/
Text
Wolfgang Eder
Franz Moser
Die Wärmepumpe
in der Verfahrenstechnik
Unter Mitarbeit von Bernd Kogi
Springer-Verlag Wien GmbH
Dipl.-Ing. Dr. techn. Wolfgang Eder
Salzburg
Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Franz Moser
Vorstand des Instituts fUr Grundlagen der Verfahrenstechnik
Technische Universităt Graz
Dipl.-Ing. Bemd Kogl
Institut fur Grundlagen der Verfahrenstechnik
Technische Universitiit Graz
Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt.
Die dadurch begriindeten Rechte,
insbesondere die der Obersetzung, des Nachdruckes,
der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung,
der Wiedergabe auf photomechanischem oder ăhnlichem Wege
und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,
bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten.
© 1979 Springer-Verlag Wien
Urspriinglich erschienen bei Springer Vienna 1979.
Softcover reprint ofthe hardcover Ist edition 1979
Mit 149 Abbildungen und 1 Ausschlagtafel
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Eder, Wolfgang:
Die Wiirmepumpe in der Verfahrenstechnik I
Wolfgang Eder; Franz Moser. Unter Mitarb. von
Bernd Kogl. Wien, New York: Springer, 1979.
ISBN 978-3-7091-2252-5
ISBN 978-3-7091-2251-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-2251-8
VORWORT
Aufgrund der derzeitigen Energiesituation rUckt ein Verfahren zur Warmeerzeugung in den Mittelpunkt des technischen Interesses, das zwar schon lange
bekannt ist, dessen Wirtschaftlichkeit aber im Vergleich zu anderen Verfahren bis jetzt noch nicht gegeben war: die Warmeerzeugung mit Hilfe der
Warmepumpe.
Mit den steigenden Energiepreisen erhoht sich aber die Wirtschaftlichkeit
von Warmepumpen,- so daB diese heute bereits zur Beheizung von Wohnungen
und Gebauden eingesetzt werden. Die in den letzten Jahren erschienenen
BUcher Uber Warmepumpen behandeln daher in erster Linie ihren Einsatz zur
Gebaudebeheizung. Die industrielle Anwendung von Warmepumpen wurde bisher
in der Literatur noch kaum dargestellt.
Der Begriff der Warmepumpe wird derzeit vielfach mit dem der Kompressionswarmepumpe gleichgesetzt. Neben den geschlossenen Warmepumpensystemen mit
Kaltemittelkreislauf stehen aber zum industriellen Einsatz auch Warmepumpen nach dem Absorptionsprinzip bzw. offene Warmepumpensysteme zur VerfUgung.
liel dieses Buches ist es, die verschiedenen Warmepumpenarten zu beschreiben und ihre Einsatzmoglichkeiten im Bereich der verfahrenstechnischen Industrie darzustellen. Ein Wirtschaftlichkeitsvergleich am Ende des Buches
bringt nicht nur eine wirtschaftliche Abgrenzung der Warmepumpe zu den
konventionellen Verfahren der Warmeerzeugung, sonderrrauch zwischen den
einzelnen Warmepumpenarten.
Dieses Buch kann daher den Planern bzw. Betreibern energieintensiver verfahrenstechnischer Anlagen als Grundlage dienen, wenn technische Moglichkeiten der industriellen WarmerUckgewinnung Uber den Warmetausch hinaus
zur Senkung der Energiekosten einer Anlage erarbeitet werden sol len.
VI
Die Autoren danken allen, die am Zustandekommen des Buches beteiligt waren, vor allem aber jenen, die durch eine kritische Durchsicht des Konzeptes Fehler und Unklarheiten beseitigen halfen.
Hier mochten wir besonders unseren Kollegen Prof. Dr. R. MARR, Dr. H.
SCHNITZER und cand.ing. J. KAPPEL yom Institut fur Grundlagen der Verfahrenstechnik der Technischen Universitat Graz sowie Herrn Dr. W. ROGNER.
Maria Enzersdorf. herzlich danken.
Graz. im Fruhjahr 1979
W. EDER
F. MOSER
INHALTSVERZEICHNIS
XI
FORMELSYMBOLE
XIV
ABKORZUNGEN
1.
1.1.
1.1.1.
1.1.2.
1.2.
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.3.
1.3.1.
1.3.2.
1.3.3.
1.3.4.
EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG
1
THEORETISCHE GRUNDLAGEN DER
5
Prinzip der Warmepumpe
Carnot-Proze8. theoretischer und realer
WarmepumpenprozeB
Andere Kreisprozesse
7
10
13
13
Energetische Beurteilung des Warmepumpenprozesses
Exergie und Anergie
Die exergetischen Typen der Warmepumpe
Der exergetische Wirkungsgrad
Exergetische Beurteilung der Warmepumpe
18
18
W~RMEPUMPEN
Kompressionswarmepumpen
Kompressionswarmepumpen ohne Losungskreislauf
(Einstoff-Kompressionswarmepumpen)
2.1.1.1.
Elektrische Warmepumpe
2.1.1.2.
Gaswarmepumpen
2.1.1.3.
Kompressionswarmepumpen mit anderen Antrieben
2.1.1.4.
Hochtemperatur-Warmepumpe
2.1.1.5.
Kaltluft(Kaltgas)-Warmepumpe
2.1.
2.1.1.
2.1.2.
5
Kenngro8en des Warmepumpenprozesses
Die Leistungszahl
Die volumetrische Heizleistung
Das Verdichtungsverhaltnis
SYSTEMATIK DER
2.
W~RMEPUMPE
Kompressionswarmepumpen mit Losungskreislauf
16
17
29
33
42
44
44
49
49
52
55
56
57
58
VIII
2.1.3.
Mehrstoff-Kompressionswarmepumpen
2.1.3.1. Azeotrope Mehrstoff-Kompressionswarmepumpen
2.1.3.2. Nichtazeotrope Mehrstoff-Kompressionswarmepumpen
61
61
62
2.2.
Sorptionswarmepumpen
2.2.1.
Absorptionswarmepumpen
2.2.1.1. Absorptionswarmepumpe mit Umformung hochwertiger
Warme
2.2.1.2. Absorptionswarmepumpe mit Umformung minderwertiger
Warme (Gegenlaufige Absorptionswarmepumpe)
67
69
2.2.2.
Resorptionswarmepumpen
2.3.
2.3.1.
Kombinierte Kompressions-/Sorptionswarmepumpen
Vergleich der Kompressions- und Absorptionswarmepumpen
2.3.1.1. Energetischer Vergleich
2.3.1.2. Exergetischer Vergleich
2.3.1.3. Vergleich des Betriebsverhaltens
2.3.2.
Kombinierte Absorptions- und Kompressionswarmepumpen
69
84
87
91
91
91
94
97
98
2.4.
Thermokompres$or
2.5.
2.5.1.
2.5.2.
Strahlwarmepumpen
106
Dampfstrahlwarmepumpe
106
Thermische Warmepumpe (HeiBflUssigkeits-Strahlpumpe) 115
2.6.
2.6.1.
2.6.2.
Sonderformen der Warmepumpen
Peltierwarmepumpe
Rotationswarmepumpe
ARBEITSBEREICHE UNO AUSWAHLKRITERIEN VON WARMEPUMPEN
3.
101
118
118
119
121
3.1.
3.1.1.
3.1.2.
Die Arbeitsbereiche der Warmepumpen
Voraussetzungen zur Berechnung der Arbeitsbereiche
Darstellung der Arbeitsbereiche
121
123
124
3.2.
3.2.1.
Auswahlkriterien fUr Warmepumpen
Auswahl mit Hilfe eines Abfrage-FlieBschemas
142
143
IX
ARBEITSMEDIEN UND WARMEQUELLEN FOR WARMEPUMPEN
145
Arbeitsmedien fur Warmepumpen
4.1.
Arbeitsmed i en fur Kompressi onswarmepumpen
4.1.1.
4.1.2.
Arbei tsstoffpaare fur Sorpti onswarmepumpen
4.1.3.
Arbeitsmedien fur Mehrstoff-Kompressionswarmepumpen
4.1.3.1. Azeotrope Kaltemittelgemische
4.1.3.2. Nichtazeotrope Kaltemittelgemische
145
145
149
156
156
157
4.2.
161
4.
Warmequellen fur Warmepumpen
5.
DIE WARMEPUMPE IN DER VERFAHRENSTECHNISCHEN INDUSTRIE
5.1.
Voraussetzungen des industriellen Warmepumpeneinsatzes
5.2.
5.2.1.
Die Warmepumpe in der Destillationstechnik
Moglichkeiten der Energieeinsparung in
Destillationsprozessen
5.2.1.1. ProzeBverbesserung
5.2.1.2. Apparative Verbesserung
5.2.1.3. Verschiedene Moglichkeiten der Energieruckgewinnung bei Destillationsprozessen
5.2.2.
5.2.3.
5.2.4.
5.2.5.
5.2.6.
Geschlossene Warmepumpensysteme im DestillationsprozeB
Der Thermokompressor im DestillationsprozeB
Die Dampfstrahlwarmepumpe im DestillationsprozeB
Parallelbetrieb einer Destillationsanlage
mi t Warmepumpe
Vergleich der Energieeinsparungsmoglichkeiten
durch den Einsatz von Warmepumpen in der
Desti lationstechnik
5.3.
5.3.1.
5.3.2.
5.3.3.
Die Warmepumpe in
Verdampfung mit
Verdampfung mit
Verdampfung mit
5.4.
5.4.1.
5.4.2.
5.4.3.
Die Warmepumpe in der Trocknungstechnik
Die Kompressionswarmepumpe in der Trocknungstechnik
Die Kaltluftwarmepumpe in der Trocknungstechnik
Die Dampfstrahlwarmepumpe in der Trocknungstechnik
der
dem
der
der
Verdampfungstechnik
Thermokompressor
Dampfstrahlwarmepumpe
Kompressionswarmepumpe
164
164
168
169
169
170
172
175
178
181
184
184
187
187
189
191
193
194
197
199
x
5.5.
5.5.I.
5.5.2.
Die Warmepumpe zur integrierten Energieversorgung
Allgemeiner Einsatz
Die Warmepumpe in Anlagen zur Meerwasserentsalzung
200
200
201
5.6.
Die Warmepumpe zur allgemeinen WarmerUckgewinnung
204
6.
WIRTSCHAFTLICHKEIT VON
TECHNISCHEN ANLAGEN
6.I.
6.2.
6.3.
0.4.
6.5.
7.
8.
W~RMEPUMPEN
IN VERFAHRENS-
Beispiel zur Destillationstechnik
Berechnungsbeispiel zur Verdampfungstechnik
Berechnungsbeispiel zur Trocknungstechnik
Berechnungsbeispiel zur integrierten
Energieversorgung
Berechnungsbeispiel zum allgemeinen WarmerUckgewinn
207
209
214
218
222
225
ALLGEMEINE OBERSICHT - STAND DES WISSENS UNO EINSATZMOGLICHKEITEN VON W~RMEPUMPEN
234
BEMERKUNGEN ZUR DEFINITION UNO VERWENDUNG DES
BEGRIFFES DER EXERGIE
247
LITERATURVERZEICHNIS
250
SACHVERZEICHNIS
276
ANHANG: FlieBschema zur Auswahl von Warmepumpen zum
allgemeinen WarmerUckgewinn (Ausschlagtafel)
nach 280
FORMELSYMBOLE
B
[ J]
Anergie
e
[ J/kg]
spezifische Exergie
E
[ J]
Exergie
E
[J/sec], [W]
Exergiestrom
En
[J]
Energie
EI
[J]
Primarenergie
EQN
[J]
Exergie der Nutzwarme
EQo
EQz
[J]
Exergie der Abwarme
[J]
Exergie der Antriebswarme
EVer1
[J]
Verlustexergie
EVer1
[%]
Verlustexergie, bezogen auf die
Gesamtexergie
cp
[J/kgK]
spezifische Warmekapazitat
h
[J/kg]
spezifische Enthalpie
H
[J]
Enthalpie
k
[- ]
Faktor fUr Phasengleichgewicht
m
[kg]
Masse
NK
[W]
Kompressorleistung
NL
[W]
Arbeitszufuhr an die Losungspumpe
p
[bar]
Druck
Pc
[bar]
Kondensatordruck
Pv' Po
[bar]
Verdampferdruck
Pu
[bar]
Umgebungsdruck
qth
[J/m3 ]
volumetrische Heizleistung
Q
[J]
Warmemenge
I
XII
Q
[J/see), [W)
Warmestrom
QA
[J)
Absorberwarme
Qe
[J)
Kondensationswarme
Qm
[J)
Warmeinhalt des Misehdampfes
QN
[J)
Nutzwarme
Qo
[J)
aus der Warmequelle entnommene Warme
QR
[J)
Resorberwarme
QRUek
QT
[J)
direkt heizende Warme
[J)
Warmeinhalt des Treibdampfes
Qz
[J)
Antriebswarme
r
[-)
RUeklaufverhaltnis
s
[J/kgK)
spezifisehe Entropie
S
[J/K)
Entropie
t, T
[DC, K)
Temperatur
t A, TA
[oC, K)
Absorptionstemperatur
t e , Te
[oC, K)
Kondensationstemperatur
Tm, TM
[DC, K)
mittlere logarithmisehe Temperatur
tN' TN
[oC, K)
Nutz-(Vorlauf-)Temperatur
to' To
[DC, K)
Temperatur der Warmequelle
tv' Tv
[oC, K)
Verdampfungstemperatur
t u ' Tu
t z ' Tz
[oC, K]
Umgebungstemperatur
[DC, K]
Temperatur der Antriebswarme
v
[m 3/kg]
spezifisehes Volumen
V
[m 3 ]
Volumen
w
[-]
Warmestromverhaltnis
wmax
[ -]
I~armestromverhaltni s
x
[ -]
Konzentration (Massenbrueh) bzw. Feuehtegehalt
Prozesses
des reversiblen
XIII
Xa
[-]
Konzentration der armen Losung
xr
[-]
Konzentration der reichen Losung
a
[-]
relative F1Uchtigkeit
E
[-]
Lei stungszahl des realen Warmepumpen
prozesses
ECarnot
[-]
Leistungszahl des Carnot-Prozesses
Eth
[-]
Leistungszahl des theoretischen
Warmepumpenprozesses
EI
[ -]
Primarenergienutzungsgrad
Ev
[-]
Vergleichsleistungszahl
~
[-]
exergetischer Wirkungsgrad
1]
[ -]
Wirkungsgrad
1]
i
[- ]
GUtegrad
1]
th
[- ]
thermischer Wirkungsgrad
1]
ges
[-]
Gesamtwirkungsgrad
IT
[- 1
Verdichtungsverhaltnis
<P
[-]
Warmeverhaltni s
<P opt
[- 1
optimales Warmeverhaltnis
ABKORZUNGEN
a.L.
anne Losung
r.L.
reiche Losung
B
Bodenstrom einer Destillationskolonne
D
Desti 11 atstrom
F
Einsatzstrom
R
RUcklaufmenge
BK
Brennkammer
N.D.
Niederdruckstufe
H.D.
Hochdruckstufe
M
Motor
WP
Wannepumpe
WT
Wannetauscher
( )
In runden Klammern stehende Zahlen geben die
entsprechende Fonnelnummer an
/ /
In schragen Klammern stehende Zahlen geben die entsprechende Literaturstelle des Literaturverzeichnisses an.
E1NLE1TUNG UNO AUFGABENSTELLUNG
1m Jahre 1932 stellte Prof. Eichelberg auf einer Studentenkonferenz in
Aarau fest /230/:
"Bei der Endl ichkeit unserer Mittel und der Enge des Erdball s werden
wir, urn die Not zu wenden, dazu kommen mUssen, die Verantwortung einer
Gesamtheit gegenUber als richtunggebend anzuerkennen, nicht nur in den
sicher zahlreichen Fallen, wo sie sich mit dem Privatprofit deckt, sondern prinzipiell und im ersten Rang."
Der darin enthaltene Grundgedanke der Notwendigkeit von Energieeinsparungen aufgrund der Begrenztheit der Primarenergievorrate unserer Welt kam
zu einer Zeit, in der man noch nicht unmittelbar mit dem Problem einer
bevorstehenden Verknappung der Primarenergietrager konfrontiert war ..
Durch den starken wirtschaftlichen Aufschwung nach dem 2. Weltkrieg und
damit verbundene exponentielle Zunahme des Primarenergieverbrauchs
erkannte die westliche Welt sehr bald, daB industrielles Wachstum nicht
unbegrenzt fortschreiten kann, sondern durch wachstumsbedingte Veranderungen in den Voraussetzungen abnehmen und bei Erreichen einer Wachstumsgrenze gegen null gehen wird.
di.~
Auch die Studie des Club of Rome /B32/ fUhrte durch Variation der Wachstumsparameter in einer EDV-unterstUtzten Simulationsberechnung vor Augen,
welche Moglichkeiten der Menschheit bei einem weiterhin zunehmenden Verbrauch der Primarenergietrager bleiben.
Die Einsparung von Primarenergie ist in der heutigen Zeit nicht nur in
den "sicher zahlreichen Fallen" anzustreben, wo der "Privatprofit" AnlaB
zur energiewirtschaftlichen Optimierung einer Anlage oder eines Verfahrens gibt, sondern auch dort, wo nicht ein Profitdenken im Vordergrund
stehen darf, sondern "die Verantwortung einer Gesamtheit gegenUber".
2
Nur wenn sich die Menschheit heute bemUht. Primarenergie nicht zu verschwenden. sondern energiebewuBt einzusetzen. konnen auch spatere Generationen noch aus denselben Energiequellen schopfen. die heute Grundlage
unserer Lebensqualitat sind.
Eine der Moglichkeiten zur Einsparung von Primarenergie im Bereich der
Industrie ist der Einsatz der Warmepumpe.
Die erste Anregung. den Carnot'schen KreisprozeB gegen den Uhrzeigersinn
durchlaufen zu lassen. und zwar derart. daB eine mechanische Arbeitsleistung zur Hebung der Temperatur herangezogen wird. wurde im Jahre 1852
durch den englischen Physiker William THOMSON (den spateren Lord KELVIN)
gegeben /B8/.
Carl von LINDE entwickelte um 1860 die erste Kompressionsmaschine zur
Kalteerzeugung und verdrangte die damals bereits bekannte Absorptionsmaschine /109/.
Um 1930 wurden mit den halogenierten KOhlenwasserstoffen hervorragend
geeignete Kaltemittel gefunden. die sich vor allem durch ihre thermodynamischen und sicherheitstechnischen Eigenschaften auszeichneten.
Parallel zur weiteren Verbesserung der Kompressionskaltemaschine wurden
Kompressions-Warmepumpen entwickelt. die nach demselben Prinzip wie Kaltemaschinen auf einem hoheren mittleren Temperaturniveau arbeiten.
Die Moglichkeit der Kalteerzeugung nach dem Absorptionsprinzip war bereits
von Versuchen aus dem Jahre 1777 bekannt /109/. 1859 erfand der Franzose
Ferdinand CARRE eine Absorptionskaltemaschine. die zum ersten Mal 1862 auf
der Weltausstellung in London vorgestellt wurde /95/. Als Arbeitsstoffpaar war in dieser ersten Absorptionsmaschine Ammoniak/Wasser eingesetzt.
Durch die Oberlegenheit der ungefahr zur gleichen Zeit entwickelten Kompressionskaltemaschine verlor die Absorptionsmaschine an Bedeutung und
wurde erst um 1930 in groBerem Umfang zur industriellen Kalteerzeugung
eingesetzt /95/.
3
Mit der Entwicklung der Lithiumbromid-Absorptionsmaschine in den USA um
1940 fand das Absorptionsprinzip auch seine Anwendung in der Klimatechnik
/109/.
Aufgrund der standig steigenden Primarenergiepreise wurde seit dem Beginn
unseres Jahrzehnts die Entwicklung von Warmepumpen vor allem fUr den Einsatz als Hauswarmepumpe und daneben auch fUr den industriellen Einsatz
forciert, um nicht nur den steigenden Betriebskosten von Anlagen zur
Warmeerzeugung entgegenzuwirken, sondern auch zur Verringerung des Primarenergieverbrauchs beizutragen.
Der groBe Nutzen einer Warmepumpe liegt darin, daB ein Mehrfaches an Warmeenergie gewonnen werden kann, als an Antriebsenergie dem System zugefUhrt
wird.
Die Warmepumpe eignet sich als technisches Verfahren dazu, industrielle Abwarmestrome, die durch Warmetausch nicht mehr direkt genutzt werden konnen, energetisch aufzuwerten und auf erhohtem Temperaturniveau einer nochmaligen Nutzung zuzufUhren.
Der Bedarf an Niedertemperaturwarme kann dadurch unter gleichzeitiger Einsparung von Primarenergie gedeckt werden.
Neben den bereits aus der Kaltetechnik bekannten Kompressions- und Absorptionsmaschinen werden in industriellen Anlagen Systeme zur Temperaturanhebung eingesetzt, die thermodynamisch den offenen Warmepumpen zuzuordnen
sind.
1m Rahmen dieses Buches sind alle heute bekannten Warmepumpensysteme theoretisch und praktisch zu untersuchen, ihre Einsatzmoglichkeiten im Bereich
der verfahrenstechnischen Industrie festzulegen und ihre Wirtschaftlichkeit abzugrenzen.
Aufgabe dieses Buches ist es daher im einzelnen:
- Die theoretischen Grundlagen der Warmepumpe darzustellen.
- Den WarmepumpenprozeB exergetisch zu untersuchen.
4
- Die heute bekannten Warmepumpen in eine Systematik zu bringen.
- Die Arbeitsbereiche der technisch eingesetzten Warmepumpen
zu berec~nen.
- Allgemeine Auswahlkriterien zum Einsatz der Warmepumpe festzustellen.
- Einsatzmoglichkeiten von Warmepumpen in der verfahrenstechnnischen Industrie auszuarbeiten.
- FUr die zur Anwendung der Warmepumpe geeigneten verfahrenstechnischen Prozesse durch ein Berechnungsbeispiel die Wirtschaftlichkeit einer Anlage mit Warmepumpe im Vergleich zur konventionellen Anlage darzulegen.
- Die fUr den industriellen Einsatz geeigneten Warmepumpenarten
wirtschaftlich abzugrenzen.
Die Ergebnisse der Untersuchungen und Berechnungen werden am Ende des
Buches zusammengefaBt.
1. THEORETISCHE GRUNDLAGEN DER WARMEPUMPE
1.1. PRINZIP DER WARMEPUMPE
An den Anfang der Beschreibung des Prinzips der Warmepumpe wird ihre Definition nach DIN 8900 gestellt /130/:
"Eine Warmepumpe ist eine Einrichtung. die einen Warmestrom bei niedriger
Temperatur aufnimmt (kalte Seite) und mittels Energiezufuhr bei hoherer
Temperatur (warme Seite) wieder abgibt."
Die Warmepumpe ist also ein technisches System aus mehreren Komponenten.
das zur Warmeerzeugung eingesetzt werden kann. Unter "Warmepumpe" wird in
diesem Buch immer das gesamte System und nicht nur eine Komponente daraus verstanden.
Die theoretische Behandlung der Warmepumpe wird im folgenden an einer
Kompressionswarmepumpe vorgenommen. gilt aber·auch fUr die anderen in der
Systematik der Warmepumpen (Kap. 2) behandelten Warmepumpenarten.
Die einzelnen Komponenten einer Warmepumpe sind:
-
Verdampfer
Verdichter
Kondensator
Expansionsventil (Drossel)
Die Schaltung der Apparate kann aus Fig. 1 entnommen werden.
Die Funktionsweise des Gesamtsystems 5011 am Warmepumpenkreislauf erklart
werden:
1m Verdampfer wird das flUssige Arbeitsmedium des Systems (Kaltemittel)
unter Aufnahme von Warme niedrigen Temperaturniveaus verdampft. Der Kaltemitteldampf wird yom Kompressor angesaugt und verdichtet und damit auf
ein hoheres Temperaturniveau gebracht. 1m Kondensator gibt der komprimierte Kaltemitteldampf seine Kondensationswarme ab und wird in flUssiger
Form im Expansionsventil auf den Verdampferdruck entspannt. 1m Verdampfer
schlie6t sich der Kaltemittelkreislauf. indem die Verdampfung von neuem
beginnt.
6
iYY1d:!nsator
IYJrrpresscJr
Verdampfer
Fig. 1: Prinzipielle Schaltung einer Warmepumpe
Es handelt sich hier um einen Kreisproze6, der gegen den Uhrzeigersinn
durchlaufen wird.
Die Warmeaufnahme aus der Warmequelle erfolgt bei niedriger Temperatur
auf der Niederdruckseite des Systems, die Warmeabgabe in die Warmesenke
bei hoher Temperatur auf der Hochdruckseite. Warme wird also von einem
niedrigen auf ein hohes Temperaturniveau "gepumpt". Dieser Vorgang widerspricht nicht dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik, da zur Verdichtung
Energie zugefUhrt werden mu6.
Das Arbeitsmedium (Kaltemittel) durchstromt das System flUssig und dampfformig. Der Warmepumpenproze6 wird daher auch als Kaltdampfproze6 bezeichnet.
7
1.1.1. CARNOT-PROZESS, THEORETISCHER UNO REALER WARMEPUMPENPROZESS
Zur Beschreibung des idealen Warmepumpenprozesses wird der Carnot-ProzeB
herangezogen (Fig. 2). Oieser setzt sich aus einer isothermen Warmeaufnahme durch Verdampfung (1-2), einer isentropen Kompression (2-3), einer
isothermen Warmeabgabe durch Kondensation (3-4) und einer isentropen Expansion (4-1) zusammen.
Oem Carnot-ProzeB wird di e Warmemenge Qo zugefUhrt (Fl ache 5621) und di e
Warmemenge QN (Flache ~) entzogen.
Oie verbleibende Offferenzflache 1234 entspricht der zugefUhrten Verdichtungsenergie, minus der bei der Entspannung abgegebenen Energie.
T
TC='N
~~const
A
Tc···Kondensationstemperatur
TN' .. Nutztemperatur
To' .. Temperatur
der Warmequelle
Tv···Verdampfungstemperatur
3
Kondensotion
c:
.~
c:0
$
0
c:
·2VI
VI
~
:s:~
Tv =T0
5
6
5
Fig. 2: Carnot-ProzeB fUr die Warmepumpe
Neben der Beschreibung der Warmepumpe durch den idealen VergleichsprozeB
besteht weiters die Moglichkeit der Oarstellung als theoretischer WarmepumpenprozeB. Oieser kommt dem tatsachlichen ProzeBverlauf weitaus naher
(Fig. 3).
8
T
Tc=w~------~~------~
~=b~----~----~--------~
s
Fig. 3: Theoretischer WarmepumpenprozeB im T/s-Diagramm
Der theoretische ProzeB setzt sich aus folgenden Teilprozessen zusammen:
1
2
3
4
5
-
2
3
4
5
1
Isobare und isotherme Warmeaufnahme durch Verdampfung
Isentrope Verdichtung
Isobare Warmeabgabe im Gebiet des Uberhitzten Dampfes
Isobare und isotherme Warmeabgabe durch Kondensation
Isenthalpe Drosselung
In der praktischen AusfUhrung der Warmepumpe treten gegenUber dem theoretischen ProzeB fol~ende Unterschiede auf:
- Die Verdichtung des Kaltemittels im Verdichter erfolgt nicht isentrop.
Der Kaltemitteldampf kann im Ansaugzustand kalter als das Gehause sein und
wird daher aufgewarmt. Am Ende der Verdichtung ist der Kaltemitteldampf
warmer als das Gehause und gibt wieder Warme an das Verdichtergehause
abo Dazu kommen noch Verluste des Kompressors, so daB die Verdichtungslinie infolge der Entropiezunahme im T/s-Diagramm nicht senkrecht, sondern nach rechts oben verlauft.
- Wahrend der Kondensation kann ein leichter Druckabfall auftreten. Das Kaltemittel ist daher beim Austritt aus dem Kondensator leicht unterkUhlt.
9
- Der Drosselvorgang erfolgt meist infolge weiterer Verluste nicht isenthalp.
- Wahrend der Verdampfung tritt aufgrund des Stromungsdruckabfalles ebenfalls eine Druckabnahme auf.
- Zur WarmeUbertragung ist in den Warmetauschapparaten (Verdampfer, Kondensator) ein Temperaturgefalle notwendig. Dadurch werden die Temperaturgrenzen des Prozesses auseinandergeschoben.
Der reale ArbeitsprozeB der Warmepumpe ist in Fig. 4 und Fig. 5 dargestel1t.
Den Strecken in Fig. 4 und Fig. 5 entsprechen die folgenden Vorgange:
1
2
3
4
5
6
-
2
3
4
5
6
1
Warmeaufnahme (Verdampfung)
Kompression
Isobare Warmeabgabe
Warmeabgabe (Kondensation)
UnterkUhlung am Kondensatoraustritt
Drosselung
5
Fig. 4: Realer WarmepumpenprozeB im T/s-Diagramrn
10
19p
--prakt.
----theoret.
h
Fig. 5: Theoretischer und realer WarmepumpenprozeB im 19 p/h-Diagramm.
Nach /B 9/
1.1.2. ANDERE KREISPROZESSE
Der Carnot-ProzeB dient der Beschrei bung des ideal en Kaltdampf-Prozesses.
Kaltgasprozesse (offene Warmepumpenprozesse, die nicht mit Kaltemitteln
arbeiten, sondern direkt Luft oder Gase ansaugen und verdichten) werden
als Warmepumpenkreislaufe mit anderen Vergleichsprozessen beschrieben.
Diese sind:
- Joule-ProzeB (Ackert-Keller-ProzeB)
- Stirling-ProzeB
- DreiecksprozeB von Nesselmann
Die Abbildungen 6 - 8 zeigen diese Prozesse im T/s-Diagramm.
11
T
•
s
Fig. 6: Joule-ProzeB (zwei Isobaren. zwei Isentropen)
T
v=consf.
s
Fig. 7: Stirling-ProzeB (zwei Isochoren. zwei Isentropen)
FUr die Wannepumpentheorie ist nur der Joule-ProzeB von Bedeutung. der
die Kaltluftwannepumpe beschreibt.
Als VergleichsprozeB fUr Mehrstoff-Wannepumpen (Kap. 2.1.3.) und Wannepumpen mit Losungskreislauf (Kap. 2.1.2.) dient der Lorenz-ProzeB. Dieser
besteht aus zwei Isentropen und zwei nichtisothennen Zustandsanderungen.
Die Wanneabgabe und -aufnahme erfolgt daher im Vergleich zum Carnot-ProzeB
nicht mehr isothenn. sondern in einem Temperaturband.
12
T
5
J. 8: DreiecksprozeB von Nesselmann (Isobare, Isotherme, Isentrope)
T
1
5
I.
9: Lorenz-ProzeB im T/s-Diagramm
13
1.2. KENNGRUSSEN DES WARMEPUMPENPROZESSES
1.2.1. DIE LEISTUNGSZAHL
Urn den WarmepumpenprozeB energetiseh beurteilen zu konnen, wird die Leistungszahl E folgend definiert:
E
=
Nutzwarmemenge
Verdiehterleistung
Der im Verdampfer aufgenommene Warmestrom Qo bleibt unberUeksiehtigt, da
er aus der Umgebung oder aus industrieller Abwarme entnommen wird und daher keinen Aufwand darstellt.
Es werden drei Leistungszahlen untersehieden:
- Die auf den Carnot-ProzeB bezogene Leistungszahl ECarnot
- Die auf den theoretisehen ProzeB bezogene Leistungszahl Eth
- Die auf den RealprozeB bezogene Leistungszahl E
Naeh Fig. 2 kann die Leistungszahl 1) ECarnot folgend erreehnet werden:
QN
Carnot = NK
E
(1)
Die umgesetzten Energiemengen konnen dureh die Temperaturen ausgedrUekt
werden, da
(la)
Die Nutztemperatur TN entsprieht beim Carnot-ProzeB der Kondensationstemperatur Te , die Temperatur der Warmequelle To der Verdampfertemperatur Tv'
da die Gradigkeit 2) zur WarmeUbertragung im Kondensator und Verdampfer
vernaehlassigt wird.
1) In diesem Fall ist NK ein theoretiseher Wert aus dem Carnot-ProzeB.
2) Gradigkeit wird im folgenden fUr die Temperaturdifferenz verwendet.
14
Aus dem Ausdruek (1) ist zu erkennen, daB die Leistungsziffer umso groBer
wird, je geringer die Temperaturdifferenz (TN - To) bzw. (Te - Tv) zwischen
Warmequelle (Verdampfer) und Warmesenke (Kondensator) wird.
Bei vorgegebener Warmequellentemperatur To sinkt also die Leistungszahl
mit steigender Nutztemperatur TN' Urn einen WarmepumpenprozeB mit gUnstiger Leistungszahl zu betreiben, darf daher die Temperaturdifferenz zwischen Warmequelle und Warmesenke (Verdampfer - Kondensator) nicht zu groB
angesetzt werden.
Fig. 10 zeigt die Abhangigkeit der Leistungszahl bei konstanter Warmequellentemperatur (to = 20 0 C) von der Nutztemperatur TN'
£
\mot
Carn~ t
16.0
~=2O"C
fS5
\ \
E\ \
XX}'
!\ \
\.
12.0
8.0
8.33
""
I..:li- r--...
4.0
20
o
1.0
60
20
40
~oo
~ 4.66
-
2fll
1.56
~ t--
393
8f)
60
Fig. 10: Abhangigkeit der Carnot-Leistungszahl und der Leistungszahl des
Realprozesses von der Temperaturdifferenz zwischen Warmequelle
und Warmesenke
FUr die Leistungszahl des theoretischen Warmepumpenprozesses Eth gel ten
diesel ben AusfUhrungen wie fUr EC arno t.
15
Die Berechnung erfolgt nach Fig. 3 etwas abweichend:
(2)
Die Leistungszahl des Realprozesses errechnet sich Uber den Gesamtwirkungsgrad der Warmepumpenanlage aus der Carnot'schen Leistungszahl ECarnot'
E=1]
ges,"ECarnot
(3)
=1] -1]'1]-E
i
m
e Carnot
i = i nduzi erter Wi rkungsgrad
1] m = mechanischer Wirkungsgrad des Verdichters
1] e = elektrischer Wirkungsgrad
1]
Der elektrische Wirkungsgrad ist dann zu berUcksichtigen, wenn der Antrieb des Verdichters mit einem Elektromotor erfolgt. Statt Elektromotoren konnen auch Gas-, Otto-, Diesel-, Wankelmotoren zum Warmepumpenantrieb eingesetzt werden, fUr die entsprechende Wirkungsgradezu berUcksichtigen sind.
In /37/ wird eine Naherungsformel fUr die Berechnung von effektiven Leistungszahlen fUr Kompressionswarmepumpen in folgender Form angegeben:
e: =
O.7~
•
b
'N-
~
- (OIXJ32-[o +Q765 • .!sJ. ) +
TN
Q9
(4)
FUr die vorher errechneten Carnot-Leistungszahlen (Fig. 10) bei konstanter Warmequellentemperatur to = 20 0 C ergeben sich nach Formel (4) folgende effektive Leistungszahlen und Gesamtwirkungsgrade:
LlT
20
40
60
80
100
ECarnot
15.65
8.33
5.88
4.66
3.93
E
10.09
4.71
2.94
2.07
1.56
ges
0.64
0.57
0.50
0.44
0.40
1]
16
Der Gesamtwirkungsgrad liegt zwischen 40 % und 65 % und nimmt wie die
Leistungszahl mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Kondensator
und Verdampfer abo Die Abhangigkeit der realen Leistungszahl von der Differenz zwischen Kondensator- und Verdampfertemperatur im Vergleich zur
Carnot-Leistungszahl zeigt Fig. 10.
Durch die Leistungszahl wird die Wirtschaftlichkeit der Warmepumpe bestimmt; je hoher die Leistungszahl einer Anlage 1 iegt, desto geringe.r
sind die Betriebskosten (Antriebsenergie) zur Erzeugung eines vorgegebenen Nutzwarmestromes.
1.2.2. DIE VOLUMETRISCHE HEIZLEISTUNG
Eine weitere KenngroBe des Warmepumpenprozesses ist die volumetrische
Heizleistung qth' die aus dem Verhaltnis der Nutzwarmemenge ON zum spezifischen Volumen des im Verdichter angesaugten Kaltemitteldampfes v2 (Fig.
3) errechnet wird.
( 5)
Die volumetrische Heizleistung ist von den thermodynamischen Eigenschaften des Kaltemittels abhangig und bestimmt ebenfalls die Wirtschaftlichkeit der Warmepumpe. Gesucht sind daher Kaltemittel mit hoher Verdampfungsenthalpie und gleichzeitig kleinem spezifischen Volumen im Ansaugzustand,
urn eine hohe volumetrische Heizleistung zu erreichen.
17
1.2.3. DAS
VERDICHTUNGSVERH~LTNIS
Der Kaltemitteldampf wird durch den Verdichter yom Druckniveau des Verdampfers auf das des Kondensators gefordert. Das Verhaltnis yom Kondensator- zum Verdampferdruck wird als Verdichtungsverhaltnis n definiert.
(6)
Bei einstufiger Betriebsweise des Kompressors betragt der Maximalwert
des Verdichtungsverhaltnisses fur Kolbenverdichter ca. 8.0 /172/ und fUr
Turboverdichter ca. 2.0. FUr groBere Druckverhaltnisse wird mehr~tufig
verdichtet bzw. der WarmepumpenprozeB mehrstufig gefUhrt.
Das Verdichtungsverhaltnis bestimmt daher neben der Leistung die Bemessung des Kompressors der Warmepumpe.
Der Druck im gesamten Warmepumpensystem soll immer groBer als der Umgebungsdruck sein. Somit wird das Eindringen fremder SUbstanzen in das System bei Leckagen vermieden.
Der Kondensatordruck darf nicht zu hoch liegen, da einerseits die Kondensationswarme mit steigendem Druck abnimmt und andererseits die Festigkeitsanforderungen steigen.
