In jüngerer Vergangenheit hat sich das Bewusstsein der Gesellschaft für die ökologischen Folgen unseres Handelns auf unsere Umwelt signifikant verändert. Die unter anderem daraus resultierende Energiewende stellt sowohl die Betreiber als auch die Maschinen zur Erzeugung elektrischer Energie vor völlig neue Herausforderungen. Durch die Einspeisung regenerativ erzeugter Elektroenergie, welche aber nicht immer gleichmäßig zur Verfügung steht, ändern sich die Lastprofile der konventionell zur Stromerzeugung verwendeten Gas und Dampfturbinen erheblich. Die sich stark ändernden Lastanforderungen erzeugen in den Bauteilen der Turbinen teilweise sehr hohe thermische Spannungen, welche durch die schnell vorzunehmenden Temperaturwechsel im lastflexiblen Betrieb hervorgerufen werden. Eine davon besonders betroffene Stelle an den Turbinen sind die Seitenräume im Gehäuse, welche wenig von Dampf durchströmt werden und dadurch ein deutlich anderes thermisches Verhalten zeigen als die Bauteile im Hauptströmungspfad. Mit Hilfe eines Modellversuchsstandes (Totraumversuchstand SiSTeR), welcher im Rahmen einer Diplomarbeit [Spura 2012] ausgelegt und konstruiert wurde, wurden experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung des Wärmeübergangs in solchen Seitenräumen durchgeführt. Die Zielstellung der vorliegenden Arbeit ist die Auslegung und Entwicklung sowie der Aufbau und die Validierung / Kalibrierung der Messtechnik für den Modellversuchsstand. Besonders im Fokus steht dabei die Messtechnik zur Bestimmung des Wärmeübergangs an der Innenseite der Außenwand einer ringförmigen Kavität, welche einen Seitenraum im Gehäuse einer Dampfturbine repräsentiert. Aus den Erfahrungen und der Expertise am Lehrstuhl sowie einer Recherche zu Anwendungsmöglichkeiten verschiedener Messmethoden z.B. in [Kaiser 1981] wurden zwei unterschiedliche und möglichst voneinander unabhängige Methoden ausgewählt und hinsichtlich der Anwendung am Modellversuchsstand entwickelt und erprobt. Die erste ausgewählte Methode, die sogenannte Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode, ist vom Prinzip eine Hilfswand-Methode. Dabei wird ein Wärmestrom z.B. von einer Heizung über eine thermisch isolierende Hilfswand und eine weitere, thermisch gut leitfähige Wand an ein Fluid abgegeben. Zur Bestimmung des Wärmeübergangs wird der Wärmestrom durch die Hilfswand bestimmt und ins Verhältnis zur Wärmeübertragenden Fläche sowie der Temperaturdifferenz zwischen Wand und Fluid gesetzt. Für die technische Umsetzung der Methode ist die Außenwand aus 8 identischen Ringen aufgebaut, welcher jeder für sich die Anwendung der Messmethode gestattet. Die 8 Ringe, thermisch voneinander isoliert, nebeneinander angeordnet und zwischen zwei Flanschen fixiert ergeben die Außenwand für den Totraum. Die zweite ausgewählte Methode ist die sogenannte lokale Übertemperatur-Methode. Auf Basis der Erfahrungen der Arbeitsgruppe wurde das Sensorkonzept der z.B. in [Günther 2011] und [Uffrecht 2012] beschriebenen Sensoren weiterentwickelt und mit einem neuen Isolationsmaterial zur Anwendung gebracht. Die Sensoren basieren auf der Anwendung einer sehr lokal, mit Hilfe eines kleinen NTC-Thermistors, aufgeprägten Übertemperatur. In den 8 Ringen der Außenwand sind jeweils zwei Stück dieser Sensoren mit einem Winkel von 90° zueinander eingebaut. Es ist festzustellen, dass die Ergebnisse der Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode gut mit Daten aus der Literatur übereinstimmen. Die somit ermittelten Nusselt-Zahlen können mit hohem Vertrauen sowohl als quantitative Werte zum Vergleich mit anderen Versuchsaufbauten als auch für vergleichende Untersuchungen am selben Versuchsstand für die Erarbeitung von Abhängigkeiten genutzt werden. Die Messergebnisse der Übertemperatur-Sensoren liefern zunächst Messwerte für lokale Wandschubspannungen in der Rohrströmung. Der Vergleich dieser Messwerte mit Literaturdaten für die Strömung durch hydraulisch glatte Rohre sowie mit den experimentell aus der Differenzdruckmessungen ermittelten Daten zeigt ebenfalls sehr gut Übereinstimmung. Mit Hilfe der Analogiebeziehung zwischen Wandschubspannung und Wärmeübertragung wurden die mit den Übertemperatur-Sensoren ermittelten Schubspannungen in Nusselt-Zahlen umgerechnet. Die über diesen Weg mit Hilfe der Übertemperatur-Sensoren ermittelten Nusselt-Zahlen zeigen teils deutliche Abweichungen zu den Literaturdaten und auch zu den Messwerten der Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode. Als möglich Ursache dafür kann die Anwendung der Analogiebeziehung zwischen Wandschubspannung und Wärmeübertragung benannt werden, für deren Anwendung vermutlich die Grenzen der Gültigkeit der Gleichung mit dem Versuchsaufbau nicht eingehalten werden können. Es bleibt damit als Fazit für die Untersuchungen festzuhalten, dass die Anwendung der beiden Messmethoden prinzipiell möglich ist. Allerdings geht aus der Zielgröße der Untersuchung und aus den technischen Gegebenheiten eine Vorzugsanwendung entweder der Wärmestrom-Temperaturdifferenz- oder der lokalen Übertemperatur-Methode hervor. So ist für stationäre Anwendungen mit geringen Restriktionen bezüglich des Einbauraumes sowie der Energieversorgung und für die Zielgröße Wärmeübergangskoeffizient die Auswertung nach der Wärmestrom-Temperaturdifferenz-Methode zu bevorzugen. Sollen demgegenüber Untersuchungen an beweglichen Aufbauten mit Restriktionen hinsichtlich Energieversorgung, Datenübertragung und/oder Einbauraum durchgeführt werden und ist als Zielgröße die Wandschubspannung gesucht, können die kleinen Übertemperatur-Sensoren angewandt werden.:Inhaltsverzeichnis
Symbolverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Grundlagen zur Beschreibung der Strömung
2.2 Grundlagen zur Beschreibung des Wärmeübergangs
3 Versuchsstände
4 Experimentelle Untersuchungen
5 Interpretation der Messergebnisse
6 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:85457 |
| Date | 12 May 2023 |
| Creators | Eschmann, Gunter |
| Contributors | Odenbach, Stefan, Brillert, Dieter, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/AG Turbo/03ET7021H//Thermisches und mechanisches Verhalten von Turbinengehäusen/COOREFLEX 4.3.6, info:eu-repo/grantAgreement/Bundesministerium für Wirtschaft und Energie/AG Turbo/03ET7092N//Untersuchung von Wärmeübergang in Dampfturbinenkomponenten - Generisch variable Geometrien von Turbinenseitenräumen/ECOFLEX 4.3.4a |
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