Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Bei der Projektdurchf\u00fchrung wurde auf die Erfahrungen und Betriebsergebnisse einer ersten industriellen Pilotanlage aufgebaut, bei der sich im praktischen Betrieb noch einige Probleme und Unzul\u00e4nglichkeiten zeigten. Deshalb wird im IVD-Technikum ein verbessertes Verfahren mit neuer Feuerungstechnologie aufgebaut. Das Entwicklungsziel wird durch folgende Kennzahlen charakterisiert:
\n–\tMaximale Feuerungsleistung der Verbrennungsanlage: 200 kW
\n–\tMaximale elektrische Leistung des Stirlingmotors: 40 kW
\n–\tElektrischer Wirkungsgrad bei Nennlast: 20%
\n–\tElektrischer Nutzungsgrad im industriellen Einsatz: 15%<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1.\tDetaillierte messtechnische Untersuchung der KWK-Pilotanlage in Krailling, um die bestehenden Probleme besser zu verstehen und durch neue Konzepte zu vermeiden. Das Zusammenspiel von Stirlingmotor und Feuerungsanlage sowie die Abgasemissionen stehen im Vordergrund der Untersuchungen.
\n2.\tUmbau der Versuchsanlage im Technikum des Instituts und Integration eines Dummy-W\u00e4rme\u00fcbertragers. Wegen der Notwendigkeit, die Verschmutzung detaillierter zu untersuchen, konnte nicht ein baugleiches Modell der Firma Magnetmotor genutzt werden, es wurde ein spezieller Versuchs-Erhitzer entwickelt und eingebaut.
\n3.\tEntwicklung und Erprobung eines neuen Regelungskonzepts f\u00fcr die verbesserte KWK-Anlage am IVD. Wegen der Verschiebung des Arbeitsschwerpunktes hin zur Verschmutzungsproblematik war die Entwicklung eines industriellen Regelungskonzepts nicht m\u00f6glich. Statt dessen, wurden ver-schiedene Betriebsmodi, mit speziellem Augenmerk auf den Teillastbetrieb, erprobt.
\n4.\tMesstechnische \u00dcberpr\u00fcfung des neu entwickelten Verfahrens am Institut. Dabei soll die Verbesserung gegen\u00fcber der bestehenden Anlage dokumentiert werden und weiteres Optimierungspotenzial dargestellt werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Anlage in Krailling ist in das Heizwerk eines ortsnahen Industriegebietes eingebunden. Die R\u00fccklauftemperaturen zur KWK-Anlage waren au\u00dferordentlich hoch. Die schwankende Abnahme an Heizw\u00e4rme stellt hier ein Problem dar. Dar\u00fcber hinaus war aber die hydraulische Einbindung der KWK-Anlage in das Heizwerk derart, dass die Pumpen der gr\u00f6\u00dferen reinen Heizkessel, der kleinen KWK-Anlage das Wasser abgegraben haben. Eine Ver\u00e4nderung der hydraulischen F\u00fchrung brachte Besserung, wobei das Problem der Abnahme bestehen bleibt.
\nDie ersten Versuche zeigten das rasche Fortschreiten der Verschmutzungsbel\u00e4ge auf den Erhitzerrohren. Besonders die Verbindung von Partikelanflug und Kondensatbildung wirkt verheerend. Die Partikel liefern das Material f\u00fcr das Dickenwachstum des Belages, das Kondensat verklebt und verfestigt diesen Belag. Wobei auch klar wurde, dass diese Bel\u00e4ge rein visuell immer wieder anders aussehen. Der Rohr-W\u00e4rmetauscher, der durch eine ausgepr\u00e4gte Enge der einzelnen Rohre gekennzeichnet ist, tendierte zum Zuwachsen.