Die Hohe des maximalen Druckes und die GroBe des Verdichtungsverhaltnisses hangen von den Eigenschaften des Kaltemittels abo Kaltemittel sind
fUr den Warmepumpeneinsatz dann gUnstig, wenn die notwendigen Kondensationswarmen bei niedrigen DrUcken abgegeben werden.
18
1.3. ENERGETISCHE BEURTEILUNG DES
W~RMEPUMPENPROZESSES
1.3.1. EXERGIE UNO ANERGIE
Urn den WarmepumpenprozeB energetisch beurteilen zu konnen, muB neben der
Quantitat der Energie auch deren Qualitat berUcksichtigt werden. Die uns
zur VerfUgung stehenden Energieformen sind nicht alle gleich wertvoll.
Sie unterscheiden sich durch den Anteil, der in beliebig andere Energieformen umgewandelt werden kann und daher fahig ist, technische Arbeit zu
leisten.
FUr diese technische Arbeitsfahigkeit pragte Z. RANT /9/ den Begriff der
Exergie.
Die Exergie wird wie folgt definiert /30/:
Die Exergie stellt jene Arbeit dar, welche die Mengeneinheit eines Stoffes leistet, wenn dieser einern Arbeitssystern bei konstantem Druck stetig
zugefUhrt, darin auf thermodynamisch umkehrbarern Wege in das Gleichgewicht mit der Umgebung gebracht und dann gleichfalls stetig bei konstantern Druck abgefUhrt wird und wenn dern Stoff dabei arbeitsfahige Warme weder zugefUhrt noch entzogen wird.
Die Exergie (E) ist dernzufolge die aus dem Inhalt eines stationaren Stoffstromes beim Obergang in das Gleichgewicht mit der Umgebung maximal gewinnbare technische Arbeit und damit jener Teil derEnergie, der in beliebig
andere Energieformen verwandelbar ist. Der Rest ist Anergie (B).
Es gilt:
En
=E+ B
Man unterscheidet daher qualitativ drei Energieklassen:
- Energien, die sich im reversiblen Grenzfall vollstandig in andere Energieformen transformieren lassen. Das sind:
Mechanische Energie (kinetisch und potentiell)
Elektrische Energie
Magnetische Energie
19
- Energien. deren Umwandelbarkeit in andere Energieformen beschrankt ist.
Das sind:
Warmeenergie
Innere Energie
Chemische Energie
- Energien. die sich Uberhaupt nicht mehr umwandeln lassen. wie der innere
Energieinhalt der Umgebung oder der Energieinhalt jener Systeme. die im
thermodynamischen Gleichgewicht mit der Umgebung stehen. Die Energie
dieser Klasse besteht aus reiner Anergie.
Die Exergie der Warme1) errechnet sich in Abhangigkeit ihrer Temperatur T
und der Umgebungstemperatur Tu:
(7)
Der verbleibende Anteil der Warme ist Anergie.
r.
B=Q.f-
(8)
Exergie kann also nur in einem Zustand Uber der Umgebungstemperatur bestehen. Wird Energie bei Umgebungstemperatur abgegeben. besteht sie nur
aus Anergie.
Der Umgebungszustand ist der von der Natur aus vorgegebene Nullpunkt der
Exergie.
Die Exergie eines Stoffstromes errechnet sich aus dessen Enthalpie- und
Entropiedifferenzen zum Umgebungszustand und aus der Umgebungstemperatur
wie folgt:
£
= H - Hu - Tu .(5 -5u)
1) Zur Ableitung der Exergie vergleiche Kap. 8.
2) Die Exergie wird in dieser Arbeit abweichend von der Norm nicht mit
EEX bezeichnet. sondern mit E.
( 9)
20
Die Exergie eines Stoffstromes ist daher abhangig von:
- Enthalpie
- Entropie
- Umgebungstemperatur
Bei festgelegtem Umgebungszustand ist die Exergie daher ,eine ZustandsgroBe.
Technische Prozesse sind praktisch immer mit Irreversibilitaten behaftet.
Sobald aber ein irreversibler Vorgang auf tritt, nimmt die Entropie des
Systems zu; aus (9) folgt daraus eine Abnahme der Exergie. Ein Exergieverlust bedeutet daher einen Arbeitsverlust in der GroBe Tu*DSVerl. FUr die
Verlustexergie (Exergieverlust) infolge Irreversibilitaten kann daher angeschrieben werden:
EllverI = Tu ,. 65"verI
~Verl
(10)
ist hierin die Entropiezunahme aufgrund der Verluste.
Da die Gesamtenergie eines Prozesses unverandert bleibt, fUhrt jede Exergieabnahme,zu einer Anergieerhohung.
Mit den Begriffen der Exergie und Anergie konnen der 1. und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik neu formuliert werden:
1. Hauptsatz: Die Summe aus Exergie und Anergie eines abgeschlossenen
Systems bleibt konstant.
Der 1. Hauptsatz gibt somit eine Aussage Uber die Quantitat der Energie.
2. Hauptsatz: Nur bei reversiblen Prozessen bleibt die Exergie eines
Stoffstromes konstant. Diese wird bei irreversiblen Prozessen in Anergie
umgewandelt. Anergie kann niemals in Exergie verwandelt werden.
Der 2. Hauptsatz gibt eine Aussage Uber die Qualitat der Energie.
Mit Hilfe der Exergie konnen die Qualitat technischer Prozesse untersucht
und die Stellen der Verluste an Arbeitsfahigkeit aufgezeigt werden.
Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt in ExergiefluBbildern (Exergiediagrammen) .
21
In den Abbildungen 11 bis 14 werden die ExergiefluBbilder einiger thermodynamischer Prozesse gezeigt.
Der Antrieb einer Warmepumpe muB nicht zwingend mit reiner Exergie erfolgen,und der Warmestrom der Warmequelle muB nicht aus reiner Anergie bestehen, wie spater noch zu zeigen ist.
Ecarnot= 4.5
£ =30
~sO.67
QN
Die lahlenangaben 1) beziehen sich auf folgende Werte: t u = 17°C,
tN = 100°C.
Fig. 11: ExergiefluBbild einer Warmepumpe (Typ 1)2)
1) Die angegebenen Zahlen stellen Warmeeinheiten dar.
2) Typ 1 wird auf Seite 29 erklart.
22
Fig. 12: ExergiefluBbild einer Brennstoff-Feuerung fUr eine Zentralheizung.
Zahlenwerte aus /133/
Bei der Beurteilung von ExergiefluBbildern zeigt sich, daB bei Prozessen
mit groBen Energieverlusten oft nur geringe Exergieverluste auftreten und
umgekehrt.
So ist der Energieverlust durch die Warmeabfuhr im Kondensator eines
Dampfprozesses sehr groB, der Exergieverlust aber sehr gering, da die
Energie des Kondensates vor allem aus Anergie besteht.
Umgekehrt fUhren die Verbrennung im Kessel und die WarmeUbertragung im
Warmetauscher zu sehr groBen Exergieverlusten, aber nur sehr geringen
Energieverlusten.
Der Exergieverlust eines Warmestromes durch eine WarmeUbertragungsflache
wird in der nachstehenden Fig. 15 naher behandelt.
23
Bremstoff
Strom
Fig. 13: ExergiefluBbild eines Dampfkraftwerkes ohne Warmekopplung.
Zahlenwerte aus /133/
24
'MJsserkrcft
Strom
Fig. 14: ExergiefluBbild eines Wasserkraftwerkes.
Zahlenwerte aus /133/
25
'i
WCirme(ibert
fNiche
~
Fig. 15: Exergieverlust beim Warmeubergang
Beim Warmetausch an einer Flache ohne Druckverlust tritt ein Energieverlust folgender GrijBe aUf1);
= Q.
r •.
U
T. - T.
7m2m
T7m "12m
(11 )
Wie aus (11) hervorgeht, steigt die Verlustexergie mit groBerwerdender
Temperaturdifferenz der Warmeubertragung an .
In Fig. 16 ist die Abhangigkeit des Exergieverlustes EVerl I (prozentuell
auf die Gesamtenergie bezogen) von der Temperaturdifferenz Tl - T2 mit
folgenden Annahmen dargestellt:
o
tu = 17 C,
0
t2 = 100 C.
Findet der Warmeubergang bei Temperaturen uber der Umgebungstemperatur
statt (T 1 > Tu ' T2 '> Tu)' flieBen Exergie und Anergie gemeinsam in Richtung fallender Temperatur. (Fig. 17)
1) Vergleiche Kap. 8.
26
1= 700 ° C
tu =77·C
I
30
20
70
V
o
100
v
50
150
'/
100
200
/'
v
150 200
250 300
L
/'
250
350
/"
JOO
400
~
350
~O
t,
400 K 6. 7
500 °C
Fig. 16: Abhangigkeit des prozentuellen Exergieverlustes von der Temperaturdifferenz bei der WarmeUbertragung
T
Weg
Fig. 17: ExergiefluB bei einer WarmeUbertragung Uber der Umgebungstemperatur
27
Beim WarmeUbergang unter der Umgebungstemperatur (z.B. in Kalteanlagen)
stromt die Anergie mit dem Warmestrom in Richtung fallender Temperatur.
Die Exergie flieBt in entgegengesetzter Richtung und verwandelt sich dabei zum Teil in Anergie (Fig. 18).
Daraus folgt:
Beim WarmeUbergang stromt Anergie stets in Richtung fallender Temperatur.
Exergie flieBt immer in Richtung zur Umgebungstemperatur und verwandelt
sich dabei in Anergie.
AbschlieBend sei noch auf die Exergiediagramme (Exergie/Enthalpie) hingewiesen, die fUr verschiedene Stoffe entworfen wurden. Fig. 19 zeigt beispielsweise das Exergiediagramm des Kaltemittels R 13.
T
T:
~
~
~
~
~
~
~
~
Fig. 18: Exergie-/AnergiefluB bei einer WarmeUbertragung unter der Umgebungstemperatur
Beim Entwurf von Exergiediagrammen ist die Umgebungstemperatur festzulegen,
da der Wert der Exergie von der Wahl des Umgebungszustandes abhangt.
28
Einem solchen Diagramm entnommene Exergiewerte konnen korrigiert werden,
wenn der Umgebungszustand anders definiert werden soll als der des
Diagrammes. In /18/ wird dazu ein einfaches Verfahren beschrieben.
I
II
v
V
-25
-30
70
1),),(
-
P
II
. 11
.~~
I
VV 1")/ A
~ II
80
II
90
IV
II
/00
110
/LO
lJO
En/helpi..
Fig. 19: Exergiediagramm fUr R 13, fUr Tu
II
..IS
I
,II
I
iOl ~/
Ji~'~HH~~~~Mff~~
1\. II 1'!4:')
II
7rt
:1
I
I
I
I
II
.I
.
IV
I
I//I/"
II
b(
I
IV
II
II
I" ..
,I
,i II
I
.I
I
11b~
I
IL
II
I
I I
I
I
~I
I
I!Q) if
IV
I
III
II
II
..(,.
I
I
1/,/
1/
II
I
,I
I
,I
I
I
I
t:C""l III
c
. ~ D',,«:
I
IV
I
II
III
r~~l~ ~
I
II
I
'I
. 'I
290 K. Aus /79/
~
II
II
~
II
'I
II
kcol/kg
II
IS()
29
1.3.2. DIE EXERGETISCHEN TYPEN DER
W~RMEPUMPE
Die im Verdichter der Warmepumpe zugefUhrten Energiestrome wurden bisher
immer als reine Exergiestrome betrachtet. Es ist aber nicht zwingend notwendig, daB zum Antrieb des Warmepumpensystems reine Exergie (elektrische
oder mechanische Energie) verwendet werden muB. Es konnen auch Energiestrome mit genUgend groBem Exergieanteil (Warme) dem System zugefUhrt werden. Der AnergiefluB durch die Anlage wird dadurch zwar vergro6ert, wodurch die Abmessungen der Apparate zunehmen, dafUr kann das System aber
mit minderwertiger Energie betrieben werden.
Der Uber die Warmequelle zugefUhrte Warmestrom mu6 nicht aus reiner Anergie
bestehen, sondern kann z.B. im Fall der Abwarmeverwertung auch noch einen
geringen Anteil an Exergie enthalten.
Durch Kombination dieser Moglichkeiten lassen sich in exergetischer Hinsicht vier Warmepumpentypen definieren:
~
Warmepumpen, die mit reiner Exergie betrieben werden und Uber die
Warmequelle reine Anergie aufnehmen.
~
Warmepumpen, die mit reiner Exergie betrieben werden und Uber die
Warmequelle Exergie und Anergie aufnehmen.
~
Warmepumpen, die mit Exergie und Anergie betrieben werden und Uber
die Warmequelle reine Anergie aufnehmen.
~
Warmepumpen, die mit Exergie und Anergie betrieben werden und Uber
die Warmequelle Exergie und Anergie aufnehmen.
Die vier Warmepumpentypen konnen in einer Matrix zusammengefaBt werden
(siehe Tab. 1).
Die Leistungsfahigkeit der Warmepumpen yom Typ 1 und 2 wird mit der Leistungszahl E, die der Warmepumpen yom Typ 3 und 4 mit dem Warmeverhaltnis
~, definiert als Quotient aus Nutzwarmestrom und Heizwarmestrom (vergleiche Kap. 2.2.1.1.), beschrieben.
30
W~ R M E QUE L L E
....
ANERGIE
ANERGIE + EXERGIE
Typ 1
Typ 2
Typ 3
Typ 4
I.&J
c.!l
ex:
I.&J
x
I.&J
co
I.&J
....
ex:
t-
z
c:(
....
c.!l
I.&J
ex:
L.LJ
Z
c:(
+
....c.!l
L.LJ
ex:
I.&J
x
L.LJ
Tab. 1: Matrix der in exergetischer Hinsicht moglichen vier Warmepumpentypen
In den Abbildungen 20 bis 23 werden die Exergieflu8bilder der Warmepumpen vom Typ 1 bis 4 dargestellt.
S
ist der exergetische Wirkungsgrad und w das Warmestromverhaltnis. Beide
Begriffe werden in Kap. 1.3.3. noch ausfUhrlich behandelt.
31
ECarnor= ~. 5
E =3.0
\es=O.67
~=o.fll
w=o.67
'1raX Q78
QN
Fig. 20: ExergiefluBdiagramm einer Warmepumpe yom Typ 1
E(arnot
e: =3.0
= 6.2
~04i
~=O.s8
WARfvlEPUfvlPE
~=1
w=o.67
wrnax=084
to =t.()°C
~=T7OC
QN
Fig. 21: ExergiefluBdiagramm einer Warmepumpe yom Typ 2
=1.78 ' )
~=1.251)
1)j
=200°C
~ =1XJOc
tz
=0.70
~ =0.72
w=Q20
J)
w.,
= 0.42
max
WARME=
PUMPE
tu = TJOC
t ..•. Temperatur der
Z
Antriebswarme
ON
Fig. 22: Exergieflu6diagramm einer Warmepumpe vom Typ 3
4'~t=192
4' = 1.50
, =0.78
~=o.81.
w=0.33
tz =180 oc.. .:.W. :. :.:A- '-'R..:.:...fVI-=E
-· =-:--I~~-a,:::>.o:i
w= 100ee PUMPE
w.,
= O. 1,8
max
to= ~OOC
tu= 17°C
ON
Fig. 23: ExergiefluBdiagramm einer Warmepumpe vom Typ 4. (In dieser Darstellungsart Uberlappt der Exergieanteil der Abwarme den Anergieanteil der Antriebswarme. Dies gilt auch fUr die weiteren Darste 11 ungen. )
1) Zur Definition von wI max' <pund <Popt siehe Seite 39, 72 und 73.
33
1.3.3. DER EXERGETISCHE WIRKUNGSGRAD
Der exergetische Wirkungsgrad eines Prozesses wird definiert al s das Verhaltnis aus der Summe der abgefUhrten und der Summe der zugefUhrten Exergiestrome.
~
=
(12)
H.D. BAEHR nennt diesen exergetischen Wirkungsgrad auch "Summenwirkungsgrad" und weist darauf hin, daB auch noch andere exergetische Wirkungsgrade definiert werden konnen (Differenzwirkungsgrade) /23/.
In diesem Buch wird mit dem Summenwirkungsgrad gerechnet, da er die anschaulichste GroBe unter den exergetischen Wirkungsgraden darstellt.
FUr die Warmepumpe ist der exergetische W~rkungsgrad der Quotient aus der
Exergie des abgegebe~en Nutzwarmestromes EQN und der Summe der zum Antrieb
zugefUhrten Exergie EQZ (N K) und der Exergie des Uber die Warmequelle zugefUhrten Warmestromes EQo '
Zum Antrieb der Warmepumpe kann mechanische oder elektrische Energie
(reine Exergie) oder Warme (Exergie und Anergie) verwendet werden.
Wird Abwarme als Warmequelle genutzt, enthalt diese neben der Anergie
auch einen geringen Exergieanteil. Handelt es sich urn Umweltwarme, ist
der Exergieanteil null; dem System wird reine Anergie zugefUhrt.
FUr die Warmepumpe gilt daher:
( 13)
34
EQN = Exergie des Nutzwarmestromes
EQZ = Antriebsexergie
EQO = Exergie des Warmequellenstromes
Die Differenz aus dem abgefUhrten Nutzwarmestrom und dem zugefUhrten Warmequellenstrom muB bei reversiblen Prozessen genau gleich der zugefUhrten
Verdichterleistung sein.
Der exergetische Wirkungsgrad des reversiblen Prozesses ist daher gleich 1.
Srev = 1
Bei irreversiblen Prozessen muB die Antriebsexergie gerade um den Energieverluststrom Ev groBer sein. Der exergetische Wirkungsgrad wird kleiner
al s 1.
FUr die vier
in Kapitel 1.3.2. behandelten Warmepumpentypen gilt:
(14)
Exergetischer Wirkungsgrad SI einer Warmepumpe vom Typ 1 (reine Exergie
im Antrieb, reine Anergie im Warmequellenstrom).
(15 )
Exergetischer Wirkungsgrad S2 einer Warmepumpe vom Typ 2 (reine Exergie
im Antrieb, Exergie und Anergie im Warmequellenstrom).
(16)
35
Exergetischer Wirkungsgrad S3 einer Warmepumpe vom Typ 3 (Exergie und
Anergie im Antrieb, reine Anergie im Warmequellenstrom).
(17)
Exergetischer Wirkungsgrad S4 einer Warmepumpe vom Typ 4 (Exergie und
Anergie im Antrieb, Exergie und Anergie im Warmequellenstrom).
Die Berechnung des exergetischen Wirkungsgrades einer Warmepumpe wird unter Berilcksichtigung der entscheidenden Zusammenhange im folgenden durchgeruhrt. Dabei wird im allgemeineren Fall der Warmepumpen des Typs 2 und
4 ausgegangen und aus den Formeln der exergetische Wirkungsgrad der Warmepumpe vom Typ 1 und der Warmepumpe vom Typ 3 abgeleitet.
Sofern als Antriebsenergie reine Exergie und ilber die Warmequelle Abwarme
(To> Tu) verwendet werden (Warmepumpe des Typs 2), gilt:
(18)
.
EQo + NK =
"
EOtt
Everl
(19)
(20)
(21)
36
~
~2
= Qf::J..
~+ N,K
QN
=
QN
-t~S+~K
~
(22)
QN
Das Verhaltnis Abwarme- zu Nutzwarmestrom (aufgenommene zur abgegebenen
Warmemenge) wird als Warmestromverhaltnis w definiert:
W=r,
Q
(23)
N
Aus (22) folgt unter BerUcksichtigung von (18). (20). (21) und (23):
TA.!
- T.U
1.:1.
TN
Nach einigen Umformungen erhalt man:
~
2
= T.'N -
TN
I
u.
r.0
b - w.~
(24)
Die Bestimmung des exergetischen Wirkungsgrades kann auch mittels Nomogramm erfolgen /27/ (Fig. 24).
Aus Gleichung (24) erhalt man auch den maximalen Wert des Warmestromverhaltnisses w. der fur den reversiblen ProzeB gilt und bei dem S= 1 wird.
Unter dieser Bedingung folgt aus (24):
37
r.
Ytfnax= _o_
(25)
N
Formel (25) gilt fUr Warmepumpen des Typs 1 und 2.
U
()
1
~
l
~f
L V
12:
~
~ r~ V
I.-~ V') ~ V
,
~ ~ !-"1t
~~
()
J
I
f---t"
L.
~
y
Qt
V-
k:::
V
IPIJ
o.t
.......
./
-
V
-..::::
~
V
V
~
V
/
IJC
~tW
---
.-t--
l1·
.1
~ b~ !:::::::::
I
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Fig. 24: Nomogramm zur Bestimmung des exergetischen Wirkungsgrades
Nach /27/
S2.
FUr eine Warmequellentemperatur von 125°C, eine Umgebungstemperatur von
20°C, eine Nutztemperatur von 175°C und ein Warmestromverhaltnis von 0.5
folgt aus dem Nomogramm Fig. 24 ein exergetischer Wirkungsgrad von 0.55.
Wird als Antriebsenergie nicht reine Exergie, sondern die Warmemenge QZ
(Exergie und Anergie) zugefUhrt und als Warmequelle wieder Abwarme eingesetzt (Warmepumpe vom Typ 4), gilt:
(26)
38
£Qz=~·
~4
~-7U
rz
~
= EQo+EQz
taN
~4
= .~
~+~
'N
'N
(27)
:aN
:bN
~
=
~·t+ ~~
(28)
Das Verhaltnis Abwarme zu Nutzwarme wird analog zur Warmepurnpe vorn Typ 2
als Warrnestrornverhaltnis wI definiert:
(29)
Das Verhaltnis des zugefUhrten Antriebswarmestrorns zur Nutzwarmemenge
wird als Warmestrornverhaltnis w2 definiert:
(30)
Aus (26) folgt:
(31)
Aus (28) errechnet sich unter BerUcksichtigung von (20), (21), (26), (27),
(29) und (30):
(32)
39
Unter Beachtung von (31) erhalt man nach einigen Umformungen:
w 1-wt
1 - ru.(-1-+---)
10
(32 a)
Tz
Die Bestimmung des exergetischen Wirkungsgrades S4 kann ebenfalls aus
einem Nomogramm erfolgen /27/ (Fig. 25).
Aus (32) kann wiederum der maximale Wert des Warmestromverhaltnisses wI
errechnet werden, der fur den reversiblen ProzeB (S= 1) gilt:
(33)
Dieser Wert gilt fUr Warmepumpen des Typs 3 und 4.
Ober Warmepumpenprozesse kann somit die folgende allgemeine Aussage getroffen werden:
Je naher das Warmestromverhaltnis eines Warmepumpenprozesses am maximal
moglichen Wert eines Warmestromverhaltnisses liegt, desto groBer ist der
exergetische Wirkungsgrad. Da das maximale Warmestromverhaltnis nur bei
reversiblen Prozessen erreicht wird, ist leicht einzusehen, daB ein ProzeB exergetisch umso besser ablauft, je geringer die Verluste sind.
FUr eine Temperatur des Antriebs-Heizwarmestromes von 450oC, eine Nutztemperatur von 250 oC, eine Warmequellentemperatur von I50 oC, eine Umgebungstemperatur von 20 0 C und ein Warmestromverhaltnis von 0.3 folgt aus
dem Nomogramm Fig. 25 ein exergetischer Wirkungsgrad von 0.86.
40
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Fig. 25: Nomogramm zur Bestimmung des exergetischen Wirkungsgrades S4'
Nach /27/
Die Formeln (24) und (32) fUr S2 und S4 lassen sich auch dann verwenden,
wenn Uber die Warmequelle kein Abwarmestrom, sondern reine Umgebungsenergie zuflieBt. FUr diesen Sonderfall wird die Abwarmetemperatur To gleich
der Umgebungstemperatur Tu' so daB aus (24) folgt:
(34)
Aus (32) folgt:
s'3 =
T.
(1 - IM1 ).(1 - ~)
~
(35)
41
1m AnschluB werden die exergetischen Wirkungsgrade der Warmepumpen yom
Typ 1 bis 4 in Tabelle 2 zusammengefaBt:
Exergetischer Warme- Exergetischer Wirkungsgrad
pumpentyp
Max. Warmestromverhaltnis
Warmepumpen, die mit
reiner Exergie betrieben werden und
tiber die Warmequelle
reine Anergie aufnel1nen.
~1
=
wmax
=f
'N
Warmepumpen, die mit
reiner Exergie betrieben werden und
tiber die Warmequelle
Exergie und Anergie
aufnel1nen.
~2
=
wmax
=f
'N
W7rrox
=-1L.
TN
W1rrox
=-1L. Tz - Tt:i.
TN ~ - b
Warmepumpen, die mit
Exergie und Anergie
betrieben werden und
tiber die Warmequelle
reine Anergie
aufnel1nen.
Warmepumpen, die mit
Exergie und Anergie
betrieben werden und
tiber die Warmequelle
Exergie und Anergie
aufnehmen.
~3
TN-Tu • 1
1 -w
TN
=
w-L
"
TN
TNTN
(1
b
b-w.'u
L
T.
- W7 )11(1 - ...:JL)
Tz
TN-'u
~4
=
T:J.
1-
1U*(y~)
o
z
r.
r.
1Z
~
-
1&
- b
Tab. 2: Die vier exergetischen Warmepumpentypen, deren exergetische Wirkungsgrade und maximale Warmestromverhaltnisse
42
1.3.4. EXERGETISCHE BEURTEILUNG DER WARMEPUMPE
Steht keine geeignete Abwiinnequelle zur VerfUgung, so ist man hiiufig gezwungen, Wiinne niedriger Temperatur aus der Verfeuerung von Brennstoffen
zu erzeugen. Dieses Verfahren ist exergetisch sehr ungUnstig, da Anergie
durch die Vernichtung von Exergie ohne deren Nutzung erzeugt wird. Die
vernichtete Exergie geht direkt in Anergie der Umgebung Uber.
Die Wiinnepumpe umgeht dieses unwirtschaftliche Verfahren der Wiinneerzeugung. Anergie steht als innere kalorische Energie der Umgebung kostenlos
zur VerfUgung. Die Wiinnepumpe nutzt die Umgebungsanergie und transfonniert
diese unter Zufuhr von Exergie im Verdichter der Anlage auf ein hoheres
Nutztemperaturniveau. Der erzeugte Wiinnestrom setzt sich in Abhiingigkeit
seiner Temperatur und der Temperatur der Umgebung aus Exergie und Anergie
zusammen. Die Anergie des Nutzwiinnestromes wird nicht durch Vernichtung
der Exergie erzeugt, sondern zum GroBteil kostenlos der Umgebung entnommen. Dadurch ergibt sich eine beachtliche Einsparung an Primiirenergie.
Um Wiinnepumpenprozesse nicht nur untereinander, sondern auch mit anderen
Heizverfahren vergleichen zu konnen, muB der im Antrieb der Wiinnepumpe zugefUhrte Energiestrom bis zur Umwandlung der Primarenergie zurUckverfolgt
werden.
Jede Wannepumpe und jedes andere Heizverfahren nutzendaher die Primarenergie verschieden gut. Urn einen Vergleich zwischen den Verfahren zu ennoglichen, wird der Primarenergienutzungsgrad EI folgend definiert /5/:
(36)
Der Primarenergienutzungsgrad stellt das Verhaltnis des Nutzwannestromes
QN,vermehrt urn einen direkt heizenden Warmestrom QRUck,zur aufgewendeten
Primarenergie EI dar.
Der direkt heizende Warmestrom kann gegebenenfalls aus einem Abwannestrom
zurUckgewonnen werden, der bei der Umwandlung von Primarenergie in Wanne-
43
pumpen-Antriebsenergie entsteht (z.B. Abgaswarme bei Gas- oder Dieselmotoren zum Antrieb des Warmepumpen-Verdichters). So konnen Warmepumpenarten mit groBer Leistungszahl einen schlechten Primarenergienutzungsgrad
aufweisen.
Die nachstehende Tabelle gibt einen Oberblick Uber Primarenergienutzungsgrade und Leistungszahlen einiger Heizverfahren und warmepumpenarten 1) /5/:
Direkte Verbrennung
Elektrische Widerstandsheizung
Peltier-Warmepumpe
Elektrische Warmepumpe
Gaswarmepumpe
Absorptionswarmepumpe
NK
E
tJ
-
-
-
1.3
3.8
4.1
1.8(4))
0.3
0.3
0.25
0.80
Die Zahlenangaben gelten fUr die Werte tN = 45°C, to
aber analog auch fUr andere Temperaturen angeben.
QRUck
EI
0
0
0.65
0
= OOC,
EI
0.80
0.30
0.40
1.10
1.65
1.40
lassen sich
Tab. 3: Abschatzung verschiedener Heizverfahren und Warmepumpen nach der
Primarenergienutzung bei der Bereitstellung von NiedertemperaturHeizenergie /5/
1) Die Erlauterung der hier angefUhrten Warmepumpenverfahren erfolgt in
den Kapiteln 2.1.1.1. (Elektrische Warmepumpe), 2.1.1.2. (Gaswarmepumpe). 2.2.1. (Absorptionswarmepumpe) und 2.6.1. (Peltier-Warmepumpe).
2. SYSTEMATIK DER WXRMEPUMPEN
In der Fachliteratur wird heute sehr oft der Begriff der Warmepumpe mit
dem Kaltdampf-Warmepumpenproze6 gleichgesetzt. Es gibt aber eine gro6e
Zahl thermoqynamischer Verfahren, die Warme auf ei~e andere Art von einem
niedrigeren auf ein hoheres Temperaturniveau bringen und daher ebenfalls
Warmepumpen sind.
In diesem Kapitel werden alle heute bekannten Warmepumpenverfahren in
eine Systematik gebracht und die einzelnen Wannepumpenarten beschrieben.
Fig. 26 zeigt die Systematik der Warmepumpen.
2.1. KOMPRESSIONSWXRMEPUMPEN
Kompressionswarmepumpen sind geschlossene Systeme, die nach dem Kaltdampfprinzip arbeiten und durch einen mechanischen Verdichter angetrieben werden. Die Wiirmeaufnahme zur Verdampfung und die Wiirmeabgabe zur Kondensation des Kiiltemittels erfolgen Uber Wiirmeaustausch-Apparate.
In exergetischer Hinsicht sind Kompressionswiirmepumpen Wiirmepumpen des
Typs 1 und 2 (Kap. 1.3.2.), da im Antrieb immer reine Exergie zugefUhrt
und Uber die Wiirmequelle Anergie (bei Umweltwiirme) oder Anergie + Exergie
(bei Abwiirme) aufgenommen werden.
Kompressionswarmepumpen konnen:
- mit einem Einstoff-Arbeitsmedium arbeiten
- zur Vermeidung hoher KondensatordrUcke einen Losungskreislauf verwenden
- Mehrstoff-Systeme (azeotrope und nichtazeotrope Gemische) zur Erhohung der Leistungsanzahl der Wiirmepumpenanlage einsetzen
45
WAORMEPUMPE
rl
WiirmePU"Il~
I
J
J
J
J
mit YfTI~orm;ng hoch werllSJer Warme
J
Elekfrische
Worme/Jumoe
H Gaswormepumpe
rlEinsfoff-Konpes -
sionswiirmepum~
H
L
I
~~io.nSWiirme-1
pu
e rfllt
KOMPRESSIONS WARMEPUMPE
SORPT/ONSWARMEPUMPE
KOMBlNlERTE
KOMPR 01 SORPT. WARMEPUMPE
Ii. 'i""
r--
0
"I
l1Mehrstoff-XbmpreS
sionswormepumpe
-J
_lt~sorPfions -
-
warmepumpe
- {Re::5orpfions warmepumpe
I
--{Ohne
LOsungskreislauf
I
yMit
[jjsungskreis{auf
I
~
THERMOKOMPRES SOR
rl
STRAHLWARME PUMPE
SONDERFORMEN
Dampfsfrah{wiirme
pumpe
t--
t--
-J
l1ThermiSChe
Wiirmepumpe
I
-1PelfierWiirmepumpe
J
l-1.
Figo 26: Systematik der Warmepumpen
RofafionsWiirmepumpe
J
KampresslOnSWCenmif
LC7lderen Anfrie
H Templifier
Kalfluff -(gas-)
mit Umformung minder
werfiaer Worme
j
46
Neben der Unterteilung der Kompressionswarmepumpen nach der Art des Arbeitsmediums bestehen auch hinsichtlich der Schaltung der Kompressionswarmepumpenanlage mehrere Moglichkeiten:
Neben der einstufigen Betriebsweise werden zur Vermeidung hoher Druckverhaltnisse im Verdichter mehrstufige Anlagen oder Anlagen in Kaskadenschaltung eingesetzt.
Die Abbildungen 27 bis 29 zeigen Kompressionswarmepumpen in einstufiger
und zweistufiger AusfUhrung bzw. in Kaskadenschaltung.
Kondensator
Drossel
Verdichter
Verdampfer
Fig. 27: Einstufige Kompressionswarmepumpe
Einstufige Warmepumpen werden unwirtschaftlich, sobald vorgegebene Temperaturgrenzen zu weit auseinanderliegen. Einerseits sinkt die Leistungszahl des Prozesses, andererseits wird das Druckverhaltnis im Verdichter
zu groB. In diesem Fall ist der Einsatz mehrstufiger Kompressionsverfahren sinnvoll, da das Druckverhaltnis einer Stufe gUnstigere Werte annimmt, die Leistungszahl steigt und damit bei gleicher Nutzwarmemenge die
Betriebskosten sinken.
47
Ho chdruckkreislauf
Druckbehdfter
Nlederdruck Kreis fa u(
Fig. 28: Zweistufige Kompressionswarmepumpe
R12
R13
Ikrcbmpfer-!<cmdensafor
Fig. 29: Kompressionswarmepumpe in Kaskadenschaltung mit R 12- und R 13Kreislaufen und innerem Warmetausch in der unteren Stufe
48
Dieselben Vorteile bringt eine Anlage in Kaskadenschaltung; jede Stufe
der Anlage hat einen getrennten Kaltemittelkreislauf mit unterschiedlichen Kaltemitteln. Die einzelnen Stufen sind Uber gemeinsame Verdampfer/
Kondensatoren verbunden.
Die Schaltung einer Kompressionswarmepumpe kann durch inneren Warmetausch
verbessert werden. In einem zusatzlichen Warmetauscher Ubertragt das vom
Kondensator kommende verflUssigte Kaltemittel seine Warme an den vom Verdampfer kommenden Kaltemitteldampf vor dessen Eintritt in den Kompressor.
Durch die dadurch erreichte UnterkUhlung des Kaltemittels vermehrt sich
die von der Warmequelle aufgenommene Warmemenge urn die schraffierte Flache 11'ab in Fig. 30, ohne daB wesentlich mehr Antriebsarbeit aufgenommen
werden muB. Dadurch kann im Kondensator mehr Nutzwarme abgegeben werden
(h3 - h5 statt h3 - h5 wie im WarmepumpenprozeB ohne inneren Warmetausch).
T
Fig. 30: WarmepumpenprozeB mit innerem Warmetausch
49
2.1.1. KOMPRESSIONSWARMEPUMPEN OHNE LOSUNGSKREISLAUF (EINSTOFF-KOMPRESSIONSWARMEPUMPEN)
2.1.1.1. ELEKTRISCHE WARMEPUMPE
Elektrische Warmepumpen verwenden Elektromotoren als Antrieb fUr den mechanischen Kompressor. Die Ubrigen Anlagenteile (Verdampfer, Kondensator,
Drosse 1) sind gl ei ch wi e bei den anderen Kompress i onswarmepumpen. Di e
elektrische Warmepumpe entspricht daher in der Schaltung der Warmepumpe
aus Fig. 27.
Die energetische Oberlegenheit einer elektrischen Warmepumpe gegenUber
herkommlichen Heizverfahren hangt von der Hohe der Leistungszahl abo
Elektrische Warmepumpen werden mit Strom betrieben. Wird dieser in kalorischen Kraftwerken erzeugt, mu6 die Warmepumpe aufgrund des thermischen
Wi rkungsgrades des Kraftwerkes 1) von ca. 35 %(Erzeugung, Transport: Umspannung und Verteilung) eine Leistungszahl von mindestens 1/0.35 = 2.9 haben,
urn gegenUber anderen Heizverfahren in energetischer Hinsicht bestehen zu
konnen.
Kommt der Strom aus Wasserkraftwerken (Gesamtwirkungsgrad ca. 75 %), reduziert sich die Grenzleistungszah1 2) auf 1/0.75 = 1.33. Elektrische Warmepumpen bringen fUr mittlere Temperaturdifferenzen Leistungszahlen von 3
bis 4, liegen aber im Primarenergienutzungsgrad schlechter als andere
Verfahren der Warmeerzeugung.
Fig. 31 und 32 zeigen die Energieflu6bilder einer elektrischen Warmepumpe
mit Antriebsstrom aus einem kalorischen bzw. einem Wasserkraftwerk.
Ein Nachteil der elektrischen Warmepumpe liegt in der schweren Regelbarkeit von Elektromotoren, die stufenlos nur mit sehr gro6em technischen
Aufwand moglich ist.
1) Kraftwerk ohne Kraft-Warme-Kopplung.
2) 1st die Leistungszahl, die eine Warmepumpe haben mu6, damit sie energetisch gUnstiger arbeitet als eine direkte Beheizung.
50
l..i'rwelt-
war-me
lbertrogungsverlust
E --~
28 --3/
.If
Heizt.M:irme
Fig. 31: EnergiefluBbild einer elektrischen Warmepumpe - Antrieb mit kalorisch erzeugtem Strom. Zahlenwerte aus /46/
51
Krattvverks-
verlust
~-----~~------~
r-----,~------~
Mechan.l.leJektr.
Verluste d. WP
1----172 ----~
Verlusteim
Heizungsbereich
E:
rl2 = 2.3
75
Fig. 32: Energieflu6bild einer elektrischen Warmepumpe - Antrieb mit
Strom aus Wasserkraft /11/
52
2.1.1.2.
GASW~RMEPUMPEN
Die Gaswarmepumpe ist eine Kompressionswarmepumpe, deren Verdichter zumeist mit einem Erdgas-Verbrennungsmotor angetrieben wird. Daher erfolgt
im Antrieb eine direkte Primarenergie-Umsetzung, bei der die Umwandlungsverluste von Primar- in Sekundarenergie (wie bei der elektrischen Warmepumpe) wegfallen.
