Thermische Energie in elektrische Energie umwandeln...

Christo 82 · Anmeldungsdatum: 09.12.2010 Beiträge: 29

Hi Leute

Kann mir jemand sagen wie gut die Wirkungsgrade von Wärmetauschern sind, die thermische Energie in elektrische Energie umwandeln. Habe gelesen die Wirkungsgerade sind da nicht sehr hoch.

Man kann die thermische Energie von Abwärme natürlich super für die Heizung nutzen, allerdings bringt einem das im Sommer ziemlich wenig. Daher wäre es interessant, zu wissen wie die Wirkungsgrade aussehen und vor allem ab wann lohnt sich das umwandeln von thermischer in elektrische Energie.

Danke für Antworten und einen guten Rutsch ins neue Jahr

o~O · Anmeldungsdatum: 30.11.2010 Beiträge: 184

Oo ??????? Verstehe bitte meine Verwunderung, aber wie willst du eigentlich aus einem Wärmeübertrager der ja wieder Name sagt Wärme überträgt, elektrische Energie gewinnen ?

Du kannst schluss endlich nur wenigen Wegen Strom erzeugen. Entweder mit der Hilfe von Turbinen, Solarmodulen und ein paar Andere. Wärme wirst du nicht so einfach in Elektrische Energie umwanlden können. Was aber maximal geht, wäre das du den Exergetischen Anteil der Wärme umsetzt, da soweit ich weiß Elektrische Energie 100% Exergie ist.

Christo 82 · Anmeldungsdatum: 09.12.2010 Beiträge: 29

Da habe ich mich schlecht ausgedrückt. Ich meine natürlich nicht wie ich mit dem Wärmetauscher Abwärme in elektrische Energie umwandeln kann, sondern der Wärmetauscher tausch die Temperaturen von einem Medium zum Anderen. Mit der umgewandelten Temperatur kann ich ja zum Beispiel durch eine Dampfturbine elektrischen Strom erzeugen…

Das war meine Idee… bzw. meine Frage war was gebe es da noch für Möglichkeiten….

Dampfmassenstrom müsste ich ja dafür ausrechnen.... Brauche ich da nicht den Druck für? Muss ja wissen wieviel kg Dampf ich pro Stunde habe...

o~O · Anmeldungsdatum: 30.11.2010 Beiträge: 184

Oo Das war aber gerade ein grobes Faul.

1.) Es heißt Wärmeübertrager, da man Wärme nur in 1ne Richtung Übertragen kann, und zwar vom Medium Hoher Temperatur zum Medium niedere Temperatur.

2.) Temperatur wird nicht umgewandelt. Sie ist nur ein Maß für die Teilchenbewegung eines Systems. Die Energie eines Systems ist proportional zu seiner Temperatur.

Wenn du mit einer Turbine Strom erzeugen willst, brauchst du also zunächst erstmal Dampf. Dafür logischer Weise den Dampfmassenstrom, es sei den dir reicht das ganze auch spezifisch (massenspezisch). Den Druck brauchst du, da du Wasserdampf nicht mehr als inkompresible betrachten kannst. Für den Wärmeübertrager jedoch ist das nicht zwingend notwendig. Im Inkompresibblen Bereich, muss man nicht zwingend den Druck haben für eine gute Genauigkeit.

Der Rest ist einfach der 1.HS.

Der maximal zu übertragende Wärmestrom ist Q' = m' * (h1- h2) = m` * (h4 - h3)

Wobei h2 die spezifische Enthalpie des Wassers beim Austritt aus dem Rekurperator und h1 die spezische Enthalpie beim Eintritt. m' ist hierbei der Wassermassenstrom, des Heizmediums, und m` der Massenstrom des Kühlmediums. h3 wäre die spezische Enthalpie des eintreten Kühlmediums und h4 logischer Weise des Austretenden.

Nun nehmen wir an, dein Medium mit welchem du die Turbine betreiben willst hat die spez. Enthalpie h4. Nun kommt das ganze in eine Turbine und entspannt ins relative Vakuum. Hierbei hast du nun einen isentropen Wirkungsgrad der Turbine, oder die Parameter welcher dein Dampf hat, nach Austritt aus der Turbine. Die Leistung der Turbine wäre dann:

P_turbine = m` * (h0 - h4) Wobei h0 die spezi. Enthalpie ist deines Austretenden Mediums.

So vielleicht bringt dich das ein bischen Weiter.

Christo 82 · Anmeldungsdatum: 09.12.2010 Beiträge: 29

Entschuldige vielmals... smile

Nun habe ich schon mit Dampfturbinen Anbietern gesprochen.

