Konstruktion einer elektrischen Zusatzheizung

I. Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung dieser Arbeit

2 Prinzip des Luftspeicherkraftwerkes
2.1 Diabates Luftspeicherkraftwerk
2.2 Adiabates Luftspeicherkraftwerk
2.3 Wärmespeicher

3 Demonstrator im Labormaßstab
3.1 Bestandteile des Labordemonstrators
3.2 Funktionsweise und Betriebszustände des Labor- demonstrators
3.3 Aufbau und Konzept des Wärmespeichers

4 Messwerterfassung
4.1 Positionierung der Messwertaufnehmer
4.2 Messwertverarbeitung

5 Skalierung der Daten auf eine Anlage im Großmaßstab
5.1 Programmoberfläche
5.2 Berechnungsgrundlagen
5.2.1 Verdichter
5.2.2 Expander

6 Konstruktion der elektrischen Zusatzheizung
6.1 Anforderungen an die Konstruktion
6.2 Angewendetes Lösungsprinzip
6.3 Regelung der elektrischen Leistung
6.4 Grundlagen zur Berechnung des Wärmeübertragers
6.4.1 Bestimmung des Temperaturgradienten
6.4.2 Druckabfall durch Strömungsverluste im Heizrohr
6.4.3 Leistung der elektrischen Heizung
6.5 Ergebnisse der Berechnung

7 Zusammenfassung und Ausblick

8 Literaturverzeichnis

Anhang
A1 Stoffdaten Luft A-2
A2 Berechnungsergebnisse Luftheizung A-4
A3 Datenblatt Turboverdichter A-6
A4 Technische Zeichnungen A-11

Erklärung:

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und ohne unerlaubte fremde Hilfe angefertigt, keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt und die den benutzten Quellen wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Eine Kontaktaufnahme mit Einrichtungen außerhalb der Universität Paderborn ist nur mit Einverständnis der betreuenden Person des Lehrstuhls Thermodynamik und Energietechnik geschehen.

Nils-Henrik Schirmeisen

Paderborn, 08.09.2016

II. Formelzeichen

Lateinische Buchstaben

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Griechische Buchstaben

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Indizes

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dimensionslose Kennzahlen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

„Die fast beliebige Verfügbarkeit von Wärme, technischer Arbeit und Strom ist eines der Fundamente unserer modernen Gesellschaft“ [SPA05].

Meist nimmt man den Komfort, den eine zuverlässige Stromversorgung bietet, nicht war. Erst bei einem Stromausfall wird wieder bewusst, wie wichtig und keinesfalls selbstverständlich eine konstante Energieversorgung ist.

Am 14. August 2003 bricht im gesamten Nordosten der U.S.A. und in Teilen Kanadas die Stromversorgung zusammen. Mehrere Großstädte, darunter New York, Detroit und Toronto, sind ohne Strom. Insgesamt haben 50 Millionen Kunden keine Elektrizität. Es dauert vier Tage, bis die letzten Gebiete wieder mit elekt­rischer Energie beliefert werden. Man schätzt den Schaden, der durch den bis dahin größten Stromausfall in der Geschichte der Vereinigten Staaten von Amerika (U.S.A.) entstanden ist, auf 4-10 Mrd. US-Dollar. Fast die gesamte Wirtschaft ruht in dieser Zeit, der Verkehr ist praktisch zum Erliegen gekommen und verderbliche Ware ist ohne Kühlung nicht mehr zu genießen gewesen [USC04].

Dieses Beispiel macht deutlich, wie wichtig eine solide Versorgung mit Elektrizität für die moderne Gesellschaft ist. Gründe für Stromausfälle sind zahlreich. Der wahrscheinlich Wichtigste ist die Tatsache, dass es kaum Möglichkeiten gibt, elektrische Energie in größerem Maße effektiv mittel- bis langfristig zu speichern. Es ist also ständig erforderlich, die in das Stromnetz eingespeiste elektrische Leistung an die Erfordernisse der Stromkunden anzupassen. Um gleichzeitig die nötige Flexibilität und Effizienz bei der Stromerzeugung zu gewährleisten, setzen die Energieversorger verschiedene Kraftwerkstypen ein. Für die Grundlast sind das hauptsächlich Atom- und Braun-/Steinkohlekraftwerke. Für den Mittellastbetrieb werden zum Teil Steinkohlekraftwerke, aber auch gasbefeuerte Kombikraftwerke genutzt. Für die Spitzenlast werden in Deutschland hauptsächlich Pumpspeicherkraftwerke oder Gasturbinen eingesetzt.

Das Problem des über den Tagesverlauf stark schwankenden Stromverbrauchs wird noch verstärkt durch den steigenden Einsatz von erneuerbaren Energien. Die regenerativen Erzeuger von Strom produzieren mit wenigen Ausnahmen nicht bedarfsgerecht, sondern abhängig von den Umweltbedingungen wie beispielsweise Windstärke oder Sonneneinstrahlung. Bei anderen Anlagen, wie beispielsweise Blockheizkraftwerken, ist die Stromproduktion vom Heizbedarf abhängig. Diese Anlagen haben also Produktionskurven ihrer elektrischen Leistung, die stark von den Verbrauchskurven abweichen. Nach Erhebungen der EU wird deshalb zwischen 1995 und 2020 die installierte Spitzenlastleistung im Stromnetz um 260% Prozent wachsen müssen [EU99].

Kraftwerke, die für eine Basislast optimiert werden, können diese Lastschwankungen im Stromnetz nicht ausgleichen. Eine Lösung die bisher verfolgt wird, ist der Ausgleich mit Gasturbinenkraftwerken. Diese Kraftwerke haben aber eine niedrige Effizienz und erhöhen die Abhängigkeiten von Erdgasimporten. Besser wäre eine mittel- bis langfristige Speicherung von elektrischer Energie. Eine gute Lösung bieten bisher die Pumpspeicherkraftwerke. Sie bieten eine hohe Effizienz (ca. 75%) und sehr hohe Kapazitäten, doch sind die Investitionskosten auch sehr hoch. Ein noch schwerwiegenderer Nachteil sind die geologischen Vorraussetzungen, die erfüllt sein müssen. Aus diesen Gründen ist eine Kapazitätssteigerung mit dieser Technologie kaum realisierbar [SPA05].

Blei-Akkumulatoren haben zu hohe Investitionskosten (>100€/kWh), um sie im großen Maßstab einzusetzen. Weiterhin ist man bestrebt den industriellen Einsatz von Blei aus Umweltschutzgründen zu unterbinden [Spa01].

Reversible Brennstoffzellen werden als Lösung näher untersucht. Doch sind hier zahlreiche Probleme bislang ungelöst. So liegt die Effizienz bislang lediglich bei 50-60% und die Investitionskosten wären sehr hoch, um eine hohe Leistung zu erzielen.

Viele andere Technologien wie Super-Kondensatoren oder Schwungräder können die elektrische Energie nur für kurze Zeit speichern.

Bislang sind Luftspeicherkraftwerke (engl.: Compressed Air Energy Storage (CAES)) die einzige Technologie, die es schafft, die Vorzüge der Pumpspeicherkraftwerke mit weniger geografischen Limitierungen und weit weniger Investitionskosten zu verbinden. Die genaue Arbeitsweise eines CAES wird in Kapitel 2.1 erläutert.

1.2 Zielsetzung dieser Arbeit

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Teilaspekten eines Luftspeicherkraftwerks im Labormaßstab, die in den folgenden Kapiteln ausführlich beschrieben werden. Es wird die Auslegung, Konstruktion und Regelung einer elektrischen Luftheizung erörtert. Weiterhin wird die Messwerterfassung und rechnergestützte Bearbeitung dieser Daten behandelt.

2 Prinzip des Luftspeicherkraftwerkes

Um Strom speichern zu können, wird er meist in andere Energieformen umgewandelt, die sich besser speichern lassen als elektrische Energie. Bei Akkumulatoren wird die elektrische Energie beispielsweise über eine reversible chemische Reaktion in Bindungsenergie umgewandelt. Um große Mengen Strom speichern zu können, sind diese aber viel zu teuer. Pumpspeicherkraftwerke sind mit wenigen Ausnahmen die einzigen Anlagen, die in größeren Mengen elektrische Energie wirtschaftlich sinnvoll speichern können. Diese pumpen bei Überschuss von elektrischer Energie Wasser von einem tieferen Becken in ein höheres und wandeln somit elektrische Energie in Potentialenergie um. Bei Strombedarf wird das Wasser wieder aus dem oberen Becken abgelassen und zur Stromerzeugung einer Wasserturbine zugeführt.

Ein ähnliches Prinzip verfolgt ein Luftspeicherkraftwerk. Bei einem Luftspeicherkraftwerk wird die elektrische Energie über einen als Synchronmotor geschalteten Generator in mechanische Energie umgewandelt und über eine Welle einem Verdichter zugeführt. Dieser Verdichter komprimiert Umgebungsluft und füllt sie in ein Behältnis und wandelt so die mechanische Energie teils in potentielle Energie, teils in thermische Energie um. Die Energie wird primär als Druckerhöhung der Luft gespeichert.

