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ORC-Expandertechnologien

Bei ORC-Systemen kommen verschiedene Expander-Technologien zum Einsatz. Für Leistungen über 200 kWel  werden meistens Radial- oder Axialturbinen eingesetzt, wie das bei herkömmlichen Wasserdampfprozessen auch der Fall ist.

Für kleinere Leistungen wird der Einsatz von Turbinen zunehmend problematisch. Grund: Um die Turbine bei guten Wirkungsgraden betreiben zu können, muss eine bestimmte Drehzahl eingehalten werden. Diese Drehzahl nimmt mit kleineren Turbinendurchmessern und damit kleineren Leistungen stark zu, mit entsprechend höheren mechanischen Verlusten.

Die Rotationsenergie der Turbine wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt. Dabei stellt die hohe Drehzahl der Turbine ein Problem dar. Um dies zu beheben, kann die Turbinendrehzahl durch ein Getriebe auf die vom Generator akzeptierte Drehzahl transformiert werden. Alternativ kommen Hochgeschwindigkeitsgeneratoren zum Einsatz. Beide Varianten sind sehr kostenintensiv.

Schwerpunkt

Volumetrisch arbeitende Expander drehen viel langsamer und sind daher für Anwendungen bei kleineren Leistungen interessant. Ausserdem ist bei diesen Maschinen der Wirkungsgradabfall im Teillastbereich geringer als bei normalen Turbinen. Dies ist insbesondere bei Anwendungen mit stark schwankendem Abwärmeangebot wichtig.
Folgende volumetrisch arbeitende Expander werden bereits für ORC-Anwendungen eingesetzt:

  • Schrauben-Expander
  • Scroll-Expander
  • Dampfmotor (Kolbenmotor)
  • Expander basierend auf dem Wankelmotor.

Scroll-Expander

Der Scroll-Expander besteht aus zwei spiralförmigen Schalen. Die eine ist fest mit dem Gehäuse verbunden und bewegt sich nicht. Die andere Schale (der Rotor) ist über einen Exzenter mit der Antriebswelle verbunden.

Durch die exzentrische Bewegung des Rotors vergrössern sich die Volumina der Kammern und führen so zu einer Expansion des Arbeitsfluids unter Abgabe von Antriebsarbeit.

Illustration Scroll-Expander

Animation eines fiktiven Scroll-Expanders

Für einen fiktiven Scroll-Expander wurde die Strömung instationär berechnet und in der Animation 1 visualisiert. Die Animation zeigt oben die instationäre Druckverteilung und unten die Geschwindigkeitsverteilung.

Wankel-Expander

Bei Mazda-Fahrzeugen wird der Wankelmotor seit langem erfolgreich eingesetzt.

Es bestehen jedoch Nachteile bezüglich Schadstoffemissionen, die durch die für die Verbrennung ungünstige Brennkammergeometrie verursacht werden.

Diese Probleme bestehen nicht, wenn das Wankelprinzip auf reine Expandermaschinen angewendet wird.

Illustration des Wankel-Expanders

Animation eines Wankel-Expanders

Für einen Modell-Wankel-Expander wurden ebenfalls Strömungssimulationen durchgeführt und in der Animation 2 dargestellt.