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Absorptionskältemaschinen
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Absorptionskältemaschinen
Im Rahmen meiner Diplomarbeit suche ich dringend allgemeine Informationen (Funktionsweise, Eigenschaften,...) uber Absorptionskältemaschinen.
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17 Jul 2005
15:52:05 |
desert |
Absorptionskältemaschinen Kälte Trend Anwendung Technik Systeme Funktionsweise Eigenschaften Links Energie
Guten Tag,
im Anhnang Infos zu Ihrem Thema Absorber, viel Erfolg.
Gruss Alfred
Auszug ohne Bilder aus:http://www.energytech.at/biomasse/results.html?id=3819&menulevel1=2
Die Absorptionskältemaschine
Neben dem ORC-Prozess stellt die Niedertemperatur-Absorptionskältemaschine die zweite wesentliche Komponente der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung dar. Die im Heizkraftwerk über den ORC-Kondensator und den Warmwasser-Economiser ausgekoppelte Wärme dient als Antriebsenergie für die Absorptionskältemaschine und wird dieser in Form von Fernwärme zugeführt.
Durch den Wärmeaustausch zwischen dem Fernwärme-Wasser und dem Kältemittel (schwache Lithiumbromid-Wasser-Lösung) erfolgt im Austreiber der Absorptionskältemaschine eine Aufkonzentrierung des Kältemittels bei gleichzeitiger Verdampfung der Wasserkomponente. Der erzeugte Dampf wird im nachgeschalteten Verflüssiger durch Wärmeaustausch mit einem eigenen Kühlwasserkreislauf wieder verflüssigt und gelangt in Folge in den Niederdruckteil (Verdampfer, Absorber). Durch den geringen Druck im Verdampfer kommt es zu einer abermaligen Verdampfung des Kältemittels und damit zu einer Abkühlung des durch die Rohrbündel des Verdampfers strömenden Kaltwassers. Im nachgeschalteten Absorber wird der Kältemitteldampf von der konzentrierten Lösung absorbiert und die dabei frei werdende Wärmeü ber den Kühlwasserkreislauf abgeführt.
Die installierte Kältemaschine weist eine Kälteleistung von 2.400 kW bei einer Leistungszahl von 0,75 auf und liefert über das gesamte Jahr kontinuierlich hochwertige Niedertemperaturkälte von konstant 5°C Kaltwassertemperatur. Speziell ist dabei zu erwähnen, dass die hohe Leistungszahl bei einer sehr niedrigen Warmwasser-Vorlauftemperatur von nur rund 80°C erreicht werden kann, wodurch eine Optimierung der Strom- und Kälteproduktion gegeben ist.
Die Energiebilanz
Im nachstehend abgebildeten Energieflussbild sind die Energieströme und die Effizienz des gesamten Projektes anschaulich dargestellt. Da das Heizkraftwerk über nahezu das gesamte Jahr im Volllastbetrieb gefahren wird, weisen die einzelnen Anlagenkomponenten und somit die Gesamtanlage einen vergleichsweise hohen Jahresnutzungsgrad auf.
Die optimale Verschaltung der einzelnen Wärmerückgewinnungsanlagen (Thermoöl-ECO, Warmwasser-Economiser) führt auf Grund der damit verbundenen Senkung der Rauchgasaustrittstemperatur zu einer Minimierung der Wärmeverluste der Gesamtanlage (Rauchgasverluste < 8%).
Durch den Einsatz des ORC-Moduls ist eine effiziente Umwandlung der thermischen Energie des Thermoöls in elektrische Energie möglich. Bei einer Volllaststundenzahl von 7.500 h/a kann eine jährliche Stromproduktion von rund 8.250 MWh/a erreicht werden.
Ein Teil der über den ORC-Kondensator und den Warmwasser-Economiser ausgekoppelten und dem Fernwärmekreislauf zugeführten Wärme wird gegenwärtig bereits als Antriebsenergie für die Absorptionskältemaschine in der nahegelegenen Kältezentrale genutzt. Der restliche Teil der Wärme muss zur Zeit noch gekühlt werden, soll aber in den kommenden Jahren zur Versorgung von Fern- und Prozesswärmekunden dienen.
Thermischer Wirkungsgrad Heizkraftwerk (maximal) 74,4 %
Elektrischer Wirkungsgrad Heizkraftwerk (netto) 14,1 %
Gesamtwirkungsgrad (maximal) 88,5
http://www.gbt.ch/forum_topic.php?id=450&post_main=437
http://www.gbt.ch/forum_topic.php?f=3&id=213
Entwicklung von Membranabsorbern für
energietechnische Anlagen
1 Zusammenfassung
Im vorliegenden Projekt wurden Einsatzmöglichkeiten von Membranen in Absorptionskältemaschinen
untersucht. Im Vergleich zu Kompressionskälteanlagen brauchen Absorptionskälteanlagen
weniger mechanische Energie, sie können meist mit Abwärme betrieben werden.
Mit der innovativen Idee, Membranen in den Absorbern einzusetzen, kann eine Reihe von
Nachteilen der konventionellen Absorptionskälteanlagen beseitigt werden, insbesondere wird
die Konstruktion der Absorber mit einer bisher nicht erreichbaren Robustheit gegen
mechanische Einflüsse wie Erschütterungen möglich. Außerdem wird durch die hohe
spezifische Oberfläche der Membranen eine sehr kompakte Bauweise der Absorber ermöglicht.
Die vom ZES gewährleistete Anschubfinanzierung erlaubte es, erste abschätzende Versuche
mit einfachen Membranabsorbern durchzuführen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass
das Verfahren prinzipiell funktioniert. Es hat sich bestätigt, dass die flächenbezogene
Absorptionskapazität hoch ist und damit zu einer Miniaturisierung der Absorber führen kann.