Wird zu Spitzenlastzeiten elektrische Energie benötigt, wird die komprimierte Luft einer Turbine zugeführt, wo die Luft ihre innere Energie an die Turbine abgibt und so in mechanische Energie gewandelt wird. Diese Turbine treibt dann den Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Zur Speicherung der Luft werden größere unterirdische geologische Formationen benutzt. Das können Hohlräume in massivem Fels sein, z.B. ausgediente Bergwerke.

Im Fall der niedersächsischen Anlage in Huntorf wird ein ausgehöhlter Salzstock benutzt, um die Druckluft zu speichern. Diese Hohlräume werden einfach und kostengünstig durch das Ausspülen des Salzes hergestellt.

Um auch in Regionen, in denen es keine geologischen Vorraussetzungen wie oben beschrieben gibt, kostengünstig Druckluft zu speichern, bieten sich poröse Schichten in so genannten Aquiferen an. Diese sind häufig anzutreffen und bieten eine kostengünstige Möglichkeit Gase zu speichern. Dieses Verfahren wird bereits seit Jahren für die Speicherung von Erdgas angewendet.

Im Folgenden werden die beiden unterschiedlichen Typen diabates und adiabates Luftspeicherkraftwerk näher beschrieben.

2.1 Diabates Luftspeicherkraftwerk

Das Prinzip eines diabaten Kraftwerkes veranschaulicht Bild 2-1. Darauf ist zu erkennen, dass bei Beladung des Speichers Luft von einem Niederdruckverdichter (ND) angesaugt und komprimiert wird. Dann erfolgt eine Zwischenkühlung (ZK), bevor die Luft im Hochdruckverdichter (HD) auf ihren endgültigen Druck gebracht und nach einer Nachkühlung (NK) der Kaverne zugeführt wird. Die Verdichter werden von einem Elektromotor (M) angetrieben.Bei Entladung wird die komprimierte Luft über einen Rekuperator (R) aufgewärmt und in einer Brennkammer (B) durch Verbrennung von Brennstoff erhitzt, um dann die Gasturbine (GT) und damit den Generator (G) anzutreiben. Nach Austritt der dekomprimierten Luft wird deren Restwärme im Rekuperator (R) noch genutzt, um die in die Turbine einströmende Luft zu erhitzen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2-1: Konzept des diabaten Luftspeicherkraftwerks [Spa05]

Diabate Luftspeicherkraftwerke stellen ihre Funktionsfähigkeit bereits seit längerem unter Beweis. Zwar sind bislang nur zwei Anlagen gebaut worden, aber bereits seit 1978 ist die erste Anlage in Elsfleth/Hundtorf nördlich von Bremen in Betrieb. Sie nimmt in Schwachlastzeiten die überschüssige Energie des nahe gelegenen Atomkraftwerkes Unterweser auf und gibt diese zu Spitzenlastzeiten wieder ab. Außerdem stellt sie bei einem Stromausfall die Versorgung des Atomkraftwerkes sicher [Zeit05].

Nachts oder am Wochenende, bei geringerem Stromverbrauch, wird ein Generator als Synchronmotor geschaltet, um so die Verdichtergruppe anzutreiben. Die Verdichter pumpen aus der Umgebung Luft in zwei unterirdische Kavernen mit zusammen 300.000 m³ Speichervolumen. Das Aufladen des Luftspeichers dauert ungefähr acht Stunden. Die Luft wird dabei auf bis zu 70 bar verdichtet. Die Verdichtung erfolgt mit Zwischen- und Nachkühlung, um die Antriebsleistung der Verdichter zu minimieren und das Volumen der Luft zu verringern.

Zu Spitzenlastzeiten wird dann die abgekühlte gespeicherte und komprimierte Luft in einer Gasbrennkammer erhitzt und den Turbinen zugeführt. Diese können innerhalb von acht Minuten hochfahren und maximal 290 Megawatt Leistung abgeben. Zwei Stunden lang steht diese Leistung zur Verfügung, dann ist der Luftspeicher leer.

Die bisher ausgeführten Anlagen haben einige prinzipielle Nachteile:

Der Betrieb einer Gasturbine führt zu einer Abhängigkeit von importiertem Erdgas und zu Emissionen von Stickoxiden und Kohlendioxid wie bei einem konventionellen Gasturbinenkraftwerk, wenn auch in geringerem Ausmaße. Weiterhin führt der Betrieb von Gastrubinen zu relativ hohen Wartungskosten.

Ein weiterer Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad der Huntorfer Anlage von 42%. Für die Erzeugung von einer Kilowattstunde Strom werden bei der Komprimierung 0,9 Kilowattstunden Strom eingesetzt und bei der Dekomprimierung 1,6 Kilowattstunden Erdgas verbrannt [Zeit05]. Der geringe Wirkungsgrad ist hauptsächlich auf den Wärmeverlust bei der Kompression zurückzuführen. Der Kompressor ist gekühlt, damit der Einsatz an Strom zur Komprimierung der Luft verringert wird. Weiterhin benötigt gekühlte Luft ein geringeres Speichervolumen. Die bei der Verdichtung der Luft entstehende Kompressionswärme wird allerdings an die Umgebung abgegeben und ist damit für eine weitere technische Verwendung verloren. [VDI06]

2.2 Adiabates Luftspeicherkraftwerk

Die Nachteile des diabaten Luftspeicherkraftwerks haben bislang zu keiner großen Verbreitung dieser Technologie geführt. Um diese Nachteile zu überwinden, muss man zu einer reinen Speichertechnologie mit möglichst hohen Wirkungsgraden gelangen. Dazu muss der Kompressor möglichst adiabat ausgeführt werden, damit die Kompressionswärme nicht abgeführt wird, sondern in einem Wärmespeicher für die spätere Rückgewinnung von elektrischer Energie erhalten bleibt.

Bislang sind keine praktischen Erfahrungen im Bereich der adiabaten Kraftwerkskonzepte gesammelt worden. Um die technologische Machbarkeit eines solchen Kraftwerks zu untersuchen, ist am 1.1. 2003 die europäische Forschungsgruppe AA-CAES (engl.: Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage / fortschrittliches adiabates Luftspeicherkraftwerk) ins Leben gerufen worden.

Das Prinzip des adiabaten Luftspeicherkraftwerkes (AA-CAES) beruht auf fast dem gleichen Prinzip wie die diabaten Luftspeicherkraftwerke: Produzieren die Kraftwerke mehr Energie als die Verbraucher abnehmen, dann wird diese Energie von einem elektrischen Kompressor umgewandelt und im Medium Luft als potentielle Energie zwischengespeichert, indem diese Luft auf ein höheres Druckniveau gebracht wird. Ist zu wenig Energie im elektrischen Versorgungsnetz vorhanden, kann die Anlage die potentielle Energie der Luft wieder in elektrische Energie umwandeln. Neu hingegen ist die Speicherung der Kompressionswärme, die nicht mehr wie beim diabaten Kraftwerk an die Umgebung verloren wird. Bild 2-2 zeigt schematisch das neue Konzept des AA-CAES.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2-2: Konzept des AA-CAES [SPA01]

Die Anlage kann auf zwei unterschiedliche Weisen betrieben werden: Im Falle des Energieüberschusses wird die Anlage beladen. Dazu treibt ein elektrischer Motor einen zweistufigen Turbo-Verdichter. Die Luft wird in der ersten Stufe komprimiert und dann zwischengekühlt. Die Wärme, die die Luft abgibt, wird in einem Wärmespeicher aufgefangen. Dann wird die abgekühlte Luft in einer zweiten Stufe auf ihr endgültiges Druckniveau gebracht und dann nochmals in einem Wärmeübertrager abgekühlt. Auch diesmal wird die Wärme in einem Wärmespeicher zwischengespeichert. Die komprimierte Luft wird schlussendlich in eine Kaverne geleitet.

Wenn im Netz ein Spitzenlastbedarf an elektrischer Energie besteht, wird die Anlage entladen, um Strom ins Netz speisen zu können. Dazu wird die kalte komprimierte Luft aus der Kaverne in den Wärmeübertrager gelenkt und wärmt sich dort durch die gespeicherte Wärme wieder auf. Dann wird die Luft ein erstes Mal in einer Turbine entspannt. Die Luft, die sich jetzt auf einem mittleren Druckniveau befindet, wird durch den zweiten Wärmespeicher geleitet und nochmals aufgewärmt. Schließlich wird die Luft über die zweite Stufe der Turbine auf Umgebungsdruck entspannt. Die Turbine treibt einen Generator an, der die elektrische Energie in das Versorgungsnetz einspeist.

Um die Funktionsweise eines solchen Kraftwerkskonzeptes zu optimieren, müssen erst die einzelnen Komponenten näher untersucht werden. Weiterhin wird eine Simulation des Kraftwerksbetriebs benötigt, um optimale Prozessparameter zu ermitteln. Der am Lehrstuhl für Thermodynamik und Energietechnik näher untersuchte Teil des Kraftwerks ist der Wärmespeicher. Das untersuchte Lösungsprinzip wird in Kapitel 2.3 näher erläutert.

