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Arbeitsstoffpaare
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Arbeitsstoffpaare
ich bin für meine diplomarbeit auf der suche nach arbeitsstoffpaaren für absorptionskälteanlagen.
über ammoniak/wasser und wasser/LiBr hab ich schon einiges.
mich würde interessieren, ob es acuh noch andere gibt die getestet oder praktisch umgesetzt wurden.
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19 May 2005
16:11:54 |
Pia |
Arbeitsstoffpaare ZeolithKälte Arbeitsstoff Ammoniak NH3 Vergleich Chemie Absorption Niebergall Literatur Link Gebäudetechnik Kälte
Guten Tag,
aus meinem Fundus "Stoffpaare", zu Ihrer Verfügung.
Viel Erfolg
(German translation 1987, published in Olynthus Verlag) /2/ Niebergall, W. : Sorptionskältemaschinen, Handbuch der Kältetechnik, Bd. 7, Springer Verlag, 1959. /3/ Bogard, M.: Ammonia Absorption Refrigeration in Industrial Processes, Gulf Publishing Company, Book Division, Housten, Paris, London, Tokyo /4/ Grosman, G.; Bourne, J.R.; Ben-Dror, J.; Kimichi, Y.; Vardi, I.: Design improvements in LiBr absorption chillers for solar applications, Transactions ASME, Journal of Solar Energy Engineering, 103 56-61 (1981) /5/ Podesser, E.: Solare Kühlung, Dissertation an der Technischen Universität Graz, Fakultät für Maschinenbau, Institut für Wärmetechnik (Prof. P. V. Gilli), 1984. /6/ Podesser, E., Enzinger, P., Gossar, H., Monschein, W., Taferner, I.: Proceedings of the XVII International Congress of refrigeration, Vienna 1987. /7/ Podesser, E.: Umweltverträgliche Kälteerzeugung, Joanneum Research, Bericht Nr.: IEF-B-6/94. /8/ Fa. Bitzer: Planungsprogramm für die Auslegung von Kaltwassersätzen, http://www.bitzer.de /9/ European Commission, Solar Air Conditioning in Europe, SACE, NNE5/2001/25, Evaluation Report, Aug. 2003, ( http://www.ocp.tudelft.nl/ev/res/sace.htm /10/ Podesser, E.; Peitler, J; Meißner, E.; Türschweller, S.; Enzinger, P.: Einsatz von Sonnenenergie und Bioenergie zur Kühlung von vergärenden Weintraubensaft und zur Weinlagerraumkühlung, Endbericht Nr.: IEF-B-09/03, Dezember 2003.
51
RESEARCH
JOANNEUM
Auszug aus: http://www.gitaconsult.de/pdf/Nh3Symp.PDF
VERGLEICH
von NH3/H2O-Absorptions-Kälteanlagen
mit Kompressionsanlagen
Einführung
INHALTSVERZEICHNIS
Der nachfolgende Vortrag soll die Eigenschaften von Absorptionskälteanlagen und Kompressionskälteanlagen
gegenüberstellen und anhand von zwei praktischen Beispielen, hier die Langnese-Iglo in Reken und die
Trinkwasseraufbereitungsanlage in Aschaffenburg, die Erkenntnisse aus dem Betrieb einer Absorptions- und
Kompressionskälteanlage gegenüberstellen. Dies auch mit einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Die aus den
betriebenen Anlagen gewonnenen Daten sollen aufzeigen, wie bei der Planung durch hieraus gewonnenen
Erkenntnissen eine Optimierung der Anlagen stattfindet und eine Hilfestellung für die Auswahl der Kälteanlage
(ob Absorptions- oder Kompressionskälte) sein.
Zum Schluss soll darauf eingegangen werden, in wie weit sich die Techniken zwischenzeitlich verbessert haben
bzw. welche Ansätze hierfür gegeben sind.
1. Einführung:
Kälteerzeugung erfolgt heute mit Kompressions-Kälteanlagen, die mittels elektrischer Energie angetrieben
werden. Es können aber auch andere Verfahren, z.B. Absorptionskälteanlagen eingesetzt werden.
Anders als beim Kompressionskälteprozess wird in der Absorptionskälteanlage der Kältemitteldampf nicht
mechanisch, sondern durch eine geeignete Flüssigkeit (Absorptionsmittel, Mehrkomponentengemisch) im
Absorber gelöst (verflüssigt) und in der Flüssigkeitsphase verdichtet. Anschließend wird das Kältemittel dann
durch Zufuhr von Wärme wieder aus der Lösung ausgetrieben und kann, wie in der Kompressionskälteanlage,
im Kondensator verflüssigt werden.
Das System besteht aus einer Kette hintereinander geschalteter Wärmetauscher. Die für den Antrieb der
Lösungsmittelpumpen benötigte elektrische Leistung beträgt dabei nur wenige Prozente der mechanischen
Antriebsenergie vergleichbarer Kompressionskälteanlagen.
2. Verfügbare Verfahren:
Für den Einsatz in Absorptionskälteanlagen eignen sich etwa zehn Stoffpaare als Arbeitsmittel. Bisher werden
jedoch nur zwei Stoffpaare in Kälteanlagen technisch eingesetzt:
Beim Lithiumbromitabsorber das Kältemittel Wasser und das Lösungsmittel Lithiumbromit und beim
Ammoniak-Wasserabsorber das Kältemittel Ammoniak und das Lösungsmittel Wasser.
Vergleich:
Das Kältemittel in Ammoniak-Absorptionskälteanlagen hat immer einen geringen Wassergehalt, ist aber im
Gegensatz zu den Kältemitteln anderer Kälteverfahren sehr sauber und erzeugt keine zusätzlichen
Wärmeübergangswiderstände durch Verschmutzung.
Das Kältemittel von Kompressionskälteanlagen ist hingegen mit Kältemaschinenöl verunreinigt, was
insbesondere bei Verdampfungstemperaturen < minus 30° C zu betriebstechnischen Beeinträchtigungen führt
(gilt nicht bei ölfreier Verdichtung). Besonders hier ist auf die Bildung von Ölfilmen in den Verdampfern
hinzuweisen, was zu einer erheblichen Reduzierung der Leistungsübertragung führt. Auch das Verschließen von
Bögen führt zu einem weiteren Siedeverzug.
Daher können Kompressions- und Absorptionskälteanlagen, auch wenn beide Verfahren mit dem Kältemittel
Ammoniak betrieben werden, nicht direkt miteinander verbunden werden. Die Verbindung zwischen den
Systemen muss immer über sogenannte Kaskaden-Wärmetauscher, bei denen auf einer Seite verdampft
(Wärmezufuhr) und auf der anderen Seite kondensiert (Wärmeabfuhr) wird, erfolgen.
Sofern Vorstehendes beachtet wird, können Absorptionskälteanlagen mit Kompressionskälteanlagen, die auch
mit anderen Kältemitteln als Ammoniak betrieben werden, zusammengeschaltet werden.
Das grundsätzliche Verfahren der Absorptionskälteanlagen der beiden vorgenannten Stoffpaare ist sehr ähnlich,
allerdings erfordern die Stoffeigenschaften der eingesetzten Medien angepasste Systemvariationen. Beide
Systeme zeichnen sich durch günstige thermodynamische Eigenschaften der Kältemittel aus.
Das Verfahren der Absorptionskälteanlagen kann mit dem der Kompressionskälteanlagen verglichen werden,
wobei der mechanische Verdichter durch einen „thermischen Verdichter“ ersetzt wird.