Im Rahmen der Anschubfinanzierung durch das ZES wurde außerdem ein Antrag auf eine
Förderung der weiter führenden Arbeiten bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU)
gestellt. Der Antrag ist mittlerweile positiv begutachtet und von der DBU bewilligt, so dass die
Fortführung des Projekts gesichert ist. Für die anlagentechnische Realisierung konnte mit der
Mattes Engineering GmbH in Industriepartner gewonnen werden.
2 Stand der Technik
2.1 Überblick Absorptionskältetechnik
Kälteanlagen und Wärmepumpen, wie sie in der Kälte-, Klima- und Heizungstechnik eingesetzt
werden, sind heute üblicherweise als Kompressionsanlagen ausgeführt. Absorptionsanlagen, in
denen die mechanische Kompression durch einen Absorber-Desorber-Kreislauf ersetzt wird,
haben sich trotz signifikanter Vorteile bislang nur in engen Marktsegmenten durchsetzen
können. In Absorptionsanlagen werden derzeit praktisch ausschließlich Rohrbündelabsorber
eingesetzt, die relativ teuer und groß sind. In jüngster Zeit gibt es auch Versuche,
Plattenabsorber zu etablieren, die bei ähnlicher Funktionsweise wie die Rohrbündelapparate
durch eine einfachere Fertigung zu einer Kostenreduktion führen könnten. Die hier vorgestellte
Idee, Membranabsorber für diese Anwendungen einzusetzen, ist neu.
Ähnlich wie Absorptionsanlagen funktionieren Adsorptionsanlagen, z.B. auf der Basis von
Zeolithen, die jedoch im Moment noch keinen nennenswerten Anteil am Markt für Kälteanlagen
oder Wärmepumpen haben [1] und hier nicht weiter betrachtet werden.
Hier werden als Anwendungsgebiete der neuen Membranabsorber bzw. –desorber nur
Kälteanlagen und Wärmepumpen näher diskutiert. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die
neue Technik z.B. auch für die so genannte Wärmetransformation eignet. Ferner können
unabhängig von den hier diskutierten energietechnischen Anwendungen gekühlte oder beheizte
Membranapparate auch für andere Anwendungen der Absorption bzw. Desorption, z.B. in der
Gasreinigung, Reaktionstechnik oder Biotechnologie eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die konventionelle Absorptionstechnik der konventionellen Kompressionstechnik
am Beispiel einer Kälteanlage gegenübergestellt. Die Abbildung 1 zeigt Schemata einer
Absorptionskälteanlage sowie einer Kompressionskälteanlage. Beide Anlagen benötigen einen
Verdampfer, der die Wärme von dem zu kühlenden Objekt über eine Verdampfung bei tiefer
Temperatur und geringem Druck aufnimmt, und einen Kondensator, in dem das auf höheren
Druck verdichtete Kältemittel bei hoher Temperatur unter Wärmeabgabe an die Umgebung
kondensiert.
Während bei einer Kompressionskälteanlage der mechanisch angetriebene Gasverdichter den
Kältemitteldampf auf den zur Kondensation benötigten hohen Druck verdichtet, übernimmt
diese Funktion bei einer Absorptionskälteanlage der so genannte „thermische Verdichter“.
Absorber bzw. Desorber werden auf dem Druckniveau des Verdampfers bzw. des
Kondensators betrieben. Bei der Absorption des Kältemittels muss Wärme abgeführt werden,
bei der Desorption wird Wärme zugeführt. Um eine Kühlung gegen die Umgebung zu
ermöglichen, erfolgt die Absorption auf dem Temperaturniveau des Kondensators. Für die
Desorption muss Wärme bei höherer Temperatur bereit gestellt werden. Die Antriebsleistung
der Pumpe, die benötigt wird, um das beladene Absorptionsmittel vom Verdampferdruck auf
den Kondensatordruck zu fördern, ist im Vergleich zur Antriebsleistung des Kompressors bei
der Kompressionskälteanlage gering. Damit wird zur Bereitstellung der Kälteleistung in der
Absorptionskälteanlage im Wesentlichen nur die Heizwärme zum Betrieb des Desorbers
benötigt.
Die Anwendung der Absorptionskältetechnik ist also dort hoch interessant, wo die Wärme zum
Betrieb des Desorbers günstig zur Verfügung gestellt werden kann, z.B. als Abwärme oder über
solare Beheizung, da sie die Bereitstellung von Kälte praktisch ohne Einsatz von Primärenergie
ermöglicht. Daraus folgen auch niedrige Betriebskosten. Zudem sind Absorptionskälteanlagen
bekannt für ihre Langlebigkeit (oft über 30 Jahre) und ihren geringen Wartungsaufwand. Die
geringen Geräuschemissionen von Absorptionskälteanlagen können für Anwendungen in
unmittelbarer Nähe von Menschen ein entscheidender Vorteil sein.
Für den Betrieb von Absorptionskälteanlagen werden darüber hinaus keine FCKWs benötigt.
Vielmehr arbeiten Absorptionsanlagen mit so genannten „natürlichen“ Kältemitteln, hauptsächlich
mit den Arbeitsstoffpaaren Ammoniak / Wasser und Wasser / Lithiumbromid. Während
ersteres überwiegend in Absorptionskälteanlagen zur Erzeugung von Nutzkälte unter 0 °C
verwendet wird, findet letzteres in Klimaanlagen oder bei der Kaltwassererzeugung Anwendung.
Allerdings werden zur Zeit auch Kompressionskältemaschinen mit alternativen Kältemitteln
entwickelt [2].
