Optimierung von supersonischen axialen Impulsturbinen in Rankine-Kreisläufen

Autor*in: Patrick Hadamitzky

ISBN: 978-3-69030-122-0

Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2025

Herausgeber*in der Reihe: Prof. Dr.-Ing. Roland Scharf

Band-Nr.: IKW 02/2025

Umfang: 222 Seiten, 118 Abbildungen

Schlagworte: Organic Rankine Cycle (ORC), supersonische Impulsturbine, Abwärmenutzung, Optimierung

Kurzfassung: Der weltweit steigende Energiebedarf erfordert Effizienzsteigerungen bestehender Technologien. Insbesondere die Rückgewinnung von Exergie aus Abwärmeströmen bietet ein großes Potenzial, wobei der Transportsektor in Zukunft besonders im Fokus stehen muss. Eine vielversprechende Technologie für die Abwärmerückgewinnung im Transportsektor ist der Rankine-Kreisprozess. Bisher haben die hohen Anforderungen an die Auslegung und den Betrieb des Rankine- Kreislaufs den Einsatz in mobilen Anwendungen noch weitestgehend verhindert.

Der Auslegungsprozess unter Berücksichtigung des Teillastbetriebs ist durch die Interaktion zwischen Arbeitsfluid, der Geometrien der Komponenten und den Eigenschaften der Wärmequelle und -senke komplex. Optimierungsverfahren bieten hier eine Lösung. In dieser Arbeit wird eine Methode zur ganzheitlichen Optimierung eines Rankine-Kreislaufs bei Verwendung einer supersonischen axialen Impulsturbine als Expander unter Berücksichtigung des Teillastbetriebs entwickelt. Teil der Arbeit ist dafür die Entwicklung und Validierung von Modellen für den Expander und den Verdampfer, welche die Geometrie berücksichtigen und die Teillastbetrieb abbilden können. Zur Validierung werden Messdaten herangezogen, die im Rahmen dieser Arbeit aufgenommen wurden. Nach der Verknüpfung

der Einzelmodelle für die Komponenten zu einem Gesamtkreislauf wird eine Optimierung dieses Systems für verschiedene Arbeitsfluide durchgeführt. Das Ergebnis zeigt, dass Ethanol unter den gegebenen Randbedingungen als in thermodynamischer Hinsicht bester Kandidat identifiziert werden konnte. Exergetische Wirkungsgrade von 26,7 % und ein Kraftstoffeinsparpotenzial von 3,1 % werden errechnet.