Versuch HP 300. Modul II: KWK Wirkungsgradmessung BHKW Teststände. Dipl. Ing. (FH) Peter Pioch

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1 Modul II: KWK Wirkungsgradmessung BHKW Teststände Dipl. Ing. (FH) Peter Pioch Weiterbildungszentrum für innovative Energietechnologien der Handwerkskammer Ulm (WBZU) ersuch HP 300 Quelle: WBZU

2 Energieumwandlung Energie wird in Exergie und Anergie umgewandelt. Quelle: WBZU 3 Auswertung der ersuche 4

3 Auswertung der ersuche Wirkungsgrad Bei einem H erbrauch von,5 l / min produziert die Brennstoffzelle 6 Watt elektrische Leistung, der Wirkungsgrad berechnet sich aus: Nutzenergie = Wirkungsgrad eingeführte Energie 6 Watt - = 0,48 = 48 % 450 Watt 5 Auswertung der ersuche Quelle: WBZU 6 3

4 Auswertung der ersuche Quelle: WBZU 7 Zum erhalten im Labor Im Labor darf nicht geraucht werden. Im gesamten WBZU übrigens auch nicht Jedes Labor hat eine eigene Überwachung der Raumluft auf Sauerstoffmangel CO (Kohlenmonoxid) CO (Kohlendioxid) Sollte ein Wert nicht mehr der orgabe entsprechen, gibt es einen Alarm. In diesem Fall müssen alle das Labor verlassen. Dann gibt es eine Überwachung auf Wasserstoff im Labor, sowie einen Feuermelder. Bei Wasserstoffalarm oder Feueralarm (sehr laute Hupen) muss das Gebäude sofort verlassen werden. Im Falle eines Brandes ist das Fenster als Notausgang vorgesehen. 8 4

5 Messungen im Labor 7 Im Labor 7 haben wir BHKW ecopower 4,7 kw el ;,5 kw th SOLO Stirling 9,5 kw el ; 6 kw th (gedrosselt, wegen Leitungsquerschnitt) 9 BHKW Hydraulisches Schema 0 5

6 Energieumwandlung Energie wird in Exergie und Anergie umgewandelt. Wirkungsgrad vom BHKW Eingebrachte Energie: Der Heizwert (H u ) vom verwendeten Erdgas beträgt: 9,339 kwh/m³ bei Normalbedingungen. Der Brennwert 0,343 kwh/m³. Die gemessenen Werte müssten um die Gastemperatur und des aktuellen Luftdruckes korrigiert werden. Das Gas kommt aus Flaschen außerhalb des Gebäudes, wird mit 8 bar in Rohrleitungen zum Labor geleitet und dort auf 50 mbar entspannt. 6

7 Wirkungsgrad vom BHKW Gewonnene elektrische Energie: Der erzeugte Strom wird mittels eines Drehstromzählers gemessen. Da von der erzeugten Energie der Eigenbedarf der Anlage gedeckt wird, wird die Messung den elektrischen Nettowirkungsgrad ergeben. 3 Wirkungsgrad vom BHKW Die vom System abgeführte Wärme muss berechnet werden. Die Wasseruhr zeigt die abgeführte Wassermenge an. Die Temperaturanzeigen die or- und Rücklauftemperatur. Wird Liter Wasser um Kelvin erwärmt, so ist dazu eine Wärmemenge von 483 Ws (J) nötig. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist: c p = 483 J/kg K (bei 35 C) 4 7

8 Wirkungsgrad vom BHKW Die vom System abgeführte Wärme berechnet sich also: Q therm = Wassermenge * Temperaturdifferenz * c p Q therm = l [kg]* T [K] *483 [WS/kg K] 5 Wirkungsgrad vom BHKW Durch Eintragen der Werte in eine Tabelle werden die zu errechnenden Werte von Excel ermittelt. Als Ergebnis erhalten wir die Wirkungsgrade. Wichtig beim ersuch ist es wichtig, dass das BHKW thermisch im Gleichgewicht ist. Es darf sich während der Messung nicht aufheizen oder abkühlen. Ansonsten wirkt das BHKW als Wärmespeicher der gefüllt oder geleert wird. Der thermische Wirkungsgrad ist dann verfälscht. 6 8