Die hier für die Absorptionskälteanlagen getroffenen Aussagen gelten für die Absorptionswärmepumpen
analog.
Das Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik (ITT),
Universität Stuttgart, besitzt langjährige Erfahrungen mit dem Betrieb von Absorptionsanlagen
im Labormaßstab und mit der Untersuchung von Arbeitsstoffgemischen [3, 4, 5] sowie mit der
Modellierung und Simulation von Absorptionsprozessen [6, 7, 8, 9].
2.2 Defizite der Absorptionskältetechnik
Trotz der geschilderten Vorteile wird die Absorptionstechnik derzeit noch vergleichsweise selten
zur Kälteerzeugung oder in Wärmepumpen eingesetzt. Dies liegt im Wesentlichen an den
hohen Investitionskosten, die deutlich über denen vergleichbarer Kompressionsanlagen liegen.
Der Vorteil der geringen Betriebskosten von Absorptionsanlagen schlägt bei wirtschaftlichen
Vergleichen, bei denen der Horizont nur wenige Jahre beträgt (meist nur 3 – 5 Jahre), nicht
ausreichend zu Buche. Der Absorber ist das teuerste Aggregat der Absorptionskälteanlage und
bestimmt entscheidend die Investitionskosten.
Insbesondere im Sektor der Transportkühlung/-klimatisierung konnte die Absorptionstechnologie
bislang nicht Fuß fassen, obwohl erste Untersuchungen viel versprechende
Ergebnisse gebracht haben und die Vorteile gegenüber der Kompressionstechnologie belegen
(Untersuchungen zu Abgas betriebenen Absorptionskälteanlagen für Nutzfahrzeuge [10] und
zum Einsatz von Absorptionskälteanlagen auf Kühlschiffen unter Verwendung der
Motorabwärme [11]). Eine der größten technischen Schwierigkeiten beim Einsatz der
Absorptionstechnik im mobilen Bereich ist die Empfindlichkeit der üblichen Absorber gegen
mechanische Erschütterungen. In diesen Absorbern liegen rieselnde Fallfilme vor. Mechanische
Einflüsse stören die Strömungsmuster dabei i.a. erheblich und führen schnell zu nicht mehr
akzeptablen Einbußen in der Apparateleistung.
2.3 Handlungsbedarf
Die im Vergleich zu Kompressionsanlagen zu hohen Investitionskosten, ein zu großes
Bauvolumen des Absorbers und mangelnde Robustheit gegen Erschütterungen sind
wesentliche Hemmnisse, die eine weitere Verbreitung der Absorptionstechnologie in
Kälteanlagen und Wärmepumpen behindern und dazu führen, dass auch bei günstigen
energetischen Randbedingungen, wie der Möglichkeit der Abwärmenutzung, häufig
Kompressionsanlagen eingesetzt werden.
Daraus können folgende Schlussfolgerungen für die Weiterentwicklung von Absorptionsanlagen
abgeleitet werden:
· Der Erfolg der Absorptionstechnologie hängt wesentlich von der Reduzierung der
Investitionskosten ab. Die Investitionskosten selbst sind entscheidend von der
kostengünstigen Fertigung des Absorbers abhängig. Auf die Verbesserung des Absorbers
sind somit die Anstrengungen zu konzentrieren.
· Zur Erschließung neuer Märkte im dezentralen und mobilen Bereich muss die Absorptionskälteanlage
kompakt, leicht und robust gegen mechanische Erschütterungen sein.
Grundsätzlich gilt, dass sich dort die größten Anreize für den Einsatz von Absorptionskälteanlagen
bieten, wo Wärme günstig zur Verfügung steht, z.B. in Form von Abwärme oder
solarer Beheizung.
3 Projektidee
Von den im Projekt kooperierenden Partnern wurde vor kurzem vorgeschlagen, in
Absorptionskälteanlagen bzw. –wärmepumpen Membranabsorber und –desorber einzusetzen.
Die neue Membrantechnik hat das Potenzial, die oben genannten Defizite zu überwinden und
mit kostengünstigen, kompakten und robusten Absorbern und Desorbern den
Absorptionskälteanlagen und –wärmepumpen neue Anwendungsfelder zu erschließen. Die
Abbildung 2 zeigt die Absorptionskälteanlage mit Membranabsorber und -desorber. Ein
wesentliches Merkmal der dabei eingesetzten Membranabsorber bzw. -desorber ist die integrierte
Kühlung bzw. Heizung.
In den Absorbern bzw. Desorbern sollen zunächst Porenmembranen eingesetzt werden. Ob als
Alternative hierzu auch selektive Membranen in Betracht kommen, die i.a. geringere Durchsätze
aufweisen, muss noch untersucht werden. In jedem Fall sind die Membranabsorber bzw.
-desorber durch die Zwangsführung der Phasen wesentlich robuster gegen Erschütterungen als
die konventionellen Rohrbündelapparate.
Mit der Membrantechnik gelingt es, kompakte Absorber und Desorber zu realisieren. Während
bei herkömmlichen Rohrbündelapparaten die volumenbezogene Stoffaustauschfläche im
Bereich von 25 m2/m3 liegt, können mit Membranabsorbern leicht Werte um 500 m2/m3 erreicht
werden. Dabei beziehen sich beide Zahlenangaben auf die effektive Stoffaustauschfläche, d.h.
bei diesem Vergleich ist bereits berücksichtigt, dass bei Porenmembranen nur etwa 40% der
Membranfläche für den Stoffübergang zur Verfügung steht.
Bei der Bewertung von Membrananlagen spielen Standzeiten häufig eine entscheidende Rolle.
