Dreiecksprozess: der Kreisprozess mit dem höchsten Wirkungsgrad

Optimierung einer Kolbendampfmaschine

Mit den auf dem Markt verfĂŒgbaren WĂ€rmekraftmaschinen, bei denen Turbinen verwendet werden und denen die Kreisprozesse CRC* (Clausius-Rankine-Cycle), ORC* (Organic Rankine Cycle) und Kalina*-Kreisprozess zugrunde liegen, kann NiedertemperaturwĂ€rme im Bereich von 100 °C bis 300 °C nur mit hohen Investitionskosten und bei niedrigen Wirkungsgraden energetisch genutzt werden.

Wird ein nach der ErwĂ€rmung unter erhöhtem Druck vorliegendes flĂŒssiges Arbeitsmittel im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine entspannt, können theoretisch deutlich höhere Prozesswirkungsgrade realisiert werden (Steigerung 30 % bis 80 %). Dies ist auf die simultane Dampferzeugung bei gleichzeitiger AbkĂŒhlung der flĂŒssigen Phase zurĂŒckzufĂŒhren. Hierdurch werden die exergetischen Verluste eines externen Verdampfers, wie er bei den marktĂŒblichen Prozessen eingesetzt wird, umgangen. Die Form des zum Verfahren gehörenden Zyklus erinnert im Temperatur-Entropie-(T-s)- Diagramm an ein Dreieck.

Um das Eintreten von flĂŒssiger Phase in den Zylinderraum zu verhindern, ist der Kolbenmaschine ein Zyklon zur Phasentrennung vorgeschaltet. Mithilfe von Strömungssimulationen (CFD) kann der Trenngrad bzw. die Abscheidung der flĂŒssigen Phase im Zyklon simuliert und hierdurch die Zyklongeometrie optimiert werden. Ziel ist es hierbei, eine möglichst hohe Abscheidung und einen nahezu vollstĂ€ndigen Ladungswechsel pro Arbeitstakt zu realisieren.

Neben einer hohen Abscheidung der flĂŒssigen Phase im Zyklon, einem vollstĂ€ndigen Ladungswechsel und einem geringen Zyklonvolumen (= Totvolumen) ist auch ein schneller Einlass der flĂŒssigen Phase notwendig, um einen hohen isentropen Maschinenwirkungsgrad zu realisieren. Zur Ansteuerung der Ventile werden Tauchspulenaktuatoren eingesetzt, die in Bezug auf den Einlasszeitpunkt und die EinlasslĂ€nge elektromechanisch geregelt werden können.

Schnitt durch den Zylinderkopf

GegenĂŒber den oben genannten Prozessen zur Nutzung von NiedertemperaturwĂ€rme bietet der Dreiecksprozess unter Verwendung einer Kolbenmaschine den weiteren Vorteil, dass er bereits ab sehr kleinen AbwĂ€rmemengen sinnvoll eingesetzt werden kann. Kolbenmaschinen können fĂŒr elektrische Leistung unter 1 kW verwendet werden, wohingegen Turbinen erst ab Leistungen grĂ¶ĂŸer 100 kW energetisch sinnvoll eingesetzt werden. GrĂ¶ĂŸere Leistungsbereiche können durch Parallelschaltung mehrerer Kolbenmaschinen abgedeckt werden.

Am Institut fĂŒr Technische Thermodynamik und KĂ€ltetechnik (KIT), dem Institut fĂŒr Kolbenmaschinen (KIT) und der MOT GmbH wird gemeinsam mit dem EuropĂ€ischen Institut fĂŒr Energieforschung der Prototyp einer Kolbenmaschine optimiert, um den neuartigen »Dreiecksprozess« erfolgreich umzusetzen.

* Thermodynamische Kreisprozesse

Prozessfließbild fĂŒr den Dreiecksprozess

Projektthema:
Optimierung einer Kolbendampfmaschine  

ProjektdurchfĂŒhrung:
EIfER EuropĂ€isches Institut fĂŒr Energieforschung EDF-KIT EWIV

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