Direct Generation of Compressed Air from Waste Heat by Reciprocating Thermocompressors

Druckluft ist ein weit verbreiteter, jedoch kostenintensiver und ineffizienter industrieller Energieträger. Gleichzeitig entstehen in industriellen Prozessen erhebliche Mengen ungenutzter Abwärme. Diese Arbeit stellt ein neuartiges Konzept vor, mit dem Abwärme durch oszillierende Thermokompressoren mit geringen Investitions- und nahezu keinen Betriebskosten direkt zur Drucklufterzeugung genutzt werden kann. Das System basiert auf identischen, kaskadierten Stufen mit übersteuerten Freikolben, deren Frequenzen sich selbsttätig anpassen und so einen optimalen Betrieb ermöglichen. Die Realisierbarkeit wird durch analytische Modelle, numerische Simulationen und Experimente belegt. Die analytische Untersuchung zeigt, dass Verdrängermasse und Hub ausreichend groß sein müssen, um ein nahezu konstantes Bewegungsprofil bei akzeptabler Frequenz zu erreichen. Da die verfügbare Antriebsleistung begrenzt ist, besitzt die Minimierung von Strömungsdruckverlusten höchste konstruktive Priorität. Eine Stabilitätsanalyse auf Basis der isothermen Theorie liefert ein kritisches Mindestdruckverhältnis für den stationären Betrieb einer Stufe, was durch Simulationen einer dreistufigen Kaskade bestätigt wird. Zudem zeigen die Simulationen vorteilhafte Eigenschaften bei diskontinuierlichem Druckluftbedarf, da ein automatischer Neustart nach Druckabsenkung erfolgt. Experimente mit einem einstufigen Prototyp bestätigen einen stabilen, selbstregelnden Betrieb über einen breiten Bereich von Druckverhältnissen und Eingangsdrücken. Interne Leckströme begrenzen das erreichbare Druckverhältnis, und verhindern den erwarteten Stillstand. Durch ähnlichkeitsbasierte Skalierung und konstruktive Anpassungen konnte die Leistungsdichte für die experimentell realisierte Kaskade deutlich gesteigert werden. Die entwickelten Modelle bilden die Grundlage für die Auslegung einer Serienmaschine.