Methodik zum integrierten Entwurf von Fluiden und Prozessen mit PC-SAFT

Ansprechpartner

Tillmanns, Dominik © Urheberrecht: Lehrstuhl fuer Technische Thermodynamik der RWTH Aachen

Name

Dominik Tillmanns

Energiesystemtechnik

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+49 241 80 95376

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Hintergrund

Molekül Urheberrecht: LTT

Das Zusammenspiel von Fluiden und Prozessen ist das Kerncharakteristikum zahlreicher Prozesse in der Energie- und Verfahrenstechnik. In der Energietechnik hängt die Effizienz von wichtigen Prozessen, wie Kältemaschinen, Wärmepumpen und ORC-Prozessen, vom Einsatz des Arbeitsmittels im Kreisprozess ab, in verfahrenstechnischen Prozessen vom eingesetzten Lösungsmittel.

Heute erfolgt die Entwicklung solcher Prozesse in der Regel in zwei Schritten: Zunächst werden geeignete Fluide vorausgewählt und anschließend die zugehörigen Prozesse analysiert. Die Trennung von Arbeitsmittelauswahl und Prozessoptimierung birgt die Gefahr, dass die Vorauswahl optimale Fluide bereits ausschließt und die thermodynamisch und ökonomisch optimale Effizienz des Gesamtprozesses nicht sichergestellt werden kann.

In diesem Projekt wird daher in Kooperation mit dem Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik (ITT) der Universität Stuttgart eine modellgestützte, allgemein einsetzbare Methodik zum integrierten Entwurf von Fluid und Prozess entwickelt, die eine Vorauswahl von Fluiden unnötig macht.

 

Ziele

ORC Urheberrecht: LTT

Ziel dieses Projektes ist die gleichzeitige Optimierung von Prozessen und der darin eingesetzten Fluide. Dabei liegt der Fokus des LTTs auf Organic Rankine Cycles (ORCs), die eine Verstromung von Niedertemperaturwärme ermöglichen.

  Molekular Design Urheberrecht: LTT

Zu diesem Zweck soll die am Lehrstuhl mitentwickelte Continuous-Molecular Targeting - Computer-Aided Molecular Design (CoMT-CAMD) Methodik weiterentwickelt werden, die gegenüber bisherigen Design-Ansätzen einen gänzlich eigenen und neuen Ansatz darstellt. Durch die Kopplung eines detaillierten Prozessmodells mit einem thermodynamisch konsistenten Fluidmodells, der PC-SAFT Zustandsgleichung, lässt sich durch Optimierung einer prozess-basierten Zielfunktion ein optimales Arbeitsmittel und die dazugehörigen optimalen Prozessbedingungen identifizieren. Die Arbeitsmittelauswahl kann dabei anhand einer Datenbanksuche oder unter Verwendung von Computer-Aided Molecular Design (CAMD) erfolgen. So können neue, unerforschte Arbeitsmittel mit großem Potential identifiziert werden. Die CoMT-CAMD Methodik ermöglicht es somit eine Niedertemperaturwärmequelle optimal auszunutzen und einen Prozess auf die gegebenen Bedingungen maßzuschneidern.

 

Relevante Publikationen

Schilling, J., Entrup, M., Hopp, M., Gross, J., and Bardow, A. (2021). Towards optimal mixtures of working fluids: Integrated design of processes and mixtures for Organic Rankine Cycles. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 135, 110179.

Schilling, J., Horend C., and Bardow, A. (2020). Integrating superstructure-based design of molecules, processes and flowsheets. AIChE Journal, 66(5), e16903.

Lampe, M., de Servi, C., Schilling, J., Bardow, A., and Colonna, P. (2019). Towards the integrated design of Organic Rankine Cycle power plants: A method for the simultaneous optimization of working fluid, thermodynamic cycle and turbine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 141(11), 111009.

Schilling, J., Eichler, K., Kölsch, B., Pischinger, S., and Bardow, A. (2019). Integrated design of working fluid and organic Rankine cycle utilizing transient exhaust gases of heavy-duty vehicles. Applied Energy, 255, 113207.

Schilling, J., Tillmanns, D., Lampe, M., Hopp, M., Gross, J., and Bardow, A. (2017). From molecules to dollars: Integrating molecular design into thermo-economic process design using consistent thermodynamic modeling. Molecular Systems Design & Engineering, 2(3), 301-320.

Schilling, J., Lampe, M., Gross, J., and Bardow, A. (2017). 1-stage CoMT-CAMD: An approach for integrated design of ORC process and working fluid using PC-SAFT. Chemical Engineering Science, 159, 217-230.

 

Projektdetails

Projektdauer

31.08.2019

Förderer

Dieses Kooperationsprojekt mit dem Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert ( BA2884/4-1 und BA2884/4-2 ).