9 Messung der eingebrachten Gasmenge Die Gasmenge wird mit einem Balgengaszähler gemessen 7 Gesetz von Gay-Lussac Das Gesetz von Gay-Lussac besagt, dass das olumen idealer Gase bei gleich bleibendem Druck und gleich bleibender Stoffmenge direkt proportional zur Temperatur ist. Ein Gas dehnt sich also bei einer Erwärmung aus und zieht sich bei einer Abkühlung zusammen. Dieser Zusammenhang wurde 787 von Jacques Charles und 80 von Joseph Louis Gay-Lussac erkannt. Für p = const und n = const gilt: Quelle: wikipedia.de 8 9

10 Gesetz von Gay-Lussac T T const T T Die Temperatur ist proportional zum olumen Das erhältnis von olumen zu Temperatur ist konstant Daraus folgt, dass man das neue olumen nach der Temperaturänderung berechnen kann 9 Anwendung auf die Gasmengenberechnung Angewandt auf die Gasuhr im Labor 7 bedeutet dies: Die Gasuhr ist auf eine Temperatur von 5 C justiert. Die angezeigte Gasmenge ist dann richtig, wenn das Gas eine Temperatur von 5 C hat. Das Gas ist jedoch wärmer, da die Gasrohre auf dem Weg ins Labor durch mehrere Heizräume gehen. T T Da das Gas wärmer ist, hat es ein größeres olumen, die Uhr zeigt mehr Gas an, als bei 5 C die Uhr durchströmt hätte. 0 0

11 Anwendung auf die Gasmengenberechnung T T = olumen des Gases bei 5 C (88,5 K) T = absolute Temperatur von 5 C = gemessenes Gasvolumen T = tatsächliche Gastemperatur Gesetz von Boyle-Mariotte Das Gesetz von Boyle-Mariotte sagt aus, dass der Druck idealer Gase bei gleichbleibender Temperatur und gleichbleibender Stoffmenge umgekehrt proportional zum olumen ist. Erhöht man den Druck auf ein Gaspaket, zieht sich dieses folglich zusammen. erringert man den Druck, so dehnt es sich aus. Dieses Gesetz wurde kurz hintereinander und unabhängig von zwei Physikern entdeckt, dem Engländer Robert Boyle (66) und dem Franzosen Edme Mariotte (676): Quelle: wikipedia.de Quelle:

12 Gesetz von Boyle-Mariotte Für T = const und n = const gilt: p p const p p 3 Normalbedinungen von Gasen Die so genannten Normalbedingungen (auch STP genannt vom englischen Begriff "Standard Temperature and Pressure") für die Angabe von Eigenschaften von Gasen sind: Temperatur T = 73,5 K 0 C und Druck p = 035 Pa = 035 N/m² = 03,5 hpa = 0,35 kpa = 03,5 mbar 4

13 Anwendung auf die Gasmengenberechnung p p p = Druck des Gases bei Umgebungsbedingungen = olumen des Gases bei Umgebungsbedingungen p = Druck des Gases bei Standardbedingungen = olumen des Gases bei Standardbedingungen p p 5 Anwendung auf die Gasmengenberechnung Aufgrund der eingegebenen Gastemperatur wird die Gasmenge neu berechnet. Bei Temperaturen oberhalb von 5 C wird die korrigierte Gasmenge kleiner sein. Das bedeutet, dass in Wirklichkeit weniger Gas in den Motor strömt als von der Gasuhr angegeben. 6 3

14 Anwendung auf die Gasmengenberechnung Der Unterschied durch die Korrektur ist erheblich. Eine Messung ohne Korrektur ergab einen: elektrischen Wirkungsgrad von,5 % thermischen Wirkungsgrad von 6,5 % mit Korrektur ergaben sich: elektrischen Wirkungsgrad von 3,7 % thermischen Wirkungsgrad von 67,46 % 7 ielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Haben Sie Fragen? 8 4