Absorptions-Kälteanlage (thermischer Verdichter)
Einsatzbereich der Absorptions-Kältemaschinen:
Die Entscheidung, ob eine Kompressions- oder eine Absorptionsmaschine eingesetzt werden soll, hängt
weitgehend von der zur Verfügung stehenden Betriebsenergie ab. Steht beispielsweise ein Dampf- oder
Heißwasserkessel zur Verfügung, der sonst nur im Winter optimal ausgenützt würde, ist es naheliegend, dessen
freie Kapazität im Sommer zur Kälteerzeugung mit einer Absorptions-Kälteanlage zu koppeln.
Optimal ist der Einsatz einer Absorptionsmaschine dann, wenn Abdampf aus einem Produktionsprozess oder
von einer Gegendruckturbine zur Verfügung steht. Ein weiterer, interessanter Einsatz ergibt sich aus der
Kombination mit einer Turbo-Kältemaschine. Der Turbokompressor wird dabei mit einer Gegendruckturbine
betrieben. Der Niederdruckdampf aus der Gegendruckturbine beheizt anschließend den Austreiber der
Absorptionsmaschine und wird dann als Kondensat wieder dem Dampfkessel zugeführt.
Entscheidende Vorteile der Absorptionsmaschine sind schließlich der praktisch geräuschlose und vibrationsfreie
Betrieb, sowie die einfache Leistungsregelung von 0 – 100 %.
Nachteilig ist der relativ hohe Energieverbrauch, die hohe Kondensatorleistung und dadurch ein hoher
Kühlwasserverbrauch. Oft können diese Nachteile aber durch wesentlich niedrigere Energiekosten bei
Abwärmenutzung kompensiert werden.
Das Entlüftungs-System bei Lithiumbromit-Anlagen:
Die wässrige LiBr-Lösung ist in Verbindung mit Sauerstoff sehr aggressiv. Außerdem reduzieren sogenannte
„nicht kondensierbare“ Gase den Wirkungsgrad des Absorptionsprozesses. Der Vakuumbetrieb ermöglicht das
Eindringen von Luft durch kleinste Undichtheiten. Ein ausgeklügeltes Entlüftungssystem bezweckt ein
periodisches Entfernen dieser nichtkondensierbaren Gase und gibt gleichzeitig Aufschluss darüber, wie dicht die
Anlage ist.
Kühlwasser:
Die Kühlwassertemperaturen sollten bei LiBr-Absorptions-Kältemaschinen prinzipiell in bestimmten Grenzen
konstant gehalten werden, da ein schneller Temperaturabfall, wie er bei Kühlturmbetrieb möglich ist, bewirken
kann, dass die Lösung in der Maschine kristallisiert.
Das vom Kühlturm kommende Wasser wird mit einer Temperatur von ca. 28° C in den Absorber gefördert,
verlässt diesen mit ca. 34° C, fließt dann durch den Kondensator und verlässt diesen mit ca. 38° C. Durch eine
entsprechende Kühlwasserregelung wird die Vorlauftemperatur auf ca. 28° C konstant gehalten.
Bei modernen Maschinen kann in der Regel auf eine externe Kühlwasserregelung verzichtet werden, da die
Kreislauftemperaturen durch ein internes Regelsystem automatisch stabilisiert werden.
Leistungsregelung durch Drosselung der Betriebsenergie:
Durch Drosselung der Energiezufuhr zum Austreiber kann die Leistung der Absorptions-maschine (z.B. in
Abhängigkeit der Kaltwasser-Vorlauftemperatur) stufenlos geregelt werden. Bei Dampf oder Heizwasser als
Betriebsenergie geschieht dies durch ein normales Durchfluss-Regelventil, das in den Vorlauf der betreffenden
Energiezufuhrleitung eingebaut wird. Mit dieser Regelmethode kann die Leistung der Maschine bis auf ca. 10 %
der Volllast reduziert werden. Dabei reduziert sich auch die Energiezufuhr annähernd proportional zur Kühllast.
Im Teillastbereich, unterhalb von 50 %, verschlechtert sich dies aber erheblich, entsprechend der
Kühlwassertemperatur.
Bypassregelung der Lösungsmittelkonzentration:
Diese Regelmethode beruht auf der Änderung der Konzentration der Lösung. Zu diesem Zweck wird ein
Drosselventil in die Verbindungsleitung zwischen Wärmetauscher (Temperaturwechsler) und Austreiber
eingebaut. Dieses Drosselventil wird in Abhängigkeit der Temperatur der schwach konzentrierten Lösung
gesteuert. Bei Teillast wird die zum Austreiber fließende, schwache Lösung gedrosselt, wobei der
zurückgehaltene Lösungsanteil in den Absorber geleitet wird. Die Energiezufuhr zum Austreiber wird dabei
nicht gedrosselt. Deshalb wird die durch Drosselung reduzierte Lösungsmenge im Austreiber mehr erhitzt und
dadurch stärker konzentriert. Die Lösungszufuhr zum Austreiber kann ganz abgesperrt und dadurch die
Kälteleistung der Maschine auf Null reduziert werden.
Die Bypassregelung kann also im gesamten Leistungsbereich von 0 – 100 % angewendet werden. Der
Energieverbrauch liegt dabei leicht unter der prozentualen Last, da die Wärmeaustauschflächen bei Teillast einen
spezifisch günstigeren Wirkungsgrad erreichen.
Dieses Regelverfahren erbringt somit einen etwas geringeren Energieverbrauch im Teillastbetrieb. Die relativ
hohen Anschaffungskosten für das 3-Weg-Ventil beschränken diese Regelart jedoch auf Absorptionsmaschinen
mit größeren Kälteleistungen.
In vielen Fällen ergibt sich die wirtschaftlichste Art der Leistungsregelung aus einer Kombination der beiden
Regelmethoden. Dieses Regelverhalten kann noch dahingehend optimiert werden, dass die Lösungsmittelpumpe
über einen FU geregelt wird und entsprechend dann die Lösungsmittelmenge mit dem Verdampfungsdruck
gesteuert wird.
Kompressions-Kälteanlage (Kältemittelkreislauf)
Einsatzbereich Kompressionskältemaschinen:
Hubkolbenverdichter:
Da Kälteanlagen im allgemeinen nach dem maximalen Kältebedarf ausgelegt werden, sind ihre Bauelemente für
einen Teil der Betriebszeit oft überdimensioniert. Das trifft auch auf den Hubkolbenverdichter zu, der deshalb
regelbar ausgeführt sein muss.
Die einfachste Regelung ist die Ein-/Ausschaltung. Sie ist allerdings nur für kleine Hubkolbenverdichter
möglich. Eine ideale Anpassung für alle Verdichterarten wäre die Drehzahlregelung. Sie wird durch den Einsatz
von polumschaltbaren Motoren zum Teil realisiert. Der Einsatz von Frequenzreglern ist momentan nur für
kleinere Antriebsleistungen wirtschaftlich vertretbar.
Bleibt also nur die Regeleinrichtung im Verdichter. Und hier genießt das Offenhalten der Saugarbeitsventile
absoluten Vorrang bei Hubkolbenverdichtern. Die Saugventilplatten werden durch eingebaute Vorrichtungen
(Stifte, Stößel, usw.) vom Sitz abgehoben. Die Betätigung erfolgt weder mechanisch, ölhydraulisch oder
pneumatisch. Der notwendige Impuls erfolgt über ein Magnetventil. Bei dieser Regelung wird das Saugventil
ständig in geöffneter Stellung gehalten und das angesaugte Gas wird ohne Verdichtung wieder ausgeschoben.
Diese Regeleinrichtung gestattet außerdem einen entlasteten Anlauf des Verdichters. Die Leistungsanpassung ist
allerdings nur stufenweise möglich, da immer nur zylinderweise abgeschaltet werden kann.