Selbstverständlich brauche ich einen Wärmetauscher, der die Abwärme auf ein Medium wie Wasser überträgt (besser Silikonmedium - ORC Technologie = höherer Wirkungsgrad). Das Wasser verdampft dann und betreibt die Dampfturbine, die dann Strom erzeugt.

Ich brauche eigentlich nur den Dampfmassenstrom und kann ausrechnen wieviel kw die Dampfturbine pro Stunde an Strom erzeugt. Allerdings ist das Problem, dass ich zwei Abgasströme habe, die aufeinander treffen. Einmal den Abgasstrom bei ca. 450 Grad mit bekanntem Abgasvolumenstrom nach dem Wärmetauscher (der die Verbrennungsluft des Wannenofens vorgewärmt hat) und den Abgasstrom bei 1200 Grad mit bekanntem Abgasvolumenstrom ( der aus dem Verteilerkanal und den Arbeitszellen kommt).

Ich brauche lediglich die Temperatur, welche die Abwärme hat nachdem sie sich vermischt hat. Wie kann ich die denn ermitteln. Alles andere bekomme ich hin.

danke

o~O · Anmeldungsdatum: 30.11.2010 Beiträge: 184

Klingt für mich stark nach idealem Gasgemisch. An sich gilt hierbei 2 Dinge.

1.) 1.HS. der Thermodynamik

2.) Kontinuität

Also Wichtig ist erstens, Die summe der eintretenden Masseströme = Summe der Austretenden Massenströme.

Dann brauchst du nur noch die Summe der eintretenden Energie = Summe austrendene. Wenn wir mal Wärmeverluste vernachlässigen.

Denke das macht schon klar wie es geht oder ?

p.s. Die Temperatur der Austetenden Luftmasser, denke du hast dich da verschrieben bei Abwärme, alleine bringt dir nicht viel, da aufgrund der veränderten Temperatur sich auch die spezifische isobare Wärmekapazität ändert.

Christo 82 · Anmeldungsdatum: 09.12.2010 Beiträge: 29

Die Mischtemperatur habe ich fix errechnet. Verschrieben? cp kann ich doch ermitteln. Ich habe die Bestandteile des Abgases und interpoliere dann cp für die jewilige Temperatur.

Ich kenne nun die Energiemenge im Abgas, die Temperatur. Das Einzige was mir noch fehlt, ist der Druck des Wasserdampfes.

Ich will ja mit einem Wärmeaustauscher wasser erwärmen, welches dann verdampft und eine Dampfturbine antreibt. Ich habe Temperaturen von 750 Grad. Nehmen wir mal an der Wirkungsgrad des Wärmetauschers liegt bei 0,6. Das wären dann 450 Grad. Eigentlich müsste ich ja nur ins Phasendiagramm schauen, da liege ich über dem kritischen Punkt (374Grad- 221 bar). Theoretisch müsste ich da ja einen Druck von über 221 bar haben, was ja ein entscheidender Faktor für die Auslegung der Dampfturbine ist....

o~O · Anmeldungsdatum: 30.11.2010 Beiträge: 184

Verschrieben war bezogen auf Abwärme, da es ja Abluft ist und nicht Wärme die da rauskommt ^^

Nun wird es aber wieder seltsam. Nehmen wir mal an, du kommst mit 750°C heißer Luft rein in den Wärmetauscher. Deine Luft kannst du nun aber nur bis zu einem Gewissen Wert abkühlen. Sagen wir mal 80°C oder so. Dann wäre die Wärme die du maximal übertragen kannst

Q = m_Luft * cp * (750°C - 80°C)

mit diesem Wärmestrom kannst du nun dein Wasser aufheizen. Nun hast du 2 Möglichkeiten.

1) Festgelegter Wassermassenstrom welchen ich zu Möglichst 100% in Dampf umwandel oder

2) Festgelegte Dampfparameter über welche ich mir die Menge Wasser ausrechne die ich auf diesen Wert erwärmen kann.

Wärmetauscher sind für gewöhnlich sehr sehr gut Isoliert. Daher kannst du sagen das nahezu 100% deiner Wärme übertragen werden. Welche Turbine du dir zulegst, ist dann halt eine Frage ob du dir die Dampfparameter nimmst nach deiner Turbine oder du einen bestimmten Wassermassenstom hast den du erwärmst.

Außerdem, gibt man nicht den Dampfmassenstrom an. Man geht davon aus das man Wasser bis zu 100% Dampf (trocken gesättigter Dampf) erwärmt. Dann expandiert man den Dampf tief in das Nassdampf gebiet --> man muss Das auskondesierende Wasser ableiten. Die Meisten Dampfturbinen haben solche Mechanismen. Überhitzten Dampf wirst du denke ich nicht nehmen wollen, sparrt zwar die Sache mit dem Auskondensieren, ist jedoch eine starke Material belastung.

