Kurzfassung

In der vorliegenden Thesis wurde eine Versuchsanlage zur effizienten Nachverstromung
hochexergetischer Prozessabwärme durch Nutzung des Inverse-Brayton-Cycle prozessthermodynamisch
abgebildet. Hierzu wurde eine Versuchsanlage zur thermischen Nachverbrennung
von Industrieabgasen um den Inverse-Brayton-Cycle erweitert und das Potenzial der
Anlage anhand unterschiedlicher Betriebspunkte durch Variation der Brennkammertemperatur
und Verdichterleistung untersucht sowie ausgewertet.

Im Zuge der Energiewende verpflichtete sich Deutschland unter anderem dazu, den Primärenergieverbrauch
bis zum Jahr 2050 um bis zu 50% zu verringern. Neben einem Wechsel
der Energiebereitstellungssysteme bietet die Effizienzsteigerung der vorhandenen Systeme
großes Potenzial. Nach einer Analyse des Endenergieverbrauchs stellt der Sektor der
verarbeitenden Industrie den zweitgrößten Verbraucher dar. Bei jedem industriellen Verbrennungsprozess,
wie auch bei thermischen Nachverbrennungsanlagen, entsteht Abwärme,
die meist ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Ein Bedarf an Prozesswärme liegt
jedoch nur in seltenen Fällen örtlich sowie zeitlich passend vor, weshalb die Technologien
der Nachverstromung von Abwärme an Bedeutung gewinnen. Neben den klassischen
Technologien, wie dem Dampfkraftprozess oder Organic-Rankine-Cycle, stellt sich der
Inverse-Brayton-Cycle als eine wenig betrachtete Variante heraus. Dieser hat den Vorteil,
dass er sich sowohl an bestehende Anlagen mit geringem Installationsaufwand nachrüsten
lässt als auch einen hohen Wirkungsgrad verspricht. Im Laufe eines Forschungsprojektes
konnte eine Versuchsanlage zur Nachverstromung hochexergetischer Prozessabwärme aus
thermischen Nachverbrennungsanlagen in Verbindung mit dem Inverse-Brayton-Cycle
errichtet werden. Durch unterschiedliche Versuchsreihen soll das Betriebsverhalten der
Anlage analysiert sowie thermodynamischen Beziehungen aufgestellt werden, die zur
Erstellung einer prozessthermodynamischen Abbildung der Versuchsanlage durch ein
im Rahmen der Thesis konzipiertes Berechnungsprogramm dienen. Im Anschluss daran
erfolgen weitere Versuchsreihen an der Anlage mithilfe derer die prozessthermodynamische
Abbildung validiert wird.

Im Ergebnisteil werden die vorherrschenden Drücke mithilfe des Berechnungsprogramms
im Bereich der Messtoleranzen dargestellt.

In gleichem Maße können die Temperaturen
abgebildet werden, allerdings entstehen teils geringe Abweichungen durch zu hoch berechnete
Wärmeverluste im Programm. Ebenso weisen die Betriebscharakteristiken der
Wärmeübertrager sowie die thermischen Leistungen der Anlagenkomponenten geringste
Toleranzen auf. Im Gegensatz dazu gilt es die aufgetretenen Abweichungen der isentropen
Wirkungsgrade der Strömungsmaschinen zur Optimierung des Programms zu minimieren,
da diese große Auswirkungen auf die Abweichungen der elektrischen Leistungen ausüben.
Die größte Abweichung tritt dabei beim isentropen Verdichterwirkungsgrad, trotz Hinterlegung
des Kennfeldes, und demnach bei der elektrischen Verdichterleistung auf. Insgesamt
ermöglicht das Berechnungsprogramm unterschiedliche Betriebspunkte der Versuchsanlage
mit geringen Abweichungen darstellen zu können und stellt sich somit als hilfreiches
Werkzeug heraus, um das Verhalten der Anlage wiederzugeben, auch ohne vorherige
Messungen an der Versuchsanlage durchführen zu müssen.