Schraubenverdichter:
Ein Vorteil des Schraubenverdichters ist die stufenlose Leistungsregelung über einen großen Bereich. Bei
kleineren Verdichtern geschieht dies mit Hilfe von Frequenzumformern im Bereich von 10 bis 100 Hz. Bei
größeren Leistungen ist der Schraubenverdichter mit einem axial verschiebbaren Regelschlitten ausgerüstet.
Durch Verschieben des Regelschlittens, der ein Stück der die Läufer umschließenden Gehäusewand bildet, wird
der wirksame Abschnitt der an der Verdichtung beteiligten Läuferlänge verkürzt und ein Teil des angesaugten
Kältemittelgases über eine Rückströmöffnung zur Saugseite zurückgeführt. Mit Hilfe dieser Einrichtung ist auch
ein nahezu vollständig entlasteter Anlauf möglich.
Für ein bestimmtes fest eingebautes Volumenverhältnis ist der Verdichtungsdruck im Arbeitsraum des
Verdichters unabhängig vom Gegendruck im Druckstutzen. Dieser Druck kann größer, gleich oder kleiner als
der Verdichtungsenddruck sein. Bei Abweichungen vom installierten Druckverhältnis treten Leistungsverluste
auf. Das bedeutet, dass Schraubenverdichter mit einem bestimmten inneren Druckverhältnis nur für einen
begrenzten Bereich des äußeren Druckverhältnisses wirtschaftlich betrieben werden können.
In der Praxis bietet man deshalb Schraubenverdichter mit unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen an oder
man setzt bei den Verdichtern einen über Mikroprozessoren gesteuerten Verstellmechanismus auf der Druckseite
ein und ändert dabei das innere Druckverhältnis stufenlos. Insgesamt gesehen bleibt der effektive Wirkungsgrad
in einer vergleichbaren Größenordnung mit den Werten des Hubkolbenverdichters. Der Teillastwirkungsgrad
sinkt besonders bei starker Reduzierung der Leistung. Trotzdem überwiegt im praktischen Betrieb aber der
Vorzug einer gleitenden Anpassung an den Kältebedarf.
Der Schraubenverdichter hat als Drehkolbenmaschine keine freien Massenkräfte und -momente. Damit können
Maschinenunterbauten und Fundamente entsprechend klein gehalten werden.
Gegenüber den Hubkolbenverdichtern entfallen solche Verschleißteile wie Pleuel, Kolbenringe und
Arbeitsventile. Hohe Anforderungen werden allerdings bei offenen Schraubenverdichtern an die
Wellenabdichtung mit Hilfe von Gleitringdichtungen gestellt, da relativ große Wellendurchmesser bei einer
Drehzahl von 3000 min-1 abzudichten sind. Ein sehr wichtiges Bauteil ist auch das Rückschlagventil auf der
Druckseite des Verdichters. Es verhindert nach dem Abschalten des Verdichters ein Expandieren des
Kältemittelgases über die Läufer und damit ein Rückwärtslaufen des Schraubenverdichters.
Vorteile gegenüber Kolbenverdichter:
- Nur drehende Bewegung, daher fast stetige Förderung mit Laufruhe;
- Keine Ventile;
- Unempfindlich gegen Flüssigkeitsanfall;
- Stufenlose Regelung bis auf ca. 20 %.
Turboverdichter:
Es werden ausschließlich Radialverdichter verwendet. Die Druckerhöhung wird im Unterschied zu den
Verdrängermaschinen (Hubkolbenverdichter, Schraubenverdichter u.a.) durch Umwandlung der vom Laufrad an
das Kältemittel abgegebenen kinetischen Energie in innere Energie bzw. Enthalpie bewirkt. Jeder
Turboverdichter hat zu diesem Zweck ein Lauf- oder Kreiselrad mit fester Beschaufelung, dem ein Leitapparat
bzw. ein Diffusor nachgeschaltet ist. Um eine ordnungsgemäße Anströmung zu sichern, ist mitunter eine
zusätzliche Leiteinrichtung vor dem Laufrad angebracht.
Die Druckerhöhung ist der Dichte des Kältemittels sowie der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades
proportional. Daraus resultiert, dass Stoffe mit hoher Molmasse (FCKW) mit geringeren
Umlaufgeschwindigkeiten auskommen. Von der Wahl des Kältemittels wird nicht nur die
Umlaufgeschwindigkeit, sondern auch die Anzahl der Stufen, d.h. die Anzahl der Laufräder, beeinflusst.
Die Anzahl der Stufen, die für einen gegebenen Temperaturanstieg erforderlich sind, hängt hauptsächlich von
der Mach-Zahl am Laufradaustritt ab. Die Schallgeschwindigkeit und der Laufradwerkstoff haben hier den
größten Einfluss. Die Schallgeschwindigkeit bei einer gegebenen Temperatur hängt von der Molmasse ab und ist
für FCKW-Kältemittel mit hoher Molmasse viel niedriger als es bezüglich der Festigkeitsforderungen notwendig
wäre. So kommt man bei den Kältemitteln R 404, R 407 und R 134a, speziell für Klimatisierungszwecke, mit
einer oder zwei Stufen aus.
Anders liegt der Fall bei Ammoniak mit einer Molmasse von 17. Ammoniak hat eine Schallgeschwindigkeit von
450 m/s, die zu hoch ist, um mit den gegenwärtig verfügbaren Laufradkonstruktionen, die eine
Spitzengeschwindigkeit von etwa 300 m/s ermöglichen, die gewünschte Mach-Zahl zu erreichen. Deshalb ist
hier eine größere Anzahl von Stufen erforderlich. Dies führt zu einer Verteuerung der Verdichter und darum
werden Turboverdichter in Ammoniakanlagen nur für sehr große Leistungen eingesetzt.
Turboverdichter zeichnen sich durch geringen Raumbedarf und kleine leistungsbezogene Masse, kontinuierliche
Kompression, schwingungsarmen Lauf, geringe Wartung, gute Wirkungsgrade und ölfreie Förderung aus. Die
Regelung erfolgt durch Änderung des Förderstromes mit Hilfe verstellbarer Leitschaufeln, mit denen eine
Dralländerung der Einlassströmung in Richtung Laufrad erzeugt wird. Das führt zu einer verminderten
Leistungsaufnahme des Laufrades. Eine stufenlose Regelung bis ca. 10 % des Nennwertes ist hierdurch
erreichbar. Das energetische Teillastverhalten ist gut.
Stetige Leistungsregelung sind möglich durch
1. Drehzahlregelung (bei Antrieb über Frequenzwandler oder durch Dampfturbine).
2. Vordrallregelung (verstellbare Leitschaufeln vor Laufradeintritt).
3. Diffusorregelung mit verstellbaren Schaufeln im Diffusor, Kurven ähnlich der Vordrallregelung.
4. Heißgas-Bypass-Regelung, Überströmventil zwischen Druck- und Saugseite.
Aus den oben einzeln aufgeführten Punkten ist klar zu erkennen, dass die benötige maximale Kälteleistung in
einzelne Anlagen aufzuteilen ist, um das Teillastverhalten zu optimieren.
Leistungsaufteilung:
Obgleich eine einzige große Anlage die niedrigsten Investitionskosten ergibt, wird die Kälteleistung meistens auf
mehrere Kälteanlagen aufgeteilt. Wichtigster Grund und gleichzeitig Grundlage für die Art der Aufteilung ist der
Jahresgang der Kühllast in Verbindung mit der Summenhäufigkeitskurve (Jahresdauerlinie) der
Außenlufttemperatur am Aufstellungsort.
