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Forschungsberichte Nr. 44


Eckhard A. Groll:
Experimentelle und theoretische Untersuchungen von Kompressionskältemaschinen mit Lösungskreislauf

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kompressionskältemaschine mit Lösungskreislauf (KKMLK) im Hinblick auf neue, weitere Arbeitsstoffpaare und auf eine Modifizierung des Kreislaufs untersucht. Diese Untersuchungen erfolgten sowohl theoretisch mit der Hilfe von zwei Simulationsprogrammen, als auch experimentell an zwei Modellversuchsständen. Dabei wurden als mögliche Arbeitsstoffpaare die bislang noch nicht untersuchten Kälte-/ Lösungsmittel-Gemische R23/DEGDME und CO2/Aceton vorgestellt und ein Resorber/ Entgaser-Wärmetausch (REWA-Kreislauf) als Kreislaufmodifizierung eingeführt.

Im theoretischen Teil wurden zur Untersuchung der Anwendungspotentiale und –grenzen des REWA-Kreislaufs und zum Vergleich mit denen einer konventionellen Kompressions­kältemaschine mit einstufigem Lösungskreislauf für beide Kreisläufe Simulationsprogramme entwickelt. Neben den Stoffpaaren R23/DEGDME und CO2/Aceton wurde auch das Stoffpaar Ammoniak/Wasser in beide Kreislaufmodelle integriert. Beide Kreisläufe wurden für die vier Anwendungsfälle Kälteerzeugung, Klimatisierung, Wärmepumpe mit mittlerem Temperatur­hub >= 70 K und Wärmepumpe mit hohem Temperaturhub >= 90 K verglichen. Der Vergleich im Bereich der Wärmepumpenanwendung wurde ausschließlich mit dem Arbeits­stoffpaar Ammoniak/Wasser durchgeführt, da die Drucklage im Resorber bei Einsatz der Stoffpaare R23/DEGDME und CO2/Aceton auf Grund der erforderlichen hohen Tempera­turen den Anlagenmaximaldruck von 25 bar überschreitet.

Die Ergebnisse der Kreislaufberechnungen zeigen, dass die Anwendungspotentiale von R23/DEGDME und CO2/Aceton eindeutig bei tieferen Temperaturen liegen. Mit abnehmenden Resorptionsendtemperaturen können höhere Kältemittelkonzentrationen in den umlaufenden Lösungen und somit höhere Leistungszahlen erreicht werden. So wurden für den Anwendungsfall Kälteerzeugung die besten Ergebnisse mit dem REWA-Kreislauf mit R23/DEGDME berechnet. Für den Anwendungsfall Klimaanlage ergaben sich die besten Ergebnisse mit der konventionellen Kompressionsresorptionskältemaschine mit Ammoniak/Wasser.

Den Rechenergebnissen ist zudem zu entnehmen, dass der Einsatz des REWA-Kreislaufs erst bei Anwendungen mit großem Temperaturhub sinnvoll ist. Die Einsatzgrenze für den Temperaturhub liegt im Bereich der Wärmepumpenanwendung bei 75 K und im Bereich der Kälteanwendungen bei 50 K.

Im experimentellen Teil dieser Arbeit wurden zwei Versuchsanlagen aufgebaut. Zum einen wurde eine Kompressionskältmaschine mit einstufigem Lösungskreislauf als Wasserkühlsatz ausgelegt und mit  den Stoffpaaren R23/DEGDME und CO2/Aceton betrieben. Zum anderen wurde ein REWA-Kreislauf als Wasser/Wasser-Wärmepumpe ausgelegt und mit dem Stoff­paar Ammoniak/Wasser betrieben.

Die Ergebnisse der Messungen an der Kompressionskältemaschine mit Lösungskreislauf zeigten, dass die Kältemittel R23 und CO2 unter Anwendung des jeweiligen Lösungsmittels bei Resorptionstemperaturen, die größer als die kritische Temperatur des reinen Kältemittels sind, eingesetzt werden können, ohne den Anlagenmaximaldruck zu überschreiten. Die für den Einsatz der Gemische R23/DEGDME und CO2/Aceton erforderliche Druckabsenkung, konnte somit nachgewiesen werden. Bei den Messungen stellte sich jedoch heraus, dass die als Resorber und Entgaser eingesetzten Koaxialwärmetauscher den Stoffübergang einschränkten, so dass weder Resorption noch Entgasung am Austritt der Wärmetauscher abgeschlossen waren. Der am Austritt des Resorbers vorhandene nicht resorbierte Kälte­mittel­dampf führte zu einer Resorberdruckerhöhung von bis zu 60%, welches die Kältemittel­einfüllkonzentration bei den Messungen mit dem Stoffpaar R23/DEGDME auf 36% und bei denen mit dem Stoffpaar CO2/Aceton auf 20% beschränkte.

Für den gegebenen Anwendungsfall waren die erreichten Kälteleistungszahlen im Vergleich zu denen einer herkömmlichen R12-Kaltdampfanlage um 28% kleiner. Durch eine Optimierung des Resorbers und Entgasers und einer daraus folgenden Erhöhung der Kälte­mittel­einfüllkonzentrationen sind für diesen Anwendungsfall mit der R12-Anlage vergleich­bare Kälteleistungszahlen erreichbar.

Die Ergebnisse der Messungen mit dem REWA-Kreislauf zeigten, dass der in dieser Arbeit vorgestellte Wärmetausch zwischen Resorptions- und Entgasungsvorgang aufgebaut und eine Reduzierung des Druckverhältnisses von 74%, im Verglich zu dem eines mit reinem Ammoniak betriebenen Kaltdampfprozesses, erreicht werden konnte. So wurde bei einem Druckverhältnis von 3,6 ein Temperaturhub zwischen minimaler Wärmequellen- und maximaler Wärmesenkentemperatur von 80 K gemessen. Die Kälteleistungszahl betrug 0,9. Die gemessene Kälteleistungszahl kann bei Einsatz eines auf seine Anwendung im REWA-Kreislauf hin optimierten Verdichters bis zu 44% gesteigert werden.

Für den gegebenen Temperaturhub ist die gemessene Kälteleistungszahl des REWA-Kreislaufs um 10% kleiner als die Kälteleistungszahl einer mit reinem Ammoniak betriebenen Verdichter-Kältemaschine. Bei Anwendung eines optimierten Verdichters wäre die Kälte­leistungszahl des REWA-Kreislaufs um ca. 30% größer als die des Kreislaufs mit reinem Ammoniak.

Der Vergleich von Rechen- und Messergebnissen zeigte, dass die Zuverlässigkeit des Simulationsprogrammes bei der Berechnung der Leistungszahlen nachgewiesen werden konnte.


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