Simulationsbasierte Dimensionierung von Regeneratoren für eine volatile Hochtemperatur-Abwärmeverstromung

Abstract

In Industrieprozessen, wie dem Schmelzen von Metallen, fällt Abgas mit sehr hoher Temperatur an, das oft nicht energetisch verwertet wird. Eine Möglichkeit, die thermische Energie zu nutzen, ist die Verstromung mittels einer Mikrodampfturbine. Aufgrund der entstehenden fluktuierenden Abwärme bei schwankenden Abgastemperaturen und Massenströmen ist dabei eine Zwischenspeicherung der Energie erforderlich, um eine konstante thermische Leistung am Dampferzeuger bzw. der Dampfturbine zu gewährleisten. Aus verfahrenstechnischen Gründen bietet sich an, die Abwärme in zwei Regeneratoren zu speichern und zu entladen. Eine erste Dimensionierung kann anhand der verfahrenstechnischen Parameter und der Schwankungsbreite des Abwärmestroms durchgeführt werden. Eine realistische Dimensionierung muss jedoch auch das dynamische Verhalten berücksichtigen. Dazu wird ein thermodynamisches Regeneratormodell entwickelt, welches mit einer auf einem endlichen Automaten basierenden ereignsdiskreten Steuerung die Anlage in einem hybriden Simulationsmodell nachbildet. CFD-Simulationen liefern dabei den für den Wärmeübergang entscheidenden und analytisch schwer zu ermittelnden Wärmeübergangskoeffizienten. Bei der Simulation einer gleichmäßigen Aufladung zeigen thermodynamisches Regeneratormodell, CFD-Simulation und das aus der Literatur bekannte Stufenmodell nur geringe Abweichungen. Mit dem entwickelten hybriden Simulationsmodell kann die analytisch erfolgte Dimensionierung der Regeneratoren überprüft und verbessert werden, indem in einer dynamischen Simulation der Gesamtanlage der volatile Abwärmestrom berücksichtigt wird. Damit steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem sich die Regeneratoren und die Anlagensteuerung genauer spezifizieren lassen.