Die Auswahl der Verdichterbauart erfolgt nach den vorher angegebenen Leistungsbereichen, den jeweiligen
Investitionskosten und den jeweils erreichbaren Leistungszahlen. Wichtig ist hierbei jedoch auch die kleinste
von der Anlage zu erbringende Teillast. Bis zu 20 % bis 30 % der Nenn-Kälteleistung (abhängig vom
Temperaturverlauf) können Turbo- und Schraubenverdichter stetig, Hubkolbenverdichter durch Ventilabhebung
in Stufen heruntergeregelt werden. Kleinere Teillasten sind nur noch durch Ein- und Ausschalten des Verdichters
(oder durch Leistungsvernichtung, z.B. Heißgas-Bypass) zu erreichen. Dabei ist einerseits die zulässige
Schalthäufigkeit und die erforderliche Mindestlaufzeit zu beachten sowie andererseits die
Genauigkeitsanforderungen an die Temperaturregelung. Für kleinste Teillasten benutzt man deshalb meistens
relativ kleine Wasserkühlsätze mit Hubkolbenverdichtern als unterste Leistungsstufe.
Wartung:
Bei der Konstruktion und Fertigung von Verdichtern sind die Forderungen nach hoher Zuverlässigkeit bei
geringem Wartungsaufwand berücksichtigt. Es wird großer Wert auf hohe Betriebssicherheit der Bauteile,
geringen Montageaufwand und stabile Fertigungsqualität gelegt. Trotzdem verbleibt bei NH3-Verdichtern ein
minimal notwendiger Wartungsaufwand. Er beschränkt sich bei Schrauben- und Turboverdichtern hauptsächlich
auf Ölwechsel bzw. –nachfüllung, Kontrolle der Ölfilter, Kältemittelfilter und der Gleitringdichtung. Beim
Kolbenverdichter kommt noch die Wartung der Arbeitsventile dazu.
Für die Durchführung einer systematischen Wartung wurde von den meisten Herstellern von Verdichtern ein
nach Laufstunden gegliederter Wartungs- und Durchsichtsplan aufgestellt.
Einführung
INHALTSVERZEICHNIS
Kälteanlage 1
Betriebserfahrungen:
In diesem Punkte möchten wir auf die gemachten praktischen Erfahrungen bei zwei Anlagen eingehen. Die eine
Anlage befindet sich bei der Langnese-Iglo in Reken und dient zur Kühlung von Gemüse sowie Backwaren zur
Tiefkühlung. Hier handelt es sich um eine reine Kompressionskälteanlage mit Schraubenverdichtern. Hierbei
wurde zum ersten Mal versucht, direkt auf der Kälteseite abzurechnen. Zu diesem Zweck wurde ein
Messkonzept ermittelt, welches im einzelnen kurz vorgestellt wird und auf Basis dieses Messkonzeptes konnten
dann die Leistungsauswertungen für die Maschinen durchgeführt werden. Dabei soll noch einmal auf einen
wichtigen Punkt des Regelverhaltens des Schraubenverdichters kurz hingewiesen werden.
Ein unbestrittener Vorteil des Schraubenverdichters ist das stufenlose Regelsystem mittels axial verschiebbarem
Regelschlitten, das eine Verminderung der Kälteleistung von 100 % auf ca. 10 % gestattet. Da aber ein
geringeres Volumen angesaugt wird, verringert sich bei Teillast das innere Druckverhältnis. Die Ausschubarbeit
muss jedoch wie bei Vollastbedingungen gegen Verflüssigerdruck geleistet werden. So sinkt der
Teillastwirkungsgrad besonders bei starker Reduzierung der Leistung.
Betriebsverhalten:
In Turbokälteanlagen werden ausschließlich Turboverdichter radialer Bauart eingesetzt. Bei Verwendung von
Ammoniak als Kältemittel ist bei den Turboverdichtern eine größere Stufenzahl und eine höhere
Umfangsgeschwindigkeit der Laufräder erforderlich. Die Verdichter werden hauptsächlich in Großkälteanlagen
der chemischen Industrie eingesetzt, wo man mit 4 bis 6 Stufen für die erforderlichen Druckverhältnisse sorgt.
Turboverdichter zeichnen sich durch geringen Raumbedarf, kleine leistungsbezogene Masse, kontinuierliche
Kompression, schwingungsarmen Lauf, geringe Wartung, hohe Betriebssicherheit, gute Wirkungsgrade und
ölfreien Lauf aus. Die Regelung erfolgt mit Hilfe verstellbarer Vorleitschaufeln, in denen ein Drall der
Einlassströmung in Richtung der Laufraddrehung erzeugt wird, was zu einer verminderten Leistungsaufnahme
des Laufrades führt. Das energetische Teillastverhalten ist sehr gut. Turboverdichter laufen häufig mit
Drehzahlen über 3000 min-1, weswegen ein Getriebe oder ein Frequenzumformer notwendig ist. Zur
Wellenabdichtung verwendet man in der Hauptsache Gleitringdichtungen.
NH3-Messkonzept Kälteanlagen:
Bei den Kälteanlagen ist es grundsätzlich vorgesehen, die Zählung der Kälte auf der NH3-Seite vorzunehmen.
Hierzu wurden entsprechende Messgeräte in die Flüssigkeitsleitungen zu den Verbrauchern eingebaut.
Entsprechend der Messung des Saugdruckes in der Saugleitung kann dann die Enthalpie ermittelt werden und
daraus die Energiemenge, da zu jedem Saugdruck eine bestimmte Enthalpiemenge abzuleiten ist.
Entsprechend werden beide Daten, also Durchflussmenge und Saugdruck, in einem Rechner zeitgleich
ausgewertet und somit die Kältearbeit ermittelt, die auch als Abrechnungsgrundlage zu Langnese-Iglo dient. Die
Messstellen der Kälteanlage 1 sind in der Folie aufgelistet.
In diesen Kälteenergiepreis sind dann entsprechend alle Kosten zur Herstellung einzukalkulieren. Die Messdaten
werden dann über die zentrale Leittechnik ausgewertet. Hier sollte analog zum Profibus sowie der gesamtübergeordneten
Leittechnik geprüft werden, ob nicht hier der sogenannte M-Bus für die reine Zählung
angewandt wird.
Alternativ zu diesem Messverfahren besteht, unseres Erachtens, wenn der Saugdruck genau gemessen wird, die
Möglichkeit, in der Saugleitung noch einen Zwischenabscheider einzubauen, in dem vorab die Gas- und
Flüssigphase voneinander getrennt werden und über eine Flüssigkeitsleitung, in der wiederum ein
Flüssigkeitsmessgerät eingebaut ist, diese dem Hauptabscheider zugeleitet wird, so dass aus der Differenz der
beiden Flüssigkeitsmessungen die verdampfte Flüssigkeitsmenge ermittelt werden kann und wiederum aus der
Enthalpie die gelieferte Kälteenergiemenge.
Es hat sich gezeigt, dass das erste Verfahren mit den jetzigen Messgeräten ein ausreichend genaues Ergebnis
wiedergibt.
p,h-Diagramm:
Hierbei handelt es sich um das konkrete Diagramm für die aufgeführten Verdampfungstemperaturen, aus dem zu
erkennen ist, wie die Anlage konzeptionell aufgebaut ist. Entsprechend den Regelbedingungen verschieben sich
aber dann die einzelnen Linien, so dass die tc-Linie entsprechend der Feuchtekugeltemperatur gefahren wird und
die t0-Linien im Mitteldruck und Niederdruckbereich entsprechend der Schwankungsbreite der Regelung bzw.
der eingestellten Verdampfungstemperatur.
NH3-Messkonzept:
Anhand dieses Blockschaltbildes ist zu erkennen, wie der Messaufbau mit den einzelnen Ultraschallmessgeräten
realisiert wurde.
