Optimierung von supersonischen axialen Impulsturbinen in Rankine-Kreisläufen

Zusammenfassung

Der weltweit steigende Energiebedarf erfordert Effizienzsteigerungen bestehender Technologien. Insbesondere die Rückgewinnung von Exergie aus Abwärmeströmen bietet ein großes Potenzial, wobei der Transportsektor in Zukunft besonders im Fokus stehen muss. Eine vielversprechende Technologie für die Abwärmerückgewinnung im Transportsektor ist der Rankine-Kreisprozess. Bisher haben die hohen Anforderungen an die Auslegung und den Betrieb des Rankine- Kreislaufs den Einsatz in mobilen Anwendungen noch weitestgehend verhindert. Der Auslegungsprozess unter Berücksichtigung des Teillastbetriebs ist durch die Interaktion zwischen Arbeitsfluid, der Geometrien der Komponenten und den Eigenschaften der Wärmequelle und -senke komplex. Optimierungsverfahren bieten hier eine Lösung. In dieser Arbeit wird eine Methode zur ganzheitlichen Optimierung eines Rankine-Kreislaufs bei Verwendung einer supersonischen axialen Impulsturbine als Expander unter Berücksichtigung des Teillastbetriebs entwickelt. Teil der Arbeit ist dafür die Entwicklung und Validierung von Modellen für den Expander und den Verdampfer, welche die Geometrie berücksichtigen und die Teillastbetrieb abbilden können. Zur Validierung werden Messdaten herangezogen, die im Rahmen dieser Arbeit aufgenommen wurden. Nach der Verknüpfung der Einzelmodelle für die Komponenten zu einem Gesamtkreislauf wird eine Optimierung dieses Systems für verschiedene Arbeitsfluide durchgeführt. Das Ergebnis zeigt, dass Ethanol unter den gegebenen Randbedingungen als in thermodynamischer Hinsicht bester Kandidat identifiziert werden konnte. Exergetische Wirkungsgrade von 26,7 % und ein Kraftstoffeinsparpotenzial von 3,1 % werden errechnet.

Schlagworte

Publikation durchsuchen

Bibliographische Angaben

Copyrightjahr: 2025
ISBN-Online: 978-3-69030-132-9
Verlag: TEWISS, Garbsen
Reihe: Berichte aus dem IKW
Band: 02/2025
Sprache: Deutsch
Seiten: 190
Produkttyp: Monographie

Inhaltsverzeichnis

KapitelSeiten

1. Inhaltsverzeichnis Kein Zugriff
2. Abbildungsverzeichnis Kein Zugriff
3. Tabellenverzeichnis Kein Zugriff
4. Symbolverzeichnis Kein Zugriff
1 Einleitung Kein Zugriff Seiten 1 - 2
1. 2.1 Rankine-Kreisläufe im mobilen Sektor Kein Zugriff
2. 2.2 Optimierung von Rankine-Kreisläufen Kein Zugriff
3. 2.3 Modellierung von Axialturbinen Kein Zugriff
4. 2.4 Forschungslücke und Ziele der Arbeit Kein Zugriff
1. 3.1 Thermodynamik Kein Zugriff
2. 3.2 Wärmeübertragung Kein Zugriff
3. 3.3 Einfache Rankine-Kreisläufe Kein Zugriff
4. 3.4 Expander Kein Zugriff
5. 3.5 System-, Expander und Verdampfermodellierung Kein Zugriff
6. 3.6 Eindimensionale Betrachtung einer Turbinenstufe Kein Zugriff
7. 3.7 Geometrie einer einstufigen supersonischen Axialturbine Kein Zugriff
8. 3.8 Ganzheitliche Optimierung von Rankine-Kreisläufen Kein Zugriff
1. 4.1 Aufbau des Prüfstands Kein Zugriff
2. 4.2 Versuchsaufbau Kein Zugriff
3. 4.3 Fehlerfortpflanzung Kein Zugriff
1. 5.1 Verdampfer Kein Zugriff
2. 5.2 Expander Kein Zugriff
3. 5.3 Pumpe Kein Zugriff
4. 5.4 Kondensator Kein Zugriff
5. 5.5 Gesamtsystem Kein Zugriff
1. 6.1 Verdampfermodell Kein Zugriff
2. 6.2 Expandermodell Kein Zugriff
1. 7.1 Skalierung der Statorgeometrie Kein Zugriff
2. 7.2 Skalierung der Rotorgeometrie Kein Zugriff
3. 7.3 Parametrierung der Verdampfergeometrie Kein Zugriff
1. 8.1 Gesamtsystem Kein Zugriff
2. 8.2 Verdampfer Kein Zugriff
3. 8.3 Rankine-Prozess Kein Zugriff
4. 8.4 Expander Kein Zugriff
5. 8.5 Weitere Betrachtung des Prozesses für Ethanol Kein Zugriff
6. 9 Zusammenfassung und Ausblick Kein Zugriff
Literatur Kein Zugriff Seiten 123 - 137
1. A.1 Herleitung der mathematisch exakten lokalen Nußelt-Zahlfür die erzwungene Innenrohrströmung und ihre numerische Integration zu der mittleren Nußelt-Zahl Kein Zugriff
2. A.2 Wärmeübergang an einem querangeströmten Einzelrohr im Rohrbündel Kein Zugriff
3. A.3 Berechnung der Nußelt-Zahlen für erzwungene Innenrohrströmung Kein Zugriff
1. B.1 Lösung der Rechengrößen im Schaufelkanal Kein Zugriff
2. B.2 Schema des Axialturbinenmodells Kein Zugriff
3. B.3 Parametrierung des Stators Kein Zugriff
4. B.4 Parametrierung des Rotors Kein Zugriff
5. B.5 Parametrierung des Verdampfers Kein Zugriff
1. C.1 Totaldruckverlustmodell Kein Zugriff
2. C.2 Parasitäre Verluste Kein Zugriff
1. D.1 Statorprofil Kein Zugriff
2. D.2 Rotorprofil Kein Zugriff
1. E.1 Messdaten Expander A Kein Zugriff
2. E.2 Messdaten Verdampfer Kein Zugriff
F Definition und Herleitung der Exergieverlustanteileim Verdampfer Kein Zugriff Seiten 186 - 190