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Kompressionswärmepumpe mit Lösungskreislauf und dem Kältemittelgemisch Ammoniak-Wasser

Kompressionswärmepumpe mit Lösungskreislauf und dem Kältemittelgemisch Ammoniak-Wasser

Wärmepumpen kommt eine zentrale Bedeutung in der Wärmerückgewinnung zu. Mit ihnen kann Abwärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein, zur Nutzung interessantes, höheres Temperaturniveau gebracht werden. Für eine Vielzahl an Anwendungen muss dabei im Vergleich zu elektrischen Heizungen oder eines fossilen Heizkesseln weniger Primärenergie aufgebracht werden. In Wärmepumpen kamen bisher FCKW und FKW als Arbeitsfluide zum Einsatz. Aufgrund deren Ozonabbau- bzw. Treibhauspotentials sollen diese nach und nach durch natürliche Kältemitteln ersetzt werden. Insbesondere für Hochtemperaturwärmepumpen fehlt ein natürliches Kältemittel, das eine geeignete Drucklage bei Nutztemperaturen von über 80 °C besitzt. Dies trifft auch auf Ammoniak zu, dessen Kondensationsdruck bei 100°C über 60 bar beträgt. Kälteanlagenkomponenten sind aber typischerweise nur für Drücke bis 25 bar, selten auch bis 40 bar, am Markt verfügbar. Durch Zugabe von Wasser kann der Kondensationsdruck beliebig gesenkt werden. Allerdings bringt das Wasser im Kreislauf einige technische Herausforderungen mit sich. Insbesondere wird im Vergleich zu einer einfachen Kompressionswärmepumpe eine Flüssigkeitspumpe zur Förderung des entgasten Kältemittelgemisches notwendig, da dieses nicht vollständig verdampft werden kann. Die so entstehende Kombination aus Absorptions- und Kompressionswärmepumpe wird auch Kompressionswärmepumpe mit Lösungskreislauf oder Hybridwärmepumpe genannt (Dieser letzte Begriff wird allerdings auch für andere Wärmepumpentechnologien verwendet, die mit diesem Kreisprozess nichts zu tun haben.). Durch die Nutzung eines Gemisches aus Ammoniak und Wasser als Arbeitsfluid können allerdings auch zwei Vorteile erreicht werden: Zum einen lassen sich Betriebstemperatur und Druck durch die Zusammensetzung des Arbeitsfluids beeinflussen, zum anderen führt die gleitende Verdampfungs- und Kondensationstemperatur des Zweistoffgemisches zu einer geringen Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsfluid und Wärmeträger und somit zu einer höheren Effizienz der Anlage.

Wegen des komplexeren Aufbaus der Hybridwärmepumpe im Vergleich zu einer handelsüblichen Kompressionswärmepumpe muss eine sorgfältige Auslegung und Optimierung des Kreislaufs erfolgen. Ein weiteres Problem stellen Verdampfer und Kondensator dar. Der theoretische Kreislauf wurde mit Hilfe der Software EES® und der externen Stoffdatenroutine AWMIX® nachgebildet. Dieses Modell ermöglicht einen Einblick in das thermodynamische Verhalten des Kreisprozesses, sowie eine Variation von verschiedenen Betriebsparameter wie Ammoniakgehalt des Arbeitsfluids und Dampfgehalt nach dem Verdampfer. Basierend auf diesen Optimierungen wurde das theoretische Modell zur Auslegung einer Technikumsanlage mit einer Nennheizleistung von 62 kW genutzt. Diese Versuchsanlage wird derzeit dazu genutzt, das Betriebsverhalten der einzelnen Komponenten zu analysieren sowie Langzeitbetrachtungen hinsichtlich der Stabilität des Kältemittel-Öl-Gemisches anzustellen.

© IfT, Leibniz Universität Hannover

BEARBEITUNG

M. Sc. Maximilian Loth
Adresse
An der Universität 1
30823 Garbsen
Gebäude
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