Aussagen zum Teillastverhalten:
Die angeführten Beispiele sollten zeigen, wie stark sich Auslegung und Betriebsverhältnisse – insbesondere die
Zuordnung der Wärmeaustauschflächen und der Gang der Verflüssigungs-temperatur – auf das Teillastverhalten
auswirken und mit welchen Rechenmethoden diese Einflüsse zu erfassen sind.
Die sehr günstigen Teillastwerte nach den ARI-Standards sind oft nicht zu erreichen, z.B. wenn für die Funktion
der Expansionsventile höhere Verflüssigungsdrücke vorgeschrieben sind. Bei Wärmerückgewinnungsbetrieb der
Kältemaschinen muss meistens die Verflüssigungstemperatur auf einem relativ hohen Wert konstant werden, das
Teillastverhalten ist dann nur wenig günstiger als das verdichterbezogene bei konstantem tc und t0. Das reale
Teillastverhalten ergibt sich nur aus dem tatsächlichen Gang der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur.
Für eine genaue Berechnung des Teillastverhaltens müssen also zunächst die Voraussetzungen ermittelt und
berechnet werden. Dann sind für das gewählte Fabrikat und Modell die entsprechenden Teillastangaben in % auf
die Vollast-Leistungszahl zu beziehen, um den echten Teillast-Energieverbrauch in kW zu ermitteln. Für eine
Wirtschaftlichkeitsberechnung ist dieser dann im Jahresgang aufzutragen.
Die Beispiele zeigen außerdem, dass das Teillastverhalten von Turbo-, Schrauben- und Hubkolbenverdichtern
praktisch gleich ist – anderslautende Aussagen resultieren aus unzulässigem Vergleich von Angaben bei
unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Qualitätsunterschiede verschiedener Fabrikate können größeren Einfluss
haben als die unterschiedlichen Verdichterbauarten. Besonders wichtig für die Wirtschaftlichkeit ist die
Auslegung auf eine hohe Vollast-Leistungszahl sowie auf ein optimales Teillastverhalten. Dies ist zwingend in
der Planung zu berücksichtigen.
Aus den von den Firmen zur Verfügung gestellten Kurven sowie Unterlagen ist zu erkennen, dass hier Angaben
gemacht werden, die tatsächlich dem Prüfstand entnommen sind und nicht den Wirkungsgrad der Anlagen im
eingebauten System wiederspiegeln. Es ist auch zu erkennen, dass bei Hubkolbenverdichtern meist ein größerer
Sicherheitsfaktor angenommen wird als bei Schraubenverdichtern.
Um die Leistungsdaten der einzelnen Schraubenkompressoren im Teillastbetrieb beurteilen zu können, wurde
zunächst einmal die Kälteleistung sowie die elektrische Leistung von 10% bis 100%, lt. Angaben des Herstellers,
in Schritten mit einer Schrittweite von 10% dargestellt.
Aus den Leistungswerten wurden die entsprechenden cop-Werte berechnet und ebenfalls tabellarisch sowie
grafisch dargestellt. Als Grundlage der grafischen Darstellung dient ebenfalls das Druckdiagramm mit der
Darstellung der Idealkurve und davon abweichenden Druckverhältnissen.
Am Beispiel des Schraubenkompressors VMY 436 H ist erkennbar, dass bei einem Absinken der
Kompressorleistung von 100 % auf ca. 50% der cop-Wert von 4,2 auf 3,3 absinkt. Das entspricht einer
Verschlechterung des cop-Wertes um 22 %. Fällt die Leistung des Kompressors im Teillastbereich unter 50 %,
fällt die Kurve des cop-Wertes steiler ab. Das Verhältnis Kälteleistung/ elektrische Leistung verschlechtert sich
überproportional.
Leistungsdiagramm Schraubenverdichter
mit Maschinendruckverhältnis (EPR-Kennlinien)
Maschinendruckverhältnis:
Anhand dieser Folie ist zu erkennen, dass sich, entsprechend dem Druckverhältnis zwischen Saug- und
Druckseite des Verdichters, die Ideallinie zwischen eingesetzter Energie und Kälteleistung im Teillastbereich
abflacht und somit sich der Teillastwirkungsgrad, je geringer die Kälteleistung ist, verschlechtert.
Diagramm Kälte / Pe HD
Kälte- / Pe HD-Diagramm:
Hier sind die theoretischen Werte für die Stromaufnahme der Verdichter bei verschiedenen Schieberstellungen
und Druckverhältnissen dargestellt. Für die Darstellung der im Werk vorhandenen Verhältnisse wurde die
Stromaufnahme der Verdichter bei verschiedenen Schieberstellungen durch die MVV D.I.E. Rhein-Ruhr GmbH
gemessen und aufgelistet. Alle Ergebnisse wurden für zwei Druckverhältnisse als Übersicht zusammengefasst
und als Grafik dargestellt.
In der Anlage ist, ausgehend von 100% Volumenkapazität und elektrischer Leistung, zu erkennen, dass im
Teillastbereich von 100% bis 50% die Kurven konstant und im gleichen Verhältnis sinken. Im Bereich von 50%
bis ca. 10% verflachen sich die Kurven. Das Verhältnis Volumenkapazität zu elektrischer Leistung
verschlechtert sich und somit auch der cop-Wert.
Als Vergleichsbetrachtung wurden aus den zuvor ermittelten theoretischen Werten und den gemessenen Werten
eine aussagekräftige Übersicht erstellt. In der Anlage wird für den Kompressor Typ VMY 436 H die
Volumenkapazität zum Verhältnis elektrische Leistung zur Volumenkapazität bei –13°C/+30°C als Grafik
dargestellt. Einmal für die Werte lt. Kennlinie und einmal für die gemessenen Werte.
Eine Vergleichsbetrachtung der theoretischen und der gemessenen Werte der Stromaufnahme ND- / HDVerdichter
in Abhängigkeit der Schieberstellung ist dargestellt. Die grafischen Darstellungen zeigen deutlich die
Unterschiede zwischen den Kennlinienwerten und den tatsächlich gemessenen Werten, mit einem höheren
Stromverbrauch im Teillastbereich unter ca. 70%. Das bedeutet, dass das Verhältnis Kälteleistung / elektrische
Leistung (cop-Wert) schlechter ist als theoretisch angenommen.
Diagramm Kälte / Pe ND
Kälte- / Pe ND-Diagramm:
Für den Kompressor Typ VMY 536 M sind die zuvor ermittelten theoretischen Werten und die gemessenen
Werte dargestellt. Das Ergebnis ist fast identisch mit der zuvor betrachteten Kennlinie.
Aus den gewonnenen Daten, die über das Messkonzept ermittelt wurden, ist also ganz klar zu erkennen, dass das
tatsächliche Teilleistungsverhalten der Schraubenverdichter auch im HD- oder ND-Bereich im Teillastverhalten
zum Teil erheblich schlechter ist, wie aus den Verdichterkennlinien zu ermitteln ist. Diese Gründe sind
verschiedener Art, z.B. steht das Vi-Verhältnis nicht mit dem tatsächlichen Druckverhältnis überein. Es wird
zuviel Öl durch den Verdichter transportiert; auch wurden zum Teil die Wartungsintervalle nicht eingehalten.
Das Ergebnis zeigt aber, dass dann ab einem Teillastbereich von 60 % kaum noch eine Reduzierung der
Leistungsaufnahme stattfindet, wenn sich die Kälteleistung verringert. D.h. es ist kein Zusammenhang mehr mit
einer proportionalen Abnahme der Kälteleistung zu erkennen.
