Further development and application of advanced exergy-based methods

Autor: Penkuhn, Mathias
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
DOI: 10.14279/depositonce-17120
Popis: Technical systems for energy conversion and chemical production processes undergo continuous technological changes triggered by evolutionary and revolutionary developments which are related to changing requirements regarding their thermodynamic efficiency, economic performance, and environmental impact. In order to make robust decisions for developing and improving such process systems, a systematic, hierarchically structured conceptual process design approach is used. For this purpose, different iterative and automatic as well as qualitative and quantitative methods are applied. The concept of exergy analysis is attributed to the group of thermodynamic methods, being used iteratively and providing quantitative results for the analysis and evaluation of process systems. It provides tangible information on the location, the magnitude, and the sources of thermodynamic inefficiencies, and can be used to determine meaningful measures for thermodynamic efficiencies. However, conventional exergy-based analyses cannot provide any information on the interaction and possible improvement potential of process system components. For this reason, the framework and methods of advanced exergy-based analysis was developed. In this work, methodological developments and improvements within the advanced exergy-based framework are carried out and subsequently tested on various examples of energy conversion and chemical process systems. The methodological developments for determining the endogenous and exogenous as well as avoidable and unavoidable portions of the exergy destruction of a process system component follow a top-down oriented approach, which itself builds on and advantageously complements well-established systematic, hierarchically structured conceptual process design procedures. The new, thermodynamically sound methodology overcomes the problems and shortcomings of previous approaches thereby simplifying and facilitating the analyses. By having the opportunity to identify the root causes of thermodynamic inefficiencies and their effect on a process system component's efficiency provides the possibility for individual design decisions to be analyzed, evaluated, and discussed holistically. This opens the design space for discussions of changes regarding parameters and structure of the process system. It can further be used on different system aggregation levels thereby allowing the user to set the scope and context of the analysis. Supporting, both, the qualitative understanding and the quantitative analysis, an advanced exergy-based analysis is a promising tool for designing, analyzing, and improving energy conversion and chemical process systems towards higher thermodynamic efficiencies, lower costs, and reduced environmental impact.
Technische Systeme für Energieumwandlungs- und chemische Produktionsprozesse unterliegen stetigen technischen Veränderungen ausgelöst durch evolutionäre und revolutionäre Entwicklungen auf Basis sich verändernder Anforderungen hinsichtlich ihrer thermodynamischen Effizienz, ökonomischen Leistungsfähigkeit und ökologischen Auswirkungen. Um robuste Entscheidungen für die Verbesserung dieser Prozesssysteme zu treffen, wird ein systematischer, hierarchisch strukturierter Ansatz für den konzeptionellen Prozessentwurf genutzt. Hierbei werden verschiedene iterative und automatische wie auch qualitative und quantitative Methoden eingesetzt. Das Konzept der Exergieanalyse wird den thermodynamischen Methoden zugeordnet, die iterativ angewendet werden und quantitative Ergebnisse zur Analyse und Bewertung von Prozesssystemen bereitstellen. Damit können sowohl der Ort, der Umfang und die Ursachen thermodynamischer Ineffizienzen als auch aussagekräftige thermodynamische Wirkungsgrade bestimmt werden. Allerdings kann die konventionelle exergiebasierte Analyse keine Informationen über die Interaktionen und möglichen Verbesserungspotentiale einzelner Komponenten eines Prozesssystems bereitstellen. Dazu wurden der Ansatz und die Methoden der erweiterten exergiebasierten Analyse entwickelt. In dieser Arbeit werden methodische Entwicklungen und Verbesserungen zur erweiterten exergiebasierten Analyse durchgeführt und an verschiedenen Beispielen von Energieumwandlungs- und chemischen Prozesssystemen getestet. Die methodischen Ansätze zur Bestimmung der endogenen und exogenen als auch vermeidbaren und unvermeidbaren Anteile der Exergievernichtung einer Prozesskomponente folgen einem top-down Ansatz, der selbst auf den bewährten, systematischen, hierarchisch gegliederten Verfahren zum konzeptionellen Prozessentwurf aufbaut und diese vorteilhaft ergänzt. Mit den neuen thermodynamisch konsistenten Methoden werden die Probleme und Defizite früherer Ansätze überwunden und die Durchführung der Analysen vereinfacht und beschleunigt. Mit der Möglichkeit, die Ursachen thermodynamischer Ineffizienzen und ihre Auswirkungen auf die Effizienz einer Systemkomponente zu identifizieren, können einzelne Designentscheidungen ganzheitlich analysiert, bewertet und diskutiert werden. Dies öffnet den Suchraum um Änderungen von Parametern und Strukturen des Prozesssystems zu diskutieren. Da der Ansatz auf verschiedene Aggregationsstufen eines Systems angewendet werden kann, hat der Nutzer die Möglichkeit, den Umfang und Kontext der Analyse zu bestimmen. Da hiermit sowohl das qualitative Verständnis als auch die quantitative Analyse unterstützt werden, stellt die erweiterte exergiebasierte Analyse ein vielversprechendes Werkzeug für den Entwurf, die Analyse und Verbesserung von Energieumwandlungs- und chemischen Prozesssystemen mit dem Ziel höherer thermodynamischer Wirkungsgrade, niedrigerer Kosten und geringerer Umweltauswirkungen dar.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: