ENGLISH

Wärmeübergangsphänomene sind für energietechnische Prozesse und Maschinen von überragender Bedeutung. Trotz des sehr hohen Entwicklungsstandes der Kraftwerkstechnik und des Turbomaschinenbaus treten immer noch wichtige wärmetechnische Fragen auf.

Unsere Forschungsaktivitäten befassen sich hierbei mit folgenden Projekten aus dem Bereich des Energiemaschinenwesens:

  • Konvektiver Wärmeübergang bei angeströmten rotierenden Scheiben
  • Auslegung und Optimierung von ORC-Turbinen mit Hilfe von Grobstruktursimulationen (LES)
  • Messungen mit CTA-Messsonden

 

Auslegung und Optimierung von ORC-Turbinen

Der Einsatz von Dampfturbinen in Kraftwerken zum Erzeugen elektrischen Stroms ist heute nicht mehr wegzudenken. Die hohe Leistungsdichte, sowie die Zuverlässigkeit dieser Technologie hat zu einer weiten Verbreitung von diesen als Antriebskomponente in der Energiebranche geführt.

Die aktuellen Bestrebungen im Rahmen der Energiewende auf den Einsatz fossiler Brennstoffe zu verzichten stehen dabei nicht im Widerspruch zum Einsatz der Dampfturbinen. Um den wachsenden Bedarf nach elektrischer Energieversorgung zu decken, ist neben der Applikation erneuerbarer Energieträger eine Optimierung der bestehenden Technologien zwingend notwendig.

Ein Ansatz der Modifizierung konservativ verwendeter Dampfturbinen ist der Einsatz organischer Stoffe - im Gegensatz zum sonst verwendeten Wasser - als Arbeitsfluid. Dieses Prinzip wird auch als Organic-Rankine-Cycle (ORC) bezeichnet.

Organische Medien zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine niedrige Verdampfungstemperatur haben und somit Niedertemperaturquellen zur ressourcenschonender, dezentraler Energiegewinnung wirtschaftlich genutzt werden können. Darüber hinaus gelten diese als umweltfreundlich, da sie ein geringes Erderwärmungspotenzial besitzen, nicht giftig und unbrennbar sind.

Da ORC-Prozesse mit niedrigen Temperaturniveaus arbeiten, ergeben sich jedoch niedrige thermische Wirkungsgrade. Ferner stellen das anspruchsvolle Realgasverhalten organischer Stoffe, sowie deren niedrigen Schallgeschwindigkeiten eine Herausforderung hinsichtlich der Berechnung und Auslegung von ORC-Turbinen dar. Die Optimierung der einzelnen Komponenten mit Blick auf hohe Wirkungsgrade und minimale Verluste ist jedoch von großer Bedeutung, um den wirtschaftlichen Einsatz dieser Technologie zu ermöglichen.

Das Labor für Wärme-, Energie-, und Motorentechnik am Campus Steinfurt forscht in diesem Kontext mithilfe des gasdichten, geschlossenen Windkanals CLOWT (Closed Loop Organic vapour Wind Tunnel) an den Stoffeigenschaften und Verlustmechanismen des organischen Arbeitsfluids Novec 649.
schematischer Aufbau und T-s-Diagramm zur Darstellung des Kreisprozesses einer ORC-Anlage
schematische Darstellung des thermodynamischen Kreisprozesses einer ORC-Anlage

Konvektiver Wärmeübergang bei angeströmten rotierenden Scheiben

Messungen zur Wärmeübertragung rotierender Scheiben
Foto einer Bremsanlage in einem Prüfstand

Die Erhöhung der Fahrgeschwindigkeiten und der Verkehrsdichte im Eisenbahnsektor stellt die modernen Scheibenbelag-Bremssysteme vor Herausforderungen, wie z. B. höhere Temperaturen und Spannungen, die zu Rissen und punktueller Überhitzung führen können. Die Vorhersage des thermischen Verhaltens von Scheiben ist somit zu einer wichtigen technischen Fragestellung geworden.

Ziel ist die Entwicklung einer praktischen Vorhersagemethode zur thermischen Spannungsverteilung in Bremsscheiben, welche das transiente thermische Verhalten, sowie die axiale Temperaturverteilung berücksichtigt. Dazu wird für diese Studie ein numerisches Modell in Python unter Verwendung der Finite-Differenzen-Methode (FDM) mit zeitabhängigen Randbedingungen und verschiedenen experimentellen Konvektionskorrelationen entwickelt.

Um unsere Webseite für Sie optimal zu gestalten und fortlaufend verbessern zu können, verwenden wir Cookies. Weitere Informationen und die Möglichkeit zum Widerruf finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.
Seite drucken