Aus dem Betrieb von Membran-Lösungsmittelaufbereitungsanlagen, in denen Ammoniak
belastete Abwässer durch Pervaporation gereinigt werden, liegen Langzeiterfahrungen vor, die
zeigen, dass diese Probleme bei dem wichtigsten hier interessierenden Stoffpaar beherrschbar
sind.
Die Preise von Membranmaterialien sind in den letzten Jahren durch das sich vergrößernde
Marktvolumen deutlich gesunken. Bei größeren Stückzahlen sind Gestehungskosten von unter
100 €/m2 realistisch. Es stehen zahlreiche ausgereifte Membranmaterialien und Trägermaterialien
zum Bau kompakter Membranmodule zur Verfügung. Auch druckstabile Keramikmembranen
sind verfügbar, die in jede beliebige Form gebracht werden können.
Die Diskussion zeigt, dass eine Realisierung der Idee, die dem Projekt zugrunde liegt,
grundsätzlich möglich ist. In Vorarbeiten (siehe Abschnitt 4) wurde ein Machbarkeitsnachweis
experimentell erbracht.
4 Forschung am ITT
4.1 Entwicklung von Membranabsorbern – Abschätzende Versuche
Am ITT wurden mehrere in ihrer Komplexität unterschiedliche Absorberkonzepte ausgearbeitet:
· Dialysemodul
· Plattenmodul
· Schlauchmodul
· Modul mit integrierter Kühlung
Für erste Versuche mit Membranmodulen wurde ein Dialysemodul gekauft, das sich aber zur
Ammoniak-Absorption auf Grund von Undichtigkeiten nicht eignete. Ebenfalls als ungeeignet
stellte sich ein Plattenmodul heraus, in dem die Flüssig- und Gasphase durch eine ebene
Keramikmembran getrennt waren [12].
Deutlich viel versprechender erwiesen sich Konzepte mit Hohlfasermembranen aus Polypropylen.
Die verwendeten Hohlfasern haben einen Außendurchmesser von 2,7 mm, eine
Wanddicke von 0,45 mm und eine maximale Porengröße von 0,64 mm.
Ein einfacher Aufbau eines Hohlfasermoduls ist in Abbildung 3 mit dem so genannten
Schlauchmodul dargestellt.
Abbildung 3: Schlauchmodul
Mit diesem Schlauchmodul, in dem eine ca. 20 cm lange Hohlfasermembran in einem Schlauch
befestigt ist, erfolgten erste belastbare Versuche. Im Bereich geringer Ammoniak-
Konzentrationen der Flüssigphase wurden im Rahmen einer Master’s Thesis [13] Messungen
durchgeführt, die in der Zukunft durch Messreihen bei hohen Ammoniak-Konzentrationen in der
Flüssigphase ergänzt werden sollen.
Bei den Versuchen wurde eine Ammoniak-Absorptionsleistung von ungefähr 147 g/m2s,
entsprechend einer Kälteleistung von ca. 175 kW/m2, erzielt. Dies übertrifft die Erwartungen
deutlich. Die vorliegenden Ergebnisse bestätigen die Machbarkeit des Verfahrens.
Für zukünftige Versuche wurde ein modular aufgebauter Absorber entworfen und hergestellt,
der aus Absorptionsmodulen und Kühlmodulen, besteht. Die
Absorptionsmodule bestehen aus 126 Hohlfasermembranen der Länge 10,5 cm. Die
Kühlmodule sollen für eine konstante Absorptionstemperatur sorgen und damit verhindern, dass
durch eine Temperaturerhöhung das Gleichgewicht früher erreicht wird und damit die
Absorption zum Erliegen kommt.
Die vorgeschlagene Variante erlaubt einen modulartigen Aufbau des Apparates aus zwei
Grundelementen, die in beliebiger Anzahl und Anordnung als so genannter Stack zusammengesetzt
sind. Damit lässt sich die gewünschte Leistung des Absorbers durch die Anzahl der
Membranmodule steuern, und je nach notwendiger Kühlleistung werden Kühlmodule
dazwischen gesetzt.
Eine Skizze der beiden Module findet sich in Abbildung 6. Sie zeigt eine Aufsicht auf die beiden
aus Kunststoff gefertigten Grundkörper (punktiert) mit Kanälen und eingebauten
Hohlfasermembranen bzw. Rohren. Im Bild links sind die Teile grau unterlegt, die gasförmigen
Ammoniak führen, im Bild rechts sind die Teile grau unterlegt, die Kühlwasser führen.
Beide Grundelemente bestehen aus dem gleichen, symmetrischen Kunststoffrahmen, der einen
zentralen Kanal (1) für das Lösungsmittel (Wasser, Strömung senkrecht zur Bildebene) und vier
weitere, symmetrisch im Randbereich angeordnete Zu- bzw. Ablaufkanäle für das Gas (2, Strömung
senkrecht zur Bildebene) und das Kühlmedium (4, Strömung senkrecht zur Bildebene)
besitzt. Durch Dichtelemente zwischen den Grundelementen (in Abbildung 4 nicht dargestellt)
werden die Kanäle gegeneinander sowie gegen die Umgebung geeignet abgedichtet.
Im ersten Grundelement (in Abbildung 4 links) sind die zwei gegenüberliegenden
Zu-/Ablaufkanäle für den Ammoniak (2) durch Membran-Hohlfaserleitungen (3, Strömung des
Gases in Bildebene) verbunden. Im zweiten Grundelement (in Abbildung 4 rechts) sind die zwei
gegenüberliegende Zu-/Ablaufkanäle für das Kühlmedium (4) durch Metallrohre (5, Strömung
des Kühlwassers in Bildebene) verbunden. Das Lösungsmittel (Wasser) durchströmt den
zentralen Kanal in der Mitte und wird so durch einen Stack aus beliebig vielen Grundelementen
geleitet, in dem es entweder Hohlfasermembranen oder Kühlerwasserrohre umströmt.
