Frankfurt (Main), Univ., Diss., 1967

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Turboexpandern in der Gasleitungsbranche. Nach der Vorstellung der Bauarten werden Schaltschemen nach Stand der Technik erläutert, um nachfolgend auf die Ausnutzung des Kälteeffekts einzugehen. Hier sieht der Autor Potentiale in Hinblick auf Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit im Bereich der Weiterleitung von Erdgas zum Endverbraucher. Das kombinierte Schema, bei dem die Erdgas-Entspannungsanlage zusätzlich zur Reduktionseinheit parallel angeschlossen wird, ist in solchen Fällen sinnvoll. Das Erhitzen des Gases erfolgt hier über die Wärmepumpe vor der Entspannungsturbine oder es findet nach der Druckreduktion statt. In diesem Fall findet die Expansion bei den niedrigeren Temperaturen (0–5 °С) statt, indem die Temperatur am Auslass der GVS durch Wärmeentnahme im Kälteblock bis zu einem zulässigen Wert erhöht wird. Die Menge der produzierten Energie vermindert sich infolge der Temperatursenkung vor der Expansionsturbine, doch besteht die Möglichkeit, dabei Kälte zu produzieren und diese danach anzuwenden. Die Berechnungsergebnisse der thermodynamischen Eigenschaften sind dargestellt. Der Wärmeenergieverbrauch für die Erwärmung des Gases (Leistung der Wärmepumpe) und für die Leistung des Kälteblocks wird in dieser Arbeit erläutert. Des Weiteren werden Aspekte der Wirtschaftlichkeit und der Betriebssicherheit von Turboexpandern beleuchtet.

In this thesis extensions to the formalism of endoreversible thermodynamics for multi-extensity fluxes and chemical reactions are introduced. These extensions make it possible to model a great variety of systems which could not be investigated with standard endoreversible thermodynamics. Multi-extensity fluxes are important when studying processes with matter fluxes or processes in which volume and entropy are exchanged between subsystems. For including reversible as well as irreversible chemical reaction processes a new type of subsystems is introduced - the so called reactor. It is similar to endoreversible engines, because the fluxes connected to it are balanced. The difference appears in the balance equations for particle numbers, which contain production or destruction terms, and in the possible entropy production in the reactor. Both extensions are then applied to an endoreversible fuel cell model. The chemical reactions in the anode and cathode of the fuel cell are included with the newly introduced subsystem -- the reactor. For the transport of the reactants and products as well as the proton transport through the electrolyte membrane, the multi-extensity fluxes are used. This fuel cell model is then used to calculate power output, efficiency and cell voltage of a fuel cell with irreversibilities in the proton and electron transport. It directly connects the pressure and temperature dependencies of the cell voltage with the dissipation due to membrane resistance. Additionally, beside the listed performance measures it is possible to quantify and localize the entropy production and dissipated heat with only this one model. / In dieser Arbeit erweitere ich den Formalismus der endoreversiblen Thermodynamik, um Flüsse mit mehr als einer extensiven Größe sowie chemische Reaktionsprozesse modellieren zu können. Mit Hilfe dieser Erweiterungen eröffnen sich zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten für endoreversible Modelle. Flüsse mit mehreren extensiven Größen sind für die Betrachtung von Masseströmen ebenso nötig wie für Prozesse, bei denen sowohl Volumen als auch Entropie zwischen zwei Teilsystem ausgetauscht werden. Für sowohl reversibel wie auch irreversibel geführte chemische Reaktionsprozesse wird ein neues Teilsystem - der "Reaktor" - vorgestellt, welches sich ähnlich wie endoreversible Maschinen durch Bilanzgleichungen auszeichnet. Der Unterschied zu den Maschinen besteht in den Produktions- bzw. Vernichtungstermen in den Teilchenzahlbilanzen sowie der möglichen Entropieproduktion innerhalb des Reaktors. Beide Erweiterungen finden dann in einem endoreversiblen Modell einer Brennstoffzelle Anwendung. Dabei werden Flüsse mehrerer gekoppelter Extensitäten für den Zustrom von Wasserstoff und Sauerstoff sowie für den Protonentransport durch die Elektrolytmembran benötigt. Chemische Reaktionen treten in der Anode und Kathode der Brennstoffzelle auf. Diese werden mit dem neu eingeführten Teilsystem, dem Reaktor, eingebunden. Mit Hilfe des Modells werden dann Wirkungsgrad, Zellspannung und Leistung einer Brennstoffzelle unter Berücksichtigung der Partialdrücke der Substanzen, der Temperatur sowie der Dissipation beim Protonentransport berechnet. Dabei zeigt sich, dass experimentelle Daten für die Zellspannung sowohl qualitativ als auch näherungsweise quantitativ durch das Modell abgebildet werden können. Der Vorteil des endoreversiblen Modells liegt dabei in der Möglichkeit, mit nur einem Modell neben den genannten Kenngrößen auch die abgegebene Wärme sowie die Entropieproduktion zu quantifizieren und den einzelnen Teilprozessen zuzuordnen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Turboexpandern in der Gasleitungsbranche. Nach der Vorstellung der Bauarten werden Schaltschemen nach Stand der Technik erläutert, um nachfolgend auf die Ausnutzung des Kälteeffekts einzugehen. Hier sieht der Autor Potentiale in Hinblick auf Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit im Bereich der Weiterleitung von Erdgas zum Endverbraucher. Das kombinierte Schema, bei dem die Erdgas-Entspannungsanlage zusätzlich zur Reduktionseinheit parallel angeschlossen wird, ist in solchen Fällen sinnvoll. Das Erhitzen des Gases erfolgt hier über die Wärmepumpe vor der Entspannungsturbine oder es findet nach der Druckreduktion statt. In diesem Fall findet die Expansion bei den niedrigeren Temperaturen (0–5 °С) statt, indem die Temperatur am Auslass der GVS durch Wärmeentnahme im Kälteblock bis zu einem zulässigen Wert erhöht wird. Die Menge der produzierten Energie vermindert sich infolge der Temperatursenkung vor der Expansionsturbine, doch besteht die Möglichkeit, dabei Kälte zu produzieren und diese danach anzuwenden. Die Berechnungsergebnisse der thermodynamischen Eigenschaften sind dargestellt. Der Wärmeenergieverbrauch für die Erwärmung des Gases (Leistung der Wärmepumpe) und für die Leistung des Kälteblocks wird in dieser Arbeit erläutert. Des Weiteren werden Aspekte der Wirtschaftlichkeit und der Betriebssicherheit von Turboexpandern beleuchtet.

