Simulation, Umbau und Versuchsauswertung einer ORC

Bachelorthesis
Prof. Dr.-Ing. Michael Arnemann
Oliver Kraft
Thema:
Simulation, Umbau und Versuchsauswertung einer ORC-Anlage
Zusammenfassung:
Wirkungsgradsteigerungen an bestehenden und zukünftigen Kraftanlagen
stellen im technischen Sinne eine große Herausforderung dar. Die KraftWärme-Kopplung für Biomasseheizkraftwerke und dezentrale Stromerzeugung
ist ein erfolgversprechender Lösungsansatz. Mit der Integrierung des Organic
Rankine Cycle, als nachgeschalteten Prozess, ist die zusätzliche Gewinnung
elektrischer Energie aus der Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau
möglich. Diese weitere Ausnutzung ermöglicht die Steigerung des elektrischen
Wirkungsgrades und somit des Wirkungsgrades der gesamten Anlage.
Industrieanwendungen mit großen Abwärmeleistungen können mit dieser
Technologie nachgerüstet werden, um deren Effizienz zu steigern. Somit ist die
dezentrale Stromeinspeisung und der steigende Strombedarf mit weniger
fossilen Energieträgern realisierbar.
Die Aufgabe dieser Arbeit besteht in der konstruktiven Optimierung einer
bestehende Anlage, die Simulation des Organic Rankine Cycle und das
Sammeln von Erfahrungen mit der vorhandenen Turbine. Die Modellierung
erfolgt mit verschiedenen ORC-Arbeitsmedien, um Einsicht in das
Betriebsverhalten der einzelnen Stoffe zu gewinnen.
Das Verhalten der Expansionsmaschine hängt wesentlich von den Leistungen
und Temperaturen von Wärmequelle und -senke ab. Diese sind die vorrangigen
Auslegungskriterien der Anlage, um größtmögliche Druckdifferenzen zu
erreichen. Aus den Untersuchungen ergab sich, dass die Turbinenleistung ihren
optimalen Arbeitsbereich bei maximal umsetzbarem Druckverhältnis und einer
experimentell ermittelten Generatorspannung aufweist. Die Sensibilität der
Expansionsmaschine bezüglich dieser beiden Einflüsse ist stark ausgeprägt.
Bei Verlassen des Arbeitsbereiches, sind Einbußen hinsichtlich der
Turbinenleistung und des Wirkungsgrades festzustellen. Nach Auswertung der
experimentell gewonnen Ergebnisse konnten zudem Erkenntnisse gewonnen
werden, wie der Prüfstand optimiert werden muss, um höhere Leistungen an
der Turbine zu realisieren