Das Erdgas wird verlustfrei an den Motor herangefUhrt und dort mit einem
Wirkungsgrad von ca. 30 % in mechanische Energie zum Antrieb des Kaltemittelkompressors umgewandelt. Bei einem Abgasverlust von ca. 10 % /68/
gehen aber die verbleibenden ca. 60 %der eingesetzten Erdgas-Primarenergie nicht verloren, sondern werden im Gasmotor in thermische Energie umgesetzt und stehen dem ProzeB als hochwertige Warme Uber MotorkUhlwasser
und Abgas zur VerfUgung. Die yom Motor abgegebene thermische Energie kann
entweder dem Heizwasserkreislauf am Kondensator zugefUhrt werden und erhoht damit die Vorlauftemperatur des Kreislaufes oder Uber einen zweiten,
getrennten Kreislauf zur Versorgung von Hochtemperatur-Verbrauchsstellen
herangezogen werden.
Die optimale Primarenergienutzung unter RUckgewinnung der Gasmotorabwarme
gestattet es, die Gaswarmepumpe um 30 - 40 % kleiner auszulegen als eine
elektrische Warmepumpe derselben Nutzwarmeleistung.
In den Investitionskosten liegen Gaswarmepumpen daher um ca. 20 % niedriger als eine entsprechende elektrische Warmepumpe /66/. Ein weiterer
Vorteil ist die Moglichkeit der Leistungsanpassucg durch Drehzahlregelung
des Antriebsmotors.
Das EnergiefluBbild einer Gaswarmepumpe zeigt Fig. 33.
53
Abwarme
Nutzwa.rme
Fig. 33: EnergiefluBbild einer Gaswarmepumpe.
Zahlenwerte aus /46/
FUr eine Gaswarmepumpenanlage konnen zwei Leistungszahlen definiert werden: Im Antrieb stehen nach den Zahlenangaben aus Fig. 33 30 Energieeinheiten zur VerfUgung. Die Warmeabgabe betragt insgesamt 177 Einheiten,
davon werden aber 56 Einheiten als Motorabwarme aufgebracht.
Die Leistungszahl ware fUr diesen ProzeB:
Nutzwarme aus der Warmepumpe
Antriebsenergie
121
30
4.0
Die Leistungszahl E2 berUcksichtigt zusatzlich die aus dem Gasmotor zugefUhrte Abwarme und vergroBert sich daher auf:
E
-
2 -
Nutzwarme aus der Warmepumpe + Abwarme des Gasmotors
Antri ebsenergi e
Der Pri marenergi enutzungsgrad betragt 1.77.
=
177
30
=
59
.
54
Bei der Gaswarmepumpe kommt zum Kaltemittel- und zum Heizkreislauf noch
ei n r~otorkUh lwasserkrei s 1auf dazu. Di e Warme des MotorkUh lwassers wi rd
Uber den KUhlwasser-Warmetauscher an den Heizkreislauf abgegeben. Ein zusatzlicher Abgas-Warmetauscher Ubertragt den Warmeinhalt der Motorabgase
entweder an den Heizkreislauf oder an einen getrennten Hochtemperaturkreislauf.
Eine mogliche Schaltung einer Gaswarmepumpe zeigt Fig. 34.
I-------J
. I
L ___ ..,
Kiihlwoss.r-WT~i-·l
.~
I
HeiZ~
AbgaS-WT¢.=:~-~ __
'----
- - - - ______ -.J
Verdampfer
Kaltemittelkreislauf
------ Heizkreislauf
MotorkUhlwasserkreislauf
................... Abgas
_ _ _
LM
A
- -
Fig. 34: Schaltbild einer Gaswarmepumpe
Erdgas
55
2.1.1.3.
KOMPRESSIONSW~RMEPUMPEN
MIT ANDEREN ANTRIEBEN
Neben dem Elektro- und Gasmotor lassen sich auch andere Antriebssysteme
zur Verdichtung einsetzen.
FUr Dieselmotoren gel ten diesel ben Vorteile in der Primarenergieausnutzung und in der Wirtschaftlichkeit wie bei der Gaswarmepumpe. Auch hier
geht die Motorabwarme nicht verloren, sondern kann Uber Abgas und MotorkUhlwasser dem Heizkreislauf zugefUhrt werden. Dieses System steht bereits
als Kraftheizung (bivalentes Warmepumpensystem mit verbrennungsmotorischem
Antrieb) in Betrieb /75/.
Ottomotoren liegen in den Betriebskosten hoher als Dieselmotoren und werden daher fUr industrielle GroBwarmepumpen im Vergleich zu Dieselanlagen
nicht wirtschaftlich eingesetzt werden konnen. Ottomotoren sind darUber
hinaus heute noch nicht als GroBmotoren verfUgbar. FUr Nutzwarmemengen
im MW-Bereich kommen daher sehr groBe Dieselaggregate in Frage.
Bei der direkten Verwendung von Dampfturbinen als Verdichterantrieb fallen die Umsetzungsverluste Uber elektrische Energie und Elektromotor weg.
Interessant ist der Dampfturbinenantrieb fUr Industriebetriebe mit eigener Dampferzeugung, da auch die Kondensationswarme der Turbine als Warmequelle fUr die Warmepumpenanlage genutzt werden kann.
Auch Gasturbinen lassen sich als Kompressorantrieb fUr GroBwarmepumpen
verwenden, wobei die Warme der Abgase zur Erzeugung von Hochtemperaturwarme herangezogen werden kann /73/. Die Wirtschaftlichkeit der Gasturbinenanlage muB aber erst im Vergleich zur Warmepumpe mit Dampfturbinen-/
Dieselmotorantrieb errechnet werden.
56
2.1.1.4.
HOCHTEMPERATUR-W~RMEPUMPE
Als elektrische Industriewarmepumpe wurde in den letzten Jahren eine Hochtemperatur-Warmepumpe, der sogenannte Templifier (Temperature Amplifier)
entwickelt. Dieser arbeitet nach dem Prinzip der herkommlichen Kompressionswarmepumpe, aber auf einem hoheren Temperaturniveau, und verwendet
mehrere Verdichter. Der Templifier kann zur Erzeugung von industriellem
Dampf, von HeiBwasser oder zur Versorgung anderer Warmeabnehmer im Temperaturbereich von 80 - 1200 C eingesetzt werden und nutzt dabei die freien
Warmequellen der Industrie.
Weiters bietet diese Warmepumpe auch die Moglichkeit, unter Ausnutzung von
preiswertem Nachtstrom Warme zu speichern, und tragt somit wesentlich zur
besseren Lastverteilung der Elektrizitatswerke bei. Templifier werden heute bereits auf dem Markt angeboten und als komplette Anlagen geliefert.
Fig. 35 zeigt das Schaltbild eines Templifiers mit typischen
Temperaturen /50/.
Sfufe2
Stufe1
Fig. 35: Schaltbild eines Templifiers. Zahlenwerte aus /50/
57
2.1.1.5. KALTLUFT(KALTGAS}-WARMEPUMPE
Die Kaltluft- bzw. Kaltgas-Warmepumpe gehort zu den Kompressionswarmepumpen, arbeitet aber nicht mit Kaltdampf, sondern mit Kaltluft (Kaltgas).
VergleichsprozeB ist nicht der Carnot-ProzeB wie bei der Kaltdampfmaschine, sondern der Joule-Proze6 (Kap. 1.1.2.). Bei der Kaltluftwarmepumpe
entspricht die untere Isobare des Joule-Prozesses dem Umgebungsdruck Pu'
so daB der ProzeB als offener Joule-ProzeB bezeichnet wird.
Die Funktionsweise der Kaltluftwarmepumpe ist folgende:
Umgebungsluft oder industrielle Abluft wird Uber einen Filter angesaugt,
im Warmetauscher vorgewarmt, der kombinierten Kompressions-/Expansionsmaschine zugefUhrt und komprimiert. Die dadurch erzeugte Warmluft gibt ihre
Warme Uber einen Radiator an den Abnehmer ab und flie6t Uber den Warmetauscher (zur Vorwarmung der angesaugten Luft) in den Expansionsteil der Maschine. Danach wird sie abgeblasen. Anstatt des Kompressors, wie bei Kaltdampfmaschinen, wird eine kombinierte Kompressions-/Expansionsmaschine
verwendet ("Zellenrad"), die ihrem Aufbau nach einem Vielzellenverdichter
entspricht. Aufgrund der hohen inneren Undichtheits- und inneren Warmeverluste ist die Kaltluftwarmepumpe einer Kaltdampfwarmepumpe gleicher Nutzwarmeleistung immer unterlegen /63/.
Fig. 36 zeigt das Schaltbild einer Kaltluft-Warmepumpe.
Fig. 36: Schaltbild einer Kaltluft-Warmepumpe
58
Als Beispiel der industriellen Anwendung der Kaltluft-Warmepumpe als offener ProzeB wird in Fig. 37 die Moglichkeit der WarmerUckgewinnung in der
Papierindustrie gezeigt.
Als Warmequelle dient die warme Abluft einer Papiermaschine, die in einer
kombinierten Kompressions-/Expansionsmaschine verdichtet wird und ihre
Warme im Warmetauscher an die zur Konvektionstrocknung an den Papierzylindern benotigte Luft abgibt. Danach expandiert sie im Zellenrad und gelangt
Uber einen Ventilator ins Freie. Die vorzuwarmende Frischluft wird Uber
einen zweistufigen Luftvorwarmer .gefUhrt, der durch den Rest der Papiermaschinenabluft beheizt wird.
0-
IJ)O
Fig. 37: Schema einer Luftwarmepumpenanlage in einer Papierfabrik.
Zahlenwerte aus /35/
2.1.2. KOMPRESSIONSWARMEPUMPEN MIT LOSUNGSKREISLAUF
Zur Anhebung von Umwelt- oder Abwarme auf ein gefordertes Nutztemperaturniveau sind bei Kompressionswarmepumpen ohne Losungskreislauf in Abhangigkeit des Kaltemittels oft relativ hohe KondensatordrUcke und damit hohe
59
Verdichterleistungen erforderlich. Zur Vermeidung dieser hohen DrUcke kann
dem Kaltemittelkreislauf ein zweiter Kreislauf zugefUgt werden, der von
einem Losungsmittel durchstromt wird.
1m Antriebsteil dieser Warmepumpe wird reines Kaltemittel verdichtet, wahrend durch die Ubrigen Apparate ein Gemisch aus Kalte- und Losungsmittel
flie6t. Die Kondensation des Kaltemitteldampfes wird durch eine Absorption im Resorber, die Verdampfung durch eine Desorption im Austreiber
(Entgaser) ersetzt. Warmeabgabe und Warmeaufnahme finden daher nicht mehr
isotherm statt, sondern bei gleitender Temperatur.
Die bei der Absorption entstehende Absorptionswarme wird im Resorber als
Nutzwarme abgefUhrt. Die "Beheizung" des Austreibers zur Desorption erfolgt mit Umwelt- oder Abwarme Uber die Warmequelle.
1m Vergleich zur herkOmmlichen Kompressionswarmepumpe andert sich ein Teil
der Komponenten des Systems: Anstatt des Kondensators wird ein Resorber,
anstelle des Verdampfers ein Austreiber (Entgaser) eingesetzt. Hinzu kommen ein Warmetauscher und eine Losungspumpe. Verdichter und Expansionsventil bleiben gleich.
Der Carnot-ProzeB als VergleichsprozeB wird durch den Lorenz-ProzeB ersetzt (Kap. 1.1.2.), der die gleitende Temperatur bei der Warmeaufnahme
und -abgabe berUcksi chti gt und daher ei nen besseren l~i rkungsgrad bri ngt.
Die Funktionsweise einer Kompressionswarmepumpe mit Losungskreislauf ist
aus Fig. 38 ersichtlich.
Der Kaltemitteldampf wird vom Kompressor angesaugt, verdichtet und stromt
in den Resorber. Oort findet der AbsorptionsprozeB statt, wobei der verdichtete Kaltemitteldampf vom Losungsmittel absorbiert wird. Die dabei
entstehende Absorptionswarme wird als Nutzwarme abgegeben. Die reiche
Losung (Losungsmittel + absorbiertes Kaltemittel) wird im 14armetauscher
gekUhlt und tiber ein Drosselventil in den Entgaser entspannt. Dort wird
der Kaltemitteldampf unter Aufnahme von Abwarme desorbiert, wodurch
die reiche Losung wieder arm an Kaltemittel wird und fast nur noch aus
60
Losungsmittel besteht. Die entgaste Losung (arme Losung) geht Uber die Losungspumpe in den Warmetauscher, wird dort vorgewarmt und steht im Resorber zur erneuten Kaltemitteldampf-Absorption zur VerfUgung. Der ausgetriebene Kaltemitteldampf wird vom Verdichter angesaugt und wieder komprimiert.
-
QNr-~:::;::::'-----r..../
Resorber
r:L
a.L.
a.L ... arme Losung
r.L ... reiche
Losung
Liisungspumpe
~-
Fig. 38: Schaltbild einer Kompressionswarmepumpe mit Losungskreislauf
Der Vorteil der Kompressionswarmepumpe mit Losungskreislauf liegt darin,
daB sich Warmepumpenprozesse mit wesentlich geringeren DrUcken bewaltigen lassen als bei reinen Kompressionsmaschinen. Bleibt das Druckverhaltnis in beiden Fallen gleich, kann daher die Losungskreislaufmaschine
groBere Temperaturdifferenzen zwischen Verdampfer und Kondensator Uberwinden. Ihre Anwendung wird vor allem dann interessant, wenn groBe Temperaturdifferenzen zu Uberwinden sind.
Die Regelung einer Kompressionswarmepumpe mit Losungskreislauf erfolgt
Uber die Losungspumpe. Der Grenzfall des Losungskreislaufprozesses ist
dann erreicht, wenn die Entgasungsbreite (Konzentrationsdifferenz reiche
Losung - arme Losung) gegen null und die Pumpenarbeit damit gegen unend-
61
lich geht. Die Maschine vollfUhrt dann den Carnot-ProzeB, der bei unendlicher Pumpenarbeit durch den Lorenz-ProzeB erreicht wird. Mit wachsender Entgasungsbreite wird die Pumpenarbeit immer geringer, so daB umgekehrt durch Variation der Pumpenleistung die Entgasungsbreite eingestellt
und die Warmepumpe damit geregelt werden kann.
Die Kompressionswarmepumpe mit Losungskreislauf befindet sich heute im
Erprobungsstadium und wird nur dann wirtschaftlich einzusetzen sein, wenn
groBe Temperaturbereiche mit annehmbaren DrUcken Uberwunden werden mUssen.
Bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen Warmequelle und Warmesenke ist
der LosungskreislaufprozeB dem Carnot-ProzeB unterlegen. AuBerdem liegt
der Investitionsaufwand fUr die Maschine mit Losungskreislauf hoher.
2.1.3.
MEHRSTOFF-KOMPRESSIONSW~RMEPUMPEN
2.1.3.1. AZEOTROPE
MEHRSTOFF-KOMPRESS10NSW~RMEPUMPEN
Kompressionswarmepumpen, die anstatt eines Einstoff-Kaltemittels ein azeotropes Zweistoff-Kaltemittelgemisch verwenden, entsprechen in den Anlageelementen einer Einstoff-Kompressionswarmepumpe.
Die Siede- und Taulinie azeotroper Gemische berUhren sich im T/x-Diagramm
in einem Punkt (azeotroper Punkt). Das Kaltemittelgemisch wird mit der
azeotropen Konzentration eingesetzt und verhalt sich daher bei Verdampfung
und Kondensation wie ein reines Kaltemittel.
Fig. 39 zeigt das T/x-Diagramm eines azeotropen Gemisches.
1m azeotropen Punkt sind Dampf- und F1Ussigkeitskonzentration bei der entsprechenden Temperatur gleich. Azeotrope Kaltemittelgemische werden wegen
ihrer guten thermodynamischen Eigenschaften eingesetzt, die fUr das Gemisch gUnstiger liegen konnen als fUr die beiden Komponenten. Azeotrope
Gemische werden in Kap. 4.1.3.1. genauer behandelt.
62
T
T
x=o
x=1
Fig. 39: Azeotropes Gemisch im T/x-Diagramm
Neben Zweistoff-Systemen ist auch der Einsatz von Mehrstoffgemischen moglich, jedoch fehlen heute noch Ergebnisse von Versuchen mit Mehrstoffgemischen zur Feststellung ihrer thermodynamischen Eigenschaften.
2.1.3.2. NICHTAZEOTROPE
MEHRSTOFF-KOMPRESSIONSW~RMEPUMPEN
Die Warmeabgabe und die Warmeaufnahme erfolgen bei der Einstoff-Kompressionswarmepumpe mit konstanter Kondensations- und Verdampfungstemperatur,
wahrend die Erwarmung des Heizmediums und die AbkUhlung des Warmequellenmediums bei gleitender Temperatur vor sich gehen. Dadurch treten groBe
Entropie- und Exergieverluste bei der WarmeUbertragung auf. Diese Entropieverluste konnen durch den Einsatz von nichtazeotropen Mehrstoff-Kaltemitteln verringert werden.
Nichtazeotrope Mehrstoff-Kaltemittel verhalten sich wie Gemische: Siedeund Taulinie sind Uber den gesamten Konzentrationsbereich getrennt. Zwischen flUssiger und dampfformiger Phase besteht ein Gleichgewichtszustand,
durch den sich fUr eine vorgegebene Temperatur unterschiedliche F1Ussigkeits- und Dampfkonzentrationen einstellen.
63
Fig. 40 zeigt das T/x-Diagramm fUr ein nichtazeotropes Zweistoffgemisch.
Fig. 40: Nichtazeotropes Zweistoffgemisch im T/x-Diagramm
Wird ein Gemisch der Konzentration xl (T 1) durch Warmezufuhr auf T2 erhitzt (Fig. 40), beginnt die Verdampfung, bei der sich aufgrund des
Gleichgewichtes Dampf der Konzentration x2 einstellt. Dadurch wird die
verbleibende F1Ussigkeit reicher an der schwerersiedenden Komponente (der
Konzentrationspunkt verschiebt sich nach links), so daB die weitere Verdampfung bei hoherer Temperatur erfolgt. Die Verdampfungstemperatur ist
somit gleitend.
Die Verdampfung erfolgt solange bei steigender Temperatur, bis nach Verdampfung der gesamten F1Ussigkeit der Dampf die Ausgangskonzentration xl
erreicht. Die Kondensation geht analog bei sinkender Temperatur vor sich.
Die energetischen Vorteile einer Verdampfung und Kondensation bei gleitender Temperatur sind in Fig. 41 dargestellt.
Der Exergieverlust bei der Kondensation verringert sich von der Flache
1235 auf die Flachelr.(34. Der Gewinn an Exergie im Vergleich zur EinstoffKompressionswarmepumpe entspricht der schraffierten Flache 345.
64
L=Ju.-
EKM ..... Einstoffkaltemitte 1
ZKM ..... Zweistoffkaltemittel
T
Fig. 41: Exergiegewinn bei der Kondensation eines nichtazeotropen Zweistoffkaltemittels im Vergleich zum Einstoff-Kaltemittel
Wie Berechnungen zeigen, tritt das maximale Temperaturband t max (Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Taulinie) fUr nicht azeotrope Kaltemittel
bei einer Molkonzentration von x = 50 % auf /83/.
Die maximale Temperaturdifferenz steht in einem exponentiellen Zusammenhang zur Differenz der Siedepunkte bei Normaldruck L'. t'1831 .
Mmax
= 0.04 • (6t') 1.616
(37)
Der WarmeUbergang bei Kondensation und Verdampfung wird bei nichtazeotropen Gemischen vor allem vom StoffUbergang in der Grenzschicht beeinfluBt.
Aufgrund der unterschi edl ichen Konzentra ti on von Fl Uss i gkeit und Dampf
entsteht in der Grenzschicht ein zusatzlicher StoffUbergangswiderstand,
der den WarmeUbergang verschlechtert. Dieser hangt von der Konzentration
abo Der Verlauf der WarmeUbergangszahl in Abhangigkeit der Konzentration
weist fUr nichtazeotrope Gemische ein eindeutiges Minimum im mittleren
Konzentrati onsberei ch auf 1831 .
VergleichsprozeB ist nicht der Carnot-ProzeB, sondern der Lorenz-ProzeB
(Kap. 1.1.2.), bestehend aus zwei Isentropen und zwei Linien konstanter
Konzentration. Auch im T/S-Diagramm ist der energetische Vorteil dieses
Verfahrens gegenUber dem Carnot-ProzeB ersichtlich (Fig. 42).
65
T
lffenz-ProzeB
Carnot-ProzeIJ
s
Fig. 42: Lorenz-ProzeB und Carnot-ProzeB
Nach einer Berechnung betragt die Energieersparnis des Lorenz-Prozesses
gegenUber dem Carnot-ProzeB ca. 30 %/84/.
Bei Kreisprozessen mit nichtazeotropen Zweistoff-Kaltemitteln verringert
sich daher der Temperaturabstand zwischen Verdampfung und Kondensation,
wodurch die Leistungszahl steigt. Bei derselben Nutzwarmeleistung folgt
daraus eine Einsparung an Kompressor-Antriebsenergie und damit an Betriebskosten.
Nichtazeotrope Mehrstoff-Warmepumpen konnen daher mit besserer Leistungsziffer und damit geringeren Betriebskosten im Vergleich zu einer EinstoffKompressionswarmepumpe zur Temperaturerhohung eingesetzt werden. Daraus
abgeleitet kann diese Warmepumpenart bei gleicher Leistungsziffer groBere
Temperaturbereiche UberbrUcken.
Der Vorteil der nichtazeotropen Mehrstoff-Warmepumpe liegt aber nicht nur
in der Moglichkeit der Energieeinsparung und der OberbrUckung groBer Temperaturspannungen, sondern auch in der einfachen Art der Leistungsrege~. Die Regelung erfolgt stufenlos durch geeignete Konzentrationsanderung des Kaltemittelgemisches mit Hilfe einer Rektifiziereinrichtung.
66
Dazu werden die Elemente des Warmepumpensystems durch einen Oberlauf, ein
Dreiwegventil und eine Rektifiziersaule mit Kaltemittel-F1Ussigkeitsbehalter erweitert (Fig. 43).
Orei
hahn
Heizung
Fig. 43: Nichtazeotrope Mehrstoff-Kompressionswarmepumpe mit Rektifiziereinrichtung zur Leistungsregelung /85/
Ober den Kopf der Saule geht der Dampf des leichtersiedenden Kaltemittels
in den Kondensator und von dort zum Oberlauf. Von hier fUhrt eine F1Ussigkeitsleitung zurUck zur Rektifiziersaule. Das Dreiwegventil ist Uber Leitungen mit dem Oberlauf und dem Kaltemittel-F1Ussigkeitsbehalter verbunden. Zum Zwecke des Warmetausches liegt die Verbindungsleitung Oberlauf Dreiwegventil teilweise im F1Ussigkeitssammler. Dieser kann Uber eine zusatzliche Heizung beheizt werden.
67
Durch Verdrehen des Dreiwegventiles sind zwei Betriebsweisen moglich:
In Stellung 1 flieBt das im Kondensator anfallende Kondensat Uber den
Oberlauf in die Rektifiziersaule und zum Sammler und von dort Uber das
Dreiwegventil zur Drossel und zum Verdampfer.
In Stellung 2 wird die zusatzliche Heizung des F1Ussigkeitsbehalters in
Betrieb genommen. Dadurch geht aus der F1Ussigkeit im Sammelbehalter
durch die Rektifikationswirkung der Saule in zunehmendem MaBe das leichtersiedende Kaltemittel in den am KreisprozeB teilnehmenden Kaltemittelstrom, des sen Zusammensetzung sich zu geringeren Konzentrationen an schwerersiedender Komponente verschiebt. Gleichzeitig nimmt die Konzentration
der schwerersiedenden Komponente im F1Ussigkeitsbehalter zu.
Die Konzentrationsanderung des Kreisprozesses kann durch Abschaltung der
Heizung des F1Ussigkeitsbehalters beendet werden. Durch Steuerung der
Heizung und des Dreiwegventiles laBt sich die Leistungsregelung der Warmepumpe in einfacher Weise beherrschen: FUr groBere Nutzwarmeleistungen
wird in der beschriebenen Weise dem KreisprozeB die leichtersiedende Komponente (Kaltemittel) zugefuhrt.
Nichtazeotrope Kaltemittelgemische werden in Kap. 4.1.3.2. beschrieben.
2.2.
SORPTIONSW~RMEPUMPEN
Wie bereits erwahnt wurde, kann zum Antrieb einer Warmepumpe nicht nur
reine Exergie eingesetzt werden, sondern auch Energie, die aus Exergie und
Anergie besteht. Daher ist es moglich, Warmepumpen auch mit Warme zu betreiben. Es handelt sich dann urn Warmepumpen des Typs 3 und 4 (Kap.1.3.2.).
Nach diesem Verfahren arbeiten Sorptionswarmepumpen. Ihrem Aufbau nach bestehen diese.aus folgenden Elementen:
68
-
Verdampfer
Antriebsteil
Kondensator
Expansionsventil
Ein Unterschied zu den Kompressionswarmepumpen liegt nur im Antriebsteil,
da Sorptionswarmepumpen anstatt des mechanischen einen "thermischen" Kompressor verwenden.
Der thermische Kompressor besteht aus:
-
Absorber
Uisungspumpe
Warmetauscher
Austreiber mit Rektifikator (Desorber)
Expansionsventil
Der Antrieb erfolgt durch einen hintereinandergeschalteten Absorptions-/
DesorptionsprozeB, durch den Umwelt- oder Abwarme aufgewertet wird.
Beim AbsorptionsprozeB werden relativ groBe Dampfmengen in sehr kurzer
Zeit von der F1Ussigkeit aufgenommen und damit auf ein viel kleineres Volumen gebracht. Man spri cht daher von "thermi scher Kompress i on
II •
Es handelt sich beim SorptionsprozeB urn eine Warmetransformation: Entweder wird Umwelt- oder Abwarme durch Warme hoher Temperatur auf ein mittleres Temperaturniveau transformiert (Kap. 2.2.1.1.) oder Abwarme durch Erzeugung von Umweltwarme auf ein hoheres Temperaturniveau gehoben (Kap.
2.2.1.2.) .
Als Arbeitsstoff steht ein Gemisch aus Kalte- und Losungsmittel im Einsatz
(Arbeitsstoffpaar). Am haufigsten wird Ammoniak als Kalte- und Wasser als
Losungsmittel eingesetzt.
Andere Moglichkeiten fUr Arbeitsstoffpaare bringt Kap. 4.1.2. Wie bei Kompressionswarmepumpen kann auch hier ein zusatzlicher Losungskreislauf ein-
geschaltet werden (Kap. 2.2.2.).
69
2.2.1. ABSORPTIONSWARMEPUMPEN
2.2.1.1. ABSORPTIONSWARMEPUMPE MIT UMFORMUNG HOCHWERTIGER WARME
Bei Absorptionswarmepumpen mit Umformung hoehwertiger Warme wird Umweltoder Abwarme mit Hilfe eines Warmestromes hoher Temperatur auf ein mittleres Nutztemperaturniveau transformiert. Die Elemente dieser Sorptionswarmepumpenart wurden bereits in der Einleitung genannt. Die Funktionsweise ist folgend (Fig. 44):
a.L ..... arme Losung
r. L. . ... rei ehe Losung
®
TO < TN < Tz
To < Te < Tz
Fig. 44: Sehaltbild des Absorptionsprozesses mit Umformung hoehwertiger
Warme
Der vom Verdampfer kommende Kaltemitteldampf wird im Absorber dureh das
Losungsmittel absorbiert. Bei diesem AbsorptionsprozeB tritt starke Warme-
70
entwicklung (Losungswarme) auf, die als Absorptionswarme yom Absorber abgefuhrt wird. Das Losungsmittel mit dem absorbierten Kaltemitteldampf
(reiche Losung) wird durch die Losungspumpe yom Druckniveau des Absorbers
auf das Druckniveau des Austreibers und Kondensators gefdrdert. Vor Eintritt in den Austreiber durchstromt die reiche Losung einen Warmetauscher
und wird durch die Warmeabgabe der zurUckflieBenden armen Losung aufgewarmt. Der Austreiber wird durch einen Heizwarmestrom beheizt und entgast
die reiche Losung (Desorption), wodurch der Kaltemitteldampf yom Losungsmittel getrennt wird. Das Losungsm1ttel flieBt als arme Losung yom Austreiber Uber den vorher genannten Warmetauscher und Uber ein Expansionsventil in den Absorber zur erneuten Kaltemittelaufnahme zurUck. Der Losungskreislauf ist damit geschlossen.
Der Kaltemitteldampf wird durch den Absorptions-/DesorptionsprozeB von
einem niedrigen auf ein hoheres Druck- und damit Temperaturniveau gebracht.
Der Dampf stromt nach der Austreibung durch den nachgeschalteten Rektifikator, wo mitgerissenes Losungsmittel abgetrennt wird. Yom Rektifikator
gelangt der Kaltemitteldampf in den Kondensator und gibt dort die Kondensationswarme abo Das verflUssigte Kaltemittel flieBt Uber das Drosselventil in den Verdampfer, wo durch Aufnahme von Umwelt- oder Abwarme die Verdampfung erneut stattfindet. Der Kaltemittelkreislauf ist damit geschlossen.
Folgende Energiestrome sind am AbsorptionswarmepumpenprozeB beteiligt:
-
Warmezufuhr an den Verdampfer Q
o
Warmezufuhr zur Beheizung des Austreibers Qz
Arbeitszufuhr an die Losungspumpe NL
Warmeabgabe im Absorber Q
A
Warmeabgabe im Kondensator Qc
Als Nutzwarme stehen die im Kondensator abgegebene Warme und die Absorberwarme zur VerfUgung. Diese beiden Warmestrome fallen nicht bei gleichem
Temperaturniveau an, so daB sich fUr ihre Nutzung die folgenden beiden
Moglichkeiten ergeben:
- Getrennte Nutzung von Kondensator- und Absorberwarme in zwei
Nutzwarmekreislaufen
71
- Gemeinsame Nutzung von Kondensator- und Absorberwarme in einem
Abnehmer-Kreislauf. Die Absorptionswarme erhoht dabei die Vorlauftemperatur am Kondensator
In der Absorptionswarmepumpe konnen zwei Kreislaufe unterschieden werden:
Der Kaltemittel- und der Losungskreislauf. Das Kaltemittel flieBt durch
die gesamte Anlage, das Losungsmittel nur durch den Antriebsteil. Gemeinsam stromen Kalte- und Losungsmittel als reiche Losung yom Absorber Uber
die Losungspumpe und den Warmetauscher in den Desorber.
Wie bereits erwahnt, ist der AbsorptionsprozeB eine Warmetransformation:
Die Austreiberwarme Qz (T z ) fordert die Umwelt- oder Abwarme Qo (To) auf
ein mittleres flutztemperaturniveau (TN)'
FUr die Absorptionswarmepumpe mit Umformung hochwertiger Warme ist daher
charakteristisch, daB die Austreiber-Heiztemperatur groBer als die Nutzungstemperatur ist. DafUr ist der abgegebene Nutzwarmestrom QN (Kondensator- und Absorberwarme) groBer als der zugefUhrte Austreiber-Heizwarmestrom Qz. Es gilt:
~> TN
Qz<QW
(38)
~1»7
Der IdealprozeB:
Als VergleichsprozeB dient bei Absorptionswarmepumpen ein IdealprozeB, fUr
den die folgenden Vereinfachungen festgelegt werden:
- Alle Vorgange in der Warmepumpe laufen reversibel ab
- Der Losungskreislauf ist unendlich groB
- Kaltemittel und Losungsmittel expandieren isentrop
- Die Kaltemitteldampfe werden vollstandig rektifiziert
1) Definition von
~
siehe Seite 72.
72
- Das Arbeitsstoffpaar zeigt ideales Verhalten; Verdampfungs- und
Losungswarme sind von der Temperatur unabhangig
- Bei der Vermischung der Komponenten des Arbeitsstoffpaares tritt
keine Losungswarme auf
- Die Temperatur im Kondensator und Absorber ist gleich
Das Warmeverhaltnis:
Die energetische Leistungsfahigkeit der Absorptionswarmepumpe wird nicht
mit der Lei stungsziffer, sondern dem Warmeverhaltni s qJ beschri eben.
qJ
=
Nutzwarmestrom
Austreiber-Heizwarmestrom
(39)
Der Arbeitsaufwand der Losungsmittelpumpe kann dabei vernachlassigt werden, da seine GroBe im Vergleich zu den umgesetzten Warmeenergiestromen
verschwindend klein ist. Die"thermische Kompression"findet bereits im Absorber statt, so daB von der Losungspumpe nur noch das bereits absorbierte Medium auf Austreiberdruckniveau gefordert werden muB. Dazu ist
nur eine geringe Pumpenleistung notwendig.
Das Warmeverhaltnis fUr den IdealprozeB errechnet sich folgend: Aus der
Energiebilanz der Absorptionswarmepumpe folgt, daB die Summe aus der im
Austreiber zugefUhrten Heizwarmemenge und der Uber die Warmequelle aufgenommenen Umwelt- oder Abwarmemenge die abgegebene Nutzwarmemenge ergibt.
Weiters gilt fUr einen KreisprozeB, daB die Summe aller Entropieanderungen gl ei ch null i st. Entropi eanderungen ents tehen bei der Warmezufuhr zur
Austrei bung (!::. Sz)' der Zufuhr von Umwelt- oder Abwarme (!::. So) und der
Nutzwarmeabgabe (!::. SN)'
(40 )
L tlS =
a
tlSz+ tl5r;+ tJ.SN
(41)
= +~ + ~ - ~ = a
~
fa
TN
(42 )
73
Die Entropieanderung des Losungsmittels 6SA scheint deshalb nicht auf,
weil das Losungsmittel im Kreislauf flieBt und seine Entropieanderung damit verschwindet.
Mi t (40) fo 1gt:
(43 )
Aus (43) errechnet sich das Warmeverhaltnis des idealen Prozesses zu:
(44 )
Aus (44) kann abgeleitet werden, daB das ideale Warmeverhaltnis eines Absorptionsprozesses mit Umformung hochwertiger Warme immer groBer als 1
ist.
(45)
Das Warmeverhaltnis des realen Prozesses fol gt Uber den GUtegrad '1g der
Anlage:
(46 )
Ideale Warmeverhaltnisse liegen bei mittleren Temperaturdifferenzen urn
2.0. Der GUtegrad von Absorptionsanlagen betragt ca. 75 %, so daB sich fur
das effektive Warmeverhaltnis ~ Werte zwischen 1.3 und 1.6 ergeben /96/.
An anderer Stelle werden Werte von 1.6 - 1.8 genannt /94/.
74
Aus (44) konnen fUr das Warmeverhaltnis einer Absorptionswarmepumpe die
folgenden Zusammenhange abgeleitet werden:
- Bei konstanter Austreibertemperatur sinkt das Warmeverhaltnis bei steigender Temperaturdifferenz zwischen Nutz- und Warmequellentemperatur (Fig. 45)
- Bei konstanter Nutztemperatur steigt das Warmeverhaltnis mit steigender Differenz zwischen Austreiber- und Warmequellentemperatur
bei vorgegebener Temperatur der Warmequelle (Fig . 46)
- Bei konstanter Nutztemperatur sinkt das Warmeverhaltnis mit steigender Differenz zwischen Austreiber- und Warmequellentemperatur
bei vorgegebener Temperatur des Austreibers (Fig. 47)
- Bei konstanter Warmequellentemperatur steigt das Warmeverhaltnis
mit gro6erwerdender Differenz zwischen Austreiber- und Nutztemperatur (Fig. 48)
'"
8
7.3
6
~=
18"
I~
'\
38
2
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1:lJOC
~.3
~26 ~ ~
2f)
10
20
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tn=I.O°C
~ta=60OC
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50
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//
'1.// 8
12
11
/0
80
t:.t=W-to(OC)
Fig. 45: Abhangigkeit des Warmeverhaltnisses von der Differenz zwischen
Nutz- und Warmequellentemperatur bei konstanter Austreibertem-
peratur
75
3~--~--+-~~~~---r---+---+-
Fig. 46: Abhangigkeit des Warmeverhaltnisses von der Differenz zwischen
Austreiber- und Warmequellentemperatur bei konstanter Nutztemperatur und vorgegebener Temperatur der Warmequelle
N
7.3
6
\
60
\tz= 1" poC \~ 1500C
\\
\
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2
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120
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IS - .::;:.
5
130
140
~
150
15
m
6t=~
Fig. 47: Abhangigkeit des Warmeverhaltnisses von der Differenz zwischen
Austreiber- und Warmequellentemperatur bei konstanter Nutztemperatur und bei vorgegebener Temperatur des Austreibers
-rrc)
76
IP
3
~=40CC
N=OOOC
2
o
W=rrJOC
10
20
3J
I/J
Fig. 48: Abhangigkeit des Warmeverhaltnisses von der Differenz zwischen
Austreiber- und Nutztemperatur bei konstanter Warmequellentemperatur
Die Darstellung des idealen Absorptionsprozesses mit Umformung hochwertiger Warme erfo1gt im T/s- und im 19 P;'l/T-Diagramm. Die Temperatur und
die Entropie des Arbeitsstoffpaares sind eine Funktion der Konzentration
des Gemisches, so daB nur der IdealprozeB im zweidimensionalen T/s-Diagramm darste11bar ist.
Die Darstellung des realen Verhaltens erfordert ein dreidimensiona1es Modell, bei dem zur Temperatur und Entropie als 3. Koordinate die Konzentration des Arbeitsstoffpaares als entscheidende ZustandsgroBe hinzukommt.
Fig. 49 zeigt den idealen AbsorptionsprozeB im T/s-Diagramm, Fig. 50
im 19 P;!l/T-Diagramm.
77
T r..