2.3 Wärmespeicher

Der Wärmespeicher hat einen großen Anteil an der Effektivität des gesamten Luftspeicherkraftwerkes. Er muss dazu unterschiedlichste Anforderungen erfüllen. Erstens muss eine große Menge an Wärme gespeichert werden (1012 -1014 J für ein Kraftwerk in großem Maßstab) [Spa01]. Zweitens muss diese Wärmemenge bei unterschiedlichen Temperaturen gespeichert werden, da die Temperatur der komprimierten Luft vom Druck im Luftspeicher abhängt.

Ein Konzept mit Phasenumwandlung des Wärmespeichermediums, bei dem prinzipiell die Temperatur während dieser Umwandlung konstant bleibt, ist dabei nicht zielführend, obwohl man mit solchen Konzepten viel Wärme bei relativ geringem Volumen speichern könnte. Denn wenn die Temperatur des Wärmespeichers nicht der Temperaturkurve der Luft folgt, ergeben sich unerwünschte Effekte: Ist die Temperatur der Phasenumwandlung sehr hoch, dann wird die Luft nicht genügend abgekühlt. Ist die Phasenumwandlungstemperatur zu niedrig, ist die Luft beim Austritt aus dem Wärmespeicher nicht wieder auf dem Temperaturniveau, das sie beim Austritt aus dem Kompressor hatte.

Es wird deutlich, dass die Wärmeaufnahme durch das Wärmespeichermedium ohne Phasenwechsel stattfinden muss. Dabei sollten weiterhin das Speichervermögen des Wärmespeichers und das des Luftspeichers aufeinander abgestimmt sein, damit sich beim Be- und Entladen der Temperaturgradient im Wärmespeicher an die Lufttemperatur und den Druck anpasst. Das Speichermedium selbst sollte einen möglichst geringen Raum einnehmen, also im anvisierten Arbeitsbereich eine möglichst hohe spezifische Wärmekapazität haben. Weiterhin sollte das Speichermedium eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit haben. Andernfalls würde ein zu hoher Temperaturausgleich im Wärmespeicher stattfinden, welches wiederum zu einer Verringerung der gespeicherten Exergie führt, da die maximale Temperatur im Speicher absinken würde und somit natürlich auch die Luftaustrittstemperatur beim Entladen des Speichers. Andererseits wird durch die geringe Wärmeleitfähigkeit die Wärmübertragung zwischen Luft und Speichermedium behindert. Dies muss durch konstruktive Maßnahmen ausgeglichen werden.

Auch bei den anderen Anlagenteilen eines AA-CAES besteht erheblicher Forschungsbedarf. Da diese Forschung aber an anderen Einrichtungen vorangetrieben wird, soll im Rahmen dieser Studienarbeit nicht näher auf die anderen Teile eingegangen werden.

Um nun die Anforderungen und Charakteristika für einen Wärmespeicher näher zu untersuchen, ist am Lehrstuhl Thermodynamik und Energietechnik (ThEt) ein Labordemonstrator eines Luftspeicherkraftwerkes aufgebaut worden. Der genaue Aufbau wird im Kapitel 3 beschrieben. Die so gewonnen Messdaten werden dann auf ein Modellkraftwerk skaliert (s. Kapitel 5), um den Gesamtwirkungsgrad eines realen Kraftwerkes abschätzen zu können.

3 Demonstrator im Labormaßstab

Am Lehrstuhl für Thermodynamik und Energietechnik wird ein Demonstrator des adiabaten Luftspeicherkraftwerkes aufgebaut. Beim Verdichter handelt es sich um einen handelsüblichen gekühlten, tragbaren Kompressor. Bei der Turbine handelt es sich um einen Turbogenerator aus der Eisenbahntechnik. Das Hauptaugenmerk liegt dabei aber auf der Konstruktion des Wärmespeichers. Weiterhin werden technische Maßnahmen ergriffen, um die Randbedingungen unter denen der Wärmespeicher später im Kraftwerk arbeiten soll, möglichst real nachzubilden.

Wie im vorigen Kapitel bereits deutlich geworden, wird am Lehrstuhl für Thermodynamik und Energietechnik besonderer Augenmerk auf die Konstruktion des Wärmespeichers gelegt. Die restlichen Anlagenteile werden aus Kostengründen nicht nachgebildet. Es werden lediglich technische Maßnahmen ergriffen, um die Randbedingungen unter denen der Wärmespeicher später im Kraftwerk arbeiten soll möglichst real nachzubilden.

3.1 Bestandteile des Labordemonstrators

Der im Konzept vorgesehene adiabate Kompressor wird hier aus ökonomischen Gründen durch einen gekühlten Kompressor ersetzt, wie er handelsüblich zum Erzeugen von Pressluft verwendet wird. Hierdurch verlässt die Luft den Kompressor wesentlich kühler als im Konzept vorgesehen. Durch eine zusätzliche Luftheizung, deren Konstruktion im Kapitel 6 beschrieben ist, wird dann die Luft auf die berechneten Temperaturen erhitzt.

Die erhitzte Luft wird dann in den Wärmespeicher geleitet und abgekühlt. Der Wärmespeicher besteht aus einem isolierten Behälter, in dem sich ein Wärmespeichersalz befindet. Die Luft wird durch sieben schraubenförmige Kapillarrohre durch dieses Salz geleitet.

Die Kaverne wird durch ein Bündel von Pressluftflaschen ersetzt. Ein Nachkühler zwischen Wärmespeicher und Pressluftflaschen sorgt für eine zusätzliche Kühlung der Luft. Diese Nachkühlung ist nötig, da die Luft den Wärmespeicher mit ca. 150°C verlässt, die Flaschen aber aus Sicherheitsgründen mit max. 50°C heißer Luft befüllt werden dürfen.

Die Turbine wird durch einen kleinen Pressluftmotor ersetzt, der allerdings nur zu Anschauungszwecken verwendet wird. Die Leistungsdaten werden über die Messungen der Lufttemperatur und des Drucks beim Austritt berechnet.

Der Aufbau der Anlage ist schematisch in Bild 3-1 gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3-1 Konzeptioneller Aufbau des Labordemonstrators

3.2 Funktionsweise und Betriebszustände des Labordemonstrators

Im Betrieb des Luftspeicherkraftwerkes werden drei verschiedene Betriebweisen unterschieden. Wenn der Wärmespeicher „leer“ ist, er also wenig Wärme gespeichert hat, ist das Luftspeicherkraftwerk entladen. Bei der Beladung werden die Punkte 1 bis 4 in Abb. 3-1 durchlaufen.

In der Phase der Speicherung (Punkte 4 und 5 in Abb.3-1) befindet sich das Luftspeicherkraftwerk in einer Art Ruhezustand. Es wird Luft weder komprimiert noch expandiert. Der Füllstand des Luftspeichers ändert sich also nicht. In diesem Zustand findet ein Temperaturausgleich über die Höhe des Wärmespeichers statt, wenn zu Beginn der Speicherung ein Temperaturgradient vorhanden ist. Die umgekehrte Betriebsweise der Beladung ist die Entladung. In Abb. 3-1 wird die Entladung durch die Punkte 5-7 beschrieben. Nun folgen Erläuterungen zu den einzelnen Zuständen:

1. Die Luft wird von Umgebungstemperatur und -druck durch einen gekühlten diabat arbeitenden Kompressor auf höheren Druck komprimiert. Der maximal zulässige Druck in den Gasflaschen beträgt 200 bar. Da der Kompressor die Luft in die Gasflaschen fördert, ist das Druckniveau auf der Hochdruckseite des Kompressors abhängig vom Füllstand des Flaschenbündels. Da in der Großanlage die Luft nahezu adiabat komprimiert werden soll, muss die Luft um diesen Prozess zu simulieren anschließend durch eine elektrische Heizung auf bis zu 500°C aufgeheizt werden. Dieser zweistufige Prozess ist nötig, da so ein handelsüblicher Kompressor für die industrielle Erzeugung von Druckluft benutzt werden kann, der wesentlich kostengünstiger ist, als eine speziell für diese Aufgabe erstellte Konstruktion. Bei der Zusatzheizung handelt es sich, ebenso wie bei dem Wärmespeicher, um eine Eigenkonstruktion. Die Konstruktion der Luftheizung ist Thema dieser Studienarbeit. Die Auslegung des Luftheizers wird in Kapitel 6 detailliert beschrieben.
2. Von der Luftheizung gelangt die Luft direkt in den Wärmespeicher. Bei der Beladung wird der Wärmespeicher von oben nach unten durchströmt, um einen Temperaturgradienten über die Länge des Wärmespeichers zu erzeugen. Hier wird die Luft auf sieben Spiralen aufgeteilt. Die Luft gibt in den Kapillarröhren ihre Wärme an das umgebende Salz ab. Am unteren Ende wird der Luftstrom aus den sieben Kapillarröhren wieder vereinigt und aus dem Wärmespeicher geleitet.
3. Anschließend fließt die Luft in einen Nachkühler. Dieser Nachkühler ist notwendig, da das Salz eine Mindesttemperatur von 150°C benötigt, um flüssig zu bleiben. Dementsprechend ist es nicht möglich die Luft im Wärmespeicher auf unter 150°C zu kühlen. Da als Luftspeicher aus Kostengründen auf handelsübliche Druckluftflaschen zurückgegriffen worden ist, muss die Luft vor der Speicherung in einem Nachkühler auf Temperaturen <50°C abgekühlt werden.
4. Schlussendlich wird die Luft in einem Flaschenbündel für Druckluft gespeichert.
5. Der umgekehrte Prozess läuft wie folgt ab: Die Luft wird aus dem Flaschenbündel in den Wärmespeicher geleitet, wobei der Wärmespeicher in entgegen gesetzter Richtung, von unten nach oben, durchströmt wird. Die Luft wird durch die Kapillaren geleitet und dabei wieder aufgewärmt.
6. Nach dem Wärmespeicher wird die Luft einer Turbine zugeführt. Da es sich bei der Expansionsmaschine um einen Turbogenerator handelt, wird 24 Volt Gleichstrom erzeugt. Der Turbogenerator ist ursprünglich in der Eisenbahntechnik eingesetzt worden. Aus diesem Grund handelt es sich um eine Dampfturbine, die gewöhnlich von einem Dampfkessel der Dampflokomotive versorgt wird.

