Dampfkreislauf

Der Wasserdampfkreislauf am Fachgebiet Fluidtechnik der TU Dortmund wird zur Untersuchung und Vermessung von Expansionsmaschinen im Clausius-Rankine-Kreisprozess eingesetzt. Der Versuchsstand besteht im Wesentlichen aus Komponenten zur Dampferzeugung und Kondensation, Abbildung 1, sowie aus einem Prüfstand für die Untersuchung und Vermessung von Expansionsmaschinen, Abbildung 2. Das Arbeitsprinzip entspricht einem einfachen Clausius-Rankine-Prozess. In einem Speisewassermodul wird Wasser chemisch und thermisch aufbereitet und anschließend über eine Speisepumpe in einen gasgefeuerten Dampferzeuger gefördert und dort verdampft. Optional kann der so erzeugte Sattdampf noch in einem elektrischen Strömungserhitzer überhitzt werden. Über eine druckseitige Regelstrecke wird der Dampf zum Expanderprüfstand geleitet und dort in der Expansionsmaschine entspannt. Über einen Bypass um den Expander kann der Massenstrom reguliert werden. Der entspannte Abdampf wird in einem Rohrbündel-Wärmetauscher kondensiert und in einen Sammelbehälter geleitet. Eine Kondensatpumpe fördert das Kondensat schließlich zurück in den Speisewasserbehälter. Die Kondensationsabwärme wird über einen Kühlkreislauf an Tischkühler geleitet und dort an die Umgebung abgegeben. Der Expanderprüfstand ist zur Untersuchung der Expansionsmaschine in definierten Betriebspunkten mit umfassender Mess- und Regelungstechnik ausgestattet. Die Steuerung und Überwachung der Anlage, Messwerterfassung sowie -verarbeitung erfolgt an einem ausgelagerten Bedienstand.

Dampferzeugung
Die thermische Leistung der Anlage beträgt etwa 330 kW (300 kW Feuerungsleistung, 30 kW elektrische Überhitzung). Es kann Sattdampf oder überhitzter Dampf im Druckbereich bis ca. 10 bar erzeugt werden, wobei die maximale Überhitzung am Expandereintritt ca. 50 K beträgt. Der maximale erzeugbare Dampfmassenstrom am Expanderprüfstand beträgt ca. 0,1 kg/s.

Messtechnik
Der Dampfkreislauf ist mit mehreren Messstellen versehen, an denen Druck und Temperatur des Arbeitsfluides ermittelt werden. Die Temperaturerfassung erfolgt mit Hilfe von Mantelthermoelementen, Drücke werden mittels piezoresistiver Relativdruckaufnehmer gemessen. Der Heißdampfmassenstrom wird unmittelbar vor dem Eintritt in den Expander mit einem Coriolis-Massenstromsensor bestimmt. Zusätzlich ist ein Magnetisch-Induktiver-Durchflusssensor zur Messung des kondensierten Dampfstroms vorhanden. Das gewandelte Drehmoment der Expansionsmaschine sowie die Drehzahl werden mit einem Drehmomentsensor erfasst. Alle Messdaten werden in einem zentralen Messsystem erfasst, verarbeitet und gespeichert.

Regelungstechnik
Zur Einstellung konstanter Anlagen- und Expanderbetriebspunkte sind diverse Regelungseinrichtungen vorhanden. Durch fernbetätigte Motorventile im Hochdruckteil der Anlage und im Expanderbypass sowie durch eine Kesselsteuerung lassen sich konstante Drücke im Einlass der Expansionsmaschine einstellen. Eine konstante Eintrittstemperatur wird im Fall einer Überhitzung über eine Regelung des elektrischen Strömungserhitzers realisiert. Die Drehzahl der Expansionsmaschine wird mit einer geregelten Wirbelstrombremse konstant gehalten.