Standardanlagen NH3-Absorber
NH3-Absorber:
Anlagensysteme:
Für den Temperaturbereich unter dem Gefrierpunkt bis zu –60° C ist nur ein Arbeitsstoffpaar geeignet und in
langjährigem Einsatz und zwar AMMONIAK-Wasser, wobei Ammoniak das Kältemittel und das
Zweikomponentensystem das Absorptionsmittel ist. Damit liegen eine Reihe von Besonderheiten vor, die für den
Betrieb bedeutend sind:
- bis 33° C arbeitet das System auf der ND-Seite im Überdruck. Unterdruckwerte von 0,2 bar werden bei –60° C
erreicht, womit auf Dichtigkeit nach Außen zu achten ist.
- der Kreislauf arbeitet ölfrei, womit alle mit Öl zusammenhängenden Probleme gar nicht erst auftreten können.
- das mit Kältemittel angereicherte Gemisch muss rektifiziert werden, wobei je nach Anreicherungsgrad ein
Restwassergehalt (0,2 %) auftritt, der in das Verdampfersystem weitergetragen wird, sich dort ansammelt und
zu einer Verfälschung der Verdampfungstemperatur führt. Man begegnet dem durch eine
Restlösungsrückführung aus dem Verdampfer und hält so die Kältemittelqualität konstant.
Kühlung:
Bei Absorptionskältesystemen ist neben der Kälteleistung auch die dem Kreislauf zugeführte Heizleistung
wieder an die Umgebung abzuführen. In erster Näherung entfällt dabei auf den Kondensator der über die
Verdampfer eingebrachte Wärmestrom und auf den Absorber der Wärmebetrag der zugeführten Heizleistung.
- Beim Kondensator kann Wasser-, Luft- oder Verdunstungskühlung angewendet werden. Da hiervon der
Kondensationsdruck abhängt, ist somit der Temperaturhub des Systems und damit die benötigte
Heizmitteltemperatur betroffen. Verdunstungskühlung führt zu den günstigsten Werten.
- Derzeitige Konstruktionen für Absorber – Ausnahme kleine Leistungen – lassen nur Wasserkühlung zu.
Allerdings sind größere Wassererwärmungen möglich, sofern für die Austrittstemperatur keine obere
Begrenzung besteht.
- Der Gesamtkühlungsbedarf ist gegenüber Kompressionskälte größer, weil die bei Erzeugung von
mechanischer Energie anfallende Kondensationswärme bereits im Kraftwerk abgeführt wird.
Praxiserfahrung NH3-Absorber:
Wie schon vorher erwähnt, haben wir für die Trinkwasseraufbereitungsanlage Aschaffenburg einen NH3-
Absorber mit einer Kälteleistung von maximal 350 kW bis 400 kW installiert. Auch hier wurden zur Kontrolle
Messgeräte eingebaut, aus denen die Kälteleistung, die zugeführte Wärmeleistung und entsprechend auch die
Vor- und Rücklauftemperaturen aufgezeichnet wurden. Aus dieser Anlage stammen die hier vorgelegten
Kennlinien.
Da es auch hier Probleme im Wärmeverhältnis des Teillastbetriebes gab, da die Anlage, wie alle Kälteanlagen,
zum größten Teil im Teillastbereich läuft, wurde hier eine Kombination aus Heiztemperatur und
Lösungsmassenstromregelung vorgenommen. D.h. es wurde zusätzlich zur Heiztemperatur eine mit FUgeregelte
Lösungsmittelpumpe eingebaut, die entsprechend dem Verdampfungsdruck die Lösungsmittelmenge,
die zum Austreiber gefördert wird, genau der Teillast entsprechend regelt.
Betriebstechnische Aspekte:
Absorptionskältesysteme bieten eine Reihe von betriebstechnischen Vorteilen, die eventuelle energetische
Nachteile ausstechen können. Dies ist z.B. das Teillastverhalten:
Durch moderne Regelverfahren kann jede Kältelastveränderung schnell, stufenlos und kontinuierlich
ausgesteuert werden. Teillasten bis 15 % als auch Überlasten bis zu 20 % können im Dauerbetrieb ohne
Schädigung von Anlagenteilen gefahren werden. Der Heizmittelverbrauch passt sich dabei proportional an, ist
also spezifisch konstant. Auch Nulllastbetrieb ist möglich.
Kennlinie cop-Wert NH3-Absorber:
Diese Kennlinie wurde anhand der Messeinrichtungen ausgewertet und gibt das Teillast-verhalten des NH3-
Absorbers weiter. Zu erkennen ist hier, dass sich bei einer Kälteteillast von 50 % der cop-Wert nicht
verschlechtert, d.h. absolut proportional zur Kälteleistung ist und bis zu 20 % eine Reduzierung von ca. 10 %
stattfindet. Erst in einem Leistungsbereich unter 20 % bricht dann der Wirkungsgrad ein. Dieses Verhalten
erklärt sich daraus, dass dieselbe Wärmetauscherfläche auch bei geringerer Lösungsmittelmenge zur Verfügung
steht, was zu einem besseren Wärmeverhältnis führt.
INHALTSVERZEICHNIS
Qo Kälteleistung
Qh Heizleistung
Vergleich cop-Wert zur Kältemitteltemperatur Verdichter
NH3-Kompressions-Kälteanlage
Spez. Energiebedarf Kompressions-Kälteanlage bei 100 % Leistung
Vergleichsbetrachtung:
Es wird hier nochmals anhand der Kennlinien dargestellt, wie sich der Wirkungsgrad von Kompressions- und
Absorptionskälteanlagen im Verhältnis zur Verdampfungstemperatur bei 100 % Leistung verhält. Also nicht im
Teillastbereich, sondern im optimalen Punkt der Volllast. Bei der Kompressionskälteanlage ist zu erkennen, dass
sich entsprechend der cop-Wert von ca. 6 bei 0° C Temperatur auf 1,1 bei –50° C Temperatur verschiebt.
Vergleich cop-Wert zur Kältemitteltemperatur Absorber
NH3-Absorptions-Kälteanlage
Spez. Energiebedarf Absorptions-Kälteanlage bei 100 % Leistung
Vergleich Energiebedarf Kompression zur Absorption
Vergleich Energiebedarf Kompression zur Absorption:
Das Diagramm stellt direkt das Verhältnis des Energiebedarfes zwischen Ammoniak- Absorptionskälteanlage
und Ammoniak-Kompressionskälteanlage bei gleichen Verdampfungstemperaturen dar.
Es zeigt sich, dass die Absorptionskälteanlage, je nach Verdampfungstemperatur, einen drei- bis neunfach
höheren Energiebedarf als eine vergleichbare Kompressionskälteanlage hat. Hier ist jedoch zu beachten, dass die
Kompressionskälteanlage „teuere“ elektrische Energie benötigt und die Absorptionskälteanlage mit minderer
und „billigerer“ (Ab) Wärme betrieben werden kann.
Es ist deutlich, daß der Strompreis mindestens das Mehrfache des Wärmepreises betragen muss, damit eine
Wirtschaftlichkeit der Absorptions-Kälteanlage gegeben ist.
Bei der Absorptions-Kälteanlage ist zusätzlich der höhere Aufwand für die Wärmeabfuhr zu berücksichtigen.
Für jeden Entscheidungsfall ist eine Wirtschaftlichkeitsberechnung zu erstellen, die beide Verfahren bewertet
und miteinander vergleicht, wobei folgende Kriterien zusätzlich berücksichtigt werden sollten:
- Bedarf an Gebäuden, Gebäudeausrüstungen;
- Planung von Reservemaschinen;
- Schallschutzmassnahmen;
- Dimensionierung und Bewertung der Hilfsenergien (elektrischer Anschluss, Zu-/Abfuhr Wärme);
- das Teillastverhalten, was u. E. bei den meisten Berechnungen nicht ausreichend berücksichtigt wird.
