesses und beleuchtet die Auswirkungen auf den thermischen Wirkungsgrad, die erzielbare Nettoleistung, den Exergieverlust und die Wärmeübertragerflächen.
Schlüsselwörter
Organic Rankine Cycle, Abwärmenutzung, Arbeitsfluid, Wirkungsgrad, Druck, Maximaltemperatur, Wärmeübertragerflächen, Exergieverlust, T-H-Diagramm, Modellrechnung.
- Citar trabajo
- Diplom-Kaufmann t. o. Florian Müller (Autor), 2009, Einfluss des Arbeitsfluids auf den Wirkungsgrad von Rankine-Kreisprozessen zur Abwärmenutzung, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/166496
