Thermophysical properties from experimental speed of sound measurements for working fluids in organic Rankine cycles

Im ersten Abschnitt dieser Arbeit wird der Aufbau eines kaskardierten organic Rankine cycle (CORC) Prozesses vorgestellt. Die zweistufige Kaskade kombiniert zwei organic Rankine cycles (ORC), von denen der zweite Kreislauf über einen Wärmeübertrager durch die Abwärme des ersten Kreislaufs angetrieben wird. Dadurch können thermische Verluste verringert und höhere exergetische Wirkungsgrade erreicht werden, als es bei herkömmlichen einstufigen ORC üblich ist. Der Fokus der Auslegung des Versuchsaufbaus liegt auf der Flexibilität beim Einsatz von potentiellen Arbeitsmedien für einen weiten Temperatur- und Druckbereich. Zudem soll das Design einen unkomplizierten Austausch sowie die technische Adaption verschiedener Komponenten, wie Wärmeübertrager, Pumpen, Kondensatoren und Turbine zulassen. Die Bewertung und Auswahl von potentiellen Arbeitsmedien kann mittels Zustandsgleichungen (EOS) erfolgen, die typischerweise auf der Basis experimenteller thermodynamischer Zustandsgrößen aufgestellt werden. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Auslegung und den Aufbau einer Apparatur zur Messung der Schallgeschwindigkeit in Fluiden, deren Messprinzip auf der Puls-Echo-Methode aufbaut. In diesem Rahmen wird eine neue Routine zur Laufzeitbestimmung vorgestellt, die auf der digitalen Signalaufbereitung und einer verbesserten Pulsmodulation des Anregesignals des Emitters beruht. Zudem werden für verschiedene Fluide Ergebnisse aus Schallgeschwindigkeitsmessungen in einem Temperatur- und Druckbereich von bis zu 500 K und bis zu 120 MPa präsentiert.In the first part of the present work the setup of a cascaded organic Rankine cycle (CORC)process is presented. Two organic Rankine cycles (ORC) are coupled as a cascade to reach a higher exergetic performance than conventional single ORC by reducing thermal dissipation losses. The test-rig was designed to offer a maximum of flexibility, operating the ORC with different working fluids over a wide range of temperature and pressure. Moreover, the test-rig may help to assess the performance and adaptability of individual components such as heat exchangers, pumps, condensers or turbines at low cost and little complexity. To evaluate potential working fluids accurate equations of state (EOS) are required, which are typically based on thermodynamic properties from experiments. The second part of this work discusses an apparatus for the speed of sound measurement based on the pulse-echo method. An advanced routine for determining the propagation time, applying signal enhancement and pulse design, is introduced and speed of sound measurement results for various fluids in a temperature and pressure range up to 500 K and 120 MPa are provided.von Herrn Dipl.-Wirt.-Ing. Frithjof Dubberke ; Betreuer der Dissertation: Prof. Dr.-Ing. habil. Jadran VrabecTag der Verteidigung: 24.11.2017Universität Paderborn, Dissertation, 201