\nAus der messtechnischen \u00dcberwachung der Betriebsparameter und Abgaskonzentration ergaben sich keine Auff\u00e4lligkeiten. Aus den Staubgehalten im Rauchgas best\u00e4tigte sich die gute Partikel-Vorabscheidung in der zyklonartigen Sekund\u00e4rbrennkammer der Feuerungsanlage. Der verbleibende Staubgehalt besteht zudem \u00fcberwiegend aus allerfeinsten Staubteilchen. Weitere Staubreduktion k\u00f6nnte also nur \u00fcber aufwendige, in diesem Anlagenma\u00dfstab nicht realisierbare Verfahren geleistet werden. Aus den Analysen der Verschmutzungsbel\u00e4ge an der Technikumsanlage des IVD ergab sich folgendes Bild: Aufgrund der gr\u00f6\u00dferen Abst\u00e4nde zwischen den W\u00e4rmetauscherrohren beschr\u00e4nkte sich die Bildung einer Partikelschicht auf die Anstr\u00f6mseite (der Zusammenhang zwischen Verschmutzung und Rohrabstand ist auch aus der Kraftwerkstechnik bekannt). Zudem blieb dieser Belag relativ trocken, d. h. die Kondensatbildung innerhalb der Partikelschicht reichte nicht, um die Partikel untereinander stark zu verkleben. In der Kondensatbildung zeigt sich die Abh\u00e4ngigkeit von der Oberfl\u00e4chentemperatur erwartungsgem\u00e4\u00df deutlich. Folgende Alkalien wurden im Kondensat in dieser Konzentrations-Reihenfolge gefunden: Kalium, Calcium, Natrium und Magnesium. Daneben tritt Chrom sehr stark auf (evtl. aufgrund einer falschen Materialwahl im Brennraum). Die Summe der Kondensate steigt mit der Oberfl\u00e4chentemperatur an und erreicht bei ca. 900\u00b0C ein Maximum. Dar\u00fcber folgt ein deutlicher Abfall, nur Ca und Mg sind im h\u00f6heren Bereich noch deutlich vertreten. Da diese Temperatur typisch f\u00fcr Stirling-Erhitzer ist, ist klar, dass immer mit entsprechenden Kondensations- und damit Verschmutzungsproblemen zu rechnen ist.
\nDas Cr zeigt in seinem Auftreten eine starke Bindung an Na und K. Dies und die Tatsache, dass Cr trotz eines Schmelzpunktes von rund 1600 \u00b0C wie Na und K bei 900\u00b0C im Kondensat maximal auftritt, l\u00e4sst die Frage aufkommen, ob das Cr auf dem W\u00e4rmetauscher in eine Verbindung mit K oder Na \u00fcbergeht. Dies h\u00e4tte ung\u00fcnstige Auswirkung auf die Zeitstandfestigkeit des Tauschermaterials bzw. w\u00fcrde hohe Anforderungen an dasselbe stellen. Am Inconel-Erhitzer in Krailling wurde keine Korrosion des Erhitzers beobachtet.
\nDie Abgasrezirkulation zur Anhebung der Rauchgastemperatur war bislang nicht erfolgreich. Hier besteht aber noch Optimierungspotenzial, sowohl in der Rauchgasf\u00fchrung als auch in der Dimensionierung des eingesetzten Injektors. Zudem traten in der R\u00fcckf\u00fchrung deutliche W\u00e4rmeverluste auf, die noch nicht gekl\u00e4rt sind.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Darstellung der Zwischenergebnisse auf
\n–\tEurop\u00e4ischem Stirlingforum 2002 in Osnabr\u00fcck
\n–\tInternational Stirling Engine Conference (ISEC) 2003 in Rom<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das Hauptaugenmerk der Arbeit wurde auf die Verschmutzung gerichtet. Der Stirling-Erhitzer wird auf einem Temperaturniveau betrieben, das die h\u00f6chsten Kondensationsraten nach sich zieht. Bei niedrigeren Kondensationsraten bleiben die Partikel trockener und fallen von Zeit zu Zeit sogar selbst ab. Wird die Rohrgeometrie des Erhitzers offener, d. h. gr\u00f6\u00dfere Abst\u00e4nde zwischen den Rohren, gew\u00e4hlt, beschr\u00e4nkt sich die Partikelansammlung auf die Anstr\u00f6mseite. \u00dcberraschend das starke Auftreten von Chrom. Trotz falscher Materialwahl eines Bauteils im Brennraum deutet einiges daraufhin, dass sich die Alkalien auf dem Erhitzer mit dem Chrom der Erhitzerrohre verbinden.
\nDie Auslegung einer Micro-KWK Biomasse Anlage mit Stirling Motor bedarf einer genauen Abstimmung. Die zus\u00e4tzlichen Druckverluste durch den Erhitzer beeinflussen die Str\u00f6mungsverh\u00e4ltnisse, in unserem Beispiel die Abgasrezirkulation.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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