1
2
-A
~
. . Arbeitsfldche
'K ... KutKftdche
'.--~_~--,7
5
Fig. 49: Ideal isierter
Absorptions\~armepumpenprozeB
im T/s-Diagramm 1)
Die Flachen FA und FK sind fUr den IdealprozeB gleich groB.
Den Strecken der Fig. 49 entsprechen folgende Vorgange im WarmepumpenprozeB:
1- 2
2
3
4
5
6
7
-
3
4
5
6
7
8
8 - 1
Austreibung des Kaltemittels durch Warmezufuhr im Sumpf
des Austreibers
Temperaturprofil im Austreiber
Kondensation bei Abgabe der Kondensationswarme
Stromung durch das Expansionsventil in den Verdampfer
Verdampfung bei ZufUhrung der Umwelt- oder Abwarme
Aufwarmung im Absorber durch die Losungswarme
Absorption des Kaltemitteldampfes durch Abgabe der Absorptionswarme im Absorber
Stromung durch Losungspumpe und Warmetauscher
1) Vergleiche Fig. 44.
78
Igp
P~----~1----7----~-----r----
Pa~~----~------~~~~--------
-7;r
Fig. 50: Idea1er AbsorptionsprozeB im 19 P~l/T-Diagramm
Das 19 P/l/T -Diagramm bri ngt den Vorteil, daB Li ni en konstanter Konzentration nahezu a1s Geraden erscheinen.
Den Strecken der Fi g. 50 werden di e fo 1genden Vorgange in der Warmepumpe
zugeordnet:
1- 2
Austreiben des Ka1temitte1s unter Warmezufuhr bei konstantem Druck p im Austreiber
2 - 3 ... Stromung der Losung vom Austreiber tiber den Warmetauscher
und das Expansionsventi1 zum Absorber
3 - 4 ... Absorption des Ka1temitte1dampfes unter gleichzeitiger
Warmeabfuhr
4 - 1 ... Stromung der Losung vom Absorber tiber die Losungspumpe
und den Warmetauscher zum Austreiber
Punkt 5
Kondensation des Ka1temitte1dampfes im Kondensator unter
Abgabe der Nutzwarme
79
5 - 6 •.. Stromung des Kaltemittels
selventil zum Verdampfer
Punkt 6
vo~
Kondensator Uber das Dros-
Verdampfung des flUssigen Kaltemittels unter Aufnahme von
Umwelt- oder Abwarme
Aus Fig. 50 konnen die beiden Kreislaufe der Absorptionswarmepumpe abgelesen werden:
Der Losungskreislauf ist durch den Streckenzug 1-2-3-4-1 gegeben. Das
Kaltemittel wird nach der Verdampfung (Punkt 6) im Punkt 3 aufgenommen,
flieBt in der reichen Losung im absorbierten Zustand entlang des Strekkenzuges 3-4-1-2 und liegt nach der Austreibung im Punkt 2 als Dampf yom
Zustand 5 vor. Der ausgetriebene Kaltemitteldampf wird kondensiert (Punkt
5) und stromt in flUssiger Form entlang 5-6 Uber das Expansionsventil
zum Verdampfer. Der den Verdampfer verlassende Kaltemitteldampf yom Zustand 6 wird anschlieBend wieder von der armen Losung im Absorber aufgenommen (Punkt 3).
1m 19 P;!l/T-Diagramm laBt sich also nur der Losungskreislauf als geschlossener Linienzug darstellen, der Kaltemittelkreislauf ist aufgrund der Konzentrationsdifferenz zwischen flUssiger und dampfformiger Phase des Losungs- und Kaltemittels zweimal unterbrochen.
Innerer Warmetausch
Zur Erhohung der Wirtschaftlichkeit von Absorptionsanlagen besteht die
Moglichkeit des inneren Warmetausches.
Der Kaltemitteldampf kommt yom Verdampfer annahernd mit Umgebungstemperatur in den Absorber, der auf einem hoheren Temperaturniveau arbeitet. Urn
die Abgabe der Absorptionswarme zu erhohen, kann der Kaltemitteldampf vor
dem Absorber mit dem yom Kondensator abflieBenden Kondensat warmegetauscht
werden. Dabei wird das Kondensat gekUhlt, indem es seine Warme an den yom
Verdampfer kommenden Kaltemitteldampf abgibt .. Somit erhoht sich die abgegebene Nutzwarmemenge.
80
Fig. 51 zeigt eine einstufige Absorptionswarmepumpe mit innerem Warmetausch.
Aus~~ber ~~~
Fig. 51: Schaltbild einer einstufigen Absorptionswarmepumpe mit innerem
Warmetausch
Absorptionswarmepumpen mit Umformung hochwertiger Warme konnen zur Oberwindung groBerer Temperaturdifferenzen zwischen Warmequelle und Warmesenke auch mehrstufig betrieben werden.
Der Grenzfall der einstufigen Betriebsweise ist dann erreicht, wenn die
Entgasungsbreite (Konzentrationsdifferenz reiche Losung - arme Losung)
gegen null und die Losungskreislaufmenge damit gegen unendlich geht.
Bei mehrstufigen Absorptionsanlagen werden ein oder mehrere Verdampfer mit
einem Kondensator oder mehreren Kondensatoren beliebig gekoppelt.
Fig. 52 zeigt eine zweistufige Absorptionsanlage.
81
1. Stufe
Fig. 52: Absorptionsanlage mit zweistufigem Antriebsteil
Regelung von Absorptionswarmepumpen
Absorptionswarmepumpen werden nach folgenden Methoden geregelt /88/:
-
Veranderung der Heizwannemenge im Austreiber
Veranderung der Temperatur des Austreiber-Heizwarmestromes
Drosselung der umgewalzten Losungsmenge
Bypassregelung
Fig. 53 zeigt das Schaltbild .einer einstufigen Absorptionsanlage mit
Bypassregelung.
82
Fig. 53: Schaltbild einer einstufigen Absorptionsanlage mit Bypassregelung
Die Regelung kann sehr einfach mit einem Zweiwegventil verwirklicht werden, das zwischen die Strome der vom Austreiber kommenden reichen Losung
und der dem Absorber zugehenden armen Losung geschaltet wird.
Zu den energetischen Vorteilen der Bypassregelung kommt noch die gUnstige Regelcharakteristik: Ober das gesamte Leistungsspektrum ist der spezifische Energiebedarf der Absorptionsanlage, bezogen auf Vol last, annahernd konstant.
Fig. 54 zeigt die Regelcharakteristik einer Absorptionswarmepumpe mit
Drossel- oder Bypassregelung.
83
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30
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Heizteistung -
Fig. 54: Regelungsverhalten einer Absorptionswarmepumpe mit Drossel- oder
Bypassregelung. Aus /88/
Absorptionswarmepumpen verwenden am haufigsten Ammoniak/Wasser als Arbeitsstoffpaar. Daneben wurde in den letzten Jahren eine LithiumbromidAbsorptionswarmepumpe entwickelt, die mit Wasser als Kaltemittel und Lithiumbromid als Losungsmittel arbeitet und in der Klimatechnik eingesetzt
wird /111/. Aufgrund der Begrenztheit des Temperaturbereiches, in dem
die Lithiumbromid-Maschine eingesetzt werden kann, ist ihr groSindustrieller Einsatz nicht interessant.
Andere Arbeitsstoffpaare werden in Kap. 4.1.2. beschr ieben.
Wie aus den vorangegangenen AusfUhrungen folgt, konnen Absorptionswarmepumpen Warme auf verschiedenen Temperaturniveaus erzeugen. Ihr Einsatz
ist immer dann gUnstig, wenn vorhandene Hochtemperatur-Abwarme (mehr als
100oC) nicht direkt genutzt werden kann, sondern auf ein niedrigeres Nutztemperaturniveau transformiert werden muS.
Die Beheizung des Austreibers kann einerseits mittels industrieller Abwarme (Temperaturbereich 100 - 150°C) erfolgen, um Nieder- und Mitteltemperatur-Nutzwarme (40 - 80°C) zu erzeugen. Ober die Warmequelle wird dem
Ve'rdampfer in diesem Fall Umweltwarme zugefUhrt. Andererseits besteht die
Moglichkeit der Erzeugung von Nutzwarme hoher Temperatur (80 - 120°C),
84
indem der Austreiber mit Mitteldruckdampf (ca. 10 bar) oder direkt mit
Erdgas beheizt wird und als Warmequelle fUr den Verdampfer industrielle
Abwarme (40 - 800 C) dient.
Die maximal erreichbaren Nutztemperaturen hangen von der thermischen Stabil itat des Arbei tsstoffpaares ab. So kann di e Austrei bertempera tur fUr
das am haufigsten eingesetzte Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser maximal
ca. 160 0 C betragen /94/. Erst mit neu zu entwickelnden Arbeitsstoffpaaren wird die Erzeugung von Nutzwarme Uber 110 - 1200 C moglich.
2.2.1. 2. ABSORPTIONSWARMEPUMPE MIT UMFORMUNG MINDERWERTIGER
(Gegenlaufige Absorptionswarmepumpe)
I~ARME
1m vorigen Abschnitt wurden Absorptionswarmepumpen beschrieben, die Umwelt- oder Abwarme durch Zufuhr von Warme hoher Temperatur auf ein mittleres Temperaturniveau transformieren. Die Ausbeute an Nutzwarme war
groBer als die fUr die Austreibung notwendige Heizwarmemenge.
Mit dem AbsorptionsprozeB lassen sich aber auch Warmemengen mittlerer
Temperatur auf ein hohes Temperaturniveau bringen, indem ein Teil der zugefUhrten Warmemenge mittlerer Temperatur bei Umgebungstemperaturen abgefUhrt wird. FUr diese Absorptionswarmepumpe mit Umformung minderwertiger
Warme ist eine mehrfache Antriebswarmemenge mittlerer Temperatur notwendig, um Nutzwarme hoher Temperatur zu erzeugen.
FUr diese Sorptionswarmepumpe gilt:
Tz
<w
Qz> ~
<
(47)
\p
1
Die Funktionsweise der Absorptionswarmepumpe mit Umformung minderwertiger
Warme, auch als gegenlaufige Absorptionsanlage bezeichnet, ist folgende
(Fig. 55):
85
r.L.
Te<Tz<T N
Te < To < TN
QA = QN
I<cndensator
Fig. 55: Sehaltbild einer Absorptionswarmepumpe mit Umformung minderwertiger Warme. Naeh /105/
Dureh Zufuhr von Abwarme mittlerer Temperatur erfolgt die Verdampfung des
Kaltemittels im Verdampfer. Der Kaltemitteldampf flieBt zum Absorber und
gibt bei seiner Absorption in das Losungsmittel die Absorptionswarme an
den Nutzwarmekreislauf abo Die reiehe Losung stromt Uber den Warmetauscher und das Expansionsventil in den Austreiber, wo unter Aufnahme derselben Abwarme wie im Verdampfer das Kaltemittel aus der reiehen Losung
ausgetrieben wird. Die vom Kaltemitteldampf getrennte arme Losung gelangt
Uber die Losungspumpe in den Warmetauscher, wird dort aufgewarmt und
flieBt in den Absorber zurUek. Der Losungskreislauf ist damit gesehlossen.
Der ausgetriebene Kaltemitteldampf stromt vom Austreiber in den Kondensator, wo er seine Kondensationswarme dureh KUhlung an die Umgebung abgibt.
Das verflUssigte Kaltemittel wird Uber die Kaltemittelpumpe auf das Druekniveau des Verdampfers gehoben und flieBt der erneuten Verdampfung zu.
Damit ist der Kaltemittelkreislauf gesehlossen.
86
Zum Unterschied zur Absorptionswarmepumpe mit Umformung hochwertiger Warme arbeiten hier Austreiber und Kondensator auf niedrigem, Absorber und
Verdampfer auf hohem Druckniveau. AuBerdem ist eine zusatzliche Kaltemittelpumpe erforderlich, urn das verflUssigte Kaltemittel yom Kondensator
zum Verdampfer zu fordern. Die einzig erzielbare Nutzwarme ist die Absorberwarme QA'
Von der dem Verdampfer und Austreiber zugefiihrten Warme mittlerer Temperatur wird ein geringer Teil bei hoher Temperatur im Absorber abgegeben
und der GroBteil Uber den Kondensator der Umgebung zugefUhrt. Die Warmeverhaltnisse dieser gegenlaufigen Absorptionswarmepumpe sind daher sehr
gering. 1m 1dealprozeB konnen bei mittleren Temperaturdifferenzen Werte
gunstigstenfalls urn 0.5 erreicht werden, die im realen ProzeB noch tiefer
liegen.
Zur Veranschaulichung der Warmetransformation zeigt Fig. 56 das ExergiefluBbild einer Absorptionswarmepumpe mit Umformung minderwertiger Warme.
cp '
Die Zahlenwerte gel ten fUr folgende Annahmen:
o
0
t z = to = 60 C, tN = tA = 100 C, tu = tc = 17 0 C (290 K).
Fig. 56: ExergiefluBbild einer Absorptionswarmepumpe mit Umformung min derwertiger Warme
87
Der Einsatz gegenlaufiger Absorptionsanlagen ist dann interessant, wenn
die folgenden Voraussetzungen gegeben sind /107/:
- Das Temperaturniveau der Warmequelle mu6 mindestens 400 C Uber dem
des KUhlmediums liegen
- Abwarme im Temperaturbereich von 50 - 800 C mu6 in gro6en Mengen
zur Verrugung stehen
Werden diese Voraussetzungen erfUllt, sind Warmetransformationen auf
Nutztemperaturen Uber 1000 C mOglich.
2.2.2.
RESORPTIONSW~RMEPUMPEN
Die Warmeaufnahme im Verdampfer und die Warmeabgabe im Kondensator erfolgen in der Absorptionswarmepumpe bei DrUcke~, die durch die Eigenschaften
des Kaltemittels vorgegeben sind. Urn das durch den Antriebsteil der Absorptionswarmepumpe aufzubringende Druckverhaltnis zu reduzieren, kann in
der Anlage, wie schon bei der Kompressionswarmepumpe beschrieben (2.1.2.),
ein zusatzlicher Losungsmittelkreislauf eingeschaltet werden. Die Kondensation wird durch einen Absorptionsproze6, die Verdampfung durch einen
Desorptionsproze6 ersetzt. Damit kann vor allem der Druck bei der Warmeabgabe verringert werden, da ein Absorber (Resorber) bei geringeren DrUkken arbeitet als ein Kondensator gleicher Temperatur und Nutzwarmeleistung.
In Anlehnung an die Systematik der Kompressionswarmepumpe kann diese Resorptionswarmepumpedaher als Absorptionswarmepumpe mit Losungskreislauf
bezeichnet werden.
Der Antriebsteil unterscheidet sich nicht von dem der Absorptionswarmepumpe. 1m Resorptionsteil werden anstatt des Kondensators ein Resorber,
anstatt des Verdampfers ein Austreiber (Entgaser) und zusatzlich eine
Losungspumpe und ein Warmetauscher eingesetzt.
88
Die Funktionsweise des Resorberteiles der Anlage ist wie folgt (Fig. 57):
2
Fig. 57: Schaltbild einer einstufigen Resorptionswarmepumpe
Der vom Austreiber kommende Kaltemitteldampf wird im Resorber bei Abgabe
der Absorptionswarme durch das Losungsmittel absorbiert. Die reiche Losung flieBt Uber den Warmetauscher und das Expansionsventil in den Austreiber, wo der Kaltemitteldampf unter Aufnahme von Umwelt- und Abwarme
desorbiert wird. Die dadurch entgaste arme Losung stromt Uber die Losungspumpe in den Warmetauscher, wird dort durch die Warmeabgabe der
reichen Losung vorgewarmt und gelangt anschlieBend in den Resorber. Dort
findet die erneute Absorption statt. Der im Entgaser desorbierte Kaltemitteldampf gelangt in den Absorber des Antriebsteiles. Die Funktionsweise des Antriebsteiles ist wie bei der Absorptionswarmepumpe (2.2.1.).
Resorptionswarmepumpen vermeiden nicht nur die hohen DrUcke bei Warmeabgabe in einer Absorptionsanlage, sondern bringen darUber hinaus auch noch
energetische Vorteile und,damit verbunden,bessere Warmeverhaltnisse. Die
Warmeabgabe im Resorber und die Warmeaufnahme im Entgaser erfolgen bei
89
Resorptionsmaschinen bei gleitender Temperatur, wodurch die irreversiblenVerluste der Absorptionsmaschine vermieden werden.
Die Darstellung des Resorptionsprozesses im 19 p/l/T-Diagramm (Fig. 58)
zeigt die beiden getrennten Losungskreislaufe entsprechend den StreckenzUgen 3-4-5-6 (Resorptionsteil) und 7-10-9-8 (Antriebsteil).
VT
Fig. 58: ResorptionswarmepumpenprozeB im 19 P;fl/T-Diagramm
Bei Oberschreiten der Grenzbedingungen (Entgasungsbreite gleich null, Losungskreislaufmenge unendlich) ist auch bei Resorptionsmaschinen zur mehrstufigen Betriebsweise Uberzugehen. In mehrstufigen Resorptionswarmepumpen konnen sowohl ein- und mehrfache Austreibung als auch ein- und mehrfache Resorption in einer Anlage gekoppelt werden.
Fig. 59 zeigt eine zweistufige Resorptionswarmepumpe.
Auch Absorptionswarmepumpen mit Umformung minderwertiger Warme konnen mit
einem Resorptionssystem ausgestattet werden.
Fig. 60 zeigt ein Beispiel einer gegenlaufigen Resorptionsanlage.
90
Fig. 59: Schaltbild einer zweistufigen Resorptionswarmepumpe
Fig. 60: Schaltbild einer gegenlaufigen Resorptionswarmepumpe
91
2.3. KOMBINIERTE KOMPRESSIONS-/SORPTIONSWARMEPUMPEN
2.3.1. VERGLEICH DER KOMPRESSIONS- UND ABSORPTIONSWARMEPUMPEN
2.3.1.1. ENERGETISCHER VERGLEICH
Der ZusalllTlenhang zwischen der Leistungszahl E einer Kompressionswannepumpe
und dem Warmeverhaltnis ~ einer Absorptionswannepumpe erfolgt Uber den
Wirkungsgrad ~ th der Umwandlung von thennischer in mechanische Energie
/47/.
(48)
Weiters ist der Vergleich Uber den Primarenergienutzungsgrad EI (1.3.4.)
moglich. Die Leistungszahl einer Kompressionswarmepumpe mu6 nach (48) immer gro6er sein als ~,wenn ein primar-energetischer Vorteil bei gleicher
Nutzwanneleistung gegeben sein soll.
FUr ein Wanneverhaltnis von 1.5 mu6 die Leistungszahl einer elektrischen
Wannepumpe mit Strom aus einem kalorischen Kraftwerk ~th = 0,35) mindestens 1.5/0.35 = 4.3 sein. Da so hohe Leistungszahlen fUr mittlere Temperaturdifferenzen nicht moglich sind, ist die Absorptionswannepumpe einer
elektrischen Kompressionswannepumpe mit thermisch erzeutem Strom energetisch Uberlegen.
Erfolgt die Beheizung der Absorptionsanlage mit Dampf, unterstreicht die
folgende Oberlegung an einem Kraftwerk mit Gegendruckturbine den wirtschaftlichen Vorteil der Absorptionswarmepumpe gegenUber einer elektrischen Kompressionswannepumpe:
Der zur Austreibung in der Absorptionsanlage benotigte Dampf erzeugt zuerst Strom in einer Gegendruckturbine, bevor er dem Austreiber zur Beheizung zugefUhrt wird. Mit jeder Tonne Dampf, die von der Absorptionsanlage
verbraucht wird, kann zuvor Strom erzeugt werden, aber auch Strom fUr eine
mit elektrischem Motor betriebene Kompressionsanlage eingespart werden.
Aus der Sicht der Absorptionswarmepumpe ist der Gewinn an elektrischer
Energie also zweifach.
92
GUnstiger liegt eine elektrische Warmepumpe mit Strom aus Wasserkraft
(~= 75 X). Diese muB eine Leistungszahl von 1.5/0.75 = 2.0 erreichen,
urn gegenUber der Absorptionsanlage energetisch gUnstiger zu liegen. Effektive Leistungszahlen von 2.0 sind bei mittleren Temperaturdifferenzen mit
Kompressionswarmepumpen jederzeit erreichbar.
Der Vergleich einer Gaswarmepumpe und einer Absorptionswarmepumpe soll
auf Primarenergiebasis gefUhrt werden. Direkt beheizte Absorptionswarmepumpen mit einem Warmeverhaltnis von 1.5 erreichen unter BerUcksichtigung
von 14 %igen Verlusten bei der Verbrennung (Abgas-, Strahlungsverluste)
eine Primarenergieausnutzung von 1.29 /46/.
FUr eine Gaswarmepumpe mit der Leistungsziffer 4.0 gilt fUr den Primarenergienutzungsgrad:
Die Umsetzung in mechanische Energie erfolgt mit einem Wirkungsgrad von
ca. 30 %. Bei einer Leistungszahl von 4.0 ergibt sich daraus eine Primarenergienutzung von 120 %. Der Gaswarmepumpe wird aber zusatzlich die Motorabwarme als thermische Energie zugefUhrt, die bei 10 %igen Gesamtverlusten bei der Umsetzung im Gasmotor die Primarenergienutzung urn 60 % erhoht. Der gesamte Primarenergienutzungsgrad einer Gaswarmepumpe betragt
daher 180 % und liegt wesentlich hoher als der einer Absorptionswarmepumpe. WUrde die' Motorabwarme nicht genutzt werden, ergabe sich mit
Er = 120 % eine schlechtere Energieausbeute als bei der Absorptionswarmepumpe.
Elektrische Kompressionswarmepumpen mit Strom aus kalorischen Kraftwerken
sind Absorptionswarmepumpen primarenergetisch unterlegen. Gaswarmepumpen
und auch Kompressionswarmepumpen mit Dieselmotorantrieb Ubertreffen im
primarenergetischen Vergleich Absorptionswarmepumpen derselben Nutzwarmeleistung.
Neben der energetischen GUte der beiden Warmepumpenarten mUssen aber noch
andere EinfluBgroBen berUcksichtigt werden (Investitionskosten, Betriebskosten, Bedienbarkeit der Anlage, Storungsanfalligkeit), urn eine Auswahl
nach der Gesamtwirtschaftlichkeit treffen zu konnen.
93
Weiters interessiert die ~nderung der Leistungsziffer und des Warmeverhaltnisses mit groBerwerdender Temperaturdifferenz zwischen Warmequelle
und Warmesenke (Fig. 61).
Zur Berechnung wird eine Kompressionswarmepumpe und eine Absorptionswarmepumpe mit folgenden Annahmen herangezogen:
Kompressionswarmepumpe: tN = 100oe, E = 0.5 ~ Eearnot
Absorptionswarmepumpe: tN = 100oe, t z = 150 e, Cjl = 0.75 x Cjlopt
£/£20
4>/4>20
1.0
0 ·8
[\
'\
0·6
~~
0.; '
~
02
20
30
40
~
~ r--- ~46
~ I-E-
50
60
\j)
'?2s
70
80
0.43
r-
020
90
100 A T=TN
- To (K)
Fig. 61: Abhangigkeit der Leistungszahl und des Warmeverhaltnisses von
der Temperaturdifferenz zwischen Warmequelle und Warmesenke
Aus Fig. 61 fo 1gt, dal3 di e Lei stungszahl ei ner Kompress ionswarmepumpe mit
steigendem Temperaturgefalle starker abnimmt als das Warmeverhaltnis einer
Absorptionswarmepumpe.
Absorptionswarmepumpen passen sich daher schwankenden Warmequellentemperaturen besser an als Kompressionswarmepumpen.
94
2.3.1.2. EXERGETISCHER VERGLEICH
Urn die exergetische GUte eines Kompressions- und Absorptions-Warmepumpenprozesses vergleichen zu konnen, wird fUr zwei Prozesse mit gleicher Nutzwarmeleistung der exergetische Wirkungsgrad in Abhangigkeit der steigenden Warmequellentemperatur berechnet. Die Abbildungen 62 und 63 zeigen
die ExergiefluBbilder und die errechneten exergetischen Wirkungsgrade der
Kompressions- und Absorptionswarmepumpe.
Den errechneten Werten liegen die folgenden Annahmen zugrunde:
Kompressionswarmepumpe: tu
Absorptionswarmepumpe: tu
= 17°C, tN = 100°C, E = 0.5 x EC
t
° arno
= 17°C, tN = 100°C, t z = 150 C,
~ =
0.75 x
~opt
Die Warmequellentemperatur wird mit den Werten tOl
t03 = 60° und t04 = BOoC variiert.
20°, t02
= 40°,
Die in den Abbildungen 62 und 63 errechneten exergetischen Wirkungsgrade
werden in Abhangigkeit der steigenden Warmequellentemperatur bei konstanter Nutztemperatur dargestellt (Fig. 64).
Wie aus Fig. 64 hervorgeht, ist Uber den gesamten Bereich der variierten
Warmequellentemperatur der exergetische Wirkungsgrad der Absorptionswarmepumpe groBer als der der Kompressionswarmepumpe.
Absorptionswarmepumpen sind daher exergetisch gUnstiger als Kompressionswarmepumpen.
95
6.T=80 K
tJ.T=60K
tOl
t02
t03
t04
=
=
=
=
20° C
40° C
60° C
80°C
ECarnot
ECarnot
ECarnot
ECarnot
= 4.66,
= 6.22,
= 9.33,
=18.65,
E=
E=
E=
E=
2.33,
3.11,
4.66,
9.33,
w=
w=
w=
w=
0.57,
0.68,
0.79,
0.89,
~
~
~
~
= 0.51
= 0.60
= 0.70
= 0.83
Fig. 62: Exergieflu6bild und exergetischer Wirkungsgrad einer
Kompressionswarmepumpe
96
I1T=80 K
I1T=60 K
I1T=20 K
t01
t02
t03
t04
= 20 0 C
0
= 40 C
0
= 60 C
0
= 80 C
((lopt
(j)opt
(j)opt
(j)opt
= 1. 43,
= 1. 62,
= 1. 98,
= 3.09,
(j)
(j)
(j)
(j)
= 1.07,
= 1. 21,
= 1.49,
= 2.31,
wI
wI
wI
wI
= 0.06,
= 0.17,
= 0.33,
= 0.57,
S= 0.75
S= 0.82
S= 0.88
S= 0.94
Fig. 63: ExergiefluBbild und exergetischer Wirkungsgrad einer
Absorptionswarmepumpe
97
,..
!:>
1.0
08
05
052
0.1.
0.2
60
20
M=W-"b (K)
Fig. 64: Exergetischer Wirkungsgrad der Kompressions- und Absorptionswarmepumpe in Abhangigkeit der Temperaturdifferenz zwischen
Nutz- und Warmequellentemperatur
2.3.1.3. VERGLEICH DES BETRIEBSVERHALTENS
Absorptionswarmepumpen bringen in bezug auf ihr Betriebsverhalten eine
Reihe von Vorteilen gegenUber Kompressionsanlagen. Diese sind:
-
Keine mechanisch bewegten Teile, daher geringerer VerschleiB
Geringer Wartungs- und Reparaturaufwand
Hohe Betriebssicherheit
Kein qualifiziertes Maschinenpersonal notig
Oberall verfUgbares, preiswertes Kaltemittel (NH 3)
Anspruchslose Aufstellung im Freien
Gerauschfreie Arbeitsweise
Lange Lebensdauer
Sehr gute Regelbarkeit
Wirtschaftlicher Teillastbetrieb
98
Ein Nachteil der Absorptionswarmepumpe liegt darin, daB mit giftigem Ammoniak gearbeitet wird, was spezielle Sicherheitsvorkehrungen notwendig
macht. Dadurch wird die Anwendung vor allem in geschlossenen Raumen erschwert.
Wenn man zusammenfaBt, so kann Uber den Vergleich von Kompressions- und
Sorptionswarmepumpen folgendes ausgesagt werden:
Die Warmeverhaltnisse von Absorptjonswarmepumpen liegen wesentlich niedriger als die Leistungszahlen von Kompressionswarmepumpen. BerUcksichtigt
man aber die GUte der Energieumwandlung bis zum Antrieb der Kompressionswarmepumpe, liegen elektrische Warmepumpen energetisch schlechter als
Absorptionswarmepumpen. Gaswarmepumpen erreichen aufgrund ihrer Verwertung der Motorabwarme energetische Nutzungsgrade, die Uber denen von Absorptionswarmepumpen liegen.
1m Betrieb bringen Absorptionswarmepumpen eine Reihe von Vorteilen, haben
aber den Nachteil der Giftigkeit und eines im Vergleich zu den Kompressionswarmepumpen groBeren Bauvolumens.
Exergetisch ist die Absorptionswarmepumpe der Kompressionswarmepumpe in
allen Temperaturbereichen Uberlegen.
2.3.2. KOMBINIERTE ABSORPTIONS- UND KOMPRESSIONSWARMEPUMPEN
Die Vorteile der Kompressions- und Absorptionswarmepumpe lassen sich in
kombinierten Anlagen nutzen. So kann durch die Abwarme des Kompressorantriebes (Abdampf, Abgase, MotorkUhlwasser) die Beheizung des Austreibers
der Absorptionsanlage erfolgen. Mit kombinierten Anlagen werden groBe Nutzwarmestrome fUr industrielle Abnehmer erzeugt.
99
Die Leistungszahl kombinierter Anlagen liegt gUnstiger als die Leistungszahl bzw. das Warmeverhaltnis der Einzelanlagen /99/.
Fig. 65 zeigt eine kombinierte Kompressions-/Absorptionswarmepumpe mit
Dampfturbinenantrieb.
Zur Vermeidung hoher KondensatordrUcke konnen auch kombinierte Anlagen
mit Losungskreislauf arbeiten.
Fig. 66 zeigt eine kombinierte Resorptionsanlage mit Dieselmotorantrieb.
Fig. 65: Kombinierte Kompressions-/Absorptionswarmepumpenanlage mit
Dampfturbinenantrieb und getrennter Abgabe der Nutzwarmestrome
100
Resorber
-
Absorber
Fig. 66: Kombinierte Kompressions-/Absorptionsanlage mit Losungskreislauf (Resorptionsanlage) und Dieselmotorantrieb
101
2.4. THERMOKOMPRESSOR
Kompressions- und Sorptionswarmepumpen sind geschlossene Systeme; d.h.
der Kaltemittelkreislauf und der Heizkreislauf sind voneinander getrennt
und durch Warmetausch-Apparate verbunden.
Thermokompressoren sind offene Warmepumpensysteme mit mechanischem Kompressorantrieb, die zur BrUdenkompression eingesetzt werden. Dabei dienen
die BrUden als Warmequelle und werden direkt yom Kompressor angesaugt und
verdichtet. Die dadurch aufgewertete Warme (Kondensationswarme) wird wieder
an den ProzeB abgegeben.
Thermokompressoren zahlen in exergetischer Hinsicht zu den Warmepumpen
des Typs 2: 1m Kompressor wird reine Exergie zugefUhrt und damit die BrUdenwarme auf hohere Temperatur angehoben. Die Verdichtung erfolgt nur soweit, daB die BrUden als Heizdampf wiederverwendet werden konnen.
Nach (24) errechnet sich der exergetische Wirkungsgrad der Thermokompression zu:
To = Temperatur der yom ProzeB abstromenden BrUden
TN = Temperatur der BrUden nach der Thermokompression
w = Warmestromverhaltnis Abwarme/Nutzwarme
Tu = Umgebungstemperatur
Das maximale Warmestromverhaltnis des reversiblen Prozesses ist nach (25):
Fig. 67 zeigt das ExergiefluBbild eines Thermokompressors mit der Berechnung des exergetischen Wirkungsgrades und der Leistungszahl.
102
Die Thermokompression bezweckt eine Temperaturerhohung der BrUden nur um
jenen Betrag. der notwendig ist. um die Gradigkeit der WarmeUbertragung
der Kondensationswarme an den laufenden ProzeB aufzubauen. Diese Gradigkeit ist relativ gering (10 - 200 C). so daB die Nutztemperatur (BrUden
nach der Kompression) und die Warmequellentemperatur (BrUden vor der
Kompression) nur wenig auseinanderliegen. Daraus folgen im Vergleich zur
Kompressionswarmepumpe sehr hohe Leistungszahlen.
FUr das Beispiel der Fig. 67 betragt E = 10. Reale Leistungszahlen im Bereich 10 - 15 sind bei der Thermokompression in Verdampfungsanlagen Ublich.
~Carnot=22.65
E =1000
~~
~=a$
Die Werte gelten fUr folgende Annahmen: tu = 17 0 C (290 K). tN
to = 160oC.
= l800 C.
Fig. 67: ExergiefluBbild eines Thermokompressors
Der exergetische Wirkungsgrad liegt umso hoher. je naher das Warmestromverhaltnis den maximal moglichen Wert. der durch den theoretischen Fall
der Reversibilitat vorgegeben ist. erreicht.
103
Die Abhangigkeiten des exergetischen Wirkungsgrades vom Warmestromverhaltnis, von der Umgebungstemperatur und von tler Nutztemperatur werden in den
Abbildungen 68 - 70 dargestellt.
48
q7~--4---~~~~~~--~
~
~f
q6
W
Fig. 68: Abhangigkeit des exergetischen Wirkungsgrades eines Thermokompressors vom Warmestromverhaltnis. Aus 11171
Aus den Darstellungen gehen die folgenden Abhangigkeiten hervor:
- Der exergetische Wirkungsgrad steigt mit groBerwerdendem Warmestromverhaltnis.
- Der exergetische Wirkungsgrad sinkt mit steigender Umgebungstemperatur.
- Der exergetische Wirkungsgrad steigt mit groBerwerdender Nutztemperatur.
Ein weiterer Unterschied zu den Kompressions-/Sorptionswarmepumpen liegt
im Temperaturbereich, in dem Thermokompressoren eingesetzt werden konnen.
Die maximal erreichbaren Nutztemperaturen sind bei Kompressions-/Sorptionswarmepumpen durch die thermische Stabilitat des Kaltemittels begrenzt
und liegen bei Verwendung der heute bekannten Kaltemittel im Bereich von
100 - 120oC.
104
~Or----r----~--~----~--~----~
q9r---~--~r-~~---;----+---~
Fig. 69: Abhangigkeit des exergetischen Wirkungsgrades eines Thermokompressors von der Umgebungstemperatur. Aus /117/
4~~~---~~--~2~~---~~--~~~---~~--~~~~~~500
til
Fig. 70: Abhangigkeit des exergetischen Wirkungsgrades eines Thermokompressors von der Nutztemperatur. Aus /117/
Thermokompressoren arbeiten als offene Systeme direkt mit ProzeBbrUden und
sind daher in der maximal erreichbaren Temperatur nach der Kompression
nicht an die Stabilitat eines Kaltemittels gebunden. Die Temperaturgrenzen
sind durch die kritischen Werte der BrUden vorgegeben und liegen daher
wesentlich hoher als bei Kompressions- und Sorptionswarmepumpen.
Thermokompressoren eignen sich sehr gut fUr Destillations- und Verdampfungsprozesse, wo sie als offene Systeme mit hohen Leistungszahlen einge-
105
setzt werden. In den Abbildungen 71 und 72 sind zwei Moglichkeiten des Einsatzes von Thermokompressoren dargestellt: Der Thermokompressor in der
Destillations- und Verdampfungstechnik.
R
A _. Abscheider
B.... BodenprcxJukt
D. ... o.estillat
F
F._. Einsatz
Fc. Riicklau f
0.
B
Fig. 71: Destillation mit Thermokompressor
F
0.
8
Fig. 72: Verdampfung mit Thermokompressor
106
2.5.
STRAHlW~RMEPUMPEN
Strahlwarmepumpen rordern mit Hilfe eines Treibmediums Abdampf auf ein
hoheres Druck- und Temperaturniveau. Wird als Treibmedium Sattdampf eingesetzt, spricht man von Dampfstrahlwarmepumpen, wird hochgespanntes siedendes Wasser verwendet, von thermischen Warmepumpen.
2.5.1.
DAMPFSTRAHlW~RMEPUMPE
1m Fall der Dampfstrahlwarmepumpe wird niedriggespannter Dampf durch die
Energie von hoher gespanntem Dampf verdichtet und auf ein mittleres Temperaturniveau gefordert.
Der DampfstrahlprozeB ist demnach eineWarmetransformation: Warme niedriger Temperatur (Abdampf) wird durch Warme hoher Temperatur (Treibdampf)
auf ein mittleres Niveau gehoben.
Als Verdichter dient im Gegensatz zum Thermokompressor ein Dampfstrahlverdichter. Der Antrieb erfolgt nicht mit reiner Exergie, so daB diese Warmepumpe in exergetischer Hinsicht dem Typ 4 der Tab. 2 entspricht. Ober die
Warmequelle wird sowohl Anergie als auch Exergie aufgenommen.
Dampfstrahlwarmepumpen sind offene Systeme. Als Abdampf werden direkt
BrUden eines Prozesses zugefUhrt; nach der thermischen Kompression wird die
Kondensationswarme der verdichteten BrUden an den ProzeB wieder abgegeben.
Die Verdichtung bewirkt eine Temperaturerhohung der BrUden, die der Gradigkeit des WarmeUberganges von den verdichteten BrUden an den ProzeB entspricht. Daher ist die Temperaturzunahme relativ gering, wodurch sich
gUnstige Warmeverhaltnisse einstellen.
Der Aufbau eines Dampfstrahlverdichters ist aus Fig. 73 ersichtlich.
107
3
1 Ti"eibdiJse
2 MisdxJngsrohr
3 Ha1.s
4 Diffuser
5 SaugdiJse
Fig. 73: Aufbau eines Dampfstrahlverdichters
Die Funktionsweise eines Dampfstrahlverdichters ist dabei folgende:
Der von der Dampferzeugung kommende hoc~gespannte Dampf (Sattdampf) wird
in der Treibduse vom Druck PI auf einen Druck knapp unter dem Saugdruck
Po entspannt. Dadurch treten in der Trei bduse und am Trei bdusenaustritt
sehr hohe Geschwindigkeiten auf (ungefahr Schallgeschwindigkeit an der
engsten Stelle der Duse). Beim Auftreffen des Treibdampfes auf den Dampf
im Saugraum (Druck po) findet ein 1mpulsaustausch statt, der im Mischungsrohr'fortgesetzt wird. Dieser 1mpu1saustausch bewirkt ein standiges Nachstromen des aus dem Saugraum angesaugten Dampfes. 1m Diffusor wird das Gemisch durch Umsetzen von Geschwindigkeitsenergie in potentie1le Energie
auf das hohere Druckniveau gefordert.