4.2 Modellbildung
Im Rahmen der Arbeiten am ITT dienten überschlägige Rechnungen zur Bestimmung der
notwendigen Drücke und Temperaturen im Absorber in Abhängigkeit von der gewünschten
Kälteleistung. Für eine Kälteleistung von 7 kW, wie sie in PKW üblich ist, wäre eine
Absorberfläche von nur etwa 0,04 m2 nötig. Auch wenn zu berücksichtigen ist, dass die
Absorptionsleistung bei höheren Ammoniak-Konzentrationen der Flüssigphase abnehmen wird,
ergeben sich immer noch sehr kleine Baugrößen. Selbst eine um einen Faktor 100 schlechtere
Absorptionsleistung führt bei typischen Flächendichten bei Membranabsorbern (bis zu
1000 m²/m³) zu einer Baugröße von nur 4 l. Die Aussicht, den Absorber in dieser (kleinen)
Größe bauen zu können, ist Motivation, um das Projekt auch in Zukunft voranzutreiben.
4.3 Ausblick
Zur genauen Beurteilung des Absorptionsverhaltens unter realistischen Bedingungen müssen
noch Versuche mit hohen Ammoniak-Eintrittskonzentrationen in der Flüssigphase gefahren
werden. Für Anwendungen in Kältekreisläufen ist es wichtig, dass die Absorption nahezu bis zur
Sättigung abläuft, so dass der entstehenden reichen Lösung im Desorber auch wieder das
Ammoniak ausgetrieben werden kann.
Die bestehende Versuchsanlage wird in Zukunft kontinuierlich erweitert. Dazu gehört auch die
Bereitstellung eines Desorbers, der insbesondere auch als Ammoniak-Zufuhr bei hohen
absorbierten Mengen dienen soll. Parallel zu den Versuchen werden Simulationen durchgeführt,
die die Beobachtungen möglichst genau wiedergeben sollen.
Bis Mitte 2004 sollen genaue Daten zur Absorptionskapazität vorliegen, die dann auch als
Grundlage einer Markt- und Wirtschaftlichkeitsstudie dienen sollen.
Literatur
[1] Entwicklung einer Heizkessel-Wärmepumpe, Zeo-Tech Zeolith-Technologie GmbH, DBU AZ
10266/02.
[2] Untersuchung der Eignung einer Kältemaschine mit CO2 als Arbeitsmedium zur Fahrzeugklimatisierung.
DBU, AZ 05279 .
[3] Hengerer, R.: Untersuchungen des ternären Gemisches Trifluorethanol-Wasser-Tetraethylenglykoldimethylether
als Arbeitsstoffgemisch für Wärmetransformatoren. Dissertation Universität Stuttgart,
1991.
[4] Genssle, A.: Wärmetransformation mit dem Arbeitsstoffpaar Trifluorethanol- Tetraethylenglykoldimethyl
ether. Dissertation Universität Stuttgart, 2001.
[5] Seher, S.; Stephan, K.: Arbeitsgemische für Sorptionswärmepumpen. Kälte-Klima-Heizung, Seiten
865-876, 1995.
[6] Butz, D.; Stephan, K.: Dynamic Behaviour of an Absorption Heat Pump. Int. J. Refrig., Vol. 12,
Seiten 204-212, 1989.
[7] Schmitt, M.: Dynamisches Verhalten von Absorptionswärmetransformatoren am Beispiel einer mit
NaOH-H2O betriebenen Anlage. Dissertation, Universität Stuttgart, 1996.
[8] Hackner, M.; Weimer, T.; Stephan, K.: Steady-state and Dynamic Simulation of Horizontal Tube
Absorbers. Proc. Of the Int. Sorption Heat Pump Conf., Shanghai, 2002.
[9] Hackner, M.: Modellierung, Simulation und Analyse der Absorption in horizontalen
Rohrbündelapparaten von Sorptionsanlagen. Dissertation, Universität Stuttgart, 2003.
[10] Köhler, J.; Tegethoff, J.; Westphalen, D.; Sonnekalb, M.: Absorption Refrigeration System for
Mobile Applications Utilizing Exhaust Gases. Heat and Mass Transfer, Vol. 32, No. 5, Seiten 333-
340, 1997.
[11] Zengzhi, Y.: Systemtechnische Untersuchung von Ammoniak -Absorptionskälteanlagen für die
Schifffahrt. Dissertation TU Hamburg-Harburg, 1997.
[12] Kazmierczak, R.: Membranabsorption mit simultaner Kühlung: Herstellung eines gekühlten
Membranabsorbers und Aufbau der Versuchsanlage. Studienarbeit, Universität Stuttgart, 2004.
[13] Dodda, N.: Experimental Study on Ammonia Absorption in Water through Polymeric Membranes.
Master’s Thesis, Universität Stuttgart, 2004.
Auszug ohne Bilder aus:http://www.zes.uni-stuttgart.de/deutsch/downloads/ZES_2004_0002_Membranabsorption.pdf
Diese Anlage ist ein Meilenstein”, betont Dipl.-Ing. Dipl.-
Wirt.Ing. Dietmar Wenner, Leiter der Abteilung Versorgungsund
Medientechnik der RWTH. In dieser Funktion ist er unter
anderem zuständig für den Betrieb des ursprünglichen
Heizwerkes in Seffent-Melaten, dessen Ausbau er in den
vergangenen Jahren mit viel Herzblut voran trieb. „Vor nicht
allzu langer Zeit standen hier im wesentlichen drei große
Kessel, die warmes Wasser produzierten”, formuliert er
leicht süffisant und beschreibt dann engagiert gemeinsam
mit Manfred Schröder den erreichten technischen Standard.