3.3 Aufbau und Konzept des Wärmespeichers

Entscheidend für eine hohe Effizienz des Speicherkonzeptes sind hohe Wirkungsgrade der einzelnen Anlagenkomponenten. Aus diesem Grund ist, wie bereits erwähnt, eine möglichst genaue Untersuchung des Wirkungsgrades des Wärmespeichers und die Ermittlung von Berechnungsgrundlagen von entscheidender Bedeutung, um verlässliche Aussagen über einen Wärmespeicher im großtechnischen Maßstab machen zu können. Um die Effizienz des Wärmespeichers zu erhöhen, sind drei Dinge von entscheidender Bedeutung:

1. Der Wärmespeicher sollte möglichst gut isoliert sein, denn je mehr Wärme nach außen verloren geht, desto weniger steht natürlich für die Erhitzung der Luft zur Verfügung.
2. Im Salz muss sich ein möglichst stabiler Temperaturgradient ausbilden. Durch die heiße Luft, die sich beim Durchströmen des Wärmespeichers abkühlt, wird auch das Salz am Lufteintritt heißer als am Luftaustritt. Durch den Temperaturgradienten wird sich innerhalb des Behälters ein Wärmestrom innerhalb des Salzes ergeben. Dieser sollte aber so gering wie möglich sein. Denn durch den Ausgleich der Temperaturunterschiede in der Flüssigkeit wird die Entropie steigen und die Exergie sinken. Die Luft kann sich dann weniger stark aufheizen, denn beim Ausgleich der Temperaturen werden sich die heißen Zonen abkühlen, wodurch die Lufttemperatur beim Ausströmen aus dem Speicher sinkt, während bei einem stabilen Temperaturgradienten die Luft sich wieder fast auf das ursprüngliche Niveau erhitzen lässt.
3. Der Wärmespeicher sollte möglichst gute Wärmeübertragungseigenschaften besitzen, denn je geringer die benötigte Temperaturdifferenz zwischen Luft und Speichermedium, desto effizienter arbeitet der Wärmespeicher. Dies liegt in mehreren Effekten begründet: Beim Beladen wird der Wärmespeicher im Mittel heißer, womit die Exergie der Wärme steigt und die Luft wird kühler und damit weniger voluminös. Beim Entladen wiederum wird die Luft heißer und die wieder gewonnene Energie und damit die Effektivität steigen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3-2: Schnittdarstellung des Wärmespeichers [Gie06]

Bild 3-2 zeigt eine Schnittdarstellung des Wärmespeichers. Um eine möglichst gute Temperaturschichtung im Wärmespeicher zu erreichen, ist dieser im Vergleich zu seinem Durchmesser relativ hoch (ca. 3m Höhe, 300mm Innendurchmesser). Die heiße Luft wird von oben nach unten geführt, um das Salz von oben nach unten zu erwärmen, einen Wärmestrom aufgrund freier Konvektion innerhalb des Salzes zu vermeiden und einen großen Temperaturgradienten auszubilden.

Diese Konstruktion führt zu einem großen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Wärmespeichers, wodurch der Wärmeverlust durch Wärmestrahlung vergrößert wird. Zur Verringerung des Wärmeverlustes, ist im seitlichen Wandbereich und im Bodenbereich eine 50mm dicke Vakuumisolierung mit eingebauten Strahlungsschutzschilden installiert worden. Im Bereich des Deckels ist Keramikisolierwolle vorgesehen worden. Leider bilden die Rohrzuleitungen eine Wärmebrücke.

Um den Wärmeübergang zwischen Luft und Speichersalz zu verbessern, sind mehrere Maßnahmen getroffen worden, um die Übertragungsfläche zu vergrößern: Die Luft wird beim Eintritt in den Wärmespeicher auf sieben Kapillarröhren aufgeteilt. Diese winden sich dann schraubenförmig durch das Wärmespeichersalz, um dann schlussendlich wieder zusammengeführt zu werden und in einem Rohr den Wärmespeicher zu verlassen.

Um nun den tatsächlichen Wärmeverlust und den zeitlichen Verlauf des Wärmegradienten zu Berücksichtigen, muss dieser an der Versuchsanlage gemessen werden. Dies wird im Kapitel 4 behandelt.

4 Messwerterfassung

Die Messwerterfassung dient verschiedenen Zielen. Erstens wird sie benötigt, um die Leistung der in Kapitel 6 beschriebenen Luftheizung zu regulieren. Zweitens ist natürlich eine Überwachung bestimmter kritischer Parameter zur Anlagensicherheit nötig. So dürfen bestimmte kritische Temperaturen und Drücke nicht überschritten werden, weil sonst die Statik der Anlage gefährdet wäre oder das Wärmespeichersalz giftige Stoffe frei setzen könnte. Drittens sind natürlich die Leistungsdaten des Labordemonstrators wichtig, die über diese Messwerte ermittelt werden. Das Augenmerk liegt dabei auf den Temperaturen und den Drücken in der Anlage.

4.1 Positionierung der Messwertaufnehmer

Bild 4-1 zeigt eine Übersicht über die Positionierung der Messwertaufnehmer. Weiterhin wird die Kurzbezeichnung und in Klammern die Nummer des Messwertaufnehmers angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4-1: Nummerierung und Positionierung der Messaufnehmer

Für die Nummerierung der Messwertaufnehmer gibt es drei verschiedene Systeme. Die im Rahmen dieser Arbeit benutzte Nummerierung der Messwertaufnehmer ist deckungsgleich mit der Nummerierung, die die Software zur Datenerfassung benutzt. Entsprechend ist in den Dateien mit den aufgezeichneten Messdaten diese Nummerierung wieder zu finden. Im folgenden Text und in den folgenden Abbildungen, mit Ausnahme von Bild 4-1 wird diese Nummerierung verwendet. Die Nummerierung der Messkanäle und die Kurzbezeichnung in anderen Dokumenten über den Labordemonstrator unterscheiden sich von dieser Nummerierung. Die verschiedenen Nummerierungssysteme können mit Tabelle 4-1 verglichen werden.

Zur Erfassung des Luftdrucks werden drei Messaufnehmer benutzt. Einer (Nr. 34) misst bei Beladung des Flaschenbündels den Luftdruck nach dem Kompressor. Ein weiterer (Nr. 35) misst den Druck vor Eintritt in das Flaschenbündel. Der Dritte Messaufnehmer (Nr. 36) misst den Druck beim Entladen der Anlage nach dem Austritt aus dem Wärmespeicher (s. Bild 4-1).

Zur Erfassung der Temperatur werden insgesamt 25 Thermoelemente benutzt. Ein Thermoelement (Nr. 1) dient zur Erfassung der Temperatur der Luftheizung, um eine Überhitzung des Rohrmaterials zu verhindern und gegebenenfalls die elektrischen Heizelemente zu deaktivieren, falls eine Temperatur von 550°C überschritten wird. Dazu ist es direkt zwischen den Messingplatten auf der Oberfläche des Edelstahlrohres platziert. Ein weiteres Thermoelement (Nr. 2) misst die Temperatur der Luft zwischen Heizung und Wärmespeicher. Diese Temperaturdaten dienen zur Regulierung der Heizelemente (s. Kapitel 6.3). Ein weiteres Thermoelement (Nr. 10) misst die Lufttemperatur zwischen Wärmespeicher und Nachkühler, um die Abkühlung der Luft im Wärmespeicher beurteilen zu können. Ein viertes Thermoelement (Nr. 11) misst die Temperatur zwischen Nachkühler und Flaschenbündel um sicherzustellen, dass die Eintrittstemperatur der Luft in das Druckluftflaschenbündel nicht die Sicherheitsgrenzen überschreitet.

Die restlichen 21 Thermoelemente dienen der Temperaturerfassung im und am Wärmespeicher. 3 Thermoelemente (Nr. 23-25) überwachen die Außentemperatur um bei einer Leckage Alarm zu schlagen und den Wärmeverlust zu überwachen.