Der Treibdampfverbrauch bei der Thermokompression hangt vom Expansionsverha1tnis abo Dieses ist definiert a1s das Verhaltnis von Treibdampfdruck zu Saugdampfdruck. Je groBer das Expansionsverha1tnis ist, desto
weniger Treibdampf wird benotigt, urn Mischdampf eines bestimmten Druckniveaus zu erzeugen.
Die Zustandsanderungen in einem Dampfstrah1verdichter sind in Fig. 74 im
h/s-Diagramm und in Fig. 75 im 19 p/h-Diagramm dargestellt.
108
Den Strecken in den Abbildungen 74 und 75 entsprechen die folgenden Vorgange im Dampfstrahlapparat:
1133 455'13 -
2 ... Tatsachliche Expansion des Treibdampfes in der DUse
2' ... Theoretische Expansion des Treibdampfes
4 .,. Tatsachliche Expansion des Saugdampfes
4' ... Theoretische Expansion des Saugdampfes
5, 2 - 5 Mischungsvorgang
6 ... Tatsachliche Verdichtung im Diffusor
6' ... Theoretische Verdichtung im Diffusor
I' ... Enthalpieanderung des Treibdampfes bei idealer Expansion
3' ... Enthalpieanderung des Saugdampfes bei idealer Kompression
Zur Bewertung des Dampfstrahlprozesses kann das Warmeverhaltnis ~*analog
Gleichung (39) als Quotient aus Nutzwarme und Heizwarme definiert werden.
m . (h m - ho')
mz·(h z - hm')
m
mz
hm
hz
ho '
(49)
= Masse des Mischdampfes
= Masse des Treibdampfes
hm'
spezifische.Enthalpie des Mischdampfes
spezifische Enthalpie des Treibdampfes
spezifische Enthalpie des flUssigen Arbeitsmediums bei der
Temperatur des Saugdampfes To
spezifische Enthalpie des flUssigen Arbeitsmediums bei der
Temperatur des Mischdampfes TN
Die thermodynamische GUte des Dampfstrahlprozesses wird mit dem Wirkungsgrad~ D beschrieben. Dieser ist definiert als /120/:
~
D=
Isentropenverdichtungsleistung der Saugdampfmenge
Isentropenexpansionsleistung der Treibdampfmenge
ms = Saugdampfmenge
mT = Treibdampfmenge
= ms*~h2
mT*~hl
(50)
109
Dieser Wirkungsgrad kann als Produkt folgender Einzelwirkungsgrade gesehen werden:
l1a = Einlaufwirkungsgrad des Saugdampfes - 0.85
l1b = Mi schungswirkungsgrad
- 0.70
l1c = Diffusorwirkungsgrad
- 0.80
Nach /120/ liegt der Gesamtwirkungsgrad fUr einen Ammoniak-Dampfstrahlapparat bei ca. 50 %.
Die exergetische GUte eines Dampfstrahlprozesses kann mit Hilfe des exergetischen Wirkungsgrades beurteilt werden. Die Berechnung erfolgt abweichend
von /27/ mit Gleichung (12).
!;; =
Em = Exergie des Mischdampfes
Ez = Exergie des Treibdampfes
Eo = Exergie des Saugdampfes
Die Exergiestrome werden mit Gleichung (9) berechnet.
Fig. 76 zeigt das ExergiefluBbild einer Dampfstrahlwarmepumpe mit der Berechnung des exergetischen Wirkungsgrades und des Warmeverhaltnisses.
110
h
s·
Fig. 74: Zustandsanderungen in einer Dampfstrahlwarmepumpe im
h/s-Diagramm
6h
~Pr---+---~--------------~
~
b·
h
Fig. 75: Zustandsanderungen in einer Dampfstrahlwarmepumpe im
19 p/h-Diagramm
111
'-P = 25
!;;=o.81.
Fig. 76: Exergieflui3bild einer Dampfstrahlwannepumpe
Definiert man den exergetischen Wirkungsgrad nach /27/ (wie schon in Gleichung (32a) angeschrieben) mit
TN - Tu
TN
1 - Tu
so konnen nach Fig. 77 - 79 folgende Abhangigkeiten des exergetischen
Wirkungsgrades fUr die Dampfstrahlwannepumpe hergeleitet werden:
- Der exergetische Wirkungsgrad steigt mit groi3erwerdendem Wannestromverhaltnis.
- Der exergetische Wirkungsgrad sinkt mit steigender Umgebungstemperatur.
- Der exergetische Wirkungsgrad sinkt mit steigender Treibdampftemperatur.
112
Wie der Thermokompressor wird auch die Dampfstrahlwarmepumpe in erster
Linie fUr Destillations-, Verdampfungs- und Trocknungsprozesse eingesetzt.
Fig. 77: Abhangigkeit des nach /27/ definierten exergetischen Wirkungsgrades eines Dampfstrahlapparates vom Warmestromverhaltnis.
Aus /117/
I,Or----.----.----.T~~1W~~~;T~=~~~~~~----,
t H -250OC
&'
43L---~--~----~--~~--~~~.
-iii
- TO
0
TO
20
30 "c I/O
Fig. 78: Abhangiqkeit des nach /27/ definierten exerqetischen Wirkungsgrades eines Dampfstrahlapparates von der Umgebungstemperatur.
Aus /117/
113
1,0'50
100
q98r--+---+-
~~~~----~--~~~O--~~~--~f~=-M>~
tl.
Fig. 79: Abhangigkeit des nach /27/ definierten exergetischen 14irkungsgrades ei nes Dampfstt"ahl apparates von der ~li schdampf- (Nutz-) Temperatur
und der Treibdampftemperatur. Aus /117/
Die Abbildungen 80 - 81 zeigen Moglichkeiten des Einsatzes von Dampfstrahlwarmepumpen in der Verdampfungs- und Destillationstechnik.
Einsatz
Rest-
briiden
Kendensat
Konzentrat
Fig. 80: Dampfstrahlwarmepumpe zur Eindampfung
114
Fig. 81: Dampfstrahlwarmepumpe zur Sumpfbeheizung einer Destillationskolonne /87/
Dampfstrahlwarmepumpen konnen aber auch in Kombination mit Kompressionswarmepumpen wirtschaftlich eingesetzt werden (Fig. 82).
Als Betriebsdampf steht in Dampfstrahlwarmepumpen nicht nur Wasserdampf,
sondern auch Ammoniak in Verwendung /120/.
Pig. 82: Kombinierte Kompressions-/Dampfstrahlwarmepumpe mit zwei Verdampferstufen
115
2.5.2. THERMISCHE WARMEPUMPE (HEISSFLOSSIGKEITS-STRAHLPUMPE)
Zum Antrieb einer Strahlpumpe kann neben Sattdampf auch Hei8flUssigkeit
(siedendes Wasser) eingesetzt werden. Der Zustandspunkt dieser TreibflUssigkeit liegt im h-s-Diagramm nicht mehr auf der oberen Grenzkurve wie
der Zustandspunkt des Treibdampfes bei der Dampfstrahlwarmepumpe. sondern
auf der unteren. Der Aufbau des Hei8flUssigkeits-Strahlapparates entspricht
dem des Dampfstrahlapparates.
Die Funktionsweise der thermischen Warmepumpe wird anhand der Zustandsanderungen im h/s-Diagramm (Fig. 83)beschrieben.
Das unter dem Druck PI stehende siedende Wasser (1) expandiert in der TreibdUse auf einen Druck P2 unter dem Saugdruck Po und erreicht damit die Na8dampfisotherme T* (2). die sich am Anfang des Mischrohres einstellt. Damit
verdampftein Teil der F1Ussigkeit. Die Geschwindigkeit des Na8dampfes erhoht sich in der TreibdUse sehr stark. daB es zu einem Impulsaustausch
zwischen dem Saugdampf yom Druck Po und dem NaBdampf kommt. Der Saugdampf
(Abdampf) wird daher fortwahrend angesaugt und in das Mischungsrohr mitgerissen. Dadurch erfahrt der Saugdampf yom Zustand (3) auf der Taulinie eine
Entspannung. bis er ebenfalls die NaBdampfisotherme T* erreicht (4). Dabei
kondensiert ein Teil des Saugdampfes.
Entlang der Na8dampfisotherme erfolgt die Mischung der beiden Na8dampfstrome zum Mischungspunkt (5). Dieses Dampfgemisch wird anschlieBend im Diffusor auf die Verdichtungsendtemperatur TN verdichtet.
Die verlustfreien Vorgange sind in Fig. 83 als strichlierte Linien und
als Punkte mit Strichsymbol dargestellt.
FUr den reversiblen Proze8 ware der Punkt M' der ideale Mischungspunkt. Infolge der in DUse. Mischungsrohr und Diffusor auftretenden Irreversibil itaten wird jedoch mehr TreibflUssigkeit benotigt. wodurch sich der
Mischungspunkt des reversiblen Prozesses zum Mischungspunkt des irreversiblen Prozesses verschiebt.
Der Endzustand (6) folgt also aus der Entropiezunahme infolge Irreversibilitaten llStrr.
116
Werden die Zustandspunkte von HeiBflUssigkeit und Sattdampf so gewahlt,
daB die NaBdampfisotherme T* parallel zur Mischungsgeraden verlauft, werden die Enthalpiedifferenzen ~hF der F1Ussigkeit bei Expansion in der
TreibdUse und ~hD des Dampfes in der SaugdUse gleich groB. Es stellen sich
somit annahernd gleiche Geschwindigkeiten im Saug- und Treibstrom beim
Eintritt in das Mischungsrohr ein. Die TreibflUssigkeit dient dann nur der
Erzeugung von Unterdruck, wodurch sich der Treibdampfverbrauch zur oben
beschriebenen Anlage verringert.
h
s
Fig. 83: Zustandsanderungen in der thermischen Warmepumpe. Nach /121/
Die Verluste einer HeiBflUssigkeits-Strahlpumpe sind wesentlich geringer
als bei der Dampfstrahlwarmepumpe. Dort liegen die Zustandspunke des
Saug- und Treibdampfes beide auf der Sattdampflinie. Ein gleicher Enthalpieumsatz auf einer NaBdampfisotherme ist dort praktisch nicht
moglich. Es entstehen dadurch im Mischungsrohr erhebliche Verluste, die
den Wirkungsgrad verschlechtern.
Die HeiBflUssigkeits-Strahlpumpe ist daher der Dampfstrahlpumpe energetisch Uberlegen.
117
Nach /121/ liegen die Amortisationszeiten der thermischen Warmepumpe bei
4 - 6 Jahren.
Der Endzustandspunkt (6) des thermischen Warmepumpenprozesses liegt bei
Austritt aus dem Diffusor im NaBdampfgebiet. Der Strahl pumpe muB daher
ein Abscheider nachgeschaltet werden, der Sattdampf und siedende F1Ussigkeit trennt.
Fig. 84 zeigt das Schaltbild einer thermischen Warmepumpenanlage.
Fig. 84: Schaltbild einer thermischen Warmepumpenanlage
Die Berechnung der Leistungsfahigkeit mit Hilfe des Warmeverhaltnisses
und der energetischen GUte Uber den exergetischen Wirkungsgrad entspricht
den bei der Dampfstrahlwarmepumpe (Kap. 2.5.1.) gezeigten Methoden.
118
2.6. SONDERFORMEN DER
2.6.1.
W~RMEPUMPEN
PELTIERW~RMEPUMPE
Die Peltierwarmepumpe nutzt den Peltiereffekt als Verfahren zurthermoelektrischen Warmeerzeugung:
FlieBt Gleichstrom durch einen Stromkreis aus unterschiedlichen Metallen,
kUhlt sich eine Kontaktstelle ab, wahrend sich die andere erwarmt.
Ein Peltierelement besteht aus zwei Schenkeln eines Halbleiters (ein p-leitender. ein n-leitender). die mit drei BrUcken verlatet sind (Fig. 85).
7 7 77
Fig. 85: Peltierelement
Peltierelemente sind dann gUnstig. wenn sie folgende Eigenschaften haben:
- Maglichst hohe Thermospannung
- Maglichst gute elektrische Leitfahigkeit
- Maglichst kleine Warmeleitfahigkeit
Eine Peltierwarmepumpe entsteht durch die Zusammenschaltung mehrerer Peltierelemente zu Blacken. an deren Latstellen sich die Temperaturdifferenz
zwischen kalter und warmer Seite aufbaut. Der Vorteil dieser Warmepumpenart ist das Fehlen beweglicher Teile und die Kompaktheit. so daB der Einsatz als Klimagerat heute bereits maglich ist.
FUr den industriellen Einsatz sind Peltierwarmepumpen nicht interessant.
Genauere Angaben und Berechnungsmethoden sind aus /123/. /124/, /125/.
/126/ zu entnehmen.
119
2.6.2.
ROTATIONSW~RMEPUMPE
Der WarmeUbergang an WarmeUbertragungsflachen kann erhoht werden, wenn
die Stromungsgeschwindigkeit des WarmeUbertragungsmediums vergroBert wird.
Daraus folgt eine hohere Nusseltzahl und damit eine gUnstigere WarmeUbertragung.
Auf dieser Tatsache beruht das Prinzip der Rotationswarmepumpe (Fig. 86):
Die Rotationswarmepumpe besteht aus einer doppelwandigen Trommel mit einem
zentralen Rohr und einem Geblase. Der Kaltemitteldampf wird durch das Geblase angesaugt, stromt durch dessen hohle Schaufeln, wird dabei verdichtet
und kommt Uber den zentralen Kanal in den Mantel der Trommel, wo er kondensiert. Der WarmeUbergang wird dadurch erhoht, daB die Trommel urn ihre
Achse rotiert. Nach dem Kondensator stromt das Kaltemittel entlang des
Zylindermantels durch eine Drossel in den Verdampferteil und von dort
wieder zum Geblase.
Drossel
~I
Verdampfer
Kondensator
Verdichter
Fig. 86: Rotationswarmepumpe
120
Die Rotationswarmepumpe entstand bei Versuchen mit rotierenden Warmetauschern und hat rein experimentellen Charakter /127/.
Der Voll standigkeit hal ber sei noch eine "Chemische Warmepumpe" erwahnt,
die einen rein theoretischen ProzeB einer kombinierten endothermen und
exothermen Reaktion darstellt und mit einer technischen Warmepumpe nichts
gemeinsam hat /128/, /129/.
3. ARBEITSBEREICHE UND AUSWAHLKRITERIEN VON WARMEPUMPEN
3.1. DIE ARBEITSBEREICHE DER WARMEPUMPEN
In bezug auf das Antriebssystem und das erreichbare Nutztemperaturniveau
konnen aus der in Kap. 2 gebrachten Systematik vier Gruppen von Warmepumpen unterschieden werden:
-
Kompressionswarmepumpen
Sorptionswarmepumpen
Thermokompressoren
Strahlwarmepumpen
(Typ
(Typ
(Typ
(Typ
1 oder 2)
3 oder 4)
2)
4)
Die in exergetischer Hinsicht definierten Warmepumpentypen nach Tab. 2
sind jeweils in den Klammern genannt.
Kompressionswarmepumpen werden mit mechanischer (elektrischer) Energie
betrieben (reine Exergie) und erreichen Nutztemperaturen. die aufgrund
der Stabilitat der heute bekannten Kaltemittel mit ca. 1200 C begrenzt
sind. Kompressionswarmepumpen sind geschlossene Systeme.
Sorptionswarmepumpen werden durch Warmezufuhr (Exergie und Anergie) betrieben und erreichen Nutztemperaturen. die eben so hoch liegen wie bei
Kompressionswarmepumpen. Die Temperaturgrenze ist durch die Stabilitat
des Arbeitsstoffpaares vorgegeben. Das am haufigsten eingesetzte Stoffpaar NH3/H20 ist bis ca. 1800 C Austreibertemperatur stabil und erreicht
unter BerUcksichtigung eines Temperaturgefalles von 50 - 600 C fUr den Antriebsteil Nutztemperaturen von maximal 120oC. Sorptionswarmepumpen sind
ebenfalls geschlossene Systeme.
Thermokompressoren arbeiten als offene Systeme mit mechanischem Antrieb
und erreichen Nutztemperaturen. die durch die kritischen Werte der BrUden
begrenzt sind. Der Einsatz in Verdampfungs- und Destillationsprozessen
dient der Nutzung der Kondensationswarme komprimierter BrUden zur Behei-
122
zung des Prozesses. so daB die Nutztemperaturen wesentlich hoher liegen
konnen als bei Kompressions- und 50rptionswarmepumpen.
5trahlwarmepumpen sind ebenfalls offene 5ysteme und werden durch Treibdampf bzw. TreibflUssigkeit thermisch angetrieben. Die Nutztemperaturen
liegen wieder wesentlich hoher als bei Kompressions-/50rptionswarmepumpen und werden durch die kritischen Werte des Treibdampfes begrenzt. FUr
Wasserdampf (krit. Temperatur 3740~) liegt die maximal erreichbare Nutztemperatur unter BerUcksichtigung eines minimalen Temperaturgefalles des
Antriebsteiles von ca. 1000C bei 2000C.
Urn die technischen Einsatzmoglichkeiten dieser vier Gruppen von Warmepumpen festzulegen. werden ihre Arbeitsbereiche berechnet. Diese geben an.
innerhalb welcher Grenzen der Einsatz der einzelnen Warmepumpenarten
technisch moglich ist.
Bei der grafischen Darstellung der Arbeitsbereiche werden als Parameter
die Nutztemperatur tN (Ordinate) und, der exergetische Wirkungsgrad der
Warmepumpe S(Abszisse) gewahlt. 50 ist ein direkter Vergleich der Arbeitsbereiche dieser vier Gruppen von Warmepumpen moglich. da der exergetische Wirkungsgrad als Kriterium zur energetisc~en Bewertung eines Warmepumpenprozesses im Gegensatz zur LeistungsgroBe fUr alle Warmepumpenarten GUltigkeit hat.
Zusatzlich zum exergetischen Wirkungsgrad werden auBerdem noch die Grenzen der Leistungszahlen bzw. der Warmeverhaltnisse bestimmt. urn fUr eine
Warmepumpengruppe den Zusammenhang zwischen Nutztemperatur und LeistungsgroBe zu ermoglichen. Die sich daraus errechnenden Leistungsbereiche werden getrennt dargestellt.
Ein Vergleich dieser Bereiche mit den LeistungsgroBen als AbszissenmaBstab ist fur die einzelnen Warmepumpengruppen nicht moglich. da Leistungszahl und Warmeverhaltnis nicht direkt verglichen werden konnen.
123
3.1.1. VORAUSSETZUNGEN ZUR BERECHNUNG DER ARBEITSBEREICHE
In Kap. 1.3.3. wurden die exergetischen Wirkungsgrade der Warmepumpentypen 1 - 4 hergeleitet. Diese Formeln werden zur Berechnung der Arbeitsbereiche herangezogen.
Die Grenzen eines Arbeitsbereiches sind von den folgenden Werten abhangig:
- Von der minimalen Nutztemperatur, die in der Industrie ab 40 0 C interessant ist (untere Grenze).
- Von der maximal erreichbaren Nutztemperatur, die fUr Kompressions- und
Sorptionswarmepumpen mit 1200 C, fUr Thermokompressoren durch die kritischen Werte der BrUden und fUr Strahlwarmepumpen mit ca. 2000 C begrenzt
ist (obere Grenze).
- Vom minimalen Warmestromverhaltnis, das mit 0.1 gewahlt wurde (linke
Grenze ).
Vom optimalen Warmestromverhaltnis, das mit 0.1 unter dem maximal moglichen Wert des reversiblen Prozesses angenommen wurde (rechte Grenze).
Die theoretischen Grenzen (im Diagramm strichliert dargestellt) werden
durch das Warmestromverhaltnis w = 0 und den exergetischen Wirkungsgrad
des reversiblen Prozesses ~= 1 vorgegeben.
Bei der Darstellung der Leistungsbereiche mit Hilfe der Leistungszahl bzw.
des Warmeverhaltnisses wird fUr jede der vier Gruppen von Warmepumpen die
LeistungsgroBe im technisch moglichen Temperaturbereich aus den Werten
des C~rnot-Prozesses bzw. des Idealprozesses mit folgenden Gesamtwirkungsgraden bestimmt:
E = 0.50
~ = 0.75
* ECarnot
*
~opt
(vergleiche Kap. 1.2.1.)
(Lit. /96/)
124
3.1.2. DARSTELLUNG DER ARBEITSBEREICHE
Kompressionswarmepumpe
Bei der Berechnung des Arbeitsbereiches der Kompressionswarmepumpe wird aus
wirtschaftlichen Oberlegungen von folgenden weiteren Voraussetzungen ausgegangen:
- Die minimale Temperaturdifferenz zwischen Warmequelle und Warmesenke
wird mit 20°C festgelegt.
- Daraus folgt bei industriell Ublichen Nutztemperaturen zwischen 40° und
1200C1) eine minimale Warmequellentemperatur von 200C und eine maximale
Warmequellentemperatur von 1000C.
°
t omin =20C,
°
t omax =100C
- Die Umgebungstemperatur wird mit 17°C (290 K) gewahlt.
tu
=
17°C
FUr die Kompressionswarmepumpe gel ten nach Kap. 1.3.3. folgende Berechnungsgrundlagen fur die Beschreibung der Arbeitsbereiche (24), (25):
Die Errechnung der Grenzwerte des Arbeitsbereiches einer Kompressionswarmepumpe in Abhangigkeit der Warmequellen- und der Nutztemperatur ist aus
Tab. 4 ersichtlich.
Die grafische Darstellung des Arbeitsbereiches einer Kompressionswarmepumpe erfolgt in Fig. 87.
1) Die Ubliche garantierte Temperaturbestandigkeit liegt bei 1200 C.
125
tN (oC)
t = 20°C
°
To = 293 K
S(wmax -0.1) S(w=O.l)
wmax
40
60
80
100
120
0.936
0.43
= 40°C
60
0.940
0.58
t = 60°C
°
t = 80°C
°
to = 100°C
80
0.943
0.67
100
0.946
0.73
120
0.949
0.77
t
°
0.08
0.14
0.20
0.25
0.29
S(w=O)
0.07
0.13
0.18
0.22
0.26
Tab. 4: Grenzwerte des Arbeitsbereiches einer Kompressionswarmepumpe
Die Errechnung des Leistungsbereiches einer Kompressionswarmepumpe wurde
entsprechend der nachstehenden Tabelle 5 vorgenommen. Es gel ten dieselben Voraussetzungen wie bei Errechnung des Arbeitsbereiches nach Tab. 4.
E
Carnot
E
t = 20°
°
tN = 40°
60
80
100
120
15.65
7.83
5.88
4.66
3.93
7.83
3.92
2.94
2.33
1.97
t = 40°
°
t = 60°
°
t = 80°
°
to = 100°
tN = 60°
16.65
8.33
tN = 80°
17.65
8.83
tN = 100°
18.65
9.33
tN = 120°
19.65
9.83
Tab. 5: Grenzwerte des Leistungsbereiches einer Kompressionswarmepumpe
Der Leistungsbereich ist in Fig. 88 dargestellt.
126
Kompressionswdrmepumpen
Voraussetzungen .'
fl~in=200C
tomm. =20 oC
tOrrKJ)[UJoC
lu
120
r
/
100
80
60
1,0
~~
I
I
/
I
/
/
/
/
0.77
~~-~"""""",-"'---""""",,----"---' -
I
- - - - --,
I
I
/
I
I
I
I
I
I
I
I
____ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ...1
0.08
01
=290K
0.1,3
Q2
03
01,
05
0.6
Fig . 87: Arbeitsbereich einer Kompressionswarmepumpe
07
127
Es gel ten diesel ben Voraussetzungen
wie bei Errechnung der Arbeitsbereiche.
9.83
120
100
80
60
40
7.83
2
Fig. 88: Leistungsbereich einer Kompressionswarmepumpe
8
10
E
128
Sorptionswarmepumpe
Bei der Berechnung des Arbeitsbereiches der Sorptionswarmepumpe wird von
folgenden weiteren Voraussetzungen ausgegangen:
- Die minimale Differenz zwischen Nutz- und Warmequellentemperatur wird
aufgrund wirtschaftlicher Oberlegungen mit 200 e festgelegt.
Ltmin
= (t N - to)min = 20°e
- Daraus folgt fUr Nutztemperaturen zwischen 40° und 120° eine minimale
Warmequel1 entemperatur mit 200 e.
200 e.
t omin
t omax
=
1000 e
- Die maximale Austreiber-Heiztemperatur betragt 1700 e. 1)
t z max
=
1700 e
- Die minimale Austreiber-Heiztemperatur liegt 500 e hoher als die Nutztemperatur (vergleiche Fig. 48).
t z mi n
=
tN + 50
- Die Umgebungstemperatur wird mit 170 e (290 K) gewahlt.
tu
= 170 e
FUr die Sorptionswarmepumpe gel ten nach Kap. 1.3.3. folgende Berechnungsgleichungen fUr die Beschreibung der Arbeitsbereiche (32). (33):
w- ~
~
= _ _---L_l....W __
1 _
r.(
u
w~+ _1_-_~-)
f,
;.
1) Aufgrund der chemischen Stabilitat von NH3 -Wasser-Gemischen.
129
Die Ergebnisse der Berechnung fUr verschiedene Austreiber- Heizdampf-.
Warmequellen- und Nutztemperaturen sin~ in Tab. 6 zusammengestellt.
to = 20°C
40
60
80
100
120
w1max S(wlmax-o· 1) S(w1=0.1) S(w1=0)
0.24
0.21
0.41
0.37
0.57
0.52
0.71
0.64
0.84
0.76
90 to = 20°C
110
40
130
60
80
150
170
100
40
60
80
100
120
0.669
0.671
0.674
0.676
0.678
tN
t z = 170°C
tz
t z=t N+50
0.79
0.88
0.92
0.94
0.96
Tab. 6: Grenzwerte des Arbeitsbereiches einer Sorptionswarmepumpe
Die grafische Darstellung des Arbeitsbereiches der Sorptionswarmepumpe
erfolgt in Fig. 89.
Die Errechnung des Leistungsbereiches einer Sorptionswarmepumpe wurde
entsprechend der nachstehenden Gleichung (44) vorgenommen und ist in
Tabelle 7 zusammenfassend dargestellt. Es gelten diesel ben Voraussetzungen wie bei Errechnung der Arbeitsbereiche.
130
t z = 170°C
<IIopt
<II
t = 20°C
°
tN = 40°C
80
100
120
5.30
1.99
1.58
1.33
3.97
1.49
1.18
1.00
t = 40°C
°
60
80
100
tN = 60°C
80
100
120
4.89
4.38
3.79
3.10
3.66
3.29
2.84
2.33
t z=t N+50 - 90 t = 20°C
.oliO °
tN = 40°C
60
80
3.02
1.96
1. 61
2.27
1.47
1.20
=
-
130
Tab. 7: Grenzwerte des Leistungsbereiches einer Sorptionswarmepumpe
Der Leistungsbereich ist in Fig. 90 grafisch dargestellt.
Thermokompressor
Bei der Berechnung des Arbeitsbereiches eines Thermokompressos wird von
folgenden weiteren Voraussetzungen ausgegangen:
- Die minimale Warmequellentemperatur wird mit 20°C festgelegt.
t
° mln.
= 20°C
- Die minimale Differenz zwischen Warmequellen- und Nutztemperatur wird
mit 10°C festgelegt /117/.
- Die maximale Differenz zwischen Warmequellen- und Nutztemperatur wird
mit 100°C festgelegt.
131
Sorp t i onswii rmepumpen
Vorausset zungen:
6tmin = 20 ° C
tomin :: 20°C
tomax = 700°C
tZmin =
'N.
50
t zmax = 770 ° C
Tu = 290 K
0. 96
120
~~~~-,
700
80
60
/
/
/
/
//
/
//
/
/
/
/
/
/
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
~~~.......;),...~~~~.......;),........:o......;:.......:............::.......;y
"0
0.2"
0.7
0.2
0 .3
_
__
-1
0.79
0 .4
0.5
0 .6
Fig. 89: Arbeitsbereich einer Sorptionswarmepumpe
0.7
0.8
0.9
7.0
~
132
Es gel ten diesel ben Voraussetzungen
wie bei Errechnung des Arbeitsbereiches.
120
1.00
2.33
100
80
60
40
2.27
1.0
2.0
3.97
3.0
Fig. 90: Leistungsbereich einer Sorptionswarmepumpe
4.0
'11'
133
- Die Umgebungstemperatur wird mit 170 e (290 K) gewahlt.
tu
=
17 0 e
FUr den Thermokompressor gel ten nach Kap. 1.3.3. folgende Berechnungsgrundlagen fUr die Beschreibung der Arbeitsbereiche (24), (25):
~
=
=..1-.
TN
Die Errechnung der Grenzwerte des Arbeitsbereiches eines Thermokompressors
in Abhangigkeit der Temperaturdifferenz zwischen Warmequelle und Warmesenke, der Nutz- und der Warmequellentemperatur ist aus Tab. 8 ersichtlich.
tN
to
wmax
At = lOoe
40
80
120
160
200
240
30
70
110
150
190
230
0.968
0.972
0.975
0.977
0.979
0.981
0.43
0.68
0.78
0.83
0.86
0.88
0.08
0.19
0.28
0.35
0.41
0.46
0.07
0.18
0.26
0.33
0.39
0.43
&= 200 e
40
80
20
60
0.936
0.943
0.43
(0.67)
0.08
(0.20)
0.07
0.18
At = 300 e
80
120
50
90
0.915
0.924
0.67
(0.77)
(0.20)
0.28
0.18
0.26
At = 500 e
80
120
30
70
0.858
0.873
0.65
(0.76)
(0.20)
(0.29)
0.18
0.26
At = 1000 e
120
160
20
60
0.746
0.769
0.73
0.79
(0.29)
(0.36)
0.26
0.33
S(wmax -O.l) S(w=O.I) S(w=O)
Tab. 8: Grenzwerte des Arbeitsbereiches eines Thermokompressors
134
Die in den Klammern angegebenen Zahlenwerte der Tabelle 8 fUr groBere
Differenzen zwischen Warmequellen- und Nutztemperatur als ~t = 100 e
liegen innerhalb des bei ~t = 100 e errechneten Arbeitsbereiches.
Die grafische Darstellung des Arbeitsbereiches eines Thermokompressors
erfolgte in Fig. 91.
Die Ergebnisse der Errechnung des Leistungsbereiches eines Thermokompressors sind in Tab. 9 zusammengefaBt. Es gel ten diesel ben Voraussetzungen wie bei Errechnung des Arbeitsbereiches.
t
= lOoe
tN = 40
80
120
160
200
240
lit = 200 e
= 60 0 e
= 1000e
~t
~t
~t
°
(0C)
Eearnot
E
30
50
110
150
190
230
31.3
35.3
39.3
43.3
47.3
51.3
15.65
17.65
19.65
21.65
23.65
25.65
tN = 40
20
15.65
7.83
tN = 80
20
5.88
2.94
tN = 120
160
200
240
20
60
100
140
3.93
4.33
4.73
5.13
1.97
2.17
2.37
2.57
Tab. 9: Grenzwerte des Leistungsbereiches eines Thermokompressors
Der Leistungsbereich ist in Fig. 92 grafisch dargestellt.
Thernnokonnpressoren
Voraussetzungen : to . = 200(;
mIn
6tmm
. = 10°C
6t
= 1000(;
rrnx
'u =BJK
240
160
120
80
40
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Fig. 91: Arbeitsbereich eines Thermokompressors
OJ
08
Es gelten diesel ben Voraussetzungen wie bei
der Errechnung des Arbeitsbereiches
8
12
16
Fig. 92: Leistungsbereich eines Thennokompressors
20
24
28
E
137
Strahlwarmepumpe
Bei der Berechnung des Arbeitsbereiches einer Strahlwarmepumpe wird von
den folgenden weiteren Voraussetzungen ausgegangen:
- Die minimale Differenz zwischen Nutz- und Warmequellentemperatur wird
mit 20°C festgelegt. 1)
- Die maximale Differenz zwischen Nutz- und Warmequellentemperatur wird
mit 100°C festgelegt.
- Die minimale Differenz zwischen Treibdampf- und Nutztemperatur wird
mit 100°C gewahlt.
t z min
= tN
+ 100
- Die maximale Treibdampftemperatur betragt normalerweise 3000C.
t z max
=
°
300 C
- Die Umgebungstemperatur wird mit 17°C (290 K) gewahlt.
tu = 17°C
Zur Berechnung des Arbeitsbereiches einer Strahlwarmepumpe wird abweichend
von Kap. 2.5.1. die von Opresnik /27/ vorgeschlagene Definition verwendet,
obwohl diese thermodynamische Vereinfachungen enthalt (32), (33):
1) Aufgrund allgemeiner wirtschaftlicher Oberlegungen.
138
Die Ergebnisse der Berechnung fUr verschiedene Treibdampf-. Nutz- und
Warmequellentemperaturen sind in Tab. 10 zusammengefaBt.
t>t = 200e
tN
to
tz
t z = tN + 100
40
80
120
160
200
20
60
100
140
180
140
180
220
260
300
t z = 3000e
40
80
120
160
200
20
60
100
140
180
300
300
300
300
300
t z = tN + 100 120
160
20
60
220
260
0.373
0.385
20
60
100
300
300
300
0.479
w1max S( w1ma £0 .1) S(w1=0.1) S(w1=0)
0.780
0.786
0.791
0.795
0.798
0.72
0.89
0.93
0.95
0.97
0.16
0.39
0.56
0.70
0.81
0.15
0.36
0.53
0.67
0.78
(0.87)
(0.91)
(0.71)
(0.63)
(0.84)
(0.59)
(0.72)
0.53
0.67
0.78
t>t = 1000e
t z = 3000e
120
160
200
Tab. 10: Grenzwerte des Arbeitsbereiches einer Strahlwarmepumpe
Die in den Klammern angegebenen Zahlenwerte fUr eine Differenz zwischen
Warmequellen- und Nutztemperatur von t>t = 1000e liegen innerhalb des bei
t>t = 200e errechneten Arbeitsbereiches.
Die grafische Darstellung des Arbeitsbereiches folgt aus Fig. 93.
Die Errechnung des Leistungsbereiches einer Strahlwarmepumpe wurde entsprechend der nachstehenden Gleichung (49) vorgenommen und ist in Tab. 11
zusammenfassend dargestellt.
139
m . (h m - ho ")
mz · (z - hm")
Es mUssen hier noch folgende zusatzliche Voraussetzungen gemacht werden:
- Das Arbeitsmedium ist Wasser.
- Der maximal mogliche Betriebsdruck wird mit 25 bar festgelegt.
Pmax
= 25 bar
- Bis zu einer Temperatur von t = 224 0 e (entspricht einem Sattigungsdampfdruck von Pmax = 25 bar) ist der Saug-, Misch- und Treibdampf Sattdampf.
Bei hoheren Temperaturen ist der Treibdampf Uberhitzter Dampf von 25 bar.
tN
to
tz
m/m z
<P
ilt = 20 0 e
t z = 30cfe
40
80
120
160
200
20
60
100
140
180
300
300
300
300
300
ilt = 60 0 e
ilt = 1000 e
t z = tN + 100
80
120
160
200
20
20
60
100
180
220
260
300
1.28
0.59
1.04
1.803
2.39
1.82
2.29
3.08
40
20
140
4.37
5.21
ilt = 20 0 e
12.04
10.89
10.25
10.24
13.40
11.43
10.63
10.25
10.36
13.56
Tab. 11: Grenzwerte des Leistungsbereiches einer Strahlwarmepumpe
Die grafische Darstellung des Leistungsbereiches erfolgt in Fig. 94. Die
Form des Leistungsbereiches ist durch das Arbeitsmedium (Wasser) vorgegeben.
Strahlwarmepumpen:
mm = 20°C
Voraussetzungen: !:::.t .
!:::.tmax= 100°C
= tN+ 100
tzrrKJX=300°C
Tu= 290K
tzmin
200
I
I
I
I
I
I
160
I
I
I
I
I
120
I
I
I
I
I
I
80
I
I
I
I
1,0
~~_"""--~_~~----,::"---"":,,,,,,,-~~ _ _ _ _ _ _ _
Q72
09
Fig. 93: Arbeitsbereich einer Strahlwarmepumpe
I
---l
1.0
~
141
Es gel ten diesel ben Voraussetzungen wie
bei Errechnung des Arbeitsbereiches
t/c.J
°C
200
180
160
11, 0
120
100
80
60
1,0
5.21
2
6
11.43
8
Fig. 94: Leistungsbereich einer Strahlwarmepumpe
10
12
14
142
3.2. AUSWAHLKRITERIEN FOR
W~RMEPUMPEN
In der Systematik (Kap. 2) wurden alle heute bekannten Warmepumpen behandelt.
FUr den industriellen Einsatz als GroBwarmepumpe ist aber nur ein Teil
der genannten Warmepumpenarten geeignet. Als industrielle Warmepumpe
konnen vor allem die nachstehenden Arten eingesetzt werden:
- Kompressionswarmepumpe (mit Gas-/Dieselmotor- oder Dampfturbinenantrieb)
- Absorptionswarmepumpen
- Kombinationen von Kompressions- und Absorptionswarmepumpen
- Thermokompressoren
- Strahlwarmepumpen
FUr diese Warmepumpenarten erfolgte im vorigen Kapitel die Berechnung
der Arbeits- und Leistungsbereiche.
Die elektrische Warmepumpe kommt aufgrund ihres schlechten Primarenergienutzungsgrades und der schweren Regelbarkeit der Elektromotoren im allgemeinen als industrielle GroBwarmepumpe nicht in Frage. Eine Ausnahme
bilden Industriebetriebe mit eigenem Kraftwerk (Dampf- und Stromerzeugung), sofern die Kompressorleistung unter ca. 500 kW liegt.
