Thermodynamic data of working fluids for energy engineering

Wärme auf mittlerem Temperaturniveau ist durch die Verbrennung von Biomasse oder Biogas, als Abwärme oder aus solarthermischen Anlagen verfügbar. Es ist sinnvoll, diese Wärme zu verstromen und dafür sind Clausius-Rankine Kreisprozesse von größtem Interesse. Es ist bekannt, dass organische Fluide für Mitteltemperaturprozesse besser geeignet sind als Wasser. Solche Prozesse werden Organic Rankine Cycles oder ORC-Prozesse genannt. Die Optimierung der Kreisprozesse erfordert die Kenntnis der thermodynamischen Stoffeigenschaften von möglichen Arbeitsmedien, wie z. B. von Siloxanen und Aromaten. Da die vorliegenden experimentellen Daten für empirische Zustandsgleichungen nicht ausreichen, wurden hier die physikalisch begründeten Gleichungen BACKONE und PC-SAFT verwendet, deren Parameter an wenige experimentelle Daten angepasst werden können. Eine Vorstudie zeigt, dass BACKONE für Aromate und PC-SAFT für Siloxane geeignet ist. Daher wurden BACKONE Parameter für Aromate und PC-SAFT Parameter für Siloxane bestimmt. Vergleiche der damit berechneten Stoffdaten mit den experimentellen Daten zeigen gute Übereinstimmung. Schließlich enthält die Dissertation eine Analyse von Mitteltemperatur-ORC-Prozessen unter Verwendung der BACKONE oder der PC-SAFT Gleichung. Als Stoffe werden Alkane, Aromate und Siloxane betrachtet. Berechnet wurden thermische Wirkungsgrade und Volumenströme. Verwendet man innere Wärmeübertrager, dann steigt der Wirkungsgrad im allgemeinen mit der kritischen Temperatur des Stoffes, gleichzeitig wird aber der Volumenstrom beim Austritt aus der Turbine sehr groß. Weiters wurde auch das Pinch-Point- Problem in die Analyse einbezogen, das mit der Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium verbunden ist. In diesem Fall sind, abhängig vom Temperaturbereich, Alkane, Hexamethyldisiloxan, Octamethyltrisiloxan, Toluol und o-Xylol vielversprechende Arbeitsmedien.Medium temperature heat is available from combustion of biomass and biogas, from waste heat, from thermal solar energy or from other sources. It is desirable to convert this heat into power and for that purpose Clausius-Rankine cycles are most interesting processes. It is known that organic fluids are more suitable than water as working fluids in these medium temperature processes, which hence are called Organic Rankine Cycles or ORC-Processes. The optimization of such cycles requires knowledge of the thermodynamic data of potential working fluids, as e.g. siloxanes and aromates. However, existing experimental data are mostly not sufficient to set up empirical multi-parameter equations of state. Thus, we use physically based BACKONE and PC-SAFT equations of state, which have few physically meaningful parameters gained by fitting to small experimental data sets. A pre-study shows that BACKONE is suitable for aromates and PC-SAFT for siloxanes. Thus, parameters of BACKONE for aromates and parameters of PC-SAFT for siloxanes are determined. Comparison of thermodynamic data derived from these equations show good agreement with all available experimental data. Finally, the thesis concentrates on analysing medium temperature ORC-processes by using either BACKONE or PC-SAFT equation. Substances considered are alkanes, aromates and siloxanes. Quantities calculated first are thermal cycle efficiencies as well as volume flows. Using internal heat exchangers, the cycle efficiency increases in general with the critical temperature of the substance, but at the same time the volume flow at the turbine outlet becomes rather large. Second, the pinch point problem connected with the heat transfer to the working fluid is also considered. In this case, the alkanes, hexamethyldisiloaxne, octamethyltrisiloxane, toluene and o-xylene are the most promising working fluids depending on the temperature rangevon Lai Ngoc AnhAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers1. N. A. LAI, M. Wendland, J. Fischer, Description of linear siloxanes with PC-SAFT equation, Fluid Phase Equilibria, 283 (2009) 22-30; 2. N. A. LAI, M. Wendland, J. Fischer, upward extrapolation of saturated liquid density, Fluid Phase Equilibria, 280 (2009) 30-34Zsfassung in dt. SpracheWien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2009OeBB(VLID)193104