Die modernisierte Einrichtung verfügt jetzt als effiziente Energiezentrale
über eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, kurz
KWKK genannt. „Ein erster Schritt dorthin wurde getan, als
vor etwa zweieinhalb Jahren die Kälteanlagen ausgetauscht
werden mussten”, berichtet Wenner. Diese Maschinen arbeiteten
noch mit dem Kühlmittel R12, einem ozonschädigenden
Fluorchlorkohlenwasserstoff. Sie wurden ersetzt
durch zwei Absorptionskältemaschinen mit je einem Megawatt
und einer Kompressionskälteanlage mit zwei Megawatt
Kälteleistung. „Damit wurden die Voraussetzungen für die
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung geschaffen”, erläutert Schröder,
Betriebsleiter des Heizwerkes als Nachfolger von Wilfried
Gardon, selbst bereits seit 16 Jahren in der Energieversorgung
der Hochschule tätig. Vorteil der neuen Absorber-
Kältemaschinen sei nämlich, dass sie Wärme durch thermische
Verdichtung in Kälte umwandeln. So kann die bei der
Stromerzeugung entstehende Abwärme zur Kälteerzeugung
genutzt werden.
Vom Heizwerk zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
Zum vorläufigen Abschluss kam der Ausbau des Werks im
Norden der Hochschule dann im Juni dieses Jahres. Ende
2003 hatte die RWTH die Anmietung und Wartung eines
Blockheizkraftwerk-Moduls ausgeschrieben. „Planung, Erarbeitung
des Gesamtkonzeptes wie auch die Ausschreibung
erfolgte in Eigenregie und nicht wie üblich über den Bauund
Liegenschaftsbetrieb”, betont Wenner. Die Stadtwerke
Aachen konnten sich mit dem günstigsten Angebot gegen
die Mitwettbewerber durchsetzen. Im Februar 2004 begannen
die Installationsarbeiten für das BHKW, die Stawag investierte
insgesamt rund eine Million Euro. Die RWTH wurde
als Betreiberin der Anlage für zwölf Jahren zur Mieterin, ihre
monatlichen Zahlungen belaufen sich auf 10.000 Euro. Für
dieselbe Laufzeit schloss sie mit der Stawag außerdem einen
Wartungsvertrag ab.
Seit September läuft die Anlage jetzt einwandfrei, so
Schröder. Die mit Erdgas betriebene Maschine des Blockheizkraftwerks
produziert Strom, etwa ein Drittel des Gesamtbedarfs
der Hochschulinstitute im Erweiterungsgebiet.
Im Verbund mit den Absorptionskältemaschinen wird aus
der dabei anfallenden Wärme wiederum Kälte produziert.
Und neben den ökologischen Vorteilen bringe dies handfeste
finanzielle Gewinne mit sich, wie Wirtschaftsingenieur
Wenner unterstreicht: „Die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
ermöglicht uns, das Gas als eingekaufte Primärenergie optimal auszunutzen.” Zudem sei es gelungen, Ende 2003 mit
der Eon Ruhrgas AG einen Gasliefervertrag abzuschließen,
der über zwei Jahre einen sehr günstigen Festpreis garantiere.
„Damit stimmt derzeit die Schere zugunsten der Hochschule:
Während die Energiepreise steigen, können wir kostengünstig
versorgen.” Wenner schätzt die Einsparungen
bis Ende 2005 auf mehrere Hunderttausend Euro und warnt
aber gleichzeitig davor, dies auf die weitere Zukunft hochzurechnen:
„Von der Erdölpreisentwicklung sind wir nur vorläufig
entkoppelt.”
Versorgung einer mittleren Stadt
Grundsätzlich ist die Betriebstechnik der Hochschule in ihrer
Struktur durchaus mit dem Versorgungswerk einer mittleren
Stadt vergleichbar, beschreibt Manfred Schröder. So werden
alle Gebäude im Nordwesten der Hochschule einschließlich
Universitätsklinikum und Feuerwache mit Wärme, ein Großteil
davon mit Kälte und darüber hinaus noch eine Reihe von Instituten
mit Druckluft versorgt. Aufgrund der regen Bautätigkeit
in Seffent-Melaten werde der Bedarf noch wachsen,
„wobei der hohe Technisierungsgrad mit einem hohen Klimatisierungsbedarf
einhergeht”, wie Wenner resümiert. Ursache
sei nicht zuletzt das Hochschulentwicklungskonzept,
das eine Verlagerung der technikintensiven Bereiche in das
Erweiterungsgelände unter anderem aus Gründen des Immissionsschutzes
im städtischen Bereich vorsähe. „Die Reinraumtechnologien
der Halbleiterinstitute brauchen ebenso
wie große Maschinen oder Versuchseinrichtungen entsprechende
Kühlung.”
Angesichts der jetzt verfügbaren Technologie sei es auf
jeden Fall möglich, nun thermodynamische Kreisprozesse zu
koppeln und einen hohen Energienutzungsgrad von weit
über 80 Prozent zu erreichen, zieht Wenner als Fazit. Und
erwartungsgemäß läuft der Motor des neuen Blockheizkraftwerks
derzeit unter Volldampf. Die garantierte Verfügbarkeit
des Moduls liegt bei 95 Prozent, das sind mehr als 8.000 Betriebsstunden
im Jahr. Die wenigen Stillstandszeiten sind
notwendig für kleinere Wartungen. In sieben Jahren ist eine große Revision erforderlich, was laut Schröder bedeutet,
„dass die Anlage komplett zerlegt und überholt wird”. Diese
Kosten sind bereits über den Wartungsvertrag abgegolten,
nach insgesamt zwölf Jahren geht das BHKW allerdings
in das Eigentum der Hochschule über. „Wir werden dann
entscheiden müssen, ob eine weitere Generalüberholung
noch sinnvoll ist”, meint Abteilungsleiter Wenner.
