[Back]

D. Winter:
"Kraft-Wärme-Kopplung mittels kesselloser Kolbendampfmaschine";
Supervisor: K. Ponweiser; Institut für Energietechnik und Thermodynamik, 2017.

This work investigates the technical concept of a machine that could combine the
requirements of decentralised thermal power generation and emission reduced power
production and by that contributing to achieve the goals of energy transition towards
renewable energy. In this master thesis, special attention will be paid to the fundamental
thermodynamic calculation of the first design phase.
Two specifics of the designed machine are from special interest:
1. Conception of the boiler without the use of a steam drum
2. Usage of a steam piston engine instead of a steam turbine
The first facilitates a more economic commissioning and maintenance, since it is
expectable that the operation of a steam drum is bound to more complex safety
regulations than a single pressurised boiler pipe.
The second allows the application of this machine at lower powers because the efficient
service of steam turbines is only given at powers of a couple of megawatts.
In sequence, the design of the boiler, the piston engine, the condenser, and the
feedwater pump will be surveyed with subsequent quantitation of the energy conversion
efficiency. Focus is put on the design of the boiler, particularly the combustion calculation
and the modelling of the heat radiation chamber.
The whole facility is based on the principle of combined heat and power generation
(CHP), in which the occurring heat of the electrical power generation is used for heating
purposes. By doing this, an increased utilisation of the primary energy is possible
compared to a split between centralised power stations and decentralised heating
facilities.
All calculations are carried out with the use of the software MATHCAD® 15 and are
based on the literature given in chapter 5.3.

Die vorliegende Arbeit untersucht das technische Konzept einer Maschine, die es
ermöglichen kann, die Anforderungen der dezentralen thermischen Energieerzeugung
und der Emissionsreduktion der Energieproduktion zu kombinieren und so einen Beitrag
zur Energiewende zu leisten. Besonderer Augenmerk wird in dieser Diplomarbeit auf die
zugrundeliegende thermodynamische Auslegung für die erste Designphase gelegt.
Zwei Besonderheiten prägen dabei die entworfene Maschine:
1. Ausführung des Dampferzeugers ohne einer Dampftrommel
2. Verwendung einer Dampfkolbenmaschine anstelle einer -turbine
Der erste Punkt ermöglicht eine ökonomischere Inbetriebnahme und Wartung, da zu
erwarten ist, dass die Errichtung eines Kessels mit Trommel mit komplexeren
Sicherheitsnachweisen behaftet ist als es bei einem unter Druck stehenden
Verdampferrohr der Fall ist.
Der zweite Punkt ermöglicht eine Applikation der Maschine bei geringeren Leistungen,
weil ein effizienter Betrieb von Turbinen erst bei Leistungen von mehreren Megawatt
möglich ist.
Es werden der Reihe nach der Dampferzeuger, die Kolbenmaschine, der Kondensator
und die Speisewasserpumpe untersucht mit einer anschließenden Quantifizierung der
differenten Wirkungsgrade. Die größte Aufmerksamkeit liegt dabei auf der Auslegung
des Dampferzeugers, insbesondere der Verbrennungsrechnung und der Modellierung
des Strahlraums.
Die gesamte Anlage basiert auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (siehe Kapitel
2.2), bei der die Erzeugung von elektrischer Energie mit der Nutzung der entstehenden
Abwärme gekoppelt ist. Diese Abwärme wird dabei als Raum- oder Prozesswärme
genutzt. Dadurch ist eine höhere Ausnutzung der Primärenergie möglich als bei der
Aufteilung zwischen zentralen Stromkraftwerken und dezentralen Heizanlagen.
Sämtliche Berechnungen wurden mit Hilfe der Software MATHCAD® 15 durchgeführt
und basieren auf der Literatur, welche in Kapitel 5.3 angegeben ist.

Kraft-Wärme-Kopplung, Energieerzeugung, Emissionsreduktion, Kolbenmaschine, Kondensator, Speisewasserpumpe