Kompressionswarmepumpen mit Losungskreislauf und Mehrstoff-Kompressionswarmepumpen befinden sich heute erst im Erprobungsstadium; ihr industrieller Einsatz wird dann interessant, wenn ihre theoretischen Vorteile
gegenUber einem herkommlichen Kompressionswarmepumpensystem auch praktisch
verwirklicht werden kOnnen.
143
3.2.1. AUSWAHL MIT HILFE EINES ABFRAGE-FLIESSSCHEMAS
Um die Auswahl der passenden Warmepumpe zum allgemeinen WarmerUckgewinn
fUr einen vorliegenden Anwendungsfall aus den fUnf oben genannten Warmepumpen-Arten zu erleichtern, wurde ein Abfrage-Flie6schema entworfen
(siehe Anhang), das eine Abgrenzung der Anwendbarkeit der einzelnen Warmepumpenarten nach den folgenden Abfragekriterien vornimmt:
- Die erste Abfrageebene unterscheidet nach dem geforderten Nutztemperaturniveau: Die Nutzwarme wird fUr diesen Zweck in Abhangigkeit ihrer
Temperatur in folgende Bereiche eingeteilt:
Niedertemperatur-Warme
Mitteltemperatur-Warme
Hochtemperatur-Warme
bis 50°C
50 - 80°C
80 - 120°C
FUr den Temperaturbereich von 40 - 120°C konnen Kompressions- und Absorptionswarmepumpen eingesetzt werden, fUr hohere Temperaturen bei
Vorliegen der entsprechenden Voraussetzungen (Abdampf, BrUden), Thermokompressoren und Strahlwarm,epumpen (vergl eiche Kap. 5.1.).
- Die zweite Abfragungsebene berUcksichtigt die VerfUgbarkeit von Umweltoder Abwarme, die mindestens 10 - 20°C unter dem gef6rderten Nutztemperaturniveau liegen mu6 (vergleiche Kap. 3.1.), da bei einer geringeren
Temperaturdi fferenz ei n IJarmetausch mit ansch 1i e6ender Aufhei zung zumei st
wirtschaftlicher ist.
- In Abhangigkeit des zu Uberwindenden Temperaturgefalles zwischen Warmesenke und Warmequelle wird die Aufteilung in ein- und mehrstufige Kompressions- und Absorptionswarmepumpen vorgenommen.
- Die Abgrenzung zwischen Kompressions- und Absorptionswarmepumpen erfolgt
nach den Anforderungen an die Betriebssicherheit der Anlage in bezug
auf Gefahren durch das austretende Arbeitsmittel bei Leckagen.
Sorptionswarmepumpen sind technisch unkomplizierte Systeme, die derzeit
vor allem mit Ammoniak als Kaltemittel arbeiten. Aus der Warmepumpe austretendes Ammoniak bildet allerdings mit Luft ein explosives Gemisch und
ist au6erdem giftig /B7/.
144
Sorptionswarmepumpen sind vor allem fUr die industrielle Anwendung interessant. wo die Anlagen im Freien aufgestellt werden und eine Gefahrdung
durch austretendes Ammoniak daher nicht gegeben ist.
Kompressionswarmepumpen arbeiten mit Kaltemitteln (Sicherheitskaltemittel). die schwer entzUndbar und relativ ungiftig sind.
LaBt sich Ammoniak aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften nicht
einsetzen. mUssen die Moglichkeiten des Einsatzes anderer Kaltemittel bzw.
anderer Warmepumpen (Kompressionswarmepumpen) geprUft werden.
- Unter BerUcksichtigung der zu erzeugenden Nutzwarmemenge wird eine Unterscheidung in getrennte Kompressions-/Absorptionsanlagen und in die
Kombination beider Systeme vorgenommen.
Kombinierte Kompressions-/Sorptionswarmepumpen werden erst zur Erzeugung groBer NutzwarmestrOme (groBer als 10 MW) eingesetzt.
Das im Anhang dargestellte Abfrage-FlieBschema dient der Auswahl industrieller Warmepumpen zum allgemeinen WarmerUckgewinn.
Diese Warmepumpen werden dann eingesetzt. wenn an einer Stelle des Betriebes oder der industriellen Anlage Abwarme anfallt und an einer anderen
Stelle auf erhohtem Temperaturniveau genutzt werden kann.
Wie in Kap. 5 noch ausfUhrlich beschrieben wird. werden neb en diesen Warmepumpen zum allgemeinen WarmerUckgewinn im industriellen Bereich Warmepumpen eingesetzt. die integrierter Bestandteil einer verfahrenstechnischen Anlage sind.
Die Auswahl von passenden Warmepumpen fUr diesen Einsatz wird im Kap. 5
behandelt.
4. ARBEITSMEDIEN UNO WXRMEQUELLEN FOR WXRMEPUMPEN
4.1. ARBEITSMEDIEN FOR WXRMEPUMPEN
4.1.1. ARBEITSMEDIEN FOR KOMPRESSIONSWXRMEPUMPEN
Kompressionswarmepumpen sind geschlossene Systeme. FUr den Warmepumpenkreislauf werden Kaltemittel eingesetzt, die sich bereits in Kalteanlagen
bewahrt haben.
Dies sind:
- Fl uorkohl enwasserstoffe
- Arlmonia k
Die fluorierten oder chlorierten Kohlenwasserstoffe sind Derivate des
Methans und Xthans mit unterschiedlichem Gehalt an den Halogenen Fluor,
Chlor und an Wasserstoff.
Kaltemittel werden unter Markennamen verkauft, fUr die nachstehend einige
Beispiele angegeben sind:
-
Frigen
Kaltron
Freon
Genetron
Fri dohna
(Hoechst)
(Kali-Chemie)
(Du Pont)
(Allied Chemical)
(DDR)
Die Auswahl eines Kaltemittels fUr eine Kompressionswarmepumpe wird nach
den vorgegebenen Daten des Prozesses vorgenommen. Die Kaltemittelauswahl
ist immer ein KompromiB; alle gUnstigen Eigenschaften konnen nicht durch
ein einziges Kaltemittel geboten werden, so daB mit den fUr einen Anwendungsfall wesentl ichen Eigenschaften auch Nachteile in Kauf genommen werden mUssen.
Folgende Forderungen werden an ein Kaltemittel fUr Kompressionswarmepumpen gestellt:
- Hohe Verdampfungsenthalpie
146
- GroBe volumetrische Heizleistung
- Hohe Vergleichsleistungszahl
- Hohe WarmeUbergangszahlen in den Apparaten (Kondensator,
Verdampfer)
- Niedrige Verdichtungsendtemperatur
- DrUcke, die saugseitig Uber Atmospharendruck, druckseitig jedoch so niedrig wie moglich sind
- Gute chemische Stabilitat,und bei Einsatz von Kolbenverdichtern
gutes Loslichkeitsverhalten mit Schmierolen
- GUnstige chemische und toxische Eigenschaften
Die heute gebrauchlichsten Kaltemittel fur Kompressionswarmepumpen werden
im AnschluB beschrieben.
Urn die Leistungsfahigkeit dieser Kaltemittel darzustellen, werden die Vergleichsleistungzahl Ev ' die volumetrische Heizleistung qth und das Druckverhaltnis n 1) aus Stoffwertetabellen /BI7/ berechnet.
Die Vergleichsleistungszahl Ev ist das Verhaltnis aus der Kondensationswarme
am Nutztemperaturniveau zur Differenz der Sattdampfenthalpie am Nutztemperaturniveau und der Sattdampfenthalpie am Warmequellen-Temperaturniveau.
Die volumetrische Heizleistung qth errechnet sich aus dem Verhaltnis der Kondensationswarme am Nutztemperaturniveau und dem spezifischen Volumen des
Sattdampfes bei Temperatur der Warmequelle.
Zur Berechnung der entsprechenden Werte wurden die folgenden Temperaturgrenzen gewahlt:
o
0
to = 20 C , tN = 60 C
Tabelle 12 zeigt das Ergebnis der Berechnung.
Rll
R 11 arbeitet als Niederdruckkaltemittel saugseitig unter Atmospharendruck.
Dieses Kaltemittel hat eine hohe Vergleichsleistungszahl und eine geringe
volumetrische Heizleistung. R 11 kommt daher vor allem fUr Turboverdichter
1) uas Druckverhaltnis n ist der Quotient aus Kondensator- und Verdampferdruck.
147
in Frage. Die Wasseraufnahmefahigkeit von R 11 ist relativ hoch, so daB
Apparate und Verdichteranlagen korrosionsgefahrdet sind.
R 12
R 12 hat sich in Kalteanlagen bereits gut bewahrt und wird in Kompressionswarmepumpen am haufigsten eingesetzt. Das Kaltemittel arbeitet bei mittleren DrUcken mit hoher Vergleichsleistungszahl. Die volumetrische Heizleistung von R 12 liegt im mittleren Bereich, woraus groBe Hubvolumen des
Verdichters fUr eine geforderte Nutzwarmeleistung folgen.
t
t kr
Pkr
(bar)
Ev
-45.6
-40.8
-33.5
-29.8
- 3.7
3.6
23.8
47.6
82.2
96.2
105.2
112.0
154.6
145.7
198.0
214.1
40.8
49.9
44.6
41.6
41.2
32.6
44.0
34.1
8.09
29.00
9.57
8.33
9.75
4.67
8.39
5.60
5334
5399
4251
3719
1845
1515
865
401
-33.6
132.4
113.0
89.14
6670
(aC)
R502
R 22
R500
R 12
R12Bl
R114
R 11
RIB
NH3
Pc
(bar)
r
(kJ/kg)
2.56
2.66
2.71
2.70
3.03
3.21
3.55
4.14
26.14
24.15
18.09
15.33
6.94
5.74
3.16
1.50
92.4
140.6
133.3
115.1
109.6
113.6
166.7
140.4
3.05
26.14
996.4
n
qth
(kJ/m3) (pc/pv)
(OC)
KM
to = 20oC, tN = 600 C
KM = Kaltemittel, ts= Siedetemperatur bei 1 atm, t kr = kritische Temperatur, Pkr = kritischer Druck, Pc = Kondensationsdruck, r = Verdampfungsenthalpie beim Kondensationsdruck , Pv = Verdampfungsdruck
Tab. 12: Thermodynamische Eigenschaften der gebrauchlichsten Kaltemittel
R 12B1
R 12B1 ist ein Niederdruckkaltemittel fUr Kompressionswarmepumpen mit
hohen Verdichtungs- und Kondensationstemperaturen. Die Vergleichsleistungszahl liegt hoch, die volumetrische Heizleistung relativ gering. In Ver-
148
bindung mit Schmierolen zersetzt sich dieses Kaltemittel aufgrund seiner
schlechten Stabilitat bereits ab 60oC.
R 22
R 22 arbeitet bei sehr hohen Vergleichsleistungszahlen mit hoher volumetrischer Heizleistung. Der Kondensatordruck ist relativ hoch, woraus
sich erhohte Anforderungen an die Festigkeit der Bauteile ergeben. R 22
ist aggressiv gegenUber organischen Materialien im Kaltekreislauf (Dichtungen, Isolierungen, SChmierol).
R 113
R 113 arbeitet als Niederdruckkaltemittel mit VerdampferdrUcken, die unter dem Atmospharendruck liegen. Die volumetrische Heizleistung ist sehr
gering, ebenso die Vergleichsleistungszahl.
R 114
R 114 arbeitet als Niederdruckkaltemittel bei geringem Kondensationsdruck
und ist fUr Kompressionswarmepumpen mit hohen Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen geeignet. Die Vergleichsleistungszahl ist gering, die
volumetrische Heizleistung liegt im mittleren Bereich.
R 500
R 500 hat eine hohe Vergleichsleistungszahl und eine groBe volumetrische
Heizleistung, arbeitet aber bei relativ hohen BetriebsdrUcken.
R 502
R 502 arbeitet bei mittlerer Vergleichsleistungszahl und groBer volumetrischer Heizleistung. Der Betriebsdruck liegt mit 24.16 bar bei 600 C
sehr hoch.
Ammoniak
NH3 verfUgt Uber ausgezeichnete thermodynamische Eigenschaften, wie eine
sehr hohe volumetrische Heizleistung (hoher als bei allen Fluorkohlenwasserstoffen) und eine sehr hohe Vergleichsleistungszahl.
149
Ein Nachteil sind der hohe Kondensationsdruck und die Giftigkeit des Kaltemittels. AuBerdem besteht bei hohen Anteilen von Ammoniak mit Luft Explosionsgefahr.
Ammoniak ist vor allem fUr groBe industrielle Anlagen interessant.
uie Dampfdruckkurven der gebrauchlichsten Kaltemittel bringt Fig. 95 im
19 p/-l/T-Diagramm.
50
1/
,"3.,
p
-
502 .
bu
R12
20
IUI5
~ 500
10
8
//0 V
/
//% W
II
4
2
h
/ ' §L:
..0 V//
R12
/
/h ~
/'
/'
~
/.-0 / /
0"/ ;/
~
/
./
//'
R~
o
/
?'. ~
V
/
~
V
~ /
V-L
/
~ ~/ / V Z
/
//' /'
~/ /
~/
'/ V
~ /;:
/
/
V
.,
/
AlII
~ Rill
100
I
OC
200
Fig. 95: Dampfdruckkurven dergebrauchl ichsten Kaltemittel. Aus /175/
4.1.2. ARBEITSSTOFFPAARE FOR SORPTIONSWARMEPUMPEN
Sorptionswarmepumpen sind wie Kompressionswarmepumpen geschlossene
Systeme, die aber neben dem Kaltemittel noch ein U:isungsmittel (Absorptionsmittel) verwenden. Kalte- und Losungsmittel zusammen bilden das Arbeitsstoffpaa r.
Die Eignung eines Stoffpaares fUr Sorptionsprozesse wird durch die Eigenschaften des Kalte- und Losungsmittels und durch das Verhalten der beiden
Stoffe zueinander bestimmt.
150
An das Kaltemittel werden die folgenden Forderungen gestellt:
- Hohe Verdampfungsenthalpie
- Hohe kritische Temperatur
- Flacher Verlauf der Dampfdruckkurve
Forderungen an die Eigenschaften des Arbeitsstoffpaares sind:
- ArbeitsdrUcke, die nicht Uber 20 - 25 bar liegen
- Moglichst groBe Temperaturdifferenzen der Siedepunkte
von Kalte- und Losungsmittel
- Chemische Stabilitat
- Moglichst groBe Entgasungsbreite
- Keine korrodierende Wirkung auf Werkstoffe
- Unbrennbarkeit, Ungiftigkeit
GroBe Temperaturdifferenzen der Siedepunke von Kalte- und Losungsmittel
reduzieren den Rektifizieraufwand, um das Losungsmittel abzutrennen.
Die Entgasungsbreite ist die Konzentrationsdifferenz zwischen reicher und
armer Losung und bestimmt die GroBe des spezifischen Losungsumlaufes und
damit die Losungspumpenarbeit:
Je groBer die Entgasungsbreite ist, desto kleiner wird der spezifische
Losungsumlauf.
Die Darstellung der Zusammenhange zwischen Druck, Temperatur und Konzentration erfolgt fUr ein Arbeitsstoffpaar in Form des Losungsfeldes im
19 P/l/T-Diagramm. Durch den lor,arithmischen OrdinatenmaBstab lassen sich
die Dampfdruckkurven des Kaltemittels, des Losungsmittels sowie der einzelnen Gcmischkonzentrationen in erster Naherung als Geraden darstellen.
Die Konzentrationsangabe bezieht sich auf das Verhaltnis der Masse des
Kaltemittels zur Masse des Arbeitsstoffpaares; reines Kaltemittel hatte
die Konzentration 1.
151
Nachfolgend sind die wichtigsten der heute bekannten Arbeitstoffpaare fUr
Sorptionswarmepumpen beschrieben.
In der Bezeichnung des Arbeitsstoffpaares wird das Kaltemittel an erster,
das Losungsmittel an zweiter Stelle genannt.
Allmon i a k/Wa sser
NH3/H20 ist aufgrund seiner sehr guten thermodynamischen Eigenschaften
das am haufigsten eingesetzte Arbeitsstoffpaar. Allmoniak hat eine hohe
Verdampfungsenthalpie, einen hohen kritischen Punkt und zeichnet sich
durch geringe Anschaffungskosten aus.
Die Eigenschaften des Stoffgemisches sind gUnstig, so daB Absorption und
Desorption schnell vor sich gehen. Nachteilig sind die hohen BetriebsdrUcke und die relativ zu anderen Arbeitsstoffpaaren geringe Siedepunktsdifferenz von 1330 C. Dadurch werden aufwendige Rektifiziereinrichtungen
notwendig.
Ammoniak hat auch ungUnstige physiologische Eigenschaften. NH3 gilt als
giftig und ist bei hohen Anteilen im Gemisch mit Luft explosiv.
Chemische Bestandigkeit besteht bis ca. 160 - 1800 C.
Fig. 96 zeigt das.Losungsfeld im 19 P/~l/T-Diagramm. Das Losungsfeld weist
einegleichmaBige Verteilung der Gemischkonzentrationen auf.
Fig. 96: Lg pI-lIT -Diagramm fUr Ammoniak/Wasser. Aus /1761
152
Wasser/Lithiumbromid
Der ArbeitsprozeB von Sorptionswarmepumpen mit Wasser/Lithiumbromid findet unterhalb des Umgebungsdruckes statt, so daB die von der Sorptionswarmepumpe zu Uberwindenden Druckdifferenzen sehr klein werden.
Wasser als Kaltemittel bringt eine sehr hohe Verdampfungsenthalpie.
Das Gemisch Wasser - Lithiumbromid ist vollig ungefahrlich.
Der im Absorber nutzbare Temperaturbereich wird durch die Kristallisationsgrenze des Gemisches eingeschrankt; Verdampfungstemperaturen unter
OOC sind nicht moglich.
Das Losungsfeld des Stoffpaares ist in Fig. 97 dargestellt.
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Fig. 97: Lg p/-l/T-Diagramm fUr Wasser/Lithiumbromid. Aus /176/
153
Methylamin/Wasser
Das Stoffpaar Methylamin/Wasser arbeitet knapp unter dem Umgebungsdruck.
hat eine hohe Verdampfungsenthalpie und einen gUnstigen Verlauf der Dampfdruckkurve.
Die Losungseigenschaften des Stoffpaares sind sehrgut; das Losungsfeld
(Fig. 98) zeigt eine gleichma6ige Verteilung der Dampfdruckkurven.
Aufgrund der relativ in anderen Arbeitsstoffpaaren geringen Siedepunktsdifferenz von 107°C sind relativ gr06e Rektifiziereinrichtungen erforderlich.
Methylamin ist giftig und mit Luft brennbar. Die kritische Temperatur betragt 151°C.
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Fig. 98: Lg P/-l/T-Diagramm fUr :.1ethylamin/l~asser. Aus /176/
Methanol/Lithiumbromid
Die Verdampfungsenthalpie des Stoffpaares Methanol/Lithiumbromid liegt
ungefahr so hoch wie bei NH3/H 20. Austreiber und Kondensator arbeiten bei
Umgebungsdruck. Absorber und Verdampfer darunter. Bei Verdampfungstemperaturen unter OoC besteht Kristallisationsgefahr. Die Sattigungsgrenze
154
liegt bei einer Konzentration von 43.5 % Methanol,bezogen auf die Gesamtmasse. Beim Betrieb der Sorptionswarmepumpe in der Nahe der Kristallisationsgrenze nimmt die Zahigkeit des Kaltemittels stark zu.
Methanol ist giftig und mit Luft brennbar.
Die kritische Temperatur liegt bei 2400 C.
Fig. 99 zeigt das Losungsfeld des Stoffpaares.
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Fig. 99: Lg P/-1/T-Diagramm fUr Methanol/Lithiumbromid. Aus /176/
Ammoniak/Lithiumnitrat
Das Stoffpaar Ammoniak/Lithiumnitrat hat ein gutes Absorptionsvermogen
und einen genUgend groBen Siedepunktsabstand, so daB keine Rektifikation
des Kaltemitteldampfes nach Austritt aus dem Austreiber notwendig wird.
Die spezifische Warmekapazitat liegt niedriger als bei NH 3/H 20.
Bei tiefen Temperaturen besteht Kristallisationsgefahr. Mit sinkender
Konzentration des Kaltemittels nimmt die Viskositat stark zu.
Chemische Bestandigkeit besteht bis ca. 1400 C. Das Losungsfeld des Stoffpaares ist in Fig. 100 dargestellt.
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Fig. 100: Lg p/-1/T-Diagramm fUr Ammoniak/Lithiumnitrat. Aus /176/
R 22/DTG (Tetraathylenglykoldimethylather)
Der Siedepunktabstand von R 22/DTG liegt bei 3000C, daher entfallt in
Sorptionsanlagen mit diesem Arbeitsstoffpaar die Rektifikation der ausgetriebenen Kaltemitteldampfe. Die Druckdifferenz zwischen Absorber und
Austreiber ist sehr gering.
R 22/DTG ist ungefahrlich und relativ schwer entzUndbar (Flammpunkt 140°C).
Die Verdampfungsenthalpie ist sehr gering (1/7 der von Ammoniak) und daher auch das Warmeverhaltnis sehr klein.
Chemische Stabilitat besteht bis ca. 175°C
Fig. 101 zeigt das Losungsfeld des Arbeitsstoffpaares.
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156
4.1.3. ARBEITSMEDIEN.FOR
4.1.3.1. AZEOTROPE
MEHRSTOFF-KOMPRESSIONSW~RMEPUMPEN
~LTEMITTELGEMISCHE
Azeotrope Kaltemittelgemische werden mit der azeotropen Konzentration in
Kompressionswarmepumpen eingesetzt und verhalten sich daher wie EinstoffSysteme. Ihr Vorteil liegt in den thermodynamischen Eigenschaften, die
fUr das azeotrope Gemisch gUnstiger liegen konnen als fUr die beiden Komponenten.
Die nachstehende Tabelle 13 zeigt die gegenwartig bekannten azeotropen
Zweistoff-Kaltemittel /83/.
Azeotrop
Komponenten
R 500
R 501
R 502
R 503
R 504
(R
(R
(R
(R
(R
12/R
22/R
22/R
23/R
32/R
152)
12)
115)
13)
115)
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73.8/26.2
84.5/15.5
48.8/51.2
40.1/59.9
48.2/51. 8
ts
-
33.3
41.5
45.6
88.7
57.2
R 124/RC 318
60.0/40.0
- 12.3
31.6/68.4
- 46.6
R 290/R 115
31.8/68.2
- 48.6
R 290/R 22
80.0/20.0
- 64.0
R 13B1/R 32
84.8/15.2
- 33.4
R 12/R 40
75.0/
5.0
1.3
R 114/R 21
58.0/42.0
- 49.0
R 143/R 115
55.0/45.0
- 12.5
R 31/R 114
68.0/32.0
- 46.0
R 22/R 218
84.0/16.0
41.2
R 115/R 152
69.0/31.0
- 43.6
R 115/R 152
XA = Azeotrope Konzentration am Normalsiedepunkt in Gewichtsprozenten
ts = Temperatur des Normalsiedepunktes(l atm)
Tab. 13: Azeotrope Zweistoff-Kaltemittel mit Angabe der azeotropen
Konzentration und des Siedepunktes. Aus /83/
157
4.1.3.2. NICHTAZEOTROPE
~LTEMITTELGEMISCHE
Unter dem Begriff nichtazeotroper Ka1temitte1gemische werden Gemische von
chemischen Verbindungen verstanden, die entweder Uber den gesamten Mischungsbereich gleitende Verdampfungs- bzw. Kondensationstemperatur zeigen
oder Gemische mit Azeotropbildung, die nicht am azeotropen Punkt verwendet
werden.
Wie schon bei der Beschreibung der Mehrstoff-Kompressionswarmepumpe erwahnt, 1iegt der Vorteil nichtazeotroper Zweistoff-Kaltemitte1 in einer
gleitenden Verdampfungs- und Kondensationstemperatur, wodurch sich die
mitt1ere Temperatur des Ka1temitte1s im Verdampfer erhoht und im Kondensator verringert. Daraus fo1gt ein k1eineres Temperaturgefa1le zwischen
Verdampfer und Kondensator und damit eine gUnstigere Leistungszah1 der
Warmepumpe.
Kompressionswarmepumpen mit nichtazeotropen Ka1temitte1gemischen sind
dann von Vortei1, wenn groBe Temperaturdifferenzen zu Uberwinden sind.
Der Einsatz nichtazeotroper Ka1temitte1gemische b1eibt daher auf bestimmte Anwendungsfal1e beschrankt.
Untersuchungen Uber nichtazeotrope Ka1temitte1gemische liegen fUr die
folgenden binaren Systeme vor:
-
R 12/R 13
R 12/R 22
R 12/R 11
R 12/R 21
R 12/R 13B1
R 22/R 13B1
R 142/R 143
/177/
/179/
/85/
/85/
/85/
/85/
/85/
Die am genauesten untersuchten Gemische sind R 12/R 13 und R 12/R 22.
Die Abbi1dungen 102 - 106 zeigen das 19 p/1/T-, das h/x- und das 19 p/hDiagramm fUr das binare Gemisch R 12/R 13.
Das 19 p/1/T-Diagramm fUr R 12/R 22 ist aus Fig. 107 zu entnehmen.
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Fig. 102: Lg p/l/T-Diagramm fur flUssige R 12/R 13-Gemische im Sattigungszustand, Aus /177/
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I. 107: Lg ;!l/T-Diagramm fUr das binare Gemisch R 12/R 22. Aus /179/
161
4.2. WARMEQUELLEN FOR WARMEPUMPEN
Der technische Einsatz einer Warmepumpe ist nur dann moglich, wenn genUgend ergiebige Warmequellen verfUgbar sind, aus den en Umwelt- oder Abwarme ohne groBen Aufwand gewonnen werden kann.
Die verschiedenen Warmequellen fur Warmepumpen lassen sich
nach der in Fig. 108 dargestellten Art einteilen.
SONNENENERGIE
ERDREICH
LUFT
FluBwasser
Seewasser
Meerwasser
Grundwasser
Quell wasser
Brunnenwasser
Tiefen- od.
Thermal wasser
KUhlwasser
Kommunal e
bzw. Haushaltsabwasser
Industr.
Brauchwasser
Fernheiznetz
ProzeBwasser
AuBenluft
Fortluft
Ind. Abluft
ProzeBwarme
Fig. 108: Einteilung der Warmequellen fur die Nutzung durch Warmepumpen
In Tabelle 14 werden diese Warmequellen auBerdem nach verschiedenen
Nutzungskriterien untersucht.
FUr industrielle Warmepumpen kommen als Warmequelle vor allem groBe Abwarmestrome verschiedener industrieller Prozesse in Frage.
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231EROREICH
22 PROZEBWARME
21 INOUSTR.ABlUFT
20 PERSONENWARME
19 BElEUCHTUNGSWARME
18 FORTlUFT
I11AU6ENlUFT
15 FERNHEIZNETZ-ROCKL.
14 WASSERLEITGS.NETZ
13 KOHlWASSER
12 INOUSTR.ABWASSER
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B - 12 DC
4 GRUNOWASSER
11-2 DC
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163
Die wichtigsten industriellen Abwarmestrome sind:
-
Rauchgase
Kuhlwasser von chemischen Reaktoren mit exothermer Reaktion
Kuhlwasser von Kompressoren
Kuhlwasser von Pressen
Dampf von Eindampfprozessen
Dampf von Destillationsprozessen
Kuhlturm-Reservoirwasser
Abluft von Papiermaschinen
Abluft von Trocknern
Fabrikabwasser
Kondensat von Industriedampfturbinen
Zur Erzeugung von Niedertemperaturwarme konnen auch Warmequellen auBerhalb des Industriebetriebes herangezogen werden:
-
Abwarme von Kraftwerken
FluBwasser
Seewasser
Luft
Die Probleme bei industriellen Warmequellen liegen im allgemeinen anders
als bei Warmequellen fur Klima-Warmepumpen.
So fallt industrielle Abwarme,uber das Jahr gesehen,mit annahernd konstanter Temperatur an. Per Warmebedarf ist ebenfalls konstant und keinen jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Dafur setzen Nutzwarmeleistungen
im MW-Bereich sehr groBe Abwarmestrome voraus.
5. DIE
W~RMEPUMPE
IN DER VERFAHRENSTECHNISCHEN INDUSTRIE
5.1. VORAUSSETZUNGEN DES INDUSTRIELLEN
W~RMEPUMPENEINSATZES
Nach der Beschreibung der Warmepumpenarten (Kap. 2.0.), der Arbeitsbereiche (Kap. 3.1.) und der Auswahlkriterien fUr Warmepumpen (Kap. 3.2.) wird
im folgenden nun auf die einzelnen Kriterien des Warmepumpeneinsatzes in
verfahrenstechnischen Prozessen eingegangen.
Der Einsatz einer industriellen Warmepumpe ist technisch nicht Uberall
moglich bzw. sinnvoll, sondern ist an verschiedene Voraussetzungen gebunden. Werden neben den Kriterien der technischen Einsatzmoglichkeit noch
weitere Oberlegungen bezUglich der Wirtschaftlichkeit einer Warmepumpenanlage angestellt, sind die oben genannten Voraussetzungen noch weitreichender.
Zusammenfassend lassen sich fUr den industriellen Warmepumpeneinsatz die
folgenden Bedingungen angeben:
- Industrielle Abwarme (20 - 100oC) bzw. Umweltwarme (bis 20 oC) muB
in genUgend groBen Mengen verfUgbar sein. Der zur Deckung eines geforderten Abwarmebedarfes notwendige Massestrom errechnet sich zu:
m
(52)
6T ist die Temperaturdifferenz, um die sich der Warmequellenstrom bei
Abgabe der Umwelt- oder Abwarme an den Verdampfer der Warmepumpe abkUhlt.
Mogliche Warmequellen wurden bereits in Kap. 4.2. behandelt.
- Die durch die Warmepumpe zu Uberwindende Temperaturdifferenz zwischen
der verfUgbaren Warmequelle und der geforderten Nutztemperatur darf
nicht zu groB sein.
Die Wirtschaftlichkeit der Warmepumpe und ihre Oberlegenheit anderen
Verfahren der Warmeerzeugung gegenUber hangen von der Leistungszahl ab,
die indirekt proportional der Temperaturdifferenz Warmequelle - Warmesenke ist. Zu groBe Differenzen machen Warmepumpen unwirtschaftlich (ver-
165
gleiche Kap. 1.2.1.). Technisch kann groBen Temperaturgefallen durch
eine mehrstufige AusfUhrung der Warmepumpenanlage begegnet werden.
Die GroBe der Temperaturdifferenz. bis zu der eine Warmepumpe wirtschaftlich arbeitet. kann allgemein nur schwer angegeben werden. da
diese einerseits von den ortlichen Energiekosten (Strompreis. Warmepreis) abhangt und andererseits jede Warmepumpenart speziell berechnet
werden muB.
Die durch die Warmepumpe gelieferten Nutzwarmeleistungen mUssen groB
genug sein. damit die spezifischen Anlagenkosten (Investitionskosten
pro erzeugtem Kilojoule Warme) in einer Wirtschaftlichkeitsrechnung
nicht zu stark ins Gewicht fallen. GroBe Aggregate haben darUber hinaus
einen gUnstigeren Gesamtwirkungsgrad.
Industrielle GroBwarmepumpen mit Nutzleistungen ab 1 MW liegen in den
spezifischen Anlagekosten relativ gUnstig.
Als untere Grenze fUr die Heizleistung einer industriellen Warmepumpenanlage werden in bezug auf die Wirtschaftlichkeit 0.2 - 0.3 MW genannt
/35/.
- Die jahrliche Betriebsstundenzahl und die Benutzungsdauer der Warmepumpe mUssen moglichst hoch liegen. da der Ausnutzungsfaktor und die
Anzahl der Verluststunden einen wesentlichen EinfluB auf die Kosten der
erzeugten Nutzwarme nehmen. Vor allem in der industriellen Anwendung
mit groBem Warmebedarf und durchgehendem Betrieb konnen gUnstige Resultate erzielt werden.
- Der Preis der Antriebsenergie des Verdichters der Warmepumpe darf nicht
zu hoch sein. Aus einer Wirtschaftlichkeitsberechnung folgt. ob am geplanten Aufstellungsort der Warmepumpe die Kosten der zur VerfUgung
stehenden Antriebsenergie die Verwendung der Anlage zulassen.
Warmepumpen konnen also Uberall dort eingesetzt werden. we einem genUgend
groBen Abwarme- (oder Umweltwarme-) Angebot eine ungefahr ebenso gro6e
Nachfrage nach Warme im Temperaturbereich bis 1200 C gegenUbersteht. die
nicht durch Warmetausch billiger gewonnen werden kann.
166
Bei der Verwendung von Thermokompressoren oder Strahlwarmepumpen zur BrUdenverdichtung kann das Temperaturniveau der Nutzwarme auch Uber 1200 e
betragen. Die obere Grenze hangt dabei von den kritischen Daten der betreffenden Dampfe (BrUden) abo
Tabelle 15 bringt eine Zusammenfassung der wesentlichen Bedingungen des
Warmepumpeneinsatzes in der verfahrenstechnischen 1ndustrie, gegliedert
nach den wichtigsten Einsatzgebieten und den verschiedenen Warmepumpenarten.
Die Tabelle basiert auf folgenden Oberlegungen:
- Alle Voraussetzungen fUr den wirtschaftlich-technischen Einsatz von Warmepumpen sind mit einem Punkt (tt) gekennzeichnet.
- 1st der Einsatz dieser Warmepumpe unter dieser Bedingung vorteilhaft,
so steht in dem Feld ein Kreis ()).
- Erschwert das Zutreffen dieser Bedingung den Einsatz dieser Warmepumpe,
so ist das Feld mit einem Dreieck (~) gekennzeichnet.
- 1st ein Feld leer, so kann hier keine allgemeine Aussage gemacht werden.
Die Vorgangsweise zur Auswahl der richtigen Warmepumpe soll an hand des
folgenden Beispiels erklart werden.
Die Einsetzbarkeit einer Warmepumpe in einem DestillationsprozeB soll geprUft werden:
Daten:
TN = 1000 e
To = 7aoe
~T = 22 0 e
QN = 1,16 MW
Qo = 1 MW ~ QN
Anlagenbetrieb kontinuierlich
BrUden schlechte thermodynamische Eigenschaften
BrUden chemisch nicht aggressiv
Betrieb bei Normaldruck
SchluBfolgerung:
alle WP-Typen einsetzbar
alle WP-Typen einsetzbar
alle WP-Typen einsetzbar
OSTWP nicht geeignet
KWP vorteilhaft
alle WP-Typen einsetzbar
THKMPR ungUnstig
KWP vorteilhaft
keine allgemeine Aussage moglich
keine allgemeine Aussage moglich
KWP voraussichtlich am vorteilhaftesten
167
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Abkijrzung~n:
THtr:4PR • Thenno'kompressor
KWP
• KompressionswXnnepumpe
• Absorpti onswimeptAnpe
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AWP
KLWP
KCM8
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• Kaltluftwl"'epYlllpe
• Kombinierte Kclnpress.-/Absorptionswarmepumpe
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I\. Das Zutreffen dieser 8ed1ngung erschwert den Einsatz
di eser WKmePlJlpe.
Keine allgemeine Aussage mijglich
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Tab. 15: Zusammenstellung der wesentlichen Bedingungen fUr den industriellen Warmepumpeneinsatz in Abhangigkeit von verschiedenen Einsatzgebieten
168
5.2. DIE WARMEPUMPE IN DER DESTILLATIONSTECHNIK
Als Folge der steigenden Energiepreise wird die energetische Durchleuchtung vor allem jener industrieller Verfahren interessant. bei denen groBe
Energiemengen umgesetzt werden. Ein solches Verfahrenistder DestillationsprozeB. bei dem einerseits groBe Warmemengen zur Beheizung des Sumpfes
der Destillationskolonne benotigt werden und andererseits groBe Mengen
von KUhlwasser zur Kondensation des den Kopf der Kolonne verlassenden
Destillates aufgewendet werden mUssen.
Fig. 109 zeigt das Schema einer konventionellen Destillationskolonne.
Aufgrund der groBen zu- und abgefUhrten Warmestrome konnen Energieeinsparungen in Destillationsanlagen eine wesentliche Verringerung der Betriebskosten bewirken.
o
F
l
B = Bodenprodukt
D = Destillat
F Einsatz
R = RUcklauf
~ku~er
I
Fig. 109: FlieBschema einer konventionellen Destillationsanlage
ohne EnergierUckgewinnung
169
5.2.1. MOGLICHKEITEN DER ENERGIEEINSPARUNG IN DESTILLATIONSPROZESSEN
Folgende Moglichkeiten zur Energieeinsparung sind in Destillationsanlagen gegeben /139/:
- ProzeBverbesserung
- Apparative Verbesserung
- EnergierUckgewinnung
5.2.1.1. PROZESSVERBESSERUNG
Der Energiebedarf eines destillativen Trennprozesses ist vor allem durch
die folgenden Parameter bestimmt:
- Betriebsdruck
- RUcklaufverhaltnis
- Reihenfolge der Trennung bei Multikomponentengemischen
Mit sinkendem Betriebsdruck nimmt die relative F1Uchtigkeit 1) a des zu trennenden Gemisches zu, so daB die Trennung leichter vor sich geht. Der Energiebedarf der Trennung ist indirekt proportional zu (a - 1). Je hoher also
der Betriebsdruck und damit auch die Betriebstemperatur einer Kolonne
liegen, des to geringer werden die relative F1Uchtigkeit und des to hoher
der Energiebedarf /139/.
Durch das RUcklaufverhaltnis r sind die Betriebsgrenzen eines Destillationsprozesses vorgegeben (r = R/D, vgl. Fig. 109):
Das minimale RUcklaufverhaltnis fUhrt zu einer unendlichen Trennstufenzahl der Kolonne, ein unendliches RUcklaufverhaltnis zur minimalen theoretischen Stufenzahl.