Energiezentrale ist noch ausbaufähig
Für die nähere Zukunft hält er den Ausbau der Kapazitäten
in Seffent-Melaten für durchaus wünschenswert. Mit einem
zweiten Blockheizkraftwerk-Modul würden die Energieexperten
der Hochschulverwaltung die RWTH für die nächsten
Jahre optimal gerüstet sehen, wenngleich sie unumwunden
zugeben, dass „wir schon die nächste Anlage konzeptionell
planen, kaum dass wir die erste ausgepackt haben.” Für
verbesserungsbedürftig halten sie in jedem Fall die Hydraulik
des Kaltwassernetzes, denn vor allem in älteren Gebäuden
muss noch zusätzliche elektrische Energie für Pumpen aufgewendet
werden: „Wir bekommen die Kälte sonst nicht
hinein.” Und nicht nur dieses Beispiel mache deutlich, dass
die technische Versorgung der über viele Jahrzehnte gewachsenen
Hochschule kein einfaches Unterfangen ist. Machbar
sei das nur bei konstruktiver Mitarbeit sämtlicher Bereiche
wie beispielsweise Lüftung, Sanitär, Heizung, Klima und der
Elektrotechnik, betont Wenner nachdrücklich: „Nur das Zusammenspiel
aller führt zu wirtschaftlichen Ergebnissen.”
Auszug aus:http://www-zhv.rwth-aachen.de/zentral/dez3_insight_insight_4_04.pdf
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18 Jul 2005
11:05:44 |
Alfred |
Absorptions Kälte Grundlagen Anwendungen Hersteller Mattes Abwärme Trend Anwendung Technik Systeme Funktionsweise Eigenschaften Links Energie
Guten Tag,
Links und Text zu Ihrem Thema.
Gruss Antoine
Grundlage Kälte aus Wärme
Kälteerzeugung erfolgt heute mit Kompressions-Kälteanlagen, die mittels elektrischer Energie angetrieben werden. Es können aber auch andere Verfahren, z.B. Absorptions-Kälteanlagen, eingesetzt werden. Anders als beim Kompressions-Kälteprozeß wird in der Absorptions-Kälteanlage der Kältemitteldampf nicht mechanisch, sondern durch eine geeignete Flüssigkeit (Absorptionsmittel, Mehrkomponentengemisch) im Absorber gelöst (verflüssigt) und in der Flüssigphase verdichtet. Anschließend wird das Kältemittel dann durch Zufuhr von Wärme wieder aus der Lösung ausgetrieben und kann wie in der Kompressions-Kälteanlage 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 Kompressions-Kälteanlagen.
Absorptions-Kälteanlagen haben besonders günstige Betriebseigenschaften
• Antrieb durch "billige" (Ab) Wärme, geringer Bedarf an elektrischer Energie, kleine elektrische Anschlußleistungen,
• einfacher Aufbau, einfache Bedienung und Unterhaltung,
• Zuverlässigkeit, überlegene Verfügbarkeit,
• günstiges Teillastverhalten bei proportionaler Abnahme der erforderlichen Wärmezufuhr,
• Anspruchslosigkeit im Hinblick auf Ersatzteilbedarf,
• außer Pumpen keine beweglichen, verschleissbehafteten Maschinen,
• umweltfreundliche Arbeitsstoffe,
• das Kältemittel ist ölfrei,
• geringer Geräuschpegel, keine Vibrationen,
• problemlose Aufstellung im Freien (gilt für Ammoniak Absorptions-Kälteanlagen), lange Lebensdauer.
Verfügbare Verfahren
Für den Einsatz in Absorptions-Kälteanlagen eignen sich etwa zehn Stoffpaare als Arbeitsmittel. Bisher werden jedoch nur zwei Stoffpaare in Kälteanlagen technisch eingesetzt.
Technisch verfügbare Stoffpaare für Absorptions-Kälteanlagen
Lithium Bromid Absorption
Ammoniak /Wasser Absorption
Kältemittel Wasser /Ammoniak
Lösungsmittel /Lithium Bromid Lösung /Wasser
Wasser/Lithium-Bromid Absorptions-Kälteanlagen
• Wasser ist das Kältemittel und die wäßrige Lithium-Bromid-Lösung das Lösungsmittel, das Kältemittel Wasser verhindert den Einsatz unter 0°C,
• Lithium-Bromid Salz in wäßriger Lösung ist nahezu ungiftig, nicht brennbar und geruchlos,
• werden fast ausschließlich zur Kaltwassererzeugung in der Klimatechnik eingesetzt, Kaltwasser-Austrittstemperaturen bis etwa +5°C sind realisierbar,
• Arbeitsdrücke im Verdampfer und im Kondensator liegen im tiefen Vakuum,
• werden als Kompaktsätze und in großen Stückzahlen kostengünstig in Serie gebaut.
