Projekt 29268/01

Optimierung einer Kolbendampfmaschine mit interner Flashverdampfung

Projektträger

Europäisches Institut für Energieforschung EDF-KIT EWIV
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
Telefon: 0721 6105 1427

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Weiterentwicklung einer Kolbendampfmaschine, die einen neuartigen, hocheffizienten thermodynamischen Kreisprozess verwirklicht. Dreiecksprozesse erlauben theoretisch eine um ca. 50% verbesserte Nutzung von Niedertemperaturwärme im Vergleich zu den gängigen Prozessen wie Clausius-Rankine-Cycle, Organic-Rankine-Cycle oder Kalina-Prozess.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür den Aufbau der Testmaschine wurden folgende Arbeitsschritte ausgeführt:
1. Entwicklung von geeigneten Aktuatoren und deren Ansteuerung zur schnellen Bewegung der Einlass- und Auslassventile
2. Entwicklung von geeigneten Einlass- und Auslassventilen (Geschwindigkeit, erforderlicher Quer-schnitt, Dichtheit)
3. Aufbau eines neuen isothermen beheizten Zylinderkopfes mit Zyklonen, Einlass- und Auslassventilen
4. Aufbau und Inbetriebnahme eines Drehzahlstellers für den Motor/Generator
5. Erfolgreicher Aufbau eines Teststandes und Durchführung von Abscheideversuchen an einem Zyk-lon mit Flashentspannung
6. Ersatz der Zylinder-Stahllaufbuchse durch eine Edelstahllaufbuchse. Umkonstruktion der Kolben-dichtungen und des Kolbens (dämmende Kolbenplatte). -> dichter Kolben.


Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse der Abscheideversuche am Zyklon mit Flashentspannung waren weitaus besser als gefordert (gemessen: 99,85%, gefordert: >98%). Dieses Ergebnis weist auf eine wahrscheinliche Machbarkeit des Dreiecksprozesses hin. Die laufende Maschine und weitere Abscheideversuche sind Ziele eines geplanten halbjährigen Folgeprojekts.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Veröffentlichungen:
M. Steffen, M. Löffler, K. Schaber: Efficiency of a new Triangle Cycle with flash evaporation in a piston engine, Energy, Article accepted for publication (26 Nov 2012), Received at Elsevier (28 May 2013)
M. Steffen, M. Löffler, K. Schaber: Simulation of the efficiency of a new triangle cycle with flash evaporation in a piston engine, Vortrag, Thermodynamik-Kolloquium & 26th European Symposium on Applied Thermodynamics (ESAT) Potsdam (2012)
Der Dreiecksprozess: der Kreisprozess mit dem theoretisch höchsten Wirkungsgrad. Messestand bei der Woche der Umwelt im Schloss Bellevue Berlin (2012)
Studienarbeiten und Diplomarbeiten:
Tim Bouc: Abscheideversuche in einem Zyklon mit Flashverdampfung, Diplomarbeit, EIFER (2013)
Nike Trudel: Kreislaufsimulation eines neuartigen Prozesses zur Nutzung von Niedertemperaturwärme unter Berücksichtigung verschiedener Abwärmequellen, ITTK (2013)
Johannes Biernath: Entspannungsverdampfung in einem Zyklon - Implementierung verschiedener Verdampfungsmodelle, Bachelorarbeit, ITTK (2012)
David Bidinger: Ausarbeitung und konstruktive Umsetzung unterschiedlicher Ventilkonzepte für einen neuartigen Prozess, Bachelorarbeit, IFKM (2012)
Teresa Blochmann: Entspannungsverdampfung in einem Zyklon - Einfluss verschiedener Verdamp-fungsmodelle, Studienarbeit, ITTK (2012)
Yannik Ille: Entspannungsverdampfung in einem Zyklon - Einfluss verschiedener Geometrien auf die Phasentrennung, Studienarbeit, ITTK (2012)
Christopher Hort: Ein Ansatz zur Neukonstruktion eines speziell angepassten Zylinderkopfes für die optimierte Umsetzung eines neuartigen thermodynamischen Prozesses, Diplomarbeit, IFKM (2011)
Pascal Bormann: CFD-Simulation der schnellen Abkühlung einer Flüssigkeit und deren Einfluss auf die Wandtemperatur, Diplomarbeit, ITTK (2010)


Fazit

Die Umsetzung von Niedertemperaturwärme bis ca. 350 °C ist mit dem Dreiecksprozess machbar. In Folgeprojekten sollten die bisherigen Erkenntnisse vertieft die konstruktiven Lösungen verbessert und die neue Technologie für alle denkbaren (Ab-)Wärmemärkte verfügbar gemacht werden.