Getriebeloser Mikrokompander<\/p>\n
Der Ersatz von Expansionsventilen in Dampfnetzen durch Turbinen bietet ein exergetisches Potenzial zur Stromerzeugung, das unterhalb einer Turbinenleistung von einem Megawatt aufgrund \u00f6konomischer Restriktionen zumeist nicht genutzt wird. Gr\u00fcnde hierf\u00fcr sind die in dieser Leistungsklasse geringen Effizienzen von Dampfturbinen und die hohen Investitionskosten von insbesondere elektrischen Generatoren und Getrieben. Durch einen Dampfturbolader \u2013 eine direkte Kopplung einer Axialturbine mit einem Radialverdichter \u2013 soll dieses Potenzial erschlossen und ohne den Umwandlungsschritt in elektrische Energie direkt Druckluft erzeugt werden. Diese Prozessoptimierungsoption wird in der vorliegenden Arbeit im Leistungsbereich von 50 kW bis 300 kW untersucht.<\/p>\n
Hierzu wird ein Modell zur Auslegung und Untersuchung von Dampfturboladern entwickelt. Die typischen Randbedingungen f\u00fcr die betrachtete Dampfturbolader-Anwendung sind in Deutschland sehr heterogen, sodass zur individuellen Auslegung der Fokus bei der Modellierung auf Flexibilit\u00e4t, kurzen Rechenzeiten und einem hohen Detaillierungsgrad liegt. Neben der Stromfadentheorie und CFD-Simulationen werden CFD-basierte Surrogate-Models eingesetzt. Letztgenannte Methode wird in der vorliegenden Arbeit erstmalig in diesem Detaillierungsgrad f\u00fcr axiale Gleichdruckturbinen entwickelt und angewandt.<\/p>\n
Die im Rahmen der Arbeit durchgef\u00fchrten Untersuchungen zeigen, dass die gew\u00e4hlten Turbomaschinenbauarten eine geeignete Kombination f\u00fcr einen Dampfturbolader dar-stellen. In der vorliegenden Arbeit werden insgesamt zw\u00f6lf Dampfturbolader auf Basis eines Baukastensystems thermo- und aerodynamisch ausgelegt und untersucht. Die Turbinen erreichen dabei isentrope Wirkungsgrade zwischen 63 % und 71 %. Die polytropen Wirkungsgrade der Verdichterstufen betragen zwischen 76 % und 82 %. Die exergetischen Wirkungsgrade der zw\u00f6lf Dampfturbolader-Designs liegen zwischen 40 % und 50 %. Der Einsatz eines Dampfturboladers bietet einen \u00f6konomischen Mehrwert f\u00fcr Unternehmen. Es k\u00f6nnen j\u00e4hrlich zwischen 20.000 \u20ac und 62.000 \u20ac an Betriebskosten in der Drucklufterzeugung eingespart werden. Die maximalen spezifischen Investitionskosten f\u00fcr positive Bruttokapitalwerte liegen zwischen 1.500 \u20ac\/kW und 1.800 \u20ac\/kW. Dar\u00fcber hinaus wurden in den betrachteten F\u00e4llen der Prim\u00e4renergieaufwand um 34 % bis 42 % sowie der CO2-Aussto\u00df um 58 % bis 63 % gesenkt. Au\u00dferdem werden durch den Dampfturbolader Energiewandlungsverluste reduziert und zudem kann die Maschine in Kombination mit einem stromgetriebenen Kompressor netzdienlich zur Laststeuerung eingesetzt werden.<\/p>\n
In weiterf\u00fchrenden Untersuchungen sollte ein Prototyp des Dampfturboladers konstruiert, gebaut und getestet werden, um Betriebserfahrungen zu sammeln und die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit anhand von Messdaten zu validieren.<\/p>\n
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