In this thesis extensions to the formalism of endoreversible thermodynamics for multi-extensity fluxes and chemical reactions are introduced. These extensions make it possible to model a great variety of systems which could not be investigated with standard endoreversible thermodynamics. Multi-extensity fluxes are important when studying processes with matter fluxes or processes in which volume and entropy are exchanged between subsystems. For including reversible as well as irreversible chemical reaction processes a new type of subsystems is introduced - the so called reactor. It is similar to endoreversible engines, because the fluxes connected to it are balanced. The difference appears in the balance equations for particle numbers, which contain production or destruction terms, and in the possible entropy production in the reactor. Both extensions are then applied to an endoreversible fuel cell model. The chemical reactions in the anode and cathode of the fuel cell are included with the newly introduced subsystem -- the reactor. For the transport of the reactants and products as well as the proton transport through the electrolyte membrane, the multi-extensity fluxes are used. This fuel cell model is then used to calculate power output, efficiency and cell voltage of a fuel cell with irreversibilities in the proton and electron transport. It directly connects the pressure and temperature dependencies of the cell voltage with the dissipation due to membrane resistance. Additionally, beside the listed performance measures it is possible to quantify and localize the entropy production and dissipated heat with only this one model. / In dieser Arbeit erweitere ich den Formalismus der endoreversiblen Thermodynamik, um Flüsse mit mehr als einer extensiven Größe sowie chemische Reaktionsprozesse modellieren zu können. Mit Hilfe dieser Erweiterungen eröffnen sich zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten für endoreversible Modelle. Flüsse mit mehreren extensiven Größen sind für die Betrachtung von Masseströmen ebenso nötig wie für Prozesse, bei denen sowohl Volumen als auch Entropie zwischen zwei Teilsystem ausgetauscht werden. Für sowohl reversibel wie auch irreversibel geführte chemische Reaktionsprozesse wird ein neues Teilsystem - der "Reaktor" - vorgestellt, welches sich ähnlich wie endoreversible Maschinen durch Bilanzgleichungen auszeichnet. Der Unterschied zu den Maschinen besteht in den Produktions- bzw. Vernichtungstermen in den Teilchenzahlbilanzen sowie der möglichen Entropieproduktion innerhalb des Reaktors. Beide Erweiterungen finden dann in einem endoreversiblen Modell einer Brennstoffzelle Anwendung. Dabei werden Flüsse mehrerer gekoppelter Extensitäten für den Zustrom von Wasserstoff und Sauerstoff sowie für den Protonentransport durch die Elektrolytmembran benötigt. Chemische Reaktionen treten in der Anode und Kathode der Brennstoffzelle auf. Diese werden mit dem neu eingeführten Teilsystem, dem Reaktor, eingebunden. Mit Hilfe des Modells werden dann Wirkungsgrad, Zellspannung und Leistung einer Brennstoffzelle unter Berücksichtigung der Partialdrücke der Substanzen, der Temperatur sowie der Dissipation beim Protonentransport berechnet. Dabei zeigt sich, dass experimentelle Daten für die Zellspannung sowohl qualitativ als auch näherungsweise quantitativ durch das Modell abgebildet werden können. Der Vorteil des endoreversiblen Modells liegt dabei in der Möglichkeit, mit nur einem Modell neben den genannten Kenngrößen auch die abgegebene Wärme sowie die Entropieproduktion zu quantifizieren und den einzelnen Teilprozessen zuzuordnen.