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Konzeption, Auslegung und experimentelle Verifikation einer intelligenten Mikroturbine mit adaptiver Schluckfähigkeit

Tobias Popp, Universität Bayreuth

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Tobias Popp

 

Tobias Popp absolvierte von 2011 bis 2015 das Bachelorstudium Erneuerbare Energien an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Amberg-Weiden, welches er mit dem Bachelor of Engineering abschloss. Das darauffolgende Masterstudium Umwelttechnologie (ebenfalls an der OTH Amberg-Weiden) schloss er im Jahr 2017 ab. Während der Masterarbeit an der Universität Bayreuth mit dem Titel „Analyse und Bewertung eines ORC-Minikraftwerkes mit thermischem Energiespeicher für verschiedene Betriebsstrategien“ konnten bereits enge Kontakte zu dem Forschungsteam am Zentrum für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth geknüpft werden. Nach Abschluss des Studiums war Herr Popp von Mai 2017 bis Februar 2019 am Kompetenzzentrum für Kraft-Wärme-Kopplung (KoKWK) der OTH Amberg-Weiden als Projektkoordinator in dem bayerisch-tschechischen Kooperationsprojekt „Grenzüberschreitendes F&I Netzwerk für Energieeffizienz und Kraft-Wärme-(Kälte)-Kopplung“ tätig. Seit März 2019 ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter am KoKWK im BFS-Projekt (AZ 1344-18) „TurboSmart – adaptive Mikroexpansionsturbine für die Energierückgewinnung“.

 

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing. Andreas P. Weiß, OTH Amberg-Weiden

Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann, Universität Bayreuth

 

 

Konzeption, Auslegung und experimentelle Verifikation einer intelligenten Mikroturbine mit adaptiver Schluckfähigkeit

Bei der Energierückgewinnung in der Industrie finden häufig Mikroturbinen Anwendung, welche verschiedene Gase und Dämpfe expandieren. Der wohl am weitesten verbreitete Prozess zur Abwärmeverstromung im niedrigen bis mittleren Temperaturbereich ist der Organic Rankine Cylce (ORC). Fluktuierende Abwärmeströme, wie sie häufig in der energieintensiven Industrie vorkommen, sind beim Einsatz von Mikroturbinen in derartigen Prozessen als problematisch zu sehen. Die derzeitigen Turbinen werden für einen definierten Betriebspunkt ausgelegt und bei Abweichungen vom Design-Betriebspunkt führt die konstante Schluckfähigkeit (einer geometrisch nicht veränderlichen Turbine) zum Einbrechen des oberen Prozessdrucks bei Teillast. Dies führt zur Verschlechterung sowohl des Prozess- als auch des Turbinenwirkungsgrads. Um die Energieausbeute bei fluktuierenden Abwärmeströmen zu erhöhen, soll eine adaptive Turbine konzeptioniert, ausgelegt und deren Eignung für den angestrebten Einsatz experimentell verifiziert werden. Die Schluckfähigkeit der Turbine soll durch eine veränderliche Turbinengeometrie variiert werden können. Eine besondere Herausforderung stellt bei den im Rahmen des Promotionsvorhabens betrachteten hochbelasteten, einstufigen Turbinen die vorhandene Überschallströmung dar. Damit die Zuströmung zum Laufrad der Turbine bei veränderlicher Schluckfähigkeit annähernd konstant gehalten werden kann, muss eine Geometrie entwickelt werden, die bei veränderlichem kritischen Querschnitt der Lavaldüsen deren Flächenverhältnis (und damit die Austrittsgeschwindigkeit) konstant halten kann. Die neu entwickelte, adaptive Turbine soll in der ORC-Versuchsanlage des Zentrums für Energietechnik der Universität Bayreuth bei variablen Abwärmeströmen getestet und die erzielte Energierückgewinnung mit der beim Einsatz einer starren Turbine verglichen werden. Neben turbinenspezifischen Kenndaten wird auch die Gesamtbilanz der ORC-Anlage bei variablen Betriebsparametern erfasst und analysiert.