Einsatz von Thermogeneratoren in wärmetechnischen Anlagen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von thermoelektrischen Generatoren in wärmetechnischen Anlagen, deren Eignung in verschiedenen Szenarien und die grundlegenden Voraussetzungen für einen sinnvollen Einsatz.<br />Hierzu wurden die Grundlagen der Thermoelektrizität recherchiert. Auf dieser Basis erfolgte sodann in Zusammenarbeit mit der AVE Österreich GmbH die Konstruktion eines Versuchswärmetauschers in der Müllverbrennungsanlage Wels. Dieser bestand aus zwei wassergekühlten kalten, sowie einem heißen Wärmetauscher, in dem eine Dampfkondensation stattfand. Um die erzeugte Leistung mit einem optimalen Lastwiderstand abnehmen zu können kam ein Netzwechselrichter aus der Solartechnik zum Einsatz. Die berechnete Leistung dieses Systems ergab sich zu 646,20 W bei einem Wirkungsgrad von 5,56%. Beide Werte wurden dabei maßgeblich von der Kühlwassergeschwindigkeit beeinflusst (bei festgelegter Dampftemperatur). Durch die Dampfentnahme vor der Niederdruckturbine und den Einsatz von Anlagenkühlwasser, welches sich durch den Wärmetauscher leicht erwärmt, verringert der Versuchsstand den Gesamtwirkungsgrad der Anlage, aber unmerkbar. Zusätzlich wurde noch eine Berechnung von verschiedenen Lastzuständen sowie von möglichen Optimierungsvarianten durchgeführt.<br />Bei der Inbetriebnahme des Wärmetauschers erfolgte die Aufnahme von mehreren Messreihen, welche die berechneten Werte bestätigen. Durch ein Problem mit dem Wechselrichter konnte aber bei diesem ersten Versuch nur von der Hälfte der insgesamt 68 Thermoelemente eine Spannung abgenommen werden.<br />Um eine allgemeine Aussage über den sinnvollen Einsatz von thermoelektrischen Generatoren machen zu können, wurden weitere Einsatzorte in der Müllverbrennungsanlage Wels untersucht. Hierbei zeigte sich, dass das Hauptkriterium für Thermogeneratoren die Temperaturdifferenz an den Elementen ist. Prinzipiell sind Abwärmeströme notwendig, um den Anlagenwirkungsgrad nicht zu verringern. Die Stoffströme, die diese Abwärme mit sich führen haben allerdings meistens geringe Wärmeleitfähigkeiten, beim Wärmeübergang vom heißen Medium zu den Thermoelementen sinkt die Temperatur signifikant ab, wodurch der Wärmestrom durch den Generator und damit seine Leistung drastisch reduziert wird.<br />Thermoelektrische Generatoren stellen eine Möglichkeit dar, um Abwärmeströme nutzbar zu machen. Vorraussetzung sind aber Abwärmeströme mit nutzbaren Temperaturdifferenzen.<br />

This paper deals with the operation of thermoelectric generators in thermal power plants, their suitability in different operations, and the basic requirements for a reasonable application.<br />The first step was the reasearch of the thermoelectric backgrounds. With this basics a thermoelectric heat exchanger was constructed in cooperation with the AVE Österreich GmbH which was then installed into the waste incineration plant in Wels. The heat exchanger was made out of two water cooled heat exchangers with one steam condensing heat exchanger between. To operate the system with an optimal load resistance a solar inverter was used. The calculated power was 646,20 W with an efficiency of 5,56%. Both values were significant affected by the flow rate in the cold heat exchangers (when the steam temperatur was fixed).<br />Because the steam was withdrawn prior to the low pressure steam turbine and plant cooling water was used the overall efficiency of the waste incineration plant was decreased, but not noticeable. In addition calculations for different load cases as well as possible improvements to the heat exchanger system were carried out.<br />On the first start up of the heat exchanger multiple series of measurements were recorded. This data approved the calculated values.<br />Out of a problem with the solar inverter only the half of the 68 thermoelectric elements were operated on this first start up.<br />To get a general statement about thermoelectric elements additional locations for the elements in the waste treatment plant were analysed.<br />This calculation showed that the temperature difference on the element is the main criterion for thermoelectric generators. In principle waste heat is needed to avoid the reduction of the plant efficiency.<br />Unfortunatly the waste heat carrying flows have usually a very low heat conductance. Due to this fact the heat transfer from the hot media to the thermoeletric modules is low and the temperature drop is very high.<br />Thermoelectric generators are a reasonable alternative to utilize waste heat. The basic requirement here is the availability of waste heat with useable temperatures.