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Einfluss von Kondensation auf das Betriebsverhalten von Schraubenexpandern

Titel: Einfluss von Kondensation auf das Betriebsverhalten von Schraubenexpandern
Thema: Simulation und experimentelle Untersuchung von Kondensationseffekten in Schraubenexpandern
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Beispielsweise bei der Abwärmenutzung mit Organic-Rankine-Kreisläufen können Prozesse ohne Überhitzung des dampfförmigen Arbeitsfluides energetische Vorteile bieten. Bedingt durch ihre robuste Bauweise sind Schraubenexpander, im Gegensatz zu Turbomaschinen oder Hubkolbenexpandern, für die Entspannung von Nass- oder Sattdämpfen sehr gut geeignet. Flüssigkeiten übernehmen in den Arbeitskammern von Schraubenmaschinen verschiedene Funktionen, wie etwa die Abdichtung von funktionsnotwendigen Spalten oder die Schmierung des Profileingriffs.

Kommt es in den Arbeitskammern von Schraubenexpandern zu Übersättigungszuständen des dampfförmigen Fluides, kann es zur Kondensation und ensprechend zur Entstehung einer flüssigen Phase kommen. Im Rahmen dieses Projektes sollen Kondensationseffekte simulativ abgebildet und die Interaktion zwischen Kondensat und Schraubenmaschine untersucht werden. Entsprechende experimentelle Untersuchungen werden am Dampfkreislauf des Fachgebiet Fluidtechnik durchgeführt.

Simulationsergebnisse für einen idealisierten Schraubenexpander sind in den nachfolgenden Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Die spontane Kondensation (Nebelbildung) während der Expansion von gesättigtem Wasserdampf wird hier mithilfe der klassischen Nukleationstheorie (CNT) abgebildet. Die Berücksichtigung des Kondensationsprozesses in Abweichung zum thermodynamischen Gleichgewicht führt zu einem niedrigeren Kammerdruck zu Beginn der Expansionsphase bevor die spontane Kondensation einsetzt. Der zugehörige Verlauf des Tropfenwachstums der Kondensattropfen ist in Abbildung 2 dargestellt.

condensation_cnt2 condensation_cnt1

Abbildung 1:

Indikatordiagramm für einen idealisierten Expanderprozess mit detailiertem Kondensationsmodel (klassische Nukleationstheorie - CNT) im Vergleich zu Prozessen im thermodynamischen Gleichgewicht sowie einer rein metastabilen Expansion.

Abbildung 2:

Verlauf des Tropfenwachstums sowie größe der entstehenen kritischen Cluster für einen idealiserten Expanderprozess, simuliert mit der klassischen Nukleationstheorie.



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Kontakt

Univ. Prof. Dr.-Ing. Andreas Brümmer
Tel.: 0231 755-5720
Dipl.-Ing. Manuel Grieb
Tel.: 0231 755-5727