Ein weiteres Thermoelement (Nr. 22) misst in mittlerer Höhe im zentralen Rohr die Lufttemperatur. Durch ein sich in der Nähe befindliches Thermoelement an der Außenwand des Rohres kann der Temperaturunterschied zwischen Lufttemperatur und Außenwand des Rohres gemessen werden. Dies ermöglicht weitere Messungen der Lufttemperatur durch Thermoelemente an der Rohroberfläche. Direkt im Rohr wird nur ein einziges Thermoelement eingesetzt, da die Messung der unter hohem Druck stehenden Luft technisch aufwendiger ist als eine Messung der Wandtemperatur der Kapillaren.

Die restlichen Thermoelemente sind im Wärmespeichersalz untergebracht. Dabei sind die Thermoelemente Nr. 3-9 mittig über die Höhe des Wärmespeichers verteilt (s. Bild 4-2). Sie dienen der genauen Erfassung des Temperaturgradienten des Salzes über der Höhe des Wärmespeichers. Ob die Messung der Temperatur in der Mitte des Wärmespeichers repräsentativ für den ganzen Bereich ist, wird durch zwei radial angeordnete Messebenen ermittelt.

Tabelle 4-1: Nummerierungen der Thermoelemente, Messkanäle und Bezeichnung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4-2: Frontansicht des Wärmespeichers: Position der Thermoelement und der Messebenen

Aus dem oben genannten Grund und um den Temperaturgradienten radial zur Höhenachse des Wärmespeichers zu messen, gibt es zwei Messebenen im Wärmespeicher in denen die restlichen Thermoelemente (Nr. 12-21) angeordnet sind. Die Messung soll Rückschlüsse auf die Temperaturleitfähigkeit des Salzes und den Wärmeübergang von den Kapillaren auf das Salz ermöglichen. Dazu wird allerdings nur in einem 60°-Abschnitt gemessen, da der Wärmespeicher in Winkeln von 60° radialsymmetrisch ist. In jeder Messebene gibt es fünf verschiedene Thermoelemente (s. Bild 4-3):

1. Mittig auf der Mittelachse der Schraubenlinie einer äußeren Kapillare
2. In der Mitte zwischen innerer und einer äußeren Kapillare
3. Mittig zwischen zwei äußeren Kapillaren und der inneren Kapillare
4. In der Nähe der Behälterwand mit größtmöglichem Abstand zu den äußeren Kapillaren.
5. Direkt auf der Kapillarwand.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4-3: Draufsicht einer Messebene

4.2 Messwertverarbeitung

Die Messdaten werden ständig von einem PC erfasst und in einem am ThET entwickeltem Programm zur Messwerterfassung verarbeitet (s. Bild 4-4). In einem Unterprogramm, das im Rahmen dieser Arbeit programmiert worden ist, werden die Daten weiterverarbeitet, um die Werte auf ein reales Luftspeicherkraftwerk zu skalieren und so möglichst wirklichkeitsnahe Bedingungen für das Testen des Wärmespeichers zu erlangen. Insbesondere die Vorgabewerte für die Lufttemperatur nach der Aufheizung in der Luftheizung werden hier ermittelt. Näheres dazu im Kapitel 5.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4-4: Programmoberfläche zur Anzeige der Messdaten

Auf der Programmoberfläche (Bild 4-4) sind eine schematische Zeichnung der Anlage und eine Skizze der Messebenen zu sehen. Die Positionen der einzelnen Messwertaufnehmer sind durch rote Punkte gekennzeichnet. Bei der Ansicht des Wärmespeichers handelt es sich um einen seitlichen Schnitt. Die Lage der Messebenen wird durch die beiden Ovale angedeutet. Links neben dem Wärmespeicher befindet sich ein Ausschnitt aus einer Draufsicht auf eine Messebene. Die weißen Kreise sollen die Kapillaren andeuten. Der schwarze Teilkreis die Innenwand des Speichers. Die Nummern an den roten Punkten finden sich in der Tabelle unter der Draufsicht wieder. Hier werden den Positionsnummern die Nummern der Thermoelemente in den entsprechenden Ebenen zugeordnet und die Messwerte angezeigt.

Die Messung kann durch den „Start-Button“ am rechten oberen Fensterrand gestartet werden. Es werden dann vom Computer die Messwerte ausgelesen und in den Feldern mit den entsprechenden Nummern in der grafischen Benutzeroberfläche angezeigt. Mit dem „Stop-Button“ darunter kann die Messung beendet werden. Über den „Quit-Button“ wird das Messprogramm beendet. Unter diesem Button kann der Zeitabstand eingestellt werden mit dem diese Messwerte ausgelesen werden. Über den Button „Grafik“ kann aus den Messwerten ein Diagramm erstellt werden in dem die Messwerte über die Zeit aufgetragen sind (s. Bild 4-5). Über den Button „File“ werden die Daten in eine Textdatei exportiert. Diese Textdatei kann dann in anderen Programmen weiterverarbeitet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4-5: Temperatur-Zeit-Diagramm der Messwerte der einzelnen Thermoelemente

5 Skalierung der Daten auf eine Anlage im Großmaßstab

Wie bereits erwähnt, ist eine Hauptaufgabe des Labordemonstrators die Ermittlung von Leistungsdaten zur Einschätzung der Realisierbarkeit des gewählten Lösungsprinzips. Dazu müssen die gewonnen Daten auf ein Großkraftwerk skaliert werden. Weshalb Teile der Anlage, insbesondere der adiabate Verdichter und der Expander, modelliert werden, da diese im Labordemonstrator nicht realitätsnah nachgebildet sind. Die Grundlagen dieser Skalierung werden in Kapitel 5.2 beschrieben. Die Daten aus dem Wärme- und Luftspeicher werden hingegen direkt für die Berechnungen übernommen.

5.1 Programmoberfläche

Um die Ergebnisse der Berechnungen der Skalierung darzustellen, ist im Rahmen dieser Arbeit eine Programmoberfläche erarbeitet worden (s. Bild 5-1). Ein weiterer Nutzen dieser Oberfläche ist die grafische Aufbereitung und Darstellung des Anlagenzustandes und der wichtigsten Messwerte.

Wo möglich, greift dieses Programm auf Messdaten zurück, teilweise müssen über diese Oberfläche allerdings Benutzerdaten eingegeben werden, um eine Berechnung zu ermöglichen. Dies betrifft z. B. den Wirkungsgrad und den Massenstrom des Expanders. In den folgenden Unterkapiteln 5.2.1 und 5.2.2 werden die Grundlagen für diese Berechnungen beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5-1: Programmoberfläche zur Berechnung der Daten

5.2 Berechnungsgrundlagen

5.2.1 Verdichter

Für die Berechnung der Leistungsdaten des Verdichters in einer Anlage im großen Maßstab steht die Kennlinie eines realen Verdichters zur Verfügung (s. Anhang A3). Durch Messung des Drucks p im Labordemonstrator und Einsetzen dieser Druckdaten in die entsprechenden Korrelationen ist es so möglich, die Leistung Pv, die der berechnete Verdichter in diesem Anlagenzustand hätte, zu berechnen (Gleichung 5-1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 5-1: Annäherung der Verdichterkennlinie / Leistungsaufnahme Verdichter

Ebenso ist es möglich die Lufttemperatur T zu ermitteln, mit der die Luft den simulierten adiabaten Verdichter verlassen würde (Gleichung 5-2). Besonders wichtig sind dabei die Temperaturdaten, da diese Daten Grundlage für die Regelung der Luftheizung sind (s. Kapitel 4.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 5-2: Annäherung der Verdichterkennlinie/Solltemperatur der Luft nach Verdichtung

5.2.2 Expander

Der Expander muss unter vollständig neuen Randbedingungen arbeiten. Ist bei bisherigen Luftspeicherkraftwerken die Luft auf Niveau der Umgebungstemperatur einer Gasturbine zugeführt worden, so unterscheiden sich die Randbedingungen bei dem hier vorliegenden Modell doch teilweise stark von den bisherigen. Statt einem Gas-Luftgemisch wird reine Luft bei sehr hoher Temperatur und hohem Druck als Arbeitsfluid benutzt. Zusätzlich variiert der Eingangszustand der Luft stark.

Da ein Expander für diese Randbedingungen noch nie im Großmaßstab gebaut wurde, liegen für die Modellierung keine realen Messwerte, Kennlinien oder Ähnliches vor. Aus diesem Grund muss in diesem Fall der Benutzer entweder einen polytropen oder einen isentropen Wirkungsgrad angeben und zusätzlich einen Luftmassenstrom, um die Möglichkeit zu gewährleisten, Leistungsdaten eines realen Kraftwerks zu berechnen.