Der zur Trennung notwendige Energieaufwand ist proportional dem RUcklaufverhaltnis r. Je hoher das RUcklaufverhaltnis gewahlt wird, desto
1) Die relative F1Uchtigkeit a eines binaren Gemisches ist definiert als
P~
wobei po der Dampfdruck der reinen Komponenten bei
Betriebstemperatur ist.
p~
170
gro6er ist der zur Trennung notwendige Energieaufwand. Kleinere RUcklaufverhaltnisse bringen zwar eine Verringerung des Energiebedarfes, erhohen
aber die Trennstufenzahl.
Einsparungen beim Energieaufwand (geringeres RUcklaufverhaltnis) reduzieren zwar die Betriebskosten, erhohen aber gleichzeitig den Investitionsaufwand.
Betriebsdruck und RUcklaufverhaltnis mUssen daher in Hinsicht auf minimale
Gesamtkosten optimiert werden.
Um ein Multikomponentengemisch aus n Komponenten destillativ zu trennen,
sind bei vol 1standiger Trennung in die Einzelkomponenten (n - 1) kontinuierlich arbeitende Trennkolonnen notwendig.
Die Reihenfolge, in der die Trennschritte ausgefUhrt werden, hat einen
wesentlichen Einflu6 auf die Investitions- und die Betriebskosten.
Fig. 110 zeigt drei der insgesamt vierzehn moglichen Trennfolgen fUr ein
Multikomponentengemisch aus funf Komponenten.
5.2.1.2. APPARATIVE VERBESSERUNG
Bereits bei der Planung einer Destillationsanlage konnen apparative Optimierungen zur Verringerung des Energieverbrauches getroffen werden.
In dieser Hinsicht sind die Entscheidungen bezUglich der Art der Kolonne
(Bodenkolonne, FUllkorperkolonne), bei Bodenkolonnen bezUglich der Art
der Boden (Glocken-, Sieb-, Ventilboden usw.) und bei FUllkorperkolonnen
bezUglich der Art der Packungen zu treffen.
Eine weitere apparative Verbesserung kann durch die Optimierung der Isolationsstarke der Kolonne und der Rohrleitungen erfolgen.
171
BCDE
CDE
DE
D
BC
ABCD
BCDE
DE
C
A
ABCDE
D
BCDE
CDE
E
Fig. 110: Drei von vierzehn Moglichkeiten der destillativen Trennung
eines 5-Komponenten-Gemisches
172
5.2.1.3. VERSCHlEDENE MOGLlCHKElTEN DER ENERGlEROCKGEWlNNUNG
BEl DESTlLLAT10NSPROZESSEN
Da bei Destillationsprozessen im Kopfkondensator die groBte Warmemenge anfallt und im Sumpfverdampfer Warme zugefUhrt werden muB, haben MaBnahmen
zur RUckgewinnung der im Kondensator anfallenden Energie den wesentlichsten EinfluB auf die Einsparung von Energie.
Folgende Moglichkeitender EnergierUckgewinnung sind im allgemeinen einsetzbar /136/, /137/, /144/:
- Parallelbetrieb
- EnergierUckgewinn bei Multikomponententrennung
- Destillation mit Warmepumpe
Bei Destillationsverfahren im Parallelbetrieb wird der Einsatz der Destillationsanlage auf zwei Kolonnen aufgeteilt, von denen eine bei hoherem
Druck (Hochdruckkolonne) und eine bei niedrigerem Druck (Niederdruckkolonne) arbeitet (Fig. 111).
Das Destillat der Hochdruckkolonne wird herangezogen, urn den Sumpf der
Niederdruckkolonne zu beheizen. Dabei muB der Druck der Hochdruckkolonne
so gewahlt werden, daB die Kopftemperatur urn die Gradigkeit der Obertragung der Kondensationswarme hoher liegt als die Sumpftemperatur der Niederdruckkolonne.
Die Beheizung des Sumpfverdampfers der Hochdruckkolonne und die Kondensation des Destillates der Niederdruckkolonne erfolgen wie bei konventionellen Destillationsanlagen.
Kennzeichnend fUr den Parallelbetrieb ist, daB beide Kolonnen mit demselben Einsatz beschickt werden und dieselbe Produktzusammensetzung liefern
(Destillat, Bodenprodukt).
Der Vorteil dieser Betriebsweise liegt darin, daB keine zusatzlichen
Apparatetypen mit bewegten Teilen (wie z.B. Kompressoren) notwendig sind.
173
F
A
HD
o
8
Fig. 111: Destillationsverfahren im Parallelbetrieb
Der Energieverbrauch bei Destillationsverfahren im Parallelbetrieb ist
umgekehrt proportional zur Anzahl der gekoppelten Kolonnen. Bei zwei
Ko 1onnen konnen max ima 1 50 % Energi e ei ngespart werden 11391.
Ein Nachteil ist die Betriebsabhangigkeit beider Kolonnen:
Fallt eine Kolonne infolge einer Storung aus, muB auch die zweite abgestellt werden.
Weiters mUssen Einschrankungen durch die zulassige Hochsttemperatur der
Produkte (Zersetzung, Polymerisation) und die Tiefsttemperatur (Kristallisation) berUcksichtigt werden.
174
Das EnergierUckgewinnungsprinzip des Parallelbetriebes kann auch bei
Multikomponententrennung angewandt werden, indem wieder der Kopfdampf
(Destillat) einer Kolonne zur Sumpfbeheizung einer oder mehrerer anderer
Kolonnen genutzt wird (Fig. 112). Kennzeichnend fUr dieses Verfahren ist,
daB fUr jede der (n - 1) Kolonnen ein eigener Einsatz zugefUhrt und
daher auch n Produktstrome gewonnen werden konnten.
ND.
AB
F
R
co
HD.
co
A
B
c
o
Fig. 112: Multikomponentendestillation mit WarmerUckgewinn
175
Die BetriebsdrUcke der einzelnen Kolonnen mUssen so festgelegt werden,
daB durch die Kondensationswarmemenge des Kopfdampfes der Hochdruckkolonne
die Sumpfbeheizung der beiden Niederdruckkolonnen erfolgen kann.
Die im Kopf der Destillationskolonne anfallende Kondensationswarme eignet
sich sehr gut als Warmequelle und die zur Beheizung des Sumpfverdampfers
benotigte Warmemenge als Warmesenke einer Warmepumpe, durch deren Hilfe
die Betriebskosten der Destillation stark reduziert werden konnen.
FUr Destillationsverfahren mit einer Warmepumpenumschaltung eignen sich
besonders die folgenden Warmepumpenarten:
- Kompressionswarmepumpe (geschlossenes System)
- Thermokompressor
(offenes System)
- Dampfstrahlwarmepumpe (offenes System)
Neben den Kopfdampfen der Kolonne konnen auch die Sumpfdampfe durch offene
Warmepumpensysteme komprimiert werden, wie spater noch beschrieben wird.
Als Warmequelle dient entweder das dampfformige Destillat oder das verdampfte Bodenprodukt.
5.2.2. GESCHLOSSENE WARMEPUMPENSYSTEME 1M DESTILLATIONSPROZESS 1)
Die Kompressionswarmepumpe nimmt als geschlossenes System die Kondensationswarme des Destillates Uber den Verdampfer auf und gibt die Warme
nach der Kompression Uber den Kondensator zur Sumpfbeheizung wieder abo
Das Destillationssystem und das Warmepumpensystem sind voneinander getrennt und Uber Warmetauschapparate verbunden.
Kompressionswarmepumpen werden dann eingesetzt, wenn eine direkte Kompression des Destillatdampfes (aufgrund schlechter thermodynamischer
Eigenschafien, chemischer Aggressivitat, eines wesentlich groBeren spezifischen Volumens als bei Kaltemitteln) nicht moglich ist oder wenn der
Einbau erst spater in eine bereits existierende Anlage vorgesehen ist.
1) Die folgenden AusfUhrungen werden anhand der Kompressionswarmepumpe erklart, gel ten analog auch fUr die Absorptionswarmepumpe.
176
Ein weiterer Vorteil ist die Koppelung zweier bekannter Systeme, fUr die
das Verhalten (Regelung, Anfahren) bekannt ist.
Die Anwendbarkeit der Kompressionswarmepumpe in der Destillationstechnik
ist allerdings aufgrund der chemischen Stabilitat der heute bekannten
Kaltemittel begrenzt. Die Destillation eines GroBteils der organischen
Komponenten findet im Temperaturbereich von 150 - 200 0 C statt, fUr den
heute kaum passende Kaltemittel verfUgbar sind.
Ein weiterer Nachteil ist die VergroBerung des Temperaturgefalles zwischen Kondensator und Verdampfer der Warmepumpe durch die Gradigkeit
des zweimaligen WarmeUberganges. Dadurch verringert sich die Leistungszahl der Kompressionswarmepumpe, wodurch geschlossene Warmepumpensysteme
in Destillationsprozessen unwirtschaftlicher arbeiten als offene Systeme.
Die Gradigkeit beim WarmeUbergang im Kondensator und Verdampfer der Warmepumpe soll moglichst gering sein, urn das zu Uberwindende Temperaturgefalle
zwischen Kopf und Sumpf der Kolonne klein zu halten und damit die Leistungszahl zu verbessern. Kleine Temperaturdifferenzen in den Warmetauschern fUhren aber zu groBen Austauscherflachen und damit erhohten Investitionskosten. Es ist also die Gradigkeit ~T in Hinblick auf minimale Gesamtkosten (Betriebskosten der Kolonne und Investitionskosten der Austauscher) zu optimieren.
Fig. 113 zeigt eine Destillationsanlage mit Kompressionswarmepumpe.
Zum Anfahren der Kolonne ist ein Hilfsverdampfer vorgesehen, der wie bei
konventionellen Anlagen mit Dampf beheizt wird. Wahrend des Anfahrvorganges wird die zusatzliche Sumpfbeheizung immer mehr reduziert, bis sich
der kontinuierliche Destillationsbetrieb einstellt.
Eine Moglichkeit der zusatzlichen Energieeinsparung in Destillationsanlagen
im Zusammenhang mit Warmepumpen ist die Verwendung von Zwischenverdampfern
bzw. Zwischenkondensatoren, die zwischen zwei beliebige Boden der Kolonne
geschaltet werden /136/.
177
o
F
I
I
1-ifsverdampfer
._ .:J
WARMEPUMPENKRE ISL AUF
8
Fig. 113: Destillationsanlage mit Kompressionswarmepumpe (geschlossenes
System)
In Abbildung 114 ist eine Destillationsanlage mit einem geschlossenen
Warmepumpensystem und einem Zwischenkondensator dargestellt. Das nach
der Warmeabgabe im Sumpfverdampfer kondensierte Kaltemittel verdampft
teilweise nach Durchstromen eines Expansionsventils und wird im Zwischenabscheider in die flussige und dampfformige Phase getrennt.
Die flussige Phase gelangt zum einen Teil uber ein weiteres Expansionsventil in den Kopfabscheider und wird zum anderen Teil im Zwischenkondensator aufgewarmt (dabei verdampftein Teil des Kaltemittels) und erneut im Abscheider getrennt.
Die dampfformige Phase wird der zweiten Stufe des Kompressors zugefuhrt,
dort verdichtet und anschlieBend im Sumpfverdampfer kondensiert.
178
o
F
B
Fig. 114: Destillationsanlage mit Kompressionswarmepumpe und Zwischenkondensator
5.2.3. DER THERMOKOMPRESSOR 1M DEST1LLAT10NSPROZESS
Bei Verwendung eines Thermokompressors in der Destillationsanlage wird
das Destillat am Kolonnenkopf direkt durch den Kompressor angesaugt und
verdichtet (offenes System). Dabei erfolgt eine Temperaturerhohung urn
den Betrag, der fUr die WarmeUbertragung im Sumpfverdampfer zur Beheizung
der Kolonne notwendig ist.
Die NichtverfUgbarkeit von Kaltemitteln im Temperaturbereich von 150 200 0 C wird bei Verwendung offener Warmepumpensysteme umgangen, da das benotigte warmetransportierende Medium (Kopfdampf) stets vorhanden ist.
179
Destillationsverfahren mit Thermokompressoren arbeiten auBerdem mit besseren Leistungszahlen als geschlossene Systeme, da die Gradigkeit beim Warmetausch am Kopf der Kolonne wegfallt. Dadurch wird auch das Kompressionsverhaltnis kleiner.
Fig. 115 zeigt eine Destillationsanlage mit Thermokompressor.
o
B
Fig. 115: DestillationsprozeB mit Thermokompressor und Kompression
des Kopfdampfes
Zum Anfahren der Anlage wird wieder ein kleiner Hilfsverdampfer verwendet, da der Hauptverdampfer erst dann zu heizen beginnt, wenn bereits
komprimierte BrUden vorhanden sind. Nach der Kompression ist der Kopfdampf Uberhitzt. Zur Sattigung kann nach der Verdichtung F1Ussigkeit eingespritzt werden.
Zur Regelung der Sumpfbeheizung wird nach dem Kompressor eine direkte
Leitung mit einem Hilfskondensator zum RUcklauftank geschaltet, die nicht
Uber den Sumpfverdampfer fuhrt. Ober diese direkte Leitung erfolgt die
Steuerung der Heizwarmemenge.
Wenn zwischen RUckfluBbehalter und Kolonnenkopf ein ausreichend groBes
Druckgefalle vorhanden ist (abhangig vom Verdichtungsverhaltnis des
Kompressors), wird keine RUckfluBpumpe benotigt (wie in Fig. 115). In die-
180
sem Fall findet aber im RUckfluBventil Verdampfung statt. Der dampfformige RUckfluB kann in der Kolonne nicht wirksam werden und wird daher ohne
Nutzung Uber den Kompressor zirkuliert. Urn die Verdampfungsrate zu vermindern. wird der RUckfluB durch einen zusatzlichen Warmetauscher unterkUhlt.
Die GroBe des Verdichters laBt sich somit reduzieren.
Bei geringem Druckgefalle<zwischen RUckfluBbehalter und Kolonnenkopf erUbrigen sich das Expansionsventil und der UnterkUhler. dafUr wird eine
RUckfluBpumpe notwendig.
Destillationsanlagen mit Thermokompressoren liegen auch in den 1nvestitionskosten meist niedriger als konventionelle Anlagen. Durch die Kompression der Kopfdampfe findet ihre Kondensation bei einem hoheren Druck als
dem Kolonnendruck statt (Druck im RUcklaufbehalter). Man kann den Kolonnendruck daher niedriger wahlen als bei konventionellen Anlagen. 1)
Ein niedrigerer Kolonnendruck bei Einsatz eines Thermokompressors bringt
i.a. aber die folgenden beiden Vorteile gegenUber konventionellen Anlagen:
Die relative F1Uchtigkeit nimmt mit sinkendem Druck zu. so daB eine destillative Trennung bei niedrigerem Druck leichter durchfUhrbar ist und bei gleichern RUcklaufverhaltnis eine geringere Anzahl von Boden benotigt (geringere
1nvestitionskosten).
1m allgemeinen liegen Kolonnen mit niedrigerem Betriebsdruck in den 1nvestitionskosten gUnstiger.
Eine Destillationsanlage mit Thermokompressor ist daher zumeist einer konventionellen Anlage sowohl in den 1nvestitions- als auch in den Betriebskosten Uberlegen.
Wie bereits in Kap. 5.2.1.3. erwahnt. wird neben der Kompression der Kopfdampfe auch die Kompression der Sumpfdampfe angewandt. Ein Teil des flUssigen Bodenproduktes wird dazu Uber ein Ventil entspannt und anschlieBend
durch Warmetausch mit dem kondensierenden Kopfdampf vollstandig verdampft.
Der somit erzeugte Sumpfdampf wird komprimiert und zur Beheizung direkt
dem Sumpf der Kolonne zugefUhrt.
1) Diese Aussage gilt nur fUr Kolonnen. die normalerweise bei Oberdruck
betrieben werden.
181
Fig. 116 zeigt eine Destillationsanlage mit Thermokompressor und Verdichtung der Sumpfdampfe.
F
o
8
Fig. 116: Destillationsanlage mit Thermokompressor und Verdichtung
der Sumpfdampfe
Auch bei Destillationsanlagen mit Thermokompressoren konnen zur weiteren
Reduzierung der Energiekosten Zwischenverdampfer bzw. Zwischenkondensatoren eingesetzt werden 1136/.
5.2.4 . DIE DAMPFSTRAHLWARMEPUMPE 1M DESTILLATIONSPROZESS
Als zweites offenes Warmepumpensystem findet auch die Dampfstrahlwarmepumpe zur BrUdenverdichtung in Destillationsanlagen ihre Anwendung.
Das Prinzip des Einsatzes ist dasselbe wie beim Thermokompressor; der
wesentliche Unterschied liegt im Antrieb des Warmepumpensystems. In
Thermokompressoren werden die Kopf- oder Sumpfdampfe in Verdichtern, die
durch Elektromotoren, Gas-/Dieselmotoren oder Dampfturbinen angetrieben
182
sind, mechanisch verdichtet. In Dampfstrahlwarmepumpen wird durch Treibdampf thermisch verdichtet.
Dampfstrahlwarmepumpen komprimieren vor allem die Sumpfdampfe, die aus
dem flUssigen Sumpfprodukt nach Expansion durch ein Ventil in einem Warmetauscher bei Aufnahme der Kopfdampf-Kondensationswarme gebildet werden.
Warmequelle bleiben also die Kopfdampfe.
Fig. 117 zeigt eine Destillationsanlage mit Dampfstrahlwarmepumpe und
Kompression der Sumpfdampfe.
Nach /216/ liegt die Einsparung an frischdampf bei 30 - 70 % und die Amortisationszeit der Anlage bei 10 - 30 Monaten.
R
F
o
B
Fig. 117: Destillationsanlaqe mit Dampfstrahlwarmepumpe und Kompression
der Sumpfdampfe
Daneben besteht noch die Moglichkeit, in Dampfstrahlwarmepumpen mit Kompression der Sumpfdampfe nicht die Kopfdampfe, sondern ebenfalls die
Sumpfdampfe als Warmequelle heranzuziehen.
Das flUssige Sumpfprodukt wird Uber ein Expansionsventil entspannt und
in einem Abscheider in die flUssige und in die dampfformige Phase ge-
183
trennt. Die dampfformige Phase wird durch den Treibdampf der Dampfstrahlwarmepumpe angesaugt. verdichtet und dem Sumpf erneut zugefUhrt (Fig. 118).
Tre;bdampf
B
Fig. 118: Dampfstrahlwarmepumpe zur Sumpfbeheizung einer Destillationskolonne /87/
Wie die vorangegangenen AusfUhrungen gezeigt haben. konnen die fUr Destillationsanlagen geeigneten Warmepumpenarten (Kompressionswarmepumpe. Thermokompressor. Dampfstrahlwarmepumpe) als Warmetrager und als Warmequelle
sowohl den Kopfdampf als auch den Sumpfdampf nutzen.
Tabelle 16 zeigt die Variationsmoglichkeiten von Kopf- und Sumpfdampf als
Warmetrager und Warmequelle. Der Warmetrager ist jener Dampfstrom. der
verdichtet wird und seine Kondensationswarme zur Sumpfbeheizung abgibt.
Warmetrager
Betriebsweise
Warmepumpenart
Kopfpr.
geschlossen
Kompressions-WP
Thermokompr.
Dampfstrahl-WP
1)
1)
x
x
x
offen
Warmequell e
SumpfDr. Kopfpr.
x
x
x
Sumpfpr.
x
1) Warmetrager bei geschlossenen Systemen ist das jeweilige Kaltemittel.
Tab. 16: Verwendungsmoglichkeiten von Kopfdampf und Sumpfdampf als Warmetrager und Warmequelle in Warmepumpen fur Destillationsanlagen
184
5.2.5. PARALLELBETRIEB EINER DESTILLATIONSANLAGE MIT WARMEPUMPE
Wie schon in Kap. 5.2.1. Uber die Moglichkeiten der Energieeinsparung in
Destillaticnsprozessen geschrieben wurde. kann der Einsatz einer Destillationsanlage auf z~rei Kolonnen aufgeteilt werden. Die eine Kolonne arbeitet
bei niedrigerem. die andere bei hoherem Druck. so daB durch den Kopfdampf
der Hochdruckkolonne der Sumpf der Niederdruckkolonne beheizt werden kann.
Wird zusatzlich noch ein Thermokompressor in das System eingebaut, beheizt der komprimierte Kopfdampf der Niederdrucksaule den Sumpf der Hochdrucksaule. Heizdampfund KUhlwasser fallen zum Betrieb dieser Destillationsanlage im Parallelbetrieb weg. FUr den Anfahrvorgang sind zusatzliche dampfbeheizte Hilfsverdampfer vorgesehen, die wahrend des kontinuierlichen Betriebes abgeschaltet werden.
Fig. 119 zeigt eine Destillationsanlage im Parallelbetrieb mit Warmepumpe.
Nach diesem Prinzip kann auch die Trennung von Multikomponentengemischen
erfolgen.
5.2.6. VERGLEICH DER ENERGIEEINSPARUNGSMOGLICHKEITEN DURCH DEN EINSATZ
VON WARMEPUMPEN IN DER DESTILLATIONSTECHNIK
Urn die energetischen und wirtschaftlichen Vorteile einer Destillationsanlage mit Warmepumpe gegenUber konventionellen Anlagen zur Destillation
aufzuzeigen, sind in der nachstehenden Tabelle 17 die prozentuellen Ergebnisse einiger Wirtschaftlichkeitsberechnungen aus der Literatur zusammengefaBt.
Die Investitionskosten liegen nach den angefUhrten Berechnungen fUr
Destillationsanlagen mit Warmepumpe urn ca. 20 %, die Betriebskosten zwischen 50 und 80 % niedriger als die einer konventionellen Anlage.
Die Amortisationszeit einer Warmepumpe in Destillationsanlagen wird mit
0.8 - 2.5 Jahren angegeben /216/.
185
NO
Fig. 119: Destillationsanlage im Parallelbetrieb mit Warmepumpe
AbschlieBend wird noch auf die in der Literatur genannten wirtschaftlichen Temperaturgrenzen des Warmepumpeneinsatzes in Destillationsanlagen
eingegangen.
GUnstig fUr die Wirtschaftlichkeit der Warmepumpe ist das Vorhandensein einer nicht zu groBen Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Sumpf
der Kolonne.
186
Konv.Anl.1 Konv.Anl.2 WP-Anl.
t.K
tA
83
57
17
43
-
-
74
53
26
47
-
-
18
82
1.5
70-30
30-70
Lit.
Art der Kosten
143
Invest. Kosten
Betr.Kosten/Jahr
89
100
100
86
136
Ges.Kosten/Jahr
Betr.Kosten/Jahr
100
100
138
Energ.Kosten/Jahr
100
216
Energ.Kosten/Jahr
100
0.8-2.5
Zahlenangaben in %
Die konventionelle Destillationsanlage 1 wurde mit Wasserkondensator, die Anlage 2 mit Luftkondensator betrieben.
WP-Anl. = Destillationsanlage mit Warmepumpe
t.K
= Betriebskosten-Ersparnis durch die Warmepumpe
tA
= Amortisationszeit der Warmepumpe in Jahren
Tab. 17: Ergebnisse von Wirtschaftlichkeitsberechnungen einer Destillationsanlage mit Warmepumpe im Vergleich zur konventionellen
Anlage fUr verschiedene Gemische
In /142/ werden fUr geschlossene Systeme (Gradigkeit in den Warmetauschern
10 - 150 C) signifikante Einsparungen fUr Temperaturdifferenzen von 30 500 C errechnet und die maximale Differenz mit 800 C angegeben. FUr offene
Systeme liegen diese Werte fUr signifikante Einsparungen bei 50 - 800 C
und der Maximalwert bei 100oC.
Die Voraussetzungen fUr den wirtschaftlichen Einsatz der Warmepumpe in
Destillationsanlagen werden in /135/ wie folgt festgelegt:
Die Sumpftemperatur mu6 Uber 150oC, die Kondensationstemperatur zwischen
40 und 1200 C liegen.
Da die An~abe allgemeiner wirtschaftlicher Temperaturgrenzen sehr schwierig ist, mUssen fUr die einzelnen Anwendungsfalle einer Warmepumpe in
Destillationsanlagen getrennte Wirtschaftlichkeitsberechnungen unter BerUcksichtigung der fUr den speziellen Fall signifikanten Parameter vorgenommen werden. Eine einfache Methode der Abschatzung der Wirtschaftlichkeit
des Einsatzes von Warmepumpen in der Destillationstechnik gibt Null /135/.
187
5.3. DIE
W~RMEPUMPE
IN DER VERDAMPFUNGSTECHNIK
Ein in den verschiedenen Industrien haufig vorkommender ProzeB ist das
Ausdampfen von F1Ussigkeiten zur Aufkonzentrierung des flUssigen Einsatzes.
1m folgenden werden die Grundlagen fUr den Einsatz von Warmepumpen in der
Verdampfungstechnik am Beispiel waBriger Losungen abgeleitet.
Aufgrund der hohen Verdampfungswarme von Wasser sind zum Eindampfen groBe
Energiemengen notwendig. Durch die Verwendung von Warmepumpen kann die
Verdampfungswarme rUckgewonnen und dem ProzeB wieder zugefUhrt werden.
Die folgenden Warmepumpenarten eignen sich zum Einsatz von Verdampfungsanlagen:
- Thermokompressor
- Dampfstrahlwarmepumpe
- Kompressionswarmepumpe
5.3.1. VERDAMPFUNG MIT DEM THERMOKOMPRESSOR
Der Thermokompressor saugt als offenes System den in der Verdampfungsanlage entstehenden Wasserdampf (BrUden) an und verdichtet diesen in einem
mechanischen Kompressor. Der verdichtete Dampf wird der Verdampfungsanlage
zugefUhrt und beheizt den ProzeB durch Abgabe der Kondensationswarme. Die
verbleibende sensible Warme ~rd in einem Warmetauscher zur Vorwarmung
des Einsatzes herangezogen.
1m Kompressor findet eine Temperaturerhohung urn den Betrag statt, der zum
WarmeUbergang zwischen dem kondensierenden Dampf und dem verdampfenden
Einsatz notwendig ist. Aufgrund des fUr die Warmepumpe zu Uberwindenden
relativ geringen Temperaturgefalles von ca. 10 - 20 0 C werden sehr hohe
Leistungszahlen (E = 10 - 15) erreicht.
Fig. 120 zeigt eine Konzentrationsanlage aus der Nahrungsmittelindustrie
zur Eindickung von Fruchtsaften oder Milch. Zur Schonung des Gutes erfolgt
der Eindampfvorgang im Vakuum bei Temperaturen von 30 - 50 0 C.
188
!Vakuum
I
I
I
I
MJnzentrot
8ri.kJenkondensat
Einsatz
Fig. 120: Verdampfungsanlage mit Thermokompressor zur Konzentraterzeugung
in der Nahrungsmittelindustrie
Eine interessante Einsatzmoglichkeit des Thermokompressors besteht auch
in der Zuckerindustrie. Die zur Eindickung und Kristallisation des RUbensaftes notwendige Warmeenergie kann durch Aufwertung der beim Eindampfen
entstehenden Wasserdampf-BrUden durch den Thermokompressor gedeckt werden.
Der Eindampfvorgang findet in zwei Stu fen statt: In der Verdampferstation
zur Konzentration des RUbensaftes und in der Kochstation zur Kristallisation des Konzentrates. Um Schaden in den Verdichtern zu vermeiden, werden BrUdenwascher eingesetzt.
Fig. 121 zeigt das Schema einer Verdampfungs- und Kristallisationsanlage
mit Thermokompressor in der Zuckerindustrie.
Nach demselben Prinzip arbeitet auch eine Anlage zur Eindampfung von
Sulfitablauge in der Papierindustrie /165/.
189
iidenwiischer
ndensat
Saftkonzentrat
Kondensat
Fig. 121: Verdampfungs- und Kristallisationsanlage mit Thermokompressor in der Zuckerindustrie
5.3.2. VERDAMPFUNG MIT DER DAMPFSTRAHLWARMEPUMPE
In Industrieanlagen mit eigener Dampferzeugung steht Dampf kostengUnstig
zur VerfUgung, der als Treibdampf einer Dampfstrahlwarmepumpe in Verdampfungsanlagen eingesetzt werden kann. Die thermisch betriebene Dampfstrahlwarmepumpe saugt ebenfalls die beim EindampfprozeB entstehenden
WasserdampfbrUden direkt an und verdichtet sie auf ein hoheres Druck- und
Temperaturniveau. Die Kondensationswarme wird Uber einen Warmetauscher
dem ProzeB zugefUhrt.
Die Warmeverhaltnisse der Dampfstrahlwarmepumpe liegen infolge des geringen Temperaturgefalles sehr hoch.
190
Fig. 122 zeigt eine Verdampfungsanlage mit Dampfstrahlwarmepumpe zur
Konzentration organischer F1Ussigkeiten.
Einsatz
Kondensat
Kondensat Konzentrat
Fig. 122: Verdampfungsanlage mit Dampfstrahlwarmepumpe zur Konzentration organischer F1Ussigkeiten
Neben Wasserdampf kann zur Eindampfung temperaturempfindlicher Stoffe
auch Ammoniak als Treibdampf verwendet werden, der bis zu Temperaturen
um den Gefrierpunkt arbeiten kann.
Aufgrund der Giftigkeit des Arbeitsmediums wird die Ammoniak-Dampfstrahlpumpe im geschlossenen Kreislauf gefUhrt und gibt die Kondensationswarme
Uber einen Warmetauscher zur Beheizung des Verdampfers abo
In Fig. 123 ist eine mit einer Ammoniak-Dampfstrahlpumpe betriebene Eindampfanlage dargestellt.
191
Ammoniak-Treibdampferzeu.ger
Konzentrat
Fig. 123: Eindampfanlage mit geschlossener Ammoniak-Dampfstrahlwarmepumpe
5.3.3. VERDAMPFUNG MIT DER KOMPRESSIONSWARMEPUMPE
In Eindampfanlagen werden vor allem offene Warmepumpensysteme eingesetzt.
da die WasserdampfbrUden aufgrund ihrer guten thermodynamischen Eigenschaften direkt verdichtet werden konnen. Der Einsatz geschlossener Kompressionswarmepumpen ist eher selten und auf wenige Anwendungsfalle beschrankt.
Als Beispiel sei die Regenerierung einer Lithiumchlorid-Losung durcb
eine Verdampfungsanlage mit Kompressionswarmepumpe beschrieben (Fig. 124).
Lithiumchlorid wird zur Trocknung empfindlicher Lebensmittel eingesetzt.
wobei das Wasser dem Trockengut nicht durch Erwarmung. sondern durch Ab-
192
sorption entzogen wird. Zur Regeneration muB die waBrige LithiumchloridLosung anschlieBend vom Wasser befreit werden.
Lie'-~pfer
H..p-~nden
,£
safor
Lie{
Fig. 124: Regenerierung einer Lithiumchlorid-Losung durch Ausdampfen
von Wasser mit Hilfe einer Kompressionswarmepumpe
1m Lithiumchlorid-Verdampfer wird durch den Kondensator einer Kompressionswarmepumpe die zur Austreibung des Wasserdampfes notwendige Warmemenge abgegeben. Oas reine Lithiumchlorid flieBt dem TrocknungsprozeB
erneut zu, wahrend der Wasserdampf im Wasserkondensator durch Warmeentzug durch den Verdampfer der Warmepumpe kondensiert wird.
193
5.4. DIE
W~RMEPUMPE
IN DER TROCKNUNGSTECHNIK
1m folgenden wird beispiel haft der TrocknungsprozeB von Wasser und Luft
behandelt.
In Trocknungsprozessen wird Feuchtigkeit aus dem zu trocknenden Gut entfernt. Die auszuscheidende Wassermenge wird dabei verdunstet und von ungesattigter warmer Luft aufgenommen.
Die Abluft eines Trockners transportiert daher einerseits die Warmemenge
der trockenen Luft selbst und andererseits die Warmeenergie des in der
Luft gelosten Wasserdampfes.
Der Energiebedarf eines Trockners kann vermindert werden, wenn die in der
Abluft enthaltene Warmeenergie genutzt und zur Erhitzung der an den TrocknungsprozeB herangefUhrten Zuluft verwendet wird.
Als Verfahren zur EnergierUckgewinnung eignet sich sehr gut die Warmepumpe.
In Trocknungsanlagen konnen die folgenden Warmepumpenarten eingesetzt
werden:
- Kompressionswarmepumpe
- Kaltluftwarmepumpe
- Dampfstrahlwarmepumpe
194
5.4.1. DIE KOMPRESSIONSWARMEPUMPE IN DER TROCKNUNGSTECHNIK
Der Einsatz von Kompressionswarmepumpen als geschlossene Systeme erfolgt
in Trocknungsanlagen mit Umluftbetrieb, wo sowohl die kalte als auch die
warme Seite der Warmepumpe genutzt wird. Das Warmepumpensystem ist somit
in die Trocknungsanlage integriert und arbeitet unabhangig von auBeren
Warmequellen und damit auBeren StoreinflUssen.
Die dem Trockner zugefUhrte warme Luft nimmt beim TrocknungsprozeB Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf aus dem zu trocknenden Gut auf.
Urn die vom Trockner kommende Abluft zu regenerieren, muB ihr Wassergehalt reduziert werden. Dazu wird der feuchten Luft durch den Verdampfer
einer Kompressionswarmepumpe Warme entzogen, wodurch ihr Sattigungsvermogen fur Wasserdampf sinkt und nach Unterschreiten des Taupunktes der Wassergehalt durch Nebelbildung (Wassertropfen) ausgeschieden wird. Die bei
der Nebelbildung freiwerdende Kondensationswarme bleibt der Luft erhalten. Die Tropfenbildung kann kUnstlich beschleunigt werden. Die nach der
AbkUhlung kalte gesattigte Luft wird anschlieBend durch Warmeabgabe des
Kondensators der Warmepumpe erhitzt und dadurch untersattigt. Die so getrocknete warme Luft stromt erneut dem TrocknungsprozeB zur Entfeuchtung
des Gutes zu. Das im Verdampfer der Warmepumpe auskondensierte Wasser
wird in einem Abscheider abgetrennt.
Kompressionswarmepumpen sind vor allem zur Papiertrocknung in der Papierindustrie wirtschaftlich einsetzbar. Der groBte Anteil des Gesamtenergieverbrauchs einer Papiermaschine von 65 % /158/ entfallt auf die Zylindertrocknung.
Die Trocknung der Papierbahnen erfolgt an der Oberflache von Zylindern,
die von innen mit Dampf beheizt werden (Kontakttrocknung). Zur AbfUhrung
des bei der Trocknung entstehenden Wasserdampfes und zur VergleichmaBigung
des Trockengehaltes Uber die Zylinderbreite wird trockene Luft mit ca.
1000 C Uber Blasrohre zwischen die Zylinder geblasen. Dadurch wird auch
die Trocknungsintensitat gesteigert (Konvektionstrocknung).
195
Der Wassergehalt der Papierbahnen wird daher durch kombinierte Kontaktund Konvektionstrocknung entfernt. Luft und Wasserdampf werden aus der
die Zylinder umschlie6enden Dunsthaube abgesaugt.
Beim konventionellen Verfahren der Papiertrocknung gehen Warme und Wasser
mit der feuchten Haubenabluft in die Atmosphare verloren.
Urn die in der Abluft enthaltene Warmeenergie rUckzugewinnen, wird eine
Kompressionswarmepumpe nach dem oben beschriebenen Verfahren eingesetzt.
Die Trocknungsanlage kann somit im Urnluftbetrieb gefahren werden. Zum
RUckgewinn der Warme kommt noch der RUckgewinn des Wassers, das yom Abscheider wieder der Papiererzeugung zugefUhrt wird.
Abbildung 125 zeigt eine Kompressionswarmepumpe zur Papiertrocknung.
~ V1.§rl7X'pumpe
Ounsthaube
Trockenzylinder
Wasser-
Fig. 125: Kompressionswarmepumpe in einer Papiertrocknungsanlage mit
Uml uftbetri eb
Um die im Verdampfer der KOmpi"essionswarmepumpe aufgenommene Warmemenge
zu vergroBern und somit eine hohere Verdichtungsendtemperatur bei gleicher Kompressorleistung und damit eine hohere Kondensationstemperatur zu
erreichen (starkere Erhitzung der Trocknungsluft), konnen ein zusatzlicher
Warmetauscher und ein zusatzlicher Kompressor in die Anlage eingebaut wer-
196
den. Die vom Trockenraum (Dunsthaube) kommende feuchte Luft wird vor Eintritt in den Warmepumpenverdampfer erwarmt. Der Warmetausch erfolgt mit
der im Verdampfer durch Unterkuhlung getrockneten und durch den Kreislauf-Verdichter erwarmten Luft vor deren Eintritt in den Kondensator
der Warmepumpe.
Fig. 126 zeigt die Papiertrocknungsanlage mit Kompressionswarmepumpe fur
hohere Trocknungslufttemperaturen.
'------I
Ounsthaube
Fig. 126: Papiertrocknungsanlage mit Kompressionswarmepumpe und
zusatzlicher Verdichtung der Trocknungsluft
Nach demselben Prinzip arbeitet eine Luft-Trocknungsanlage, die zur Entnebelung von Flugplatzen eingesetzt wird /162/.
Der Einsatz von Kompressionswarmepumpen erfolgt auch in der Nahrungsmittelindustrie in Gefriertrocknern, die u.a. zur Schonung des Trockengutes im
Vakuumbetrieb arbeiten /163/.
197
5.4.2. DIE
KALTLUFTW~RMEPUMPE
IN DER TROCKNUNGSTECHNIK
Das Abscheiden des Wassers zur Regenerierung der feuchten Trocknerluft
kann auch mit offenen Warmepumpensystemen erfolgen.
Fig. 127 zeigt eine im Umluftbetrieb arbeitende Trocknungsanlage mit
einer Kaltluft-Warmepumpe.
Die aus dem Trockner kommende feuchte Luft wird Uber eine Luftturbine
(Expansionsmaschine) entspannt und abgekUhlt.Dabei kondensiert nach Unterschreiten des Taupunktes das UberschUssige Wasser in Form von Tropfen
aus und wird im nachgeschalteten Abscheider von der kalten Luft getrennt.
