- Langjahrige Arbeit beim Einsatz
der Adsorptionskältetechnik haben gezeigt, daß das
Einsatzpotential in Hinsicht der Ausnutzung von Ab- bzw. Niedertemperaturquellen
sehr groß ist.
- Eine breite Markteinführung
scheiterte bisher an den zu hohen Investitionskosten und der
eingeschränkten Produktpalette.
- Insbesondere im Bereich der
Gebäudetechnik eröffnete sich
in den lezten Jahren durch den Einsatz von Sonnenkollektoranlagen
und Klein-BHKW die Möglichkeit der kostengünstigen
Heißwassernutzung. Bisher scheiterte die Nutzung dieser
Potentiale zur Raumklimatisierung, da keine Adsorptionskältemaschine
im ab 10kW zur Verfügung stand.
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- Der Einsatz moderner Werkstoff-
und Fertigungstechnologien sowie leistungsfähigerer Maschinensteuerungen
ermöglicht heute einen wesentliche Verbesserung der Maschinentechnik.
Mit dem Entwicklungsprogramm, daß vom BMBF gefördert
wird, verfolgt die Firma GBU mbH das Ziel, eine wesentlich verbesserte
Maschinenreihe auf den Markt zu bringen.
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- Forschungsziel
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- Entwicklung einer Baureihe einer
Adsorptionskältemaschine zur Nutzung von Niedertemperaturabwärme
im Bereich von 50 - 100°C für die Produktion von Kaltwasser
ab 2°C für Klimatisierung und Kühlung.
Die Kältemaschine soll modular aufgebaut und in einem Leistungsbereich
von 10kW bis zu 1MW Kälteleistung verfügbar sein. Außerdem
wird die Kältemaschine entsprechend den Einsatzbedingungen
dimensionierbar sein.
- Bearbeitungsschwerpunkte:
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- Entwicklung
eines veränderten Grundaufbaus (Modulform)
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- Für die neue Kältemaschine
wurden die Prozeßträger (das Verdampfersystem und
der Adsorptionswärmetauscher) in eine Gehäusekammer
integriert.
Der Verdampferwärmetauscher wurde als ein kombiniertes Verdampfer-/Kondensatorsystem
konzipiert. Mit diesem Grundaufbau verbinden sich folgende technische
Möglichkeiten, die für den thermischen Wechselbetrieb
von Vorteil sind:
- Die Adsorptionswärmetauscher
werden in speziell berippte Wärmetauscherplatten ausgeführt,
was eine verbesserte Wärmeübertragung im Silicagelbett
ermöglicht. Im Verbund mit den ähnlich ausgeführten
Verdampfer-/Kondensatorplatten erlauben sie eine optimale Kompaktierung
des Kältemaschinenmoduls. Die Modulgröße reduziert
sich dadurch um ca. 60%.
Die unter Vakuum stehende Prozeßkammer weist eine minimale
Kondensationsoberfläche auf, und hat keine beweglichen Teile
mehr. Das Einzelmodul besteht somit nur aus dem Vakuumgehäuse
mit den Wärmetauschern und der externen Verschaltung der
hydraulischen Kreise.
Aus den Kältemaschinenmodulen können je nach Einsatzbedingungen
speziell konfektionierte Maschinensysteme zusammengesetzt werden:
Sinlemodulbetrieb, Doppelmodulbetrieb, Vielfachmodulbetrieb.
Beim Vielfachmodulbetrieb werden entsprechend der erforderlichen
Kälteleistung eine bestimmte Anzahl von Standardmodulen
(z.B. 20kW) parallel verschaltet. Dabei befindet sich die eine
Hälfte der Module in Verdampfungs- / Adsorptionsbetrieb
und die andere in Desorptions- / Rekondensationsbetrieb. Unter
bestimmten Einsatzbedingungen (thermische Vorgaben der Arbeitskreise)
wie z.B. hohe Kühlwassertemperaturen verändern sich
die spezifischen Zyklenzeiten. Hier ist es sinnvoll die Anzahl
der Module ungleichmäßig zu verteilen. Es befinden
sich dann z.B. mehr Module in der Adsorptions- als in der Desorptionsphase.
Der Grundaufbau des Maschinenprototyps ist in folgendem Schema
dargestellt:
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- Entwicklung
eines optimierten Platten-Wärmetauscher zur Festbettwärmeübertragung
mit Silicagel
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- Die Leistungsfähigkeit
des Systems zur Festbettwärmeübertragung im Silicagel
ist entscheidend für die Gesamtleistung und den Wirkungsgrad
der Kältemaschine.
Die Prozesse der Adsorption und Desorption des Kältemittels
sind gekennzeichnet durch folgende Parameter:
- Der sehr geringe Wärmeübertragungsfaktor
vom Metall (Aluminium) zum Silicagel ist der limitierender Parameter
bei der Temperierung des Silicagels und nur durch entsprechend
hohe Wärmeübertragungsfläche zu kompensieren.
Beim bisherigen System wurden hochberippte, mit Silicagel gefüllte
Rohre eingesetzt. Die Rippen haben eine Wandstärke von 0,5mm.
Berechnungen haben gezeigt, daß bei den vorherrschenden
thermodynamischen Parametern eine Rippendicke von ca. 0,1 mm
für die Wärmeleitung (bei einer Schüttungshöhe
des Festbettes von 12-15mm ausreichend ist, so daß eine
Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche durch
Verfeinerung der Rippenstruktur bei gleichbleibender Eigenwärme
möglich ist.