Um die Leistungsausbeute bei Entspannung der gespeicherten Luft auf ein reales Kraftwerk übertragen zu können, wird der Druck und die Temperatur am Ausgang des Wärmespeichers ausgelesen und dann mittels der Gleichung 5-3 die spezifische reversibel adiabate Arbeit wt,rev.ad. der ausströmenden Luft berechnet. Dabei ist k der Isentropenexponent, der im Fall von Luft mit dem konstanten Wert von 1,4 angenommen werden kann. R ist die spezifische Gaskonstante für Luft, T1 die gemessene Temperatur der Luft nach Austritt aus dem Wärmespeicher, p2 der Umgebungsdruck und p1 der gemessene Druck der Luft nach Durchströmung des Wärmespeichers.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 5-3: reversible technische Arbeit des Expanders [Spa04]

Aus der spezifischen reversibel adiabaten Arbeit ergibt sich durch Multiplikation mit dem isentropen Wirkungsgrad hs des Expanders und mit dem Massenstrom der Luft Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Leistung des Expanders.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 5-4: reale technische Arbeit des Expanders

Falls der Benutzer einen polytropen Wirkungsgrad angibt, muss dieser erst durch Berechnung in einen angenäherten isentropen Wirkungsgrad umgerechnet werden. Für ein gegebenes Druckverhältnis kann dies näherungsweise, d.h. für ideale Gase mit konstantem cp0, mit Gleichung 5-5 geschehen [Spa04].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 5-5: Umrechnung vom polytropen in isentropen Wirkungsgrad

6 Konstruktion der elektrischen Zusatzheizung

Zur Aufgabe des Labordemonstrators gehört es, das angewendete Lösungsprinzip des Wärmespeichers unter möglichst praxisnahen Randbedingungen zu testen. Da beim adiabaten Luftspeicherkraftwerk ein ungekühlter Kompressor die Luft auf sehr hohe Temperaturen erhitzen soll, muss die Luft also auch im Labordemonstrator entsprechend aufgeheizt und komprimiert in den Wärmespeicher fließen. Wie bereits erwähnt (s. Kapitel 3), wird aber aus Kostengründen ein gekühlter Kompressor eingesetzt. Dieser Kompressor heizt aber die Luft nicht auf die gewünschten Temperaturen auf. Aus diesem Grund ist eine zusätzliche Apparatur zur Erhitzung der Luft notwendig. Deren Konstruktion wird in diesem Kapitel beschrieben.

6.1 Anforderungen an die Konstruktion

Zur Aufgabe der Luftheizung gehört es, die komprimierte Luft auf die gewünschte Temperatur aufzuheizen, bevor sie in den Wärmespeicher gelangt. Dabei muss beachtet werden, dass die Rohre bei einem maximalen Luftdruck von 200 bar auf maximal 550°C aufgeheizt werden dürfen, da die maximale Einsatztemperatur des Rohrmaterials X6CrNiMoTi17-12-2 (1.4571) gemäß DIN EN 10216-5 [DIN04] 550°C beträgt. Aus diesem Grund ist die zu erreichende Lufttemperatur auf 500°C festgelegt worden. Aufgrund der rechnerischen Beladungszeit von 24 Stunden für das Flaschenbündel mit einem Nutzinhalt von 600 Litern wird ein Luftmassenstrom von 1,378 g/s angenommen. Eine weitere Randbedingung ist, dass die maximalen Abmaße der Luftheizung aus fertigungstechnischen Gründen 480 mm nicht überschreiten dürfen.

6.2 Angewendetes Lösungsprinzip

Zur Aufheizung der Luft werden 14 elektrische Rohrheizkörper genutzt, die zwischen drei Messingplatten mit entsprechenden halbrunden Aussparungen eingespannt sind. Die Luft wird durch Rohre geführt, die ebenfalls zwischen den Messingplatten eingespannt sind (s. Bild 6-1).

Die Auswahl des Querschnitts der Rohre für die Wärmeübertragung ist durch Lieferbedingungen, Kosten und Fertigungskapazitäten beeinflusst worden. Weiterhin muss bei der Auswahl des Durchmesser beachtet werden dass sich der Wärmeübertragungskoeffizient durch die veränderten Strömungsbedingungen verändert.

Durch die Berechnungen aus Kapitel 6.5 ist die nötige Wärmeübertragerfläche ermittelt worden. Aus den Fertigungsrandbedingungen, die die maximalen Abmaße der Wärmeübertragerflächen und den minimal möglichen Rohrbiegeradius vorgeben, ergibt sich somit die maximal mögliche Rohrlänge. Da ein einziges Rohr die benötigte Übertragungsfläche nicht bereitstellen kann, muss der Luftstrom auf zwei Rohre aufgeteilt werden.

Die Rohre werden schlangenlinienförmig zwischen den Messingplatten hindurchgeführt, wobei zwischen einer Windung jeweils ein elektrischer Rohrheizkörper eingebettet liegt (siehe Bild 6-1). Die Messingplatten übertragen die Wärme von den Rohrheizkörpern auf die Rohre.

Die Fertigungszeichnungen sind im Anhang A2 gesammelt. Bild 6-2 zeigt die fertig montierte Luftheizung. In der Fotografie lässt sich erkennen, dass wesentlich mehr Verschraubungen angebracht wurden als ursprünglich vorgesehen. Diese zusätzlichen Verschraubungen sorgen für einen besseren Formschluss und damit für einen besseren Wärmeübergang zwischen den Messingplatten und den Rohren bzw. Heizkörpern. Bei der ursprünglich vorgesehenen Konstruktion hätten sich die Messingplatten zu stark verformt. Hierdurch wären Luftspalte entstanden, die die Wärmeübertragung verschlechtern.

Der gesamte Wärmeübertrager wird mit Keramikwolle isoliert, um die Wärmeverluste und damit den Stromverbrauch zu begrenzen. Außerdem wird somit die Verbrennungsgefahr vermindert und somit die Arbeitssicherheit beim Betreiben des Labordemonstrators erhöht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 6-1: Explosionszeichnung der elektrischen Zusatgzheizung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 6-2: Fotografie der montierten Heizung vor Anbringung der Isolierung

6.3 Regelung der elektrischen Leistung

Die Regelung der elektrischen Leistung der Rohrheizkörper wird durch eine Thermosteuerung vorgenommen. Diese Regelung überwacht durch Messung mit einem Thermoelement, ob die Ist-Temperatur der Luft dem Sollwert entspricht und passt entsprechend die elektrische Leistung selbstregulierend an die Soll-Temperatur der Luft an.

Weiterhin wird die Außentemperatur der Rohre mit einem Thermoelement überwacht, damit die kritische Temperatur von 550°C nicht überschritten wird. Sollte dies vorkommen wird aus Sicherheitsgründen die elektrische Heizung ausgestellt, damit es nicht zum Versagen der Rohrleitung kommen kann.

Die Soll-Temperatur wird dynamisch an den Luftdruck angepasst. Das im Rahmen dieser Arbeit programmierte Teilprogramm ermittelt aus dem gemessenen Luftdruck in der Anlage den Soll-Wert für die Lufttemperatur. Dieser wird wie in Kapitel 5.2.1 beschrieben berechnet (s. Gleichung 5-2). Der so ermittelte Soll-Wert wird über eine Schnittstelle vom PC an den Regler übermittelt.

6.4 Grundlagen zur Berechnung des Wärmeübertragers

6.4.1 Bestimmung des Temperaturgradienten

Ziel der Berechnung ist es, sicher zu stellen, dass der Wärmeübertrager eine genügend hohe Lufttemperatur in allen Stadien der Anlagenbefüllung zur Verfügung stellt. Dabei sind die gewählten Dimensionen für Länge und Durchmesser, sowie die Anzahl der Rohre, als auch die zulässige Maximaltemperatur der Rohraußenwand, zu berücksichtigen. Weiterhin wird die Wärmeleistung, die die elektrischen Heizkörper zur Verfügung stellen müssen, ermittelt. Die folgenden Berechnungen der Wärmeübertragung sind nach Baehr/Stephan „Wärme- und Stoffübertragung“ durchgeführt worden. [BS04]

Um die Luft auf eine gewünschte Ausgangstemperatur von TL,2 zu erhitzen, ist die Zufuhr eines Wärmestroms Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten durch das Rohr nötig. Die dazu benötigte Temperaturdifferenz Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ergibt sich nach Gleichung 6-1 aus dem zu übertragendem Wärmestrom Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Wärmedurchgangskoeffizienten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und der Übertragungsfläche Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten der Rohre.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-1: benötigte Temperaturdifferenz

Die maximale Lufttemperatur T­L,2 am Austritt des Wärmeübertragers ist auf 500 °C festgelegt worden. Die maximale Temperaturdifferenz Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten in den Rohren liegt also nach Gleichung 6-2 bei 50 °C, da die maximale Wandtemperatur der Rohre Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 550 °C nach DIN EN 10216-5 [DIN04] nicht überschritten werden darf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-2: Maximale Temperaturdifferenz in den Rohren

Um den oben genannten Wärmestrom Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten zu ermitteln, betrachtet man die Enthalpieänderung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten der Luft von Zustand 1 (zugeführte Luft) zu Zustand 2 (Luft die den Wärmeübertrager verlässt). Da die Zustandsänderung als isobar angenommen werden kann, besagt der erste Hauptsatz der Thermodynamik, dass der übertragene Wärmestrom der Änderung des Enthalpiestroms Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten entspricht (s. Gleichung 6-3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-3: Benötigter Wärmestrom