Natürlich kannst du auch statt Wasser dein Silikon nehmen, hab das nur mal für Wasser erklärt.

Im Anhang mal eine kleine Skizze, so sieht das ganze ja im prinzip aus.

Christo 82 · Anmeldungsdatum: 09.12.2010 Beiträge: 29

okok, das habe ich gar nicht berücksichtigt bei der Rechnung, dass die Abluft! (Wir sagen eigentlich schon die ganze Zeit Abwärme dazu Augenzwinkern

... Im Netz habe ich auch gelesen industrielle Abwärmenutzung) ja mit mindestens 135 Grad in den Filter muss. Bei der Rechnung habe ich immer minus 20 Grad genommen. Danke für den Hinweis.

Ok Wärmetauscher sind sehr sehr gut isoliert. Habe einfach mal 0,9 Wirkungsgrad genommen. Komme dann auf ca. 110 kwh elektrische Energie, die aus der thermischen Energie mittels Turbine heraus geholt werden kann (Wirkungsgrad einer ORC Anlage laut Hersteller so um die 15-18% möglich - Bei Dampfturbinen nur 10%).

Also würde eine 110kw ORC Anlage ausreichend sein.

Das is auf das Jahr gerechnet ne ganze Menge an Stromkosten die eingespart werden können.

o~O · Anmeldungsdatum: 30.11.2010 Beiträge: 184

Das mit den 10% kommt mir ehrlich gesagt ein bischen spanisch vor. Worauf soll sich das den beziehen? Betrachtet man den Kreisprozess Wirkungsgrad, wird der sicherlicher deutlich höher liegen als 10% ^^. Die Frage ist ja, wie weit du den Dampf expandieren lassen kannst. Man darf eine gewisse Näße des Dampfes ja nicht überschreiten, da du dir sonst die Schaufelblätter in deiner Turbine zerstörst. *sieht nicht schön aus sowas*

Aber sonst scheint ja alles klar zu sein.

Christo 82 · Anmeldungsdatum: 09.12.2010 Beiträge: 29

Also ich meinte mit Wirkungsgrad die elektrische Energie die ich mit Hilfe der Dampfturbine/ORC Anlage aus der thermischen Energie erzeugen kann

Habe ich 10 kwh thermische Energie bekomme ich daraus dann zum Beispiel 1,4 kwh elektrische Energie

So haben mir das Hersteller bez. Ingenieurbüros gesagt, die solche Anlagen aufbauen und installieren. Denke mal das wird schon richtig sein. monetär betrachtet sind diese 10-18% auch ne Menge aufs Jahr gerechnet

o~O · Anmeldungsdatum: 30.11.2010 Beiträge: 184

Yo das stimmt schon. Dachte damit war der isentropen Wirkungsgrad gemeint. Da wäre das aber verdammt schlecht gewesen Big Laugh

Christo 82 · Anmeldungsdatum: 09.12.2010 Beiträge: 29

So ein Unternehmen hat das mal nachgerechnet und die kommen auf ganz andere Ergebnisse als ich.

Unternehmen:

Abgasvolumenstrom: 1.680 m³/h
Normvolumenstrom: 615 Nm³/h
Temperatur Eintritt: 750 °C
Temperaturaustritt: 195 °C
Wärmeleistung: 133 kW
Elektrische Leistung: 27 kW

Meine Ergebnisse:

Habe mit 750 Grad Eintritt und 140 Grad Austritt gerechnet. Ich kenne die Masse des Abgases und habe das dann mit dem ermittelten Cp des Abgases errechnet. Ich komme allerdings auf eine Wärmeleistung von 580 kwh und würde dann auf so ca. 80 kwh elektrische Leistung kommen.

Warum rechnen die überhaupt mit dem Normvolumenstrom?

Eine Idee wo der Fehler liegen könnte?

o~O · Anmeldungsdatum: 30.11.2010 Beiträge: 184

Wofür der Normvolumenstrom gut ist, kann ich dir so einfach auch nicht sagen. Weiß nur das man für ideale Gasgemische versucht mit Normbedingungen zu rechnen.

Naja der erste Fehler wird sein das du mit 140°C austritt gerechnet hast. Das sind immerhin 55°C weniger als in deren Rechnung. Das macht schonmal eine Menge aus.

Das problem ist immer, man weiß nicht mit welchen Stoffwerten die Rechnen bzw. Welche Formeln die in ihren Rechnungen nehmen. Aber 580kW erscheint mir dann doch fast ein bischen groß.