- Das entwickelte Wärmetauscherkonzept
hat folgenden Aufbau:
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neuer
Wärmetauscheraufbau |
übliches
Rippenrohrsystem |
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Dieses System weist im Vergleich
zum Rippenrohr folgende Kennwerte auf:
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- Systemvergleich der
verschiedenen Wärmeübertragungssysteme mit Silcagelfestbett
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- neuer WT
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- Rippenrohr
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- spezifische WÜ-Leistung
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- 84
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- W / K kg Silicagel
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- spezifische Eigenwärme
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- 5,04
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- kJ / K kg Silicagel
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- spezifische WÜ-Fläche
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- 1,39
|
- m² / kg Silicagel
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- WT-Masse ohne Silicagel
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- 262
|
- kg
|
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- Die zum Teil erhebliche Verbesserung
der Leistungsparameter des neuen Wärmetauscherkonzeptes
ist nicht nur auf die höherer Wärmeübertragungsfläche
am Silicagel sondern auch auf die gesteigerte Wärmeübertragungsleistung
auf der hydraulischen Seite zurückzuführen. Außerdem
kann mit minimalen Wandstärken (Reduzierung der Eigenwärme)
operiert werden, da bei dem "Sandwich"-Verbund die
Profilierung der Einzelelemente die erforderlichen Festigkeiten
erbringen.
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- Entwicklung
eines kombinierten Verdampfer-/Kondensator-Wärmetauschers
in Plattenausführung
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- Die Bauform der Wärmetauscherplatten
des Verdampfer/Kondensators entspricht im wesentlichen der des
Adsorber-Wärmetauschers (Rationalisierung bei der Produktion).
Das Verdampfer-/Kondensatorsystem muß bei dem gewählten
Grundaufbau folgende Eigenschaften aufweisen:
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- Konstruktive
Optimierung
- Das Gehäuse mit integrierter
Isolation gegen Fehlkondensationen erfordert neben der entsprechenden
Werkstoffauswahl eine konsequente Leichtbauausführung. Das
heißt das Gehäuse besteht im aus einem Sandwich-Verbund,
der aus metallischen Deckblechen (Al oder St) mit einem Stützkern
aus Wabenplatten oder Hart-schaum aus Kunststoff. Dieses Bauprinzip
schafft auch die gewünschte Isolationswirkung, so daß
auf eine äuße-re Isolation, die zusätzlich aufgebracht
werden muß, verzichtet werden kann. Die Isolation ist insbesondere
für die Vermeidung von Fehlkondensationen von Bedeutung.
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- Entwicklung
eines auf den zyklischen Betriebsprozeß optimierten Umschaltsystems
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- Hierbei erwies sich ein auf
den Umschaltprozeß der Adsorptionskältemaschine spezialisiertes
rotatorisches Stellglied als optimale Variante.
Entwicklung
einer veränderten Prozeßgestaltung und einer neuen
Steuerung
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- Die Adsorptionskältemaschine
ist ein Passivsystem. Die Leistungsparameter hängen somit
proportional von den thermischen Randbedingungen der hydraulischen
Arbeitskreise und der Leistungsfähigkeit des Steuerungssystems
ab. Die Adsorptionskältemaschine hat entsprechend ihrer
Bauform und der jeweiligen Einsatzbedingungen ein spezifisches
Optimum der beiden maßgebenden aber gegenläufigen
Parameter - Leistungsdichte und Kältezahl (C.O.P.). Dieser
Arbeitspunkt kann über die Zyklenzeit der Betriebsphasen
eingestellt werden.
- Für schwankende Betriebsbedingungen
(z.B. Absenkung der Heißwassertemperaturen, Teillastbetrieb...)
muß die Prozeßsteuerung diesen Kennwert permanent
angleichen, was nur mit entsprechender Steuerungstechnik möglich
ist. Das System wird die Betriebsparameter erfassen, mit einer
programmierten maschinenspezifischen Kennwert-Matrix vergleichen
und den optimalen Betriebspunkt (Zyklendauer für Adsorption
und Desorption) permanent anpassen. Damit kann die Maschine immer
mit maximal möglichem Wirkungsgrad betrieben werden.
Außerdem ist vorgesehen die peripheren Systeme (Pumpen
in den Kreisen, Rückkühlsystem, Heißwasserregelung...)
mit in die Maschinensteuerung einzubeziehen, so daß hier
ebenfalls eine Verbrauchsoptimierung durchgeführt und der
Gesamtenergieverbrauch reduziert werden kann. Damit werden beispielsweise
großen Schaltverzögerungen bei langen Rohrleitungslängen
zwischen den Systembaugruppen vermieden, so daß unter anderem
die Schalthysterese reduzierbar ist und das System bei einem
stabilisierten Arbeitspunkt betrieben werden kann.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Prozeßgestaltung ist
die interne Rückgewinnung der Sorptionsenthalpie, die zu
einer erheblichen Verbesserung der Kältezahl (C.O.P.) der
Maschine führt.
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 Der
Funktionsnachweis dieser neuen Konzeption wird in zwei Prototypen
der Adsorptionskältemaschine (20kW-Doppelmodul, 360kW-Doppelmodul)
geführt werden.
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- Kennwerte
des neuen Systems
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- Leistungsparamater
des neuen Systems
- Konstruktive
Parameter
- Betriebstechnische
Parameter
- Preis
- Zwischenergebnisse/Bearbeitungsstand
(Mai2000)
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