Da die Wärme isobar zugeführt wird und hier Luft als ideales Gas betrachtet werden kann, ergibt sich die Enthalpieänderung der Luft aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Gleichung 6-4 veranschaulicht diesen Zusammenhang, wobei Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenp,12 die mittlere isobare Wärmekapazität der Luft und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Temperaturdifferenz zwischen Ausgangs- und Endtemperatur der Luft sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-4: Enthalpieänderung der Luft

Eine weitere in Gleichung 6-1 benötigte Größe ist der WärmedurchgangAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Dieser lässt sich nach Gleichung 6-5 berechnen. Benötigte Größen sind hier der Wärmeübergangskoeffizient Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten zwischen Rohrinnenwand und Luft, die innere Oberfläche des RohrsAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, sowie die Wandstärke des RohrsAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, die WärmeleitfähigkeitAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten des Materials und der mittlere Umfangsfläche Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten des Rohres.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-5: Wärmedurchgang des Rohrwärmeübertragers

Der Wärmeübergangskoeffizient, der den Wärmeübergang von der Rohrwand an die Luft beschreibt, berechnet sich aus der Nusselt-ZahlAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, der Wärmeleitfähigkeit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten der Luft und dem Durchmesser Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltendes Rohres (Gleichung 6-6).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-6: Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten

Die zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten benötigte Nusselt-Zahl ist eine dimensionslose Kennzahl, die die Verbesserung der Wärmeübertragung durch die Strömung beschreibt und mit der Wärmeübertragung bei ruhendem Fluid vergleicht. Sie wird bei turbulenter Strömung mit Hilfe von Gleichung 6-7 (nach [BS40], Gl. (3.260)) berechnet. Diese Gleichung lässt sich aber nur anwenden, wenn die Reynolds-Zahl größer als 2300 ist. Die Berechnung der Reynolds-Zahl hat gezeigt, dass diese stets größer als 2300 und die Strömung im untersuchten Druckbereich stets turbulent ist. Daher kann diese Gleichung bei den hier vorliegenden Randbedingungen benutzt werden. Dazu werden der WiderstandsbeiwertAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, die Reynoldszahl Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und die Prandtlzahl Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, sowie der Durchmesser und die Länge des Rohres benötigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-7: Berechnung der Nusselt-Zahl

Der Widerstandsbeiwert, in der Strömungsmechanik auch als cw-Wert bezeichnet, ist ein dimensionsloses Maß für den Strömungswiderstand eines von einem Fluid umströmten Körpers im Vergleich zu einem anderen Körper gleichen Querschnitts aber anderer Form. Er berechnet sich nach [BS04], Gl. (3.261) wie in Gleichung 6-8 angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-8: Berechnung des Widerstandsbeiwertes

Die Reynoldszahl Re ist, unter anderem, ein dimensionsloses Maß für die Turbulenz einer Strömung. Sie berechnet sich aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Luft Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, der Länge des Rohres Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten sowie der kinematischen Viskosität der Luft Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mit Hilfe von Gleichung 6-9([BS04], Gl. (1.43)).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-9: Berechnung der Reynolds-Zahl

Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit lässt sich aus dem Massenstrom Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und der Dichte Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten des Fluids sowie aus dem Strömungsquerschnitt Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten berechnen (Gleichung 6-10).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-10: mittlere Strömungsgeschwindigkeit

Mit Hilfe der oben genannten Gleichungen und verschiedener Stoffdaten (s. Anhang A1) kann die Temperaturdifferenz zwischen Rohroberfläche und durchströmender Luft berechnet werden. Da die Messingplatten eine ungefähr zehnmal größere Wärmeleitfähigkeit als die Edelstahlrohre besitzen und außerdem im Bezug auf die Maximaltemperatur nicht kritisch sind, wird auf eine Betrachtung des Temperaturfeldes im Messing verzichtet.

6.4.2 Druckabfall durch Strömungsverluste im Heizrohr

In den im vorigen Kapitel beschriebenen Berechnungen wird die Vorraussetzung getroffen, dass die Wärmeübertragung isobar erfolgt. Dies ist eine Vereinfachung, da durch Strömungsverluste ein Druckabfall im Heizrohr stattfindet. Ob diese Vereinfachung zulässig ist, d.h. ob der Druckabfall Dp vernachlässigbar klein ist, wird mit Hilfe der Gleichung 6-1 überprüft ([BAE04] Gl. 3.261).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-11: Druckabfall in einem durchströmten Rohr [BAE04]

6.4.3 Leistung der elektrischen Heizung

Um die benötigte Leistung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten der elektrischen Rohrheizkörper zu berechnen, müssen der benötigte Wärmestrom Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten zur Erhitzung der Luft und der Verlust an Wärme Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten an die Umgebung über die Isolation berücksichtigt werden (Gleichung 6-12).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-12: Leistung der elektrischen Heizung

Der Wärmestrom, der der Luft zugeführt wird, lässt sich wie bereits in Gleichung 6-3 beschrieben berechnen. Um den Verlust an Wärme über die Isolation zu berechnen, muss die Oberfläche Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten des Wärmeübertragers, sowie Dicke Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Wärmeleitfähigkeit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten des Isolationsmaterials und natürlich die treibende Temperaturdifferenz Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten zwischen Wärmeübertrager und Umgebung bekannt sein. Mit diesen Daten lässt sich der Wärmeverlust des Wärmeübertragers, wie in Gleichung 6-13 beschrieben, berechnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 6-13: Wärmeverlust des Wärmeübertragers

Für die Berechnungen werden Stoffdaten der Luft benötigt. Die für die Berechnung dieser Daten verwendeten empirischen Korrelationen finden sich im Anhang A1.

6.5 Ergebnisse der Berechnung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6-1: Außentemperatur des Rohres in Abhängigkeit des Luftdrucks

Abbildung 6-1 zeigt den Anstieg der Außentemperatur des Rohres in Abhängigkeit vom Luftdruck in der Anlage. Es ist deutlich zu erkennen, dass die berechneten Temperaturen in jedem Anlagenzustand die maximal zulässige Temperatur von 550°C nicht überschreiten. Die Berechnungen (s.Tabelle 6-1) zeigen weiterhin, dass der Druckabfall im Rohr immer unterhalb von 100 mbar liegt. Der Druckabfall ist damit, wie vorausgesetzt, vernachlässigbar klein. Auch die Reynoldszahl ist stets über 2300, womit hier stets von einer turbulenten Strömung ausgegangen werden kann. Die Berechnungen zum Wärmeverlust zeigen, dass die elektrische Heizleistung bis zu 876W betragen muss. Die hier abgebildete Tabelle 6-1 zeigt nur einen Teil der Berechnungsergebnisse. Ausführlichere Tabellen mit sämtlichen Zwischenergebnissen finden sich im Anhang A2.

Tabelle 6-1: Übersicht Berechnungsergebnisse

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

7 Zusammenfassung und Ausblick

Luftspeicherkraftwerke stellen eine Möglichkeit dar, elektrische Energie zu speichern. So können sie die Stromnetze entlasten und regenerative Energien besser nutzbar machen. Mit dem Konzept des adiabaten Luftspeicherkraftwerkes werden die bisherigen Nachteile der diabaten Luftspeicherkraftwerke, der geringe Wirkungsgrad und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und die Erzeugung von Treibhausgasen, gemildert bzw. komplett vermieden.

Ein entscheidender konstruktiver Unterschied zwischen adiabaten und diabaten Luftspeicherkraftwerken ist der Einsatz eines Wärmespeichers beim adiabaten Konzept. Der Speicher soll das adiabate Kraftwerk effizienter machen, indem dort die Kompressionswärme aufgefangen wird. Es sind allerdings bislang noch keine Wärmespeicher in solchen Größenordnungen eingesetzt worden. Um die Machbarkeit und Effizienz eines solchen Wärmespeichers zu prüfen, sind verschiedene Lösungskonzepte entwickelt worden, die näher untersucht werden.

Am Lehrstuhl für Thermodynamik und Energietechnik ist ein Labordemonstrator eines Salzwärmespeichers aufgebaut worden, um Daten über dieses Lösungskonzept zu sammeln. Diese Daten sollen einerseits helfen eine Entscheidung für eines der neuen Wärmespeicherkonzepte zu finden und andererseits die Auslegung eines Wärmespeichers im Großmaßstab erleichtern und dessen Effizienz verbessern.

Um diese Messdaten zu erhalten, müssen die Betriebsbedingungen für den Wärmespeicher möglichst realistisch sein. Um den Betrieb im Großmaßstab nachzuempfinden, wird eine zusätzliche Luftheizung benötigt. Diese sorgt bei der Beladung des Wärmespeichers für die im realen Betrieb zu erwartenden Lufttemperaturen am Eintritt in den Wärmespeicher.

Ziel dieser Arbeit war es, diese Luftheizung mit Hilfe von thermodynamischen Berechnungen auszulegen und den Anforderungen entsprechend zu konstruieren. Weiterhin war eine Regelung dieser Heizung zu realisieren und die Erhebung von Messwerten zu ermöglichen. Diese Messwerte sollen weiterhin durch Modellrechnungen auf eine Anlage im Großmaßstab übertragen werden.

