Experimentelle und theoretische Untersuchungen an einem ORC-Prozess mit den Arbeitsfluiden R365mfc, R245fa und deren Gemische

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf, dem Aufbau, dem Betrieb und der Simulation von einem Organic-Rankine-Cycle Prozess. Der Fokus der Betrachtungen richtet sich auf die Untersuchungen von zwei Kältemitteln, R365mfc und R245fa, als Reinstoffe und deren Gemische mit jeweils 20/80, 80/20 und 50/50 Prozent in Massenanteilen. Die Auswahl dieser Kältemittel basiert auf deren physikalischen und thermodynamischen Stoffeigenschaften, insbesondere den kritischen Temperaturen als auch den Dampfdruckkurven. Es wurde der Einfluss der Stoffeigenschaften auf die Verdampfung, Kondensation und die Expansion untersucht. Ziel der Arbeit ist es, die simulierte thermodynamische Leistungsfähigkeit der Gemische und Reinstoffe als Arbeitsfluide mit einem realen ORC-Prozess zu vergleichen. Kenngrößen wie der Wirkungsgrad, die thermische und elektrische Leistung des gesamten Prozesses sowie ein besonderer Prototyp des Expanders (Rotationskolbenexpander) wurden untersucht. Kondensator und Verdampfer waren im Experiment als Plattenwärmeübertrager ausgeführt, wobei der Verdampfer ein neuartiger vollgeschweißter Plattenwärmeübertrager mit vier Umlenkungen auf der Wärmezufuhrseite war. Es wurde für den Verdampfer ein Simulationsmodell nach der Zellenmethode erstellt und die Ergebnisse der Simulationen mit den Messergebnissen verglichen. Die Anzahl der Zellen pro Rohrreihe wie auch der Rohrzeilen im Modell ist variabel und wurde auf eine optimale Zellen-Zeilen Kombination hin untersucht. Darauf aufbauend wurde der gemessene Wärmedurchgangs- und der Wärmeübergangskoeffizient im ein- und zweiphasigen Bereich mit Korrelationen vom Hersteller sowie aus der Literatur verglichen. Als Kondensator kam im Experiment ein kommerzieller Plattenwärmeübertrager mit Spannschrauben zum Einsatz. Der Kondensator wurde in 100 Zellen aufgeteilt, und auf Basis der Energiebilanzen auf der Arbeitsfluidseite als auch auf der Kältemittelseite wurden die Wärmeübergangskoeffizien sowie die Druckverluste berechnet. Die Ergebnisse aus den experimentellen Versuchen mit den Arbeitsfluiden R356mfc und R245fa und deren Gemische bei 20/80, 50/50 und 80/20 Prozent in Massenanteil wurden wieder mit den Ergebnissen des Simulationsmodells verglichen. Hierbei sind die Korrelationen für die einphasigen und zweiphasigen Bereiche aus der Literatur angepasst worden. Trotz einiger Defizite insbesondere des untersuchten Expanders konnte die Eignung des Gemisches als Arbeitsfluid nachgewiesen werden. Somit besteht die Möglichkeit, durch eine geeignete Kombination von Reinstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften ein Arbeitsfluid zur bestmöglichen Erfüllung des Anforderungsprofils zusammenzustellen.