Vergleichsbetrachtung Betriebskosten
Energiepreissituation:
Bevor man eine Planung für Absorptionskältesysteme angeht, sollte diese Relation manipulierfrei festliegen,
denn diese entscheidet darüber, welches Kälteerzeugungsprinzip zu günstigeren Energiekosten führt.
- Die Preisrelation sollte über dem Wert 6 liegen;
- Je höher die absolute Ersparnis ausfällt, desto eher sind Investitionsmehrkosten ausgleichbar;
- Hohe Jahresbenutzungsdauer erhöht die absolute Ersparnis;
- Eine Suche nach preisgünstigen Abwärmen lohnt; ab –20° C liegen Optimalwerte vor.
Vergleichsbetrachtung:
Es wurden von uns hier zwei Linien eingesetzt, aus denen erkannt werden kann, wie schnell sich bei richtiger
Berechnung der Vergleich der Betriebskosten verändert. D.h. bei einem eingesetzten Strompreis von ca. 5 Cent
und einem Wärmepreis von 15,00 EUR und einer Verdampfungstemperatur von –45° C ist eine
Wirtschaftlichkeit einer NH3-Absorptionsanlage für sich betrachtet nicht festzustellen.
Wird aber die Kompressionskälteanlage, wie normal üblich, im Klimabereich in der meisten Zeit in Teillast
betrieben und in der Industrie im Tiefkühlbereich bei wechselndem Produktionsverhalten, was sich aus den
Messungen ergeben hat, auch zum größten Teil in Teillast betrieben, so verschiebt sich nämlich der Strompreis
für die eingesetzte Kälteleistung entsprechend dem Teillastverhalten erheblich nach oben. Wie aus den
vorherigen Linien zu erkennen war, ab 50 % überproportional sogar extrem ansteigend, so dass es in der
Vergleichsbetrachtung dazu kommen kann, dass ein viel höherer Strompreis anzusetzen ist, entsprechend dem
cop-Wert im Teillastbereich, so dass bei dieser Betrachtungsweise es schnell dazu kommt, dass die
Absorptionskälteanlage bei entsprechendem Preisgefüge der Kompressionskälteanlage wirtschaftlich überlegen
ist.
Wirtschaftlichkeitsberechnung BHKW mit NH3-Absorber
Bedarfswerte:
Auf dieser Seite sind die Grundlagen dargestellt, die zu den Ergebnissen führten. D.h. die einzelnen
Bedarfswerte der Verbraucher und die Erzeugungswerte des Gasmotors, des Spitzenlastkessels und des NH3-
Absorbers.
Wirtschaftlichkeitsberechnung Kompressionskälteanlagen:
Als Grundlage für diese Berechnung wurden die ermittelten Verbrauchswerte der Entfeuchtungsanlagen und der
Heizungen in der Trinkwasseraufbereitungsanlage Aschaffenburg zugrunde gelegt, die aus den Messungen der
vorhandenen Anlage ermittelt wurden. Die Gesamtwärme wird hier über einen Heizkessel erzeugt und nicht über
die Abwärme des Absorbers. Für die Notstromfunktion ist ein separates Notstromaggregat errichtet und, um die
Kälteleistung von maximal 440 kW zu erbringen, ist eine Kompressionskältemaschine installiert.
Wirtschaftlichkeitsbetracht. / Zusammenstellung u. Vergleich
Ergebnis:
Das Ergebnis zeigt, dass bei dieser Anlagenkonfiguration die Lösung BHKW-Absorber-Kessel in dem ersten
Halbjahr 2002 einen finanziellen Vorteil von ca. 50.000,00 EUR gegenüber einer Kompressionskälteanlage hat,
obwohl die Wartungs- und Investitionskosten erheblich höher sind als bei einer Kompressionskälteanlage.
Im gleichmäßigen Verbrauch von Wärme und Kälte wurden die Laufzeiten des BHKWs optimiert und der Strom
in der eigenen Anlage verbraucht, so dass dieser gegen die Kosten des Fremdbezuges gerechnet werden kann,
was sich im Moment eindeutig als die wirtschaftlichste Lösung darstellt. Eine Einspeisung ins Fremdnetz scheint
nach den jetzigen wirtschaftlichen Rahmendaten nicht empfehlenswert zu sein. Im Moment entfällt sogar die
Freistellung von der Stromsteuer bei Anlagen unter 2 MW, die die Vergütung aus dem KWK-Gesetz nicht
ausgleicht.
INHALTSVERZEICHNIS
Weitere Entwicklung der Technik:
Es soll hier nur kurz angedeutet werden, dass die Entwicklung beider Techniken, nämlich der
Absorptionstechnik und der Kompressions-Technik, weiter fortschreitet. Im Bereich der Absorptionstechnik sind
hier besonders die Fa. York im Lithiumbromitbereich sowie die Fa. Mattes im NH3-Absorberbereich zu nennen,
die hier aktiv tätig sind. Weitere Entwicklungen werden auch vom ILK in Dresden sowie dem Bayerischen
Zentrum für angewandte Energieforschung untersucht und entwickelt. Auf einige Beispiele möchte ich hier nur
kurz eingehen:
Kraft-Wärme-Kopplung:
Im Hinblick auf eine optimierte Nutzung der verschiedenen Abwärmeströme können spezielle, mehrstufige
Absorptionskreisläufe eingesetzt werden, die zum einen eine effizientere Nutzung von Rauchgasen bei
Temperaturen über etwa 180° C sowie eine Ausweitung der Wärmenutzung bis herab zu etwa 60° C erlauben.
Damit wird eine Nutzung von Abwärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus möglich und eine Mischung
verschiedener Abwärmeströme vermieden.
Optimierte Kopplung durch mehrstufige Absorptionskreisläufe:
Andererseits kann beispielsweise aus derselben Wärmemenge mit Hilfe einer Double-Effect-Anlage deutlich
mehr Kälte erzeugt werden, als mit einer Single-Effect-Anlage. Dies liegt an der um etwa 60 % höheren
Kältezahl (Verhältnis von Kälteleistung zur Antriebswärmeleistung der Sorptionskälteanlage). Die Folge ist,
dass die erzielbare Kältemenge im Verhältnis zur gesamten Abwärmemenge (Auskühlung bis
Umgebungstemperatur 30° C) über der Abgastemperatur aufgetragen ist. Ab einer Abgastemperatur von etwa
225° C lässt sich mit der Double-Effect-Anlage (Kältezahl COP = 1,2) mehr Kälte erzeugen als mit einer Single-
Effect-Anlage (Kältezahl COP = 0,75), obwohl weniger Abwärme genutzt wird. Eine hocheffektive Triple-
Effect-Anlage (Kältezahl COP = 1,5) wäre bei Rauchgastemperaturen oberhalb von 400° C sinnvoll einzusetzen.
Besonders hier auch der Einsatz von Brennstoffzellen.
Bei den Kältezahlen der verschiedenen Anlagenvarianten wird deutlich, dass die reinen mehrstufigen Kreisläufe,
d.h. Double-Effect (DE) und insbesondere Triple-Effect (TE), aufgrund des hohen Anteils ungenutzter
Antriebswärme unterhalb 140° C bzw. 200° C, nur eine begrenzte Steigerung der Kältezahl und somit der
Kälteausbeute ermöglichen. Somit ist ihr Einsatz angesichts des höheren technischen Aufwands wohl kaum zu
rechtfertigen. Demgegenüber bewirkt die Integration der verschiedenen Kreislauftypen zur DE/SE- bzw. zur
TE/DE/SE-Kälteanlage in Folge der vollständigen Wärmenutzung (bis 90° C) eine Steigerung der Kältezahl
gegenüber dem einstufigen Kreislauf von 0,75 auf Werte über 1,3 und damit eine Steigerung der Kälteausbeute
um maximal 75 %.