Ammoniak/Wasser Absorptions-Kälteanlagen
• Ammoniak ist das Kältemittel und Wasser das Lösungsmittel,
• Ammoniak ist ätzend, riecht stechend und ist giftig, allerdings warnt der stechende Geruch rechtzeitig und verhindert so im allgemeinen gesundheitliche Schädigungen,
• Ammoniak-Luft-Gemische sind kaum entzündbar, sind aber bei hohen Ammoniak-An-teilen von 15,5 bis 27 Vol.% explosiv,
• in Wasser gelöstes Ammoniak ist ätzend,
• Ammoniak ist erheblich leichter als Luft,
• Ammoniak ist bei Umgebungsdruck oberhalb von minus 33,4°C gasförmig, Anlagen mit Verdampfungstemperaturen < minus 33°c arbeiten daher unterhalb umgebungsdruck (vakuum),
• tiefe Temperaturen bis -60°C (-65°C) sind erreichbar,
wegen der erhöhten Systemdrücke ist die Herstellung dieser Anlagen teurer als jene, die Lithium-Bromid als Arbeitsmittel verwenden
Verfahrensbeschreibung
Das grundsätzliche Verfahren der Absorptions-Kälteanlagen 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 Absorptions-Kälteanlagen kann mit dem der Kompressions-Kälteanlagen verglichen werden, wobei der mechanische Verdichter durch einen "thermischen Verdichter" ersetzt wird.
Vergleich der Verfahren Kompressions-/Absorptions-Kälteanlagen
Kompressions-Kälteanlage/ Absorptions-Kälteanlage
Verdichter/ mechanisch/ thermisch
Kreisläufe/ Kältemittel/ Kältemittel Lösungsmittel
Kältemittelkreislauf
• dem verdampfenden Kältemittel wird im Verdampfer bei entsprechendem Druck und entsprechender Temperatur Wärme (Kälte) Qverd zugeführt,
• der Kältemitteldampf wird abgesaugt und durch Energiezufuhr Nk im Verdichter auf höheren Druck verdichtet,
• im Kondensator wird das Kältemittel durch Wärmeabfuhr Qcond an die Umgebung verflüssigt,
• das verflüssigte Kältemittel gelangt über das Entspannungsventil wieder in den Verdampfer,
Absorptions-Kälteanlage
Absorptions-Kälteanlage (thermischer Verdichter)
Lösungsmittel-Kreislauf
• der Kältemittel-Kreislauf ist im Prinzip identisch zu anderen Kälteanlagen mit mechanischen Verdichtern.
• der Lösungsmittel-Kreislauf, der aus einer Kette hintereinandergeschalteter Wärmetauscher besteht, läßt sich als "thermischer Verdichter" bezeichnen.
• Saugseite = Absorber
Druckseite = Austreiber
Lösungsmittel-Kreislauf
Das dampfförmige Kältemittel des Kältemittel-Kreislaufes wird von der "armen" Lösung mit niedriger Kältemittelkonzentration in einem kombinierten Stoff- und Wärmeaustauschvorgang absorbiert. Die "arme" Lösung reichert sich mit dem Kältemittel unter Abgabe der Wärme Qabs zu einer höheren Konzentration an. Die Lösungspumpe fördert die nun "reiche" Lösung aus dem Absorber in den Austreiber. Hier wird das Kältemittel durch Zufuhr der Wärme Qdes ausgetrieben (desorbiert) und strömt dampfförmig dem Kondensator (Verflüssiger) zu. Die "reiche" Lösung wird durch den Abzug des Kältemitteldampfes wieder zu "armer" Lösung.
Über das Entspannungsventil expandiert die "arme" Lösung auf den niedrigen Absorberdruck und gelangt schließlich wieder in den Absorber. Damit ist der Lösungskreislauf geschlossen. Im Temperaturwechsler (oder Lösungswärmetauscher) wird die den Austreiber verlassende heiße "arme" Lösung im Gegenstrom zu der kalten "reichen" Lösung geführt und durch Wärmeaustausch abgekühlt. Eine Besonderheit der Ammoniak Absorptions-Kälteanlagen ist die Notwendigkeit der Rektifikation des den Austreiber verlassenden Kältemitteldampfes (nicht dargestellt).
Ammoniak Absorptions-Kälteanlagen
Die wirtschaftlichen Leistungsgrenzen sind:
Verdampfungstemperatur C 0 bis -60 (-65)
Kälteleistung kW praktisch unbegrenzt, aufgeteilt in parallele Einzelstränge je 10 MW
Ammoniak Absorptions-Kälteanlagen angepasste Anlagen, die analog zum Anlagenbau individuell ausgelegt und ausgerüstet werden, gibt es für mittlere und kleine Kälteleistungen vordefinierte Ammoniak Absorptions-Kälteanlagen.
Quellen:
http://www.mattes-int.com
http://www.treffpunkt-kaelte.de/kaelte/de/de_start.html?/kaelte/de/html/komponenten/absorber/mattes/mattes_t1.html
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18 Jul 2005
17:50:34 |
Antoine |
Absorptions Kälte Grundlagen Anwendungen Hersteller Mattes Abwärme Trend Anwendung Technik Systeme Funktionsweise Eigenschaften Links Energie
Ich suche eine Absorptions Kälteanlage mit 5-8 kW Leistung für die Kühlung eines Einfamilienhauses
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02 Aug 2006
10:42:03 |
Dietrich Lehmann |
Absorptionskältemaschinen Kälte Trend Anwendung Technik Systeme Funktionsweise Eigenschaften Links Energie
Kann sich bitte der Verfasser dieses Textes also
Alfred sich mit mir Kontaktieren. Weil ich bezüglich absorptionsk. eine Ausführliche Studienarbeit schreibe. yunusum1983@hotmail.com
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09 Feb 2009
21:54:14 |
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Kann sich bitte der Verfasser dieses Textes also
Alfred sich mit mir Kontaktieren. Weil ich bezüglich absorptionsk. eine Ausführliche Studienarbeit schreibe. yunusum1983@hotmail.com
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09 Feb 2009
22:01:01 |
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