Die entfeuchtete Luft wird anschlieBend im Verdichter stark erhitzt und
untersattigt und flieBt dem Trockner als HeiBluft zur erneuten Feuchtigkeitsaufnahme zu.
Die in der Expansionsmaschine geleistete Arbeit wird dem Kompressor zugefUhrt. der zusatzlich Uber einen Motor oder eine Dampfturbine angetrieben
wird. Zum Unterschied zur Kompressionswarmepumpeerfolgen die KUhlung und
Erwarmung der Luft direkt ohne Warmetauschapparate. Da die doppelte Gradigkeit zur WarmeUbertragung wegfallt. konnen mit der Kaltluftwarmepumpe
bei gleicher Verdichterleistung groBere Temperaturgefalle Uberwunden und
damit hohere Trocknungsluft-Temperaturen erreicht werden.
In der Papierindustrie wird eine Kaltluftwarmepumpe eingesetzt. die im
Abluftbetrieb arbeitet und der WarmerUckgewinnung aus den von der
Dunsthaube der Papiermaschine abgezogenen Feuchtluftschwaden dient. Dabei
erUbrigt sich das AbkUhlen der Luft zum Ausscheiden des Wassergehaltes.
da die feuchte Luft nach ihrer Nutzung in die Atmosphare abgeblasen wird.
Dazu steht wieder eine kombinierte Kompressions-jExpansionsmaschine in
Verwendung. die einen Teil der von der Papiermaschine komrnenden feuchten
Luft verdichtet. Die aufgewarmte Luft gibt ihren Warmeinhalt Uber einen
Warmetauscher an die zum Trockner gefUhrte Frischluft ab und expandiert
anschlieBend im Expansionsteil der Maschine. Der andere Teil der Feuchtluftschwaden stromt durch die Vorwarmer und wird gemeinsam mit der expan-
198
dierten Luft abgeblasen. Zur Erreichung hoherer Trocknungslufttemperaturen
kann nach dem Warmetauscher noch ein zusatzlicher Verdichter eingeschaltet
werden (Fig. 128).
Trockner
Wasser
Fig. 127: Trocknungsanlage mit Kaltluftwarmepumpe im Umluftbetrieb
Frischluft
Zellenrad
Fig. 128: Anlage zur Papiertrocknung mit Kaltluftwarmepumpe im
Abluftbetrieb
199
5.4.3. DIE DAMPFSTRAHLWARMEPUMPE IN DER TROCKNUNGSTECHNIK
In den vorangegangenen beiden Punkten wurden Moglichkeiten beschrieben,
die Warme aus der zur konvektiven Trocknung eingesetzten Warmluft mit
Hilfe der Warmepumpe rUckzugewinnen.
Beim PapiertrocknungsprozeB erfolgt der Entzug der Feuchtigkeit nicht nur
durch Konvektionstrocknung, sondern auch durch Kontakttrocknung an den
Zylindern der Papiermaschine, die von innen mit Sattdampf beheizt werden.
Das Kondensat kann durch Einsatz einer Dampfstrahlwarmepumpe aufgewertet
und als Sattdampf dem Zylinder zur erneuten Abgabe der Kondensationswarme
zugefUhrt werden.
Fig. 129 zeigt eine Dampfstrahlwarmepumpe zur Beheizung der Trocknungszylinder einer Papiermaschine.
Konc/ensat
Fig. 129: Dampfstrahlwarmepumpe zur Beheizung der Trocknungszylinder
einer Papiermaschine
Das heiBe Kondensat wird aus dem Trocknungszyl inder Uber ein Expansionsventil entspannt und im nachgeschalteten Separator in Dampf und F1Ussigkeit getrennt. Der dampfformige Anteil wird in einer Dampfstrahlwarmepumpe
angesaugt und durch Frischdampf verdichtet und dem Trocknungszylinder zugefuhrt. Zum Anfahren der Warmepumpe dient eine zusatzliche Frischdampfleitung nach dem Dampfstrahlverdichter.
200
5.5. DIE WARMEPUMPE ZUR INTEGRIERTEN ENERGIEVERSORGUNG
5.5.1. ALLGEMEINER EINSATZ
Der Bedarf an einer integrierten Energieversorgung besteht, wenn fUr
einen ProzeB sowohl Kalte als auch Warme erzeugt werden muB.
Als Beispiele seien angefuhrt:
- Galvanisieranlagen (z.B. Zinkautomaten) /167/; die zink-elektrolytische Entrostung muB auf der einen Seite gekUhlt werden, wahrend prozeBbedingt auf der anderen Seite die Schwefelsaurebeize, das HeiBspUlwasser und der Trocknungsvorgang zu beheizen sind.
- Die Mineralwasserindustrie, wo einerseits der AbsorptionsprozeB des
CO 2 in das Wasser gekUhlt werden muB, andererseits Warmwasser zur
Reinigung der Flaschen benotigt wird.
- Die Textilindustrie; vor dem Einfarben werden die Stoffe in Natronlauge getaucht und anschlieBend mit Warmwasser gespUlt. Man braucht
daher einerseits warmes Waschwasser und muB andererseits eine Erwarmung des Natronlaugenbades durch Kilhlung verhindern.
In allen drei Fallen ist der Einsatz der integrierten Energieversorgung
mit Hilfe einer Warmepumpe die effizienteste Losung. Die KUhlung des einen
Mediums erfolgt im Verdampfer der Warmepumpe, die Erwarmung des anderen
im Kondensator.
Sowohl die kalte als auch die warme Seite der Warmepumpe mUssen geregelt
werden.
In Abhangigkeit der physikalischen und der chemischen Eigenschaften der
Medien kann die Warmepumpe als offenes oder geschlossenes System arbeiten.
Die folgenden Warmepumpen eignen sich fUr den Einsatz zur integrierten
Energieversorgung:
- Kompressionswarmepumpen
- Sorptionswarmepumpen
- Dampfstrahlwarmepumpen
201
Abbildung 130 zeigt als offenes System eine Dampfstrahlwarmepumpe zur
integrierten Energieversorgung (Vakuumbetrieb).
WJkuum
Wasser
(kalt)
Dampf
Vakuum
lMlsser
.,...............---(·warm)
erwdrmtes
Wasser
Verdompfer
gekiiNtes Wasser
Fig. 130: Dampfstrahlwarmepumpe zur integrierten Energieversorgung
5.5.2. DIE
W~RMEPUMPE
IN ANLAGEN ZUR MEERWASSERENTSALZUNG
Als Sonderfall der integrierten Energieversorgung konnen Meerwasserentsalzungsanlagen angefUhrt werden, da bei Anwendung des Gefrierverfahrens
zur Entsalzung ebenfalls gleichzeitig gekUhlt und erwarmt werden muB.
Daher sind Entsalzungsanlagen nach dem Gefrierverfahren durch den
Einsatz der Warmepumpe wirtschaftlicher zu gestalten.
Die Entsalzung kann mit Hilfe eines geschlossenen oder eines offenen
Warmepumpenprozesses erfolgen.
Fig. 131 zeigt die indirekte Entsalzung von Meerwasser durch eine Kompressionswarmepumpe.
202
~ . - . - .
--
--- --.
.
~
I
I
.
i
er i/warmepumpe
---.J
Meerwasser
Sole
SU!Jwasser
Fig. 131: Meerwasser-Entsalzungsanlage nach dem indirekten Gefrierverfahren mit Kompressionswarmepumpe
Das in die Anlage eingefUhrte Meerwasser wird in einem Warmetauscher gekUhlt und anschlieBend der Gefrierkammer zugefUhrt. Dort wird durch den
Verdampfer einer Warmepumpe soviel Warme entzogen, daB das Meerwasser gefriert. Dabei muB die Gefriertemperatur so gewahlt werden, daB ein Rest
salzhaltiger Sole flUssig bleibt. Eis und Sole werden im AnschluB an die
Gefrierkammer der Trennkammer zugefUhrt, wo das Eis auf der Sole aufschwimmt. Das Eisgelangt anschlieBend in die Schmelzkanmer, die durch
den Kondensator der Warmepumpe beheizt wird,und verlaBt als SUBwasser
die Anlage. Ein Teil des geschmolzenen SUBwassers wird in die Trennkammer
rUckgefUhrt.
Wie auch das SUBwasser verlaBt die Sole die Anlage durch den Warmetauscher und kUhlt dabei das in die Anlage eintretende frische Meerwasser.
Der kontinuierliche ProzeB hat sicherzustellen, daB die Konzentration der
salzhaltigen Sole groBer ist als die des Meerwassers und salzfreies Wasser
in der Schmelzkammer verbleibt.
203
Beim direkten Gefrierverfahren mit offen em Warmepumpenkreislauf wird im
Vakuum gearbeitet, damit die Temperatur des Wassers in der Gefrierkammer
unter den Gefrierpunkt zu liegen kommt und so Eisbildung auftritt.
Der aus der Gefrierkammer abgesaugte Wasserdampf dient nach der Verdichtung zum Schmelzen des Eises und kondensiert dabei selbst zu SUBwasser.
Als Warmepumpe wird ein Thermokompressor verwendet (Fig. 132). Die Ubrige
Anlage entspricht im Aufbau dem des indirekten Verfahrens.
I..tJ.kuum
Schme/z-
Gefrierkammer
kammer
Meerwasser
Sole
Si.ilJlNOsser
Fig. 132: Meerwasserentsalzungsanlage nach dem direkten Gefrierverfahren mit Thermokompressor
204
5.6. DIE
W~RMEPUMPE
ZUR ALLGEMEINEN
W~RMEROCKGEWINNUNG
Die in Destillations-, Verdampfungs- und Trocknungsanlagen und die zur
integrierten Energieversorgung beschriebenen Warmepumpen sind integrierter Bestandteil des Prozesses und der Anlage. Sowohl Warmequelle als
auch Warmesenke liegen innerhalb des Systems.
Der Vorteil dieser Warmepumpen ist die Unabhangigkeit von auBeren Warmequellen und damit auBeren StoreinflUssen. Die nach auBen abgefUhrten
und von auBen zugefUhrten Warmemengen reduzieren ,sich bei verfahrenstechnischen Anlagen mit integrierter Warmepumpe im Vergleich zu konventionellen Anlagen urn den Betrag der EnergierUckgewinnung. Dadurch werden entscheidende Einsparungen an Energiekosten erreicht.
DarUber hinaus fallen in jedem Industriebetrieb Warmemengen an, die nicht
direkt im selben ProzeB wiedereinsetzbar sind. Diese Energiemengen konnen
durch Warmepumpen zur allgemeinen EnergierUckgewinnung aufgewertet und
einem anderen Abnehmer zugefUhrt werden.
Der Einsatz dieser Warmepumpen setzt eine Durchleuchtung des Industriebetriebes nach anfallenden Abwarmemengen und benotigten Heizwarmemengen voraus. Nach Kenntnis aller Warmestrome wird eine Zuordnung der Abwarmestrome
als Warmequelle und der Heizwarmestrome als Warmesenke einer Warmepumpenanlage unter der BerUcksichtigung der Warmemenge und des Temperaturniveaus
getroffen. Die Zuordnung ist so vorzunehmen, daB die GroBe der Abwarmestrome (ungefahr gleicher Temperatur) und die GroBe des benotigten Heizwarmestromes in etwa gleich ausfallen und keine zu groBe Temperaturdifferenz aufweisen.
Je kleiner das fUr die Warmepumpe zu Uberwindende Temperaturgefalle ist,
desto effizienter wird die EnergierUckgewinnung ausfallen.
Die folgenden Warmepumpenarten eignen sich fUr den Einsatz zur allgemeinen WarmerUckgewinnung:
- Kompressionswarmepumpen
- Sorptionswarmepumpen
205
- Kombinierte Kompressions-/Sorptionswarmepumpen
- Dampfstrahlverdichter
Die Art der Warmepumpe richtet sich vor allem nach dem Temperaturniveau
und der GroBe des benotigten Heizwarmestromes. Als Entscheidungshilfe
kann das in Kap. 3.2. entworfene und im Anhang der Arbeit dargestellte
EntscheidungsfluBdiagramm zur Warmepumpenauswahl dienen.
Beispiele von Warmepumpen zur allgemeinen EnergierUckgewinnung sind aus
den Abbildungen des Kap. 2 ersichtlich.
Sofern in einem Industriebetrieb mehr Abwarme vorhanden ist, als Nutzwarme benotigt wird, kann der Abwarmestrom sowohl als Warmequelle als auch
als Warmesenke dienen. Die UberschUssige Abwarme geht somit nicht ungenutzt an die Umgebung verloren.
Fig. 133 zeigt eine solche Warmepumpenanlage zur Erzeugung von Warmwasser unter Nutzung der KUhlwasserabwarme von Luftverdichtern.
Der von den Verdichtern kommende Abwarmestrom tritt zum einen Teil in den
Kondensator und den Absorber einer Sorptionswarmepumpe ein, wo er auf
das Nutztemperaturniveau gehoben und anschlieBend dem Verbraucher zugefUhrt wird. Der andere Teil des Abwarmestromes gelangt zum Verdampfer der
Sorptionswarmepumpe, wird durch Warmeentnahme gekUhlt und der Umgebung zugefUhrt. Der Abwarmestrom wird daher sowohl aufgewertet als auch als
Warmequelle herangezogen.
206
Abwdrme
Fig. 133: Sorptionswarmepumpe zur allgemeinen WarmerUckgewinnung mit
Verwendung des Abwarmestromes als Warmequelle und Warmesenke
6. WIRTSCHAFTLICHKEIT VON
ANLAGEN
W~RMEPUMPEN
IN VERFAHRENSTECHNISCHEN
Zu den in Kap. 5 erarbeiteten fUnf verfahrenstechnischen Bereichen. fUr
die ein Warmepumpeneinsatz technisch sinnvoll ist. werden im folgenden
Warmepumpensysteme berechnet und ihre Wirtschaftlichkeit mit der von praktisch ausgefUhrten konventionellen Anlagen ohne Warmepumpe verglichen.
Die fUnf verfahrenstechnischen Bereiche sind:
-
die
die
die
die
der
Destillationstechnik
Verdampfungstechnik
Trocknungstechnik
integrierte Energieversorgung
allgemeine WarmerUckgewinn.
Die Berechnungsverfahren von Kompressionswarmepumpen. Thermokompressoren
und Strahlwarmepumpen konnen aus /B5/ und /B9/ entnommen werden. Die Berechnungsverfahren einstufiger und zweistufiger Absorptionswarmepumpen
wurden in /B35/ behandelt.
Der in der warmetechnischen Berechnung einer verfahrenstechnischen Anlage
mit Warmepumpe ermittelte Betriebsmittelverbrauch (Heizdampf. Strom. KUhlwasser) wird mit den folgenden. in der Petrochemie Ublichen spezifischen
Kosten bewertet:
Niederdruckdampf
Mitteldruckdampf
Hochdruckdampf
Strom
KUhlwasser
108.-120.-166.-0.69
0.38
S/to
S/to
S/to
S/kWh
S/m 3
Die zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit von Warmepumpen ausgewahlten
verfahrenstechnischen Anlagen werden im folgenden kurz beschrieben. 1m
Anschlu8 daran sind die Ergebnisse der Berechnung zusammengefa8t. Urn die
Arbeit nicht zu umfangreich zu gestalten. wurde auf die Darstellung des
Rechnungsganges verzichtet; dieser kann aus /B35/ entnommen werden.
208
Der Hauptzweck dieses Kapitels ist es, die durch den Warmepumpeneinsatz in
der verfahrenstechnischen Industrie erreichbaren Betriebskosteneinsparungen
und damit die Wirtschaftlichkeit der Warmepumpen zu quantifizieren.
Dabei hangt die Wirtschaftlichkeit nicht nur von der absoluten Hohe der
vorher genannten spezifischen Bettiebsmittelkosten ab, sondern auch yom
Verhaltnis Strompreis zu Dampfpreis.
Nach /245/ kann die Kostenverteilung Strom - Dampf eines im verfahrenstechnischen Betrieb bestehenden Gegendruckkraftwerkes 1) auf drei verschiedene
Arten erfolgen: nach dem Energiefluf3, aTs Grenzkostenrechnung und nach
dem Exergiefluf3. Die ersten beiden Kostenverteilungsarten berUcksichtigen
nur betriebswirtschaftlich gegebene Daten. Sie sagen Uber den physikalischen Wert der Energietrager Elektrizitat und Heizdampf nichts aus. Das
physikalisch richtige Wertverhaltnis dieser beiden Energietrager untereinander wird bei der exergetischen Kostenaufteilung berUcksichtigt.
In diesen Berechnungen wurde die Aufteilung nach der Grenzkostenrechnung
gewahlt, indem die eigenerzeugte elektrische Energie mit den Kosten der
fremdbezogenen bewertet wird; denn nur so kommt man zu Kosten fUr die
elektrische Energie, die unabhangig yom Gegendruckverhaltnis sind /245/.
AuBerdem fallen die spezifischen Betriebsmittelkosten in verfahrenstechnischen Betrieben ohne eigenes Kraftwerk durch den Fremdbezug in der vorher genannten Hohe an.
Die zur Berechnung herangezogenen verfahrenstechnischen Anlagen werden
einzeln, und nicht als Teil eines verfahrenstechnischen Betriebes im betrieblichen Energieverbund betrachtet. Aus einer gesamtbetrieblichen
energetischen Optimierung konnen zu den hieraus abgeleiteten Schluf3folgerungen abweichende Aussagen Uber die Wirtschaftlichkeit einer Warmepumpe
der Verfahrenstechnik folgen.
1) Bei einem Gegendruckkraftwerk wird der Dampf in Turbinen auf den Dampfzustand entspannt, der dem Zustand des Werksdampfes fUr die Prozef3heizung in der Anlage entspricht.
209
6.1. BEISPIEL ZUR DESTILLATIONSTECHNIK
Die Berechnung einer Warmepumpe in der Destillationstechnik wird anhand
einer bestehenden Gasnachverarbeitungsanlage (kurz GNV) vorgenommen.
Die GNV dient der destillativen Trennung von Kohlenwasserstoffen von C1
bis C5 .
Die Trennung el'folgt in zwei Kolonnen:
- einem Entathaner, der die C2- und C3-Komponenten abtrennt, und
- einer C3/C 4-Trennkolonne, die Propan und Butan trennt.
Die Massenbilanz der Gesamtanlage ergfbt:
Einsatz:
Produkte:
kg/h
1 703 kg/h
4 002 kg/h
15 174 kg/h
20 879
Athan
Propan
Butan
folgenden Warmemengen werden der Anlage zugefUhrt bzw. von der Anlage
abgefUhrt:
Di~
Warmezufuhr durch Heizdampf:
Warmeabfuhr durch KUhlwasser:
3 475 KW
3 373 KW
Es stehen Niederdruckdampf von 5 bar und KUhlwasser von 120 C bzw. 27 0 C
zur VerfUgung.
Das FlieBbild der GNV mit Thermokompressor bzw. Kompressionswarmepumpe in
der C3/C 4-Trennkolonne ist mit Angabe der umgesetzten Warme- und Stoffstrome in den Abbildungen 134 und 135 dargestellt.
~LYN~
I6bar
II
n~6
, lObar
C31CZ -TRENNKOLONNE
PROPAN
1JX)2
16ber 38°C
roTAN
15m
fiber 38"(;
\.:Cj~1<W
________________~
Fig. 134: Flie6schema der GNV mit Thermokompressor in der C3/C 4-Trennkolonne
A"rHAN
29"Cj1703
Mengenstrome in kg/h
Energiestrame in kW
EINSA.TZ
ENTA'rHANER
>-'
o
N
7f
1703 29"C
1ATHAN
()bar S8"C
Kond.1
58°C
19176
,J
I
11886
I
C.,/r.. -TREN/'oI<DLONNE
5ZgKW
-
2CXJ)
-
3951OdL-
FKW
1· - - 1
IS 17'
Qxv 38"C
BUTAN
WV"
Fig. 135: FlieBschema der GNV mit Kompressionswarmepumpe in der C3/C4-Trennkolonne
MengenstrOme in kg/h
Energiestreme in kW
EINSATZ
2OffJ!J
38 °C
6T2KW
76 "C
10,
ENT.iJ;THANER
t.OO2
lOba, 28"C
PROPAN
N
......
212
Aufgrund der niedrigen kritischen Werte des Kopfdampfes des Entathaners
(Athan mit geringen Mengen von Methan) war eine direkte Verdichtung in
einem Thermokompressor nicht moglich. Die gr06e Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Sumpf des Entathaners von 75 0C la6t unter BerUcksichtigung
der doppelten Gradigkeit der WarmeUbertragung auch den wirtschaftlichen
Einsatz einer Kompressionswarmepumpe nicht zu. Der Entathaner wird daher
mit den Betriebskosten der bestehenden Anlage Ubernommen.
FUr die C3/C 4-Trennkolonne wurden die Betriebskosten fUr den Einsatz eines
Thermokompressors und einer Kompressionswarmepumpe ermittelt.
Durch den Warmepumpeneinsatz andern sich in diesem Falle die verfahrenstechnischen Daten der Anlagen, so daB Warmepumpen bereits in der Planung
berUcks i chti gt werden mUssen.
Zusatzlich wurden daher noch die Betriebskosten einer Kompressionswarmepumpe berechnet, die in die bestehende Anlage nachtraglich eingebaut werden konnte.
Tab. 18 zeigt die Zusammenfassung der Ergebnisse der Betriebskostenberechnung der einzelnen Warmepumpensysteme in der C3/C 4-Trennkolonne im Vergleich zu denen der bestehenden Anlage.
BK-Ersparn. *) BK-Ersparn. *)
Jahrl. BK
Mio/Jahr
Mio/Jahr
%
C3/C 4C3/C 4C/C 4Trennk. Ges.Anl. Trennk. Ges.Anl. Trennk. Ges.Anl.
t Bestehende Anlage
ohne Warmepumpe
2 Anlage mit Thermokompressor
3 A~ 1age ..mit Kompresslonswarmepumpe
4 Anlage mit nachtragl.
eingebauter Kompr.WP
*) Basis Pos. 1;
-
-
-
1. 72
1.69
46
24
6.20
0.73
0.70
19
10
7.24
-0.34
-0.34
-9
-5
3.78
6.90
-
2.06
5.21
3.05
4.12
BK = Betriebskosten
Tab. 18: Ergebnisse der Betriebskostenberechnung von Warmepumpen in der
Destillationstechnik
213
Die Betriebskostenberechnung von Warmepumpen in der Destillationstechnik
am Beispiel einer C3/C 4-Trennung brachte folgende Ergebnisse:
- Der Einsatz eines Thermokompressors in der C3/C 4-Trennkolonne reduziert
die Betriebskosten der Kolonne urn 46 %. FUr die Gesamtanlage betragt
die Ersparnis 1.69 Mio S/Jahr oder 24 %.
- Der Einsatz einer Kompressionswarmepumpe in der C3/C 4-Trennkolonne reduziert die Betriebskosten der Kolonne urn 19 %. FUr die Gesamtanlage
betragt die Ersparnis 0.70 Mio S/Jahr oder 10 %.
- Die oben genannten Einsparungen an Betriebskosten konnen nur dann erreicht werden, wenn die Warmepumpe bereits in der Planungsphase der Anlage berUcksichtigt wird.
- Bei einem nachtraglichen Einbau einer Kompressionswarmepumpe in die bestehende Anlage steigen die Betriebskosten urn 0.34 Mio S/Jahr oder" 5 %.
- Der nachtragliche Einbau einer Kompressionswarmepumpe in die bestehende
Gas-Nachverarbeitungsanlage ist daher wirtschaftlich nicht sinnvoll.
Eine genaue Berechnung der Investitionskosten wurde nicht durchgefUhrt,
da der zusatzlichen Investition der Komponenten der Warmepumpe (Kompressor, Getriebe, Antriebsmotor) Einsparungen an Investitionskosten (geringere Wandstarke der C3/C4-Trennkolonne, geringere Bodenzahl, Reduktion in
der GroBe des Verdampfers und Kondensators) gegenUberstehen.
Die Gesamtinvestitionskosten einer Destillationsanlage mit Warmepumpe entsprechen daher denen der Anlage ohne Warmepumpe oder liegen niedriger.
Eine Naherungsmethode zur schnellen Abschatzung der Wirtschaftlichkeit des
Einsatzes von Warmepumpen in der Destillationstechnik wurde von Null /135/
angegeben.
FUr eine Propylen-Propan-Trennanlage wurde in /143/ eine Reduktion der Investitionskosten durch den Warmepumpeneinsatz (Thermokompressor) von 7 %
bzw. 17 % errechnet (siehe Kap. 5.2.6.).
214
6.2. BERECHNUNGSBEISPIEL ZUR VERDAMPFUNGSTECHNIK
Die in der Verdampfungstechnik am effizientesten einzusetzende Warmepumpenart ist der Thermokompressor, der als offenes System die ProzeBbrUden
ansaugt und verdichtet.
Da die BrUden vor allem aus Wasserdampf bestehen und daher wegen ihrer guten thermodynamischen Eigenschaften direkt komprimiert werden konnen, kommen geschlossene Kompressionswarmepumpen in der Verdampfungstechnik aufgrund ihrer schlechten Wirtschaftlichkeit (groBerer Investitionsaufwand,
hohere Betriebskosten) kaum zum Einsatz.
In diesem Berechnungsbeispiel werden drei Verdampferanlagen warmetechnisch berechnet und ihre Wirtschaftlichkeit mit den konventionellen Systemen ohne Warmepumpe verglichen.
Die drei Verdampferanlagen sind:
- Eine Wasserdestillationsanlage zur Erzeugung von 9.5 m3/h destilliertem
Wasser (Einsatz 10 m3/h = 240 m3/d), die konventionell und mit Thermokompressor berechnet wird.
- Die Meerwasserentsalzungsanlage von Shevchenko am Kaspischen Meer zur
Erzeugung von 5000 m3 SUBwasser je Tag, deren Betriebsdaten aus /147/
und /B27/ entnommen wurden. Diese bestehende Anlage wird mit einer Entsalzungsanlage derselben Leistung mit Thermokompressor wirtschaftlich
verglichen.
- Eine Verdampfungsanlage fUr Sulfatablauge aus der Zellstoffindustrie
zur Eindampfung von 84700 kg/h dUnner Lauge (Schwarzlauge) mit einer
Konzentration von 0.155 auf eine Endkonzentration von 0.545. Die Betriebsdaten dieser Anlage stammen aus /B27/. Ihre Wirtschaftlichkeit
wird mit der einer Anlage mit Thermokompressor und einer Anlage mit
Dampfstrahlwarmepumpe verglichen.
215
Die Abbildungen 136 - 138 zeigen die FlieBbilder der vorher genannten Verdampferanlagen mit Thermokompressoren.
35°C
IO C
G
OCSnLL.WASSER
9!nJkglh
FRISCHNASSER
10caJkglh
Fig. 136: FlieBbild einer einstufigen Verdampferanlage mit Thermokompressor zur Erzeugung von destilliertem Wasser
Die Berechnungen brachten die folgenden Ergebnisse:
- Bei Einsatz eines Thermokompressors in der Eindampfanlage zur Wasserdestillation konnen die Betriebskosten im Vergleich zur einstufigen,
konventionellen Anlage ohne Warmepumpe urn 78.3 % oder 6.8 Mio S jahrlich reduziert werden.
Die Amortisationszeit des Thermokompressors liegt fUr diese Anlage bei
ca. 4 Monaten.
216
7700C
(1J"C
0J.71.bor
HEIZDAM~
74boJ;1IOoC
WT3~~~____________T-______________~~~
WT2
Fig. 137: FlieBbild einer zweistufigen Verdampfungsanlage mit Thermokompressor zur Meerwasser-Entsalzung
- Durch eine mehrstufige AusfUhrung der konventionellen Anlage lassen
sich die Betriebskosten durch einen Mehraufwand an Investitionskosten
senken.
- Durch Einsatz eines Thermokompressors in einer zweistufigen Verdampferanlage zur Meerwasserentsalzung mit den Leistungsdaten einer bestehenden, vierstufigen Anlage konnen 13.8 % der Betriebskosten oder 8.3 Mio S
jahrlich eingespart werden.
Die Amortisationszeit des Thermokompressors betragt 3.4 Jahre (statisch)
bzw. 4.4 Jahre (dynamisch).
Der Einsatz eines Thermokompressors in einer zweistufigen SulfatablaugenEindampfanlage bewirkt gegenUber der bestehenden sechsstufigen, wirt-
217
schaftlich optimierten konventionellen Eindampfanlage keine Reduzierung
der Betriebskosten, sondern einen Mehraufwand von 11.7 % oder 1.29 Mio S
jahrl ich.
- Der Einsatz von Dampfstrahlwarmepumpen in Verdampfungsanlagen bringt
eine wesentliche Erhohung der Betriebskosten gegenUber Anlagen mit Thermokompressoren.
So betragen im Fall der Sulfatablaugen-Eindampfanlage die Betriebskosten
bei Verwendung einer Dampfstrahlwarmepumpe das ca. 2.45fache der Betriebskosten der Anlage mit Thermokompressor.
WT \:"""+_---,
Fi g. 138: Zwei stufige Verdampferanl age mit Thermokompressor zur Ei ndampfung von Sulfatablauge
218
6.3. BERECHNUNGSBEISPIEL ZUR TROCKNUNGSTECHNIK
Urn die Wirtschaftlichkeit der Warmepumpe in trocknungstechnischen Anlagen
zu untersuchen, wird eine bestehende Papiermaschine mit den folgenden Betriebsdaten zur Berechnung herangezogen:
Produktionsmenge:
Trockengehalt der Papierbahn
am Eintritt:
Trockengehalt der Papierbahn
am Austritt:
Eintrittstemp. der Papierbahn:
Dampf zur Zylinderbeheizung:
Zustand der Frischluft:
Temperatur der Blasluft:
Taupunkt in der Trockenhaube
Verdunstungstemp. in der Trockenhaube:
Austrittstemperatur der Feuchtluft aus der Trockenhaube:
Temperatur der Abluft:
1 340 kg/h lutro Papier
32 %
95 % (lutro)
37°C
3 bar
t = 15°C, <p = 0,6
100°C
52°C
In der Berechnung werden die energiewirtschaftlich optimierte Anlageohne
Warmepumpe, die Trocknungsanlage mit Warmepumpe zur Blaslufterhitzung
und die Anlage mit Warmepumpe zur Versorgung betriebsinterner HeiBwasserverbraucher behandelt.
In den Abbildungen 139 bis 141 sind die FlieBbilder dieser Papiertrocknungsanlagen dargestellt.
219
Frischluft
Abluft
Kond.
Heizdam f
3 bor
Taupunkl = 52°C
Kond.
Fig. 139: FlieBschema einer konventionellen Papiertrocknungsanlage mit
WarmerUckgewinnung
°
I,
°
A
Trockenhrube
Kond.
Taupunkf : 52°C
00
f
Fig. 140: FlieBschema einer Trocknungsanlage mit Kompressionswarmepumpe
zur Blasluft-Erhitzung
220
Heinwasser
Abluft
Frisch/utf
t ;: 15 or;
~=O.6
TROCKENHAUBE
Heizdam f
3 bar
100°
J#.'Ji!JJ1!12lf~
3 bar
~.
Fig. 141: FlieBschema einer Papiertrocknungsanlage mit Kompressionswarmepumpe zur Versorgung betriebsinterner HeiBwasserabnehmer
Die Berechnung brachte die folgenden Ergebnisse:
- Bei der energiewirtschaftlich optimierten Trocknungsanlage mit Trockenhaube und Warmeruckgewinn (ohne Warmepumpe) betragt der Heizdampfbedarf zur Blaslufterhitzung 14.6 %der gesamten Heizdampfmenge zur Zylinderbeheizung und Blaslufterhitzung.
221
- Der Einsatz einer Kompressionswarmepumpe zur Blaslufterhitzung durch
den weiteren WarmerUckgewinn aus der Abluft bringt eine Reduktion
der Betriebskosten durch Heizdampfersparnis (0.76 to/h) und WasserrUckgewinn (441 kg/h) von 90 S/h bei einem gleichzeitigen Mehraufwand fUr
den Verdichterantriebsstrom (135 KW) von 93 S/h.
Der Warmepumpeneinsatz zur Blaslufterhitzung ist daher wirtschaftlich
nicht sinnvoll.
- Der Einsatz einer Kompressionswarmepumpe zur Versorgung von HeiBwasserverbrauchern mit Warme von 80 - 850 C bei gleichzeitiger Nutzung der
gesamten, in der Trockenhauben-Abluft enthaltenen Abwarme bringt aus
der Nutzwarmeabgabe (2 575 KW) und dem WasserrUckgewinn (2 400 kg/h)
stUndliche RUckflUsse von 1 047 S/h.
Diesen RUckflUssen steht ein Mehraufwand an Verdichter-Antriebsstrom
(840 KW) von 580 S/h gegenUber.
Die stUndlichen und jahrlichen Ertrage (8 000 Betriebsstunden) belaufen
sich bei Investition der Warmepumpe auf 467 S/h oder 3.74 Mio S/a.
- Voraussetzung fUr die im vorigen Punkt genannten Ertrage ist
a) das Vorhandensein von Abnehmern fUr HeiBwasser von 800 - 850 C mit
einer WarmeleistungsgroBe von 2 575 KW (9 270 MJ/h) und
b) die Moglichkeit der Bewertung der gelieferten Nutzwarme mit
einem Warmepreis von 390 S/MWh (0.1083 S/MJ).
- Sind die im vorigen Punkt genannten Voraussetzungen erfUllt, betragt
die Amortisationszeit der Warmepumpenanlage bei einem Investitionsaufwand von ca. 16 Mio S 4.3 Jahre (statisch) bzw. 5.9 Jahre (dynamisch).
Die Bewertung des rUckgewonnenen Wassers erfolgte nach /152/ mit
2.5 DM/to = 18 S/to.
222
6.4. BERECHNUNGSBEISPIEL ZUR INTEGRIERTEN ENERGIEVERSORGUNG
Urn die Wirtschaftlichkeit einer Warmepumpe zur integrierten Energieversorgung darzustellen. wird ein allgemeiner kombinierter Heiz-/KUhlproze6
mit den folgenden Temperaturgrenzen ausgewahlt:
- Verdampfungstemperatur
- Kondensationstemperatur
- Nutzwarmeleistung
In der konventionellen Anlage werden der KUhlbedarf durch eine Kompressionskaltemaschine. der Heizbedarf durch Warmetausch mit 4 bar Niederdruckdampf
gedeckt.
Dieser konventionellen Anlage werden eine einstufige Kompressionswarmepumpe mit R 21. eine zweistufige Kompressionswarmepumpe mit R 21. eine
zweistufige Kompressionswarmepumpe mit R 11 und eine einstufige Absorptionswarmepumpe mit dem Stoffpaar NH3/H20 zur integrierten Energieversorgung gegenUbergestellt.
Das Flie6bild einer einstufigen Kompressionswarmepumpe ist in Fig. 27
(Kap. 2.1.). einer zweistufigen Kompressionswarmepumpe in Fig. 28 (Kap.
2.1.) und das einer einstufigen Absorptionswarmepumpe in Fig. 142 dargestellt.
Die Ergebnisse der Berechnung der jahrlichen Betriebs- und Gesamtkosten
dieser vier Warmepumpen und der konventionellen Anlage sind in Tab. 19
zusammengefaBt.
Aus der Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse (Tab. 19) konnen die
folgenden allgemeinen Aussagen getroffen werden:
- Die Betriebskosten von Warmepumpen zur integrierten Energieversorgung
1iegen zwischen 47 % und 52 % niedriger als die der konventionellen
Anlage.
223
t
t
Fig. 142: Einstufige Absorptionswarmepumpe mit Nutzung der Kondensatorund Absorberwarme auf unterschiedlichem Niveau
Betr.Kosten/Jahr Ges. Kosten/Jahr
Mio S/a
Mio S/a
l-stufige Kompressions-WP/R 21
1.296
1.700
2-stufige Kompressions-WP/R 21
1.216
1.604
2-stufige Kompressions-WP/R 11
1.240
ca.1.610
1-stufige Absorptions-WP
1.176
1.484
Konventionelle Anlage
2.440
----
Tab. 19 : Ergebnisse der Berechnung der jahrlichen Betriebs- und Gesamtkosten von Warmepumpen zur integrierten Energieversorgung (VergleichsprozeB: Nutzwarmeleistung 1 MW, Temperaturgrenzen -100 /+40 0 C)
224
- Die wirtschaftlich gUnstigste Warmepumpe zur integrierten Energieversorgung ist eine einstufige Absorptionswarmepumpe. Diese liegt in den
jahrlichen Gesamtkosten urn 8 % niedriger als eine zweistufige und urn
13 %niedriger als eine einstufige Kompressionswarmepumpe.
- Aus den Betriebskostenersparnissen im Vergleich zu konventionellen Anlagen errechnen sich die folgenden Amortisationszeiten:
Einstufige Kompressions-WP:
Zweistufige Kompressions-WP:
Einstufige Absorptions-WP:
2.1 Jahre (stat.)
1.9 Jahre (stat.)
1.8 Jahre (stat.)
2.5 Jahre (dyn.)
2.2 Jahre (dyn.)
2.1 Jahre (dyn.)
- Die einstufige Absorptionswarmepumpe zur integrierten Energieversorgung
bringt auch die kUrzeste Amortisationszeit.
- Aus diesem Berechnungsbeispiel kann auch eine Aussage Uber die verfahrensmaBige Optimierung einer Kompressionswarmepumpe getroffen werden:
Diese beginnt bereits bei der Kaltemittel-Auswahl. Das erste Optimierungskriterium ist die spezifische Kondensationswarme des Kaltemittels
am Nutztemperaturniveau. Daneben werden das Druckverhaltnis zwischen
Verdampfer und Kondensator der Anlage und die absolute Hohe des Kondensatordruckes berUcksichtigt.
Das Kaltemittel mit der groBten spezifischen Kondensationswarme bringt
auch die geringsten Betriebskosten der Anlage (vgl. die Betriebskosten
der Kompressionswarmepumpe mