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Main Title: Energieeffizienzsteigerung durch kaskadierte Organic Rankine Cycles und die Bestimmung thermodynamischer Stoffdaten
Translated Title: Increase of energy efficiency through cascaded organic Rankine cycles and the determination of thermodynamic properties
Author(s): Linnemann, Matthias
Advisor(s): Vrabec, Jadran
Referee(s): Vrabec, Jadran
Hassel, Egon
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Has Part: 10.14279/depositonce-9119
10.14279/depositonce-9847
10.14279/depositonce-9905
10.14279/depositonce-9906
Language Code: de
Abstract: Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und der Versuchsbetrieb einer Organic Rankine Cycle (ORC) Anlage zur Nutzung von Abwärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus beschrieben. Als Wärmequelle dient das Abgas und die Motorwärme eines mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerks. Es wird eine Kreislaufarchitektur mit einem Hochtemperatur (HT) und einem Niedertemperatur (LT) ORC in kaskadierter Anordnung vorgestellt, die eine effiziente Nutzung beider Wärmeströme ermöglicht. Weiterhin wird das Auswahlverfahren der Arbeitsmedien für beide Arbeitskreisläufe erläutert, bei dem die erreichbaren thermischen Wirkungsgrade aber auch Umwelt- und Sicherheitsrisiken sowie praktische Aspekte bezüglich des Anlagenbaus berücksichtigt werden. Als Resultat wird Toluol als Arbeitsfluid für den HT-ORC und Solkatherm SES36 für den LT-ORC eingesetzt. Der Versuchsaufbau wird mit umfassenden konstruktiven Details präsentiert, wobei ein besonderer Fokus auf dem Direktverdampfer zur Nutzung der Abgaswärme liegt. In den Versuchen wird gezeigt, dass das Prinzip der kaskadierten Arbeitskreisläufe zur Nutzung von Wärmequellen auf verschiedenen Temperaturniveaus effizient einsetzbar ist und dass die angestrebten thermodynamischen Zustände weitgehend erreicht werden können. Auf Grund eines Schadens am Turbogenerator kann die elektrische Auslegungsleistung der ORC Anlage im Rahmen der durchgeführten Versuche allerdings nicht realisiert werden. Die Ursachen für den Schaden und weitere Verbesserungspotentiale werden aufgezeigt. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Bestimmung thermodynamischer Stoffdaten behandelt, welche für die Auslegung und eine effiziente Funktion von Prozessen in der Energie- und Verfahrenstechnik essentiell sind. Das Dampf-Flüssig Phasengleichgewicht der binären Mischungen Stickstoff + Diethylether und Stickstoff + Novec 649 wird durch Experimente bis in den nahekritischen Bereich untersucht. Anhand der experimentellen Werte wird die Peng-Robinson und die PC-SAFT Zustandsgleichung parametrisiert, wodurch Stoffdaten in einem weiten Temperaturbereich berechnet werden können. Weiterhin wird die Löslichkeit von Edelgasen in Wasser, Methanol, Ethanol und Propan-2-ol untersucht, wofür die Henry-Konstante durch Experimente und die molekulare Simulation für 24 binäre Gemische in einem weiten Temperaturbereich ermittelt wird. Für die Simulationen werden unterschiedliche molekulare Modelle verwendet, deren Ergebnisse dann mit den experimentellen Werten und Literaturdaten verglichen und diskutiert werden, sodass geeignete Modelle für jedes System hervorgehen.
The first part of the present thesis describes the design and test of an Organic Rankine Cycle (ORC) plant for the utilization of waste heat at different temperature levels. Heat sources are provided by the exhaust gas and the engine coolant of a combined heat and power plant fueled by biogas. An architecture with a high temperature (HT) and a low temperature (LT) ORC in a cascaded sequence is presented that allows to exploit both heat sources efficiently. Furthermore, the selection of its working fluids is described, where the thermal efficiency but also environmental, safety and practical issues are considered. Thus, toluene and Solkatherm SES36 are employed as working fluids for the HT- and LT-ORC, respectively. The ORC plant is presented with detailed information about its components and a special focus is laid on the direct evaporator that exploits the exhaust gas heat. The test runs show that the cascaded design of two ORC is suitable for the utilization of heat at different temperature levels and that appropriate thermodynamic conditions, which are widely in good agreement with the design, can be reached. However, the expected electrical output of the ORC plant is not realized within the scope of the present work because of a turbo generator damage. The reasons for this damage are determined and further optimization measures outlined. The knowledge of thermodynamic properties is essential for the design and an efficient operation of all applications in the field of energy and process engineering so that the determination of such data is discussed in the second part of this work. The vapor-liquid equilibrium (VLE) for the binary systems nitrogen + diethyl ether and nitrogen + Novec 649 is studied up to the near-critical region by experiments, followed by the parametrization of the Peng-Robinson and the PC-SAFT equations of state so that VLE data can be calculated over the entire range of interest. Furthermore, the solubility of noble gases in water, methanol, ethanol and propan-2-ol is studied by determining the Henry’s law constant by experiment and molecular simulation for 24 binary systems over a wide temperature range. Various molecular models are employed for the simulations and the predicted Henry’s law constant values are compared with the present experimental data and data from the literature to validate suitable models for the respective binary systems.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10952
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9842
Exam Date: 17-Feb-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 20-Apr-2020
DDC Class: 621 Angewandte Physik
Subject(s): Energieeffizienz
Abwärmenutzung
thermodynamische Stoffdaten
Dampf-Flüssig-Phasengleichgewicht
Henry-Konstante
energy efficiency
waste heat recovery
Organic Rankine Cycle
ORC
thermodynamic properties
thermodynamic
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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