Bei der Konstruktion der Luftheizung ist ein Konzept zum Zuge gekommen, bei dem die Luft durch zwei Rohre geleitet wird, die über mehrere elektrische Rohrheizkörper und Messingplatten erwärmt werden.

Die Regelung der Sollwerttemperatur der Luftheizung erfolgt über ein PC-Programm. Dazu werden die Ist-Werte der Luft, Druck und Temperatur, aus den Messgebern ausgelesen. Dann wird aus dem Luftdruck der Soll-Wert für die Lufttemperatur berechnet und an einen elektronischen Regler übermittelt. Dieser passt selbstständig die Ist-Temperatur der Luft an den Soll-Wert an. Erste Testläufe [Hua06] zeigen, dass die aufgebaute Luftheizung die Anforderungen voll erfüllt und die Luft die geforderten Temperaturen erreicht.

Ferner ist der Labordemonstrator mit Thermoelementen versehen worden, um die Temperaturverteilung innerhalb des Wärmespeichers zu messen. Sieben Messelemente sind entlang der Längsachse des Wärmespeichers verteilt. Zehn Thermoelemente sind in zwei radialen Ebenen angebracht. Die Messungen in den beiden Messebenen [Hua06] zeigen, dass die Unterschiede in der Wärmeverteilung radial zur Hochachse zwischen den beiden Messebenen sehr gering sind. Dies unterstreicht erstens, dass die Wärmeverteilung durch die sieben Kapillarröhren im Wärmespeicher wie vorgesehen funktioniert und zweitens, dass die beiden Messebenen ausreichen und die Messung des Temperaturgradienten über die Höhe des Wärmespeichers mit den Thermoelementen in der Mitte des Wärmespeichers repräsentativ ist.

Ferner ist eine Programmoberfläche entwickelt worden, um die Messwerte der Thermoelemente und der Druckaufnehmer darstellen zu können. Diese Werte können dann von einem weiteren, im Rahmen dieser Arbeit entwickelten, Unterprogramm auf die voraussichtlichen Leistungsdaten eines Großkraftwerkes skaliert werden.

Nachdem nun eine Möglichkeit besteht, dass neue Wärmespeicherkonzept zu testen, ist die Aufgabe nun, die Leistungsfähigkeit des Wärmespeichers in den verschiedensten Betriebszuständen zu ermitteln und zu verbessern. Dazu zählt unter Anderem die Messung und Minimierung der Wärmeverluste nach außen, die Ermittlung und Verminderung der inneren Exergieverluste durch Erhalt des Temperaturgradienten, sowie Erfassung und Verbesserung der realen Wärmeübertragungskapazität. Weiterhin muss, wie auch später im realen Betrieb, die Kapazität des Luftspeichers und die des Wärmespeichers aufeinander abgestimmt werden. Dazu muss ein kontinuierlicher Betrieb erfolgen. Dies zu untersuchen wird Aufgabe weiterer Arbeiten sein.

Durch Ermittlung dieser Kenndaten können mögliche Schwachpunkte der Konstruktion aufgedeckt werden. So können noch am Demonstrator vor Aufbau einer Anlage im Großmaßstab Verbesserungen vorgenommen werden. Weiterhin werden so Vergleichsdaten ermittelt, die helfen können die verschiedenen Lösungsansätze für die Wärmespeicherung zu vergleichen und zu bewerten.Die Übertragung der so gewonnenen Daten auf ein Luftspeicherkraftwerk in nutzbarer Größe liefert wertvolle Hinweise für den Bau einer solchen Anlage. Diese und die weiteren Arbeiten im Rahmen des Aufbaus und Betriebs des Labordemonstrators liefern somit wertvolle Informationen auf dem Weg zur industriellen Nutzung von adiabaten Luftspeicherkraftwerken und damit einen Beitrag zu einer effizienteren und sichereren Stromversorgung.

8 Literaturverzeichnis

Publikationen

[BS04] Baehr, H. D.; Stephan, K.: Wärme- und Stoffübertragung, Springer, 4. Auflage, 2004

[DIN04] Norm DIN EN 10216 Teil 5 November 2004. Nahtlose Stahlrohre für Druckbeanspruchungen - Technische Lieferbedingungen - Rohre aus nichtrostenden Stählen

[EU99] The European Communities: European Union Energy Outlook to 2020, 1999

[Gie06] Giesen, Ralf-Urs: Planung und Konstruktion eines Wärmespeichers für ein Luftspeicherkraftwerk im Labormaßstab, Studienarbeit, Lehrstuhl für Thermodynamik und Energietechnik, Universität Paderborn, 2006

[Hua06] Huang, Kai: Inbetriebnahme eines adiabaten Luftspeicherkraftwerkes im Labormaßstab, Bachelorarbeit, Lehrstuhl für Thermodynamik und Energietechnik, Universität Paderborn, 2006

[LJP00] E. W. Lemmon, R. T. Jacobsen, St. G. Penoncello, D. G. Friend: Thermodynamic Properties of Air and Mixtures of Nitrogen, Argon, and Oxygen From 60 to 2000 K at Pressures to 2000 MPa, J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol 29, No. 3, 2000.

[Spa01] Span, R.: Antrag zum Forschungsprojekt der Europäischsen Union AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage), 2001

[Spa05] Span, R.: Rationelle Energienutzung, Vorlesungsskript, Universität Paderborn, 2005

[Spa04] Span, R.: Kraft- und Arbeitsmaschinen, Vorlesungsskript, Universität Paderborn, 2005

[USC04] U.S.-Canada Power System Outage Task Force.: Final Report on the August 14, 2003 Blackout in the United States and Canada: Causes and Recommendations, April 2004, https://reports.energy.gov/BlackoutFinal-Web.pdf

[VDI01] Strom aus gepresster Luft. VDI-Nachrichten, Nr. 45, 9.11.2001

[VDI06] Mit Druck in den Untergrund. Ralf Köpke, VDI-Nachrichten, Nr. 9, 03.03.2006

[Zeit05] Parkplatz für Elektronen. Martin Pehnt, Die Zeit, Nr. 43, 20.10.05

Anhang

Inhaltsverzeichnis

A1 Stoffdaten Luft

A2 Berechnungsergebnisse Luftheizung

A3 Datenblatt Turboverdichter

A4 Technische Zeichnungen

A1 Stoffdaten Luft

Für die Berechnung der Wärmeübertragung werden genaue Stoffdaten der Luft benötigt. Um die Daten in Abhängigkeit von Temperatur und Druck in Excel berechnen zu können, wurden nach [LJP00] mit der Software Refprop 7 die folgenden Korrelationen erstellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung A1-1: Korrelation der Prandtl-Zahl

Tabelle A1-1: Koeffizienten der Korrelation der Prandtl-Zahl

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung A1-2: Korrelation der kinematischen Viskosität

Tabelle A1-2: Koeffizienten der Korrelation der kinematischen Viskosität

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung A1-3: Korrelation der Wärmeleitfähigkeit

Tabelle A1-3: Koeffizienten der Korrelation der Wärmeleitfähigkeit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung A1-4: Korrelation der Dichte

Tabelle A1-4: Koeffizienten der Korrelation der Dichte

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung A1-5: Korrelation der spezifischen isobaren Wärmekapazität

Tabelle A1-5: Koeffizienten der Korrelation der Wärmekapazität

A2 Berechnungsergebnisse Luftheizung

Hier sind die kompletten Ergebnisse einer Berechnung des Wärmeübertragers dargelegt (s. Kapitel 6.4):

Tabelle A2-1: Eingabegrößen für die Berechnung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle A2-2: Zwischen- und Endergebnis der Berechnung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A3 Datenblatt Turboverdichter

Die folgenden Daten stammen aus der privaten Kommunikation zwischen dem „Lehrstuhl für Thermodynamik und Energietechnik“ und der „MAN Turbo AG“.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A3-1: Leistungsdaten der einzelnen Verdichter-Stufen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A3-2: Kennlinien: Austrittstemperatur in Abhängigkeit von Massenstrom und Leitschaufeleinstellung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A3-3: Kennlinien: Leistung und Enddruck in Abhängigkeit von Massenstrom und Leitschaufeleinstellung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A3-4: Kenndaten bei verschiedenen Leitschaufeleinstellungen bei Betrieb im Auslegungspunkt (100%)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A3-4: Kenndaten bei verschiedenen Leitschaufeleinstellungen bei Betrieb oberhalb des Auslegungspunktes (120%)

A4 Technische Zeichnungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A4-1: Heizrohrschlange (Abbildung nicht maßstabsgerecht)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A4-2: Äußere Wärmeübertragerplatte (Abbildung nicht maßstabsgerecht)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A4-3: Mittlere Wärmeübertragerplatte (Abbildung nicht maßstabsgerecht)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A4-4: Zusammenbauzeichnung der Luftheizung (Abbildung nicht maßstabsgerecht)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild A4-5: Explosionszeichnung der Luftheizung (Abbildung nicht maßstabsgerecht)