Einer der entscheidensten Faktoren wird denke ich die Dichte sein. Je nach dem was du so in dem Abgas hast, beeinflusst das natürlich extrem die isobare Wärmekapazität und die Dichte. Da beide als Produkt auftauchen in Q = m * cp * (T2 - T1) , kann der Fehler schon stark steigen.

An sich würde ich aber dem Unternehmen trauen, die wissen meistens was sie machen. Big Laugh

Denke wenn du mal anfragst, welche werte für cp und rho die genommen haben, geben die schon Auskunft.

Christo 82 · Anmeldungsdatum: 09.12.2010 Beiträge: 29

Naja der Temperaturunterschied von 55 Grad macht gar nicht so extrem viel aus. Ein kleines bischen schon.

Also ich habe nicht mit den Dichten gerechnet, sondern einfach die Abgasmenge aus dem Genehmigungsverfahren heraus gesucht. Das wurde da ja errechnet und da komme ich dann auf diese Ergebnisse. Frage mich auch, wenn 130kw thermische Energie nur noch bei 750 Grad vorhanden sind. Wo ist die ganze Energie hin ? Die verpufft ja nicht einfach so. Ich habe sehr viel thermische Energie im Abgas bei 1200 Grad. Ein Teil wird mit dem Vorwärme Wärmetauscher genutzt und liegt dann bei 450 Grad. Der andere Teil (1200) Grad mischt sich dann mit den 450 Grad und ich komme auf eine mittlere Temperatur von 750 Grad.

1300 kwh thermische Energie habe ich am Anfang bei 1200 Grad. Da kann trotz Vorwärmung nicht nur noch 130 kwh übrig sein....

Das Unternehmen hat übrigens mit einem Programm gerechnet, daher können Sie mir das nicht sagen, dass wäre zu kompliziert die Werte heraus zu suchen smile

Irgendwie endet dieses Thema nie lol

o~O · Anmeldungsdatum: 30.11.2010 Beiträge: 184

So wie im richtigen Leben finden manche Probleme halt kein Ende LOL Hammer

Naja verpuffen tut die nicht lol. Aber sie kann dissipieren, aus dem System entfernt werden usw. Das ist so eine Sache mit diesen Programmen. Da haut man nur Zahlen rein und bekommt was raus. Und keiner weiß mehr wie es geht. Aber Diese Programmen können einfach viel schneller auch komplizierte Dinge rechnen als man selbst von Hand ^^

Christo 82 · Anmeldungsdatum: 09.12.2010 Beiträge: 29

Das stimmt schon... Ein Programm ist da sicherlich verlässlich...

Aber hey aus dem Genehmigungsverfahren habe ich die Abgasmasse bei 1200 Grad entnommen, nachdem Sie aus der Wanne+ VT und Arbeitszellen heraus kommt. ca. 3000 kg/h Massenstrom

Rechne ich bei 1200 Grad mit den VDI Wärmeatlas Dichten, komme ich auf total andere Ergebnisse. Theoretisch müsste ich da auf das gleiche Ergebnis kommen oder nicht...

Ich denke immer ich habs es und dann irgendwann erkenne ich das Gegenteil.... smile

o~O · Anmeldungsdatum: 30.11.2010 Beiträge: 184

3000 kg/h ????? Sagtest du nicht 1680 m³/h ? Das wäre ja eine Dichte von 1,8 kg/m³. Ich weiß ja nicht was bei dir so im Abgas alles drinne ist, aber das erscheint mir für einen Gasstrom nicht wenig.

Christo 82 · Anmeldungsdatum: 09.12.2010 Beiträge: 29

So steht es im Genehmigungsverfahren ca. 3000kg/h bei 1680 m3/h

Das ist direkt nach nachdem es aus den AZ,VT und dem Ofen kommt. Ich habe nie gesagt es sei wenig. Wenn man die Massenbilanz errechnet komme ich auch auf ähnliche Werte nach dem Ofen. Habe auch Beispiele gefunden wie die Massenbilanz errechnet wurde.

Ich meine wenn man es mit den Dichten bei 750 Grad errechnet kommt ein sehr geringer Massenstrom heraus... und da frage ich mich halt wie der Massenstrom so extrem schnell geschmrupmft ist und die Energie geblieben ist....

[email protected] · Gast

Wenn thermisch wärme materie neben einem vakuum ist wird so meines Wissens im Vakuum zu Strahlung und kann mit einer vielleicht bestimmten solarplatte aufgenommen werden die Idee ist denk ich nicht patentiert man könnte in türmen wo solche geräte an frischluft sind die Welt retten