Mehrstufige Sorptionskälteanlage zur effizienten Rauchgas- und Abwärmenutzung:
An dieser Stelle soll nur kurz auf die Funktionsweise der in diesem Beitrag vorgeschlagenen Triple-
Effect/Double-Effect/Single-Effect-Kälteanlage (TE/DE/SE) eingegangen werden, die eine optimale Nutzung
eines heißen Abgasstromes zum Antrieb eines Sorptionskälteprozesses erlaubt. Zu diesem Zweck wird der
einstufige Kreislauf um zwei bei höheren internen Prozessdrücken und –temperaturen betriebene Kreislaufstufen
erweitert, wobei die bei höherer Temperatur der obersten Kreislaufstufe zugeführte Antriebswärme Q2“ intern in
den nachfolgenden Prozessstufen nochmals zur Kälteerzeugung eingesetzt wird; die mehrfache interne Nutzung
der Antriebswärme zur Kälteerzeugung bestimmt das Prinzip der sogenannten „Multi-Effect-Kreisläufe“.
Zusätzlich wird nun zur optimalen Nutzung der zur Verfügung stehenden Abwärme vorgeschlagen, den
Abgasstrom seriell durch alle drei Austreiber der Kälteanlage zu führen. Damit kann eine optimale
Abwärmenutzung des heißen Abgases von Hochtemperaturbrennstoffzellen oder Gasturbinen erzielt werden. Für
eine optimierte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung im Verbund mit BHKW-Motorenanlagen ist neben einer Nutzung
des heißen Rauchgases in der oben beschriebenen Weise weiterhin eine Nutzung der über den Kühlkreislauf
(Ladeluft, Kühlwasser, Ölkühler) übertragenen Motorabwärme Q2’ vorzusehen.
Neuheiten bei Kompressionskälteanlagen
Neuheiten bei Kompressionskälteanlagen:
Zu den auf der Folie erwähnten Punkten ist noch zu erwähnen, dass es durch den Einsatz von SPS-Steuerungen
für jede einzelne Verdichtereinheit und eine übergeordnete Leittechnik möglich ist, Schaltungen zu realisieren,
in denen die einzelnen Verdichter im Optimum ihres Wirkungsgrades laufen, d.h., dass es manchmal
wirtschaftlicher ist, zwei Verdichter mit 70 % laufen zu lassen, als einen Verdichter mit 100 % und einem
zweiten mit 40 %. Dies kann aus den gemessenen Kennlinien in der Leittechnik einprogrammiert werden.
Auch werden manche Schraubenverdichter zwischenzeitlich mit geregelten FU-Ölpumpen ausgestattet, was zu
einer Optimierung des Ölflusses führt. Im Bereich der Schraubenverdichter werden Vibrationen reduziert.
Zusammenfassung:
Die Entwicklung der Sorptionskälte- und klimatechnik ist weltweit sicher sehr uneinheitlich. In der
Klimatechnik speziell ist in den amerikanischen und südostasiatischen Ländern weiter mit einer deutlichen
Zunahme an hocheffizienten direkt gefeuerten Kaltwasseransätzen zu rechnen. In energetischer Hinsicht stellt
dies jedoch keine wirksame Option zur Resourcenschonung und Emissionsminderung dar. In Nord- und
Mitteleuropa ist vielmehr eine verstärkte Nachfrage nach abwärmegefeuerten Anlagen zu verzeichnen. Es wurde
gezeigt, wie durch die Verwendung von angepassten Schaltungsvarianten das Potential, Kälte aus Abwärme zu
erzeugen, deutlich gesteigert werden kann. Durch die damit einhergehende Optimierung der Kraft-Wärme-Kälte-
Kopplung wird eine in energetischer Hinsicht gleichwertige Systemeffizienz im Vergleich zur stromgespeisten
Kompressionskälteerzeugung realistisch.
Berücksichtigt man auch zusätzlich noch das tatsächliche Teillastverhalten beider Systeme und erstellt für jedes
Objekt eine Leistungsjahresdauerlinie und ermittelt über die einzelnen Flächen die tatsächlichen Teillastbereiche
und die sich daraus ergebenden Verhältniszahlen Stromeinsatz zum Kälteeinsatz zur Kälteerzeugung oder
Wärmeeinsatz zur Kälteerzeugung, ergibt es, dass die Absorptionstechnik bei tatsächlichem praktischen
Vergleich sich gegenüber der Kompressionstechnik in keinster Weise schlechter stellt.
Dies ist aber bei jedem Anlagensystem genau zu untersuchen. Es sollte auch im Hinblick auf die
Resourcenschonung, egal bei welchem Kälteanlagentyp, nicht die preiswerteste Lösung eingebaut werden,
sondern die wirtschaftlichste Lösung über die gesamte Betriebszeit der Anlage. D.h. die Peripheriegeräte der
Anlagen, wie Verdampfer und Verflüssiger sollten der Gesamtleistung angepasst ausgelegt werden; eher etwas
großzügiger, um eine möglichst geringe Differenz zwischen t0 und tc zu erreichen.
Auch sollte vermieden werden, eine künstliche Mindestbegrenzung des tc wegen einer sogenannten
„Wärmerückgewinnung“ vorzunehmen, nur um angebliche Wärmemengenenergieeinsparungen bei Kälteanlagen
zu erreichen. Vernünftiger ist es, bei beiden Systemen das tc soweit wie möglich zu senken, was zum einen zu
einer Leistungssteigerung der Anlage führt und zum anderen auch zu einer Wirkungsgradverbesserung.
Literatur:
Döll / Otto: Ammoniakverdichter Kälteanlagen Band 1 und 2 (1993)
Siemens Kältetechnik 3000
Recknagel Sprenger: Taschenbuch für Heizung- und Klimatechnik 2001
ASHRAE Handbuch 2000
Firmenunterlagen der Mattes AG, Absorptionskälte, Berlin
Firmenunterlagen der York Industriekälte GmbH, Glinde
ZAE Bayern: Sorptionskälteanlagen für effiziente Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungen
Kennlinien der Fa. Aerzen und York Industriekälte GmbH für Schraubenverdichtern
Kennlinien der Mattes AG für NH3-Absorber
Kennlinien der York Industriekälte GmbH für Lithiumbromitabsorber
Meunier, F. et al.: Comparison of sorption systems based on second law analysis, Proc.
Absorption Heat Pump Conference, Montreal (1996)
Ziegler, F., Lamb, P.: Comparison of different liquid and solid sorption systems with
respect to low temperature driving heat, Proc. Absorption Heat Pump Conference,
Montreal (1996)
Pons, M. et al.: Thermodynamic based comparison of sorption systems for cooling and
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Stitou, D. et al.: Development and comparison of advanced cascading cycles coupling a
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Eng., n20, pp1237-1269, (2000)
Closed system adsorption in silica gel. W. Mittelbach, UFE SOLAR GmbH Pankstr. 8-10, 13127 Berlin, Germany, IEA Workshop on Advanced Storage Concepts for Solar Thermal Domestic Applications, Rapperswil, 11-10-2001.
VDI-WÄRMEATLAS Recherchieren – Berechnen –Konstruieren. Herausgeber: Verein Deutscher Ingenieure, Springer Verlag Berlin Heidelberg 1997.
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http://www.bine.info/pdf/infoplus/VaillantZeolithHeizgert.pdf
http://www.gbt.ch/_forum/000003f7.htm
http://www.solarenergy.ch/publ/materialien/Ber03_Maerz_Sorption.pdf
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28 Jun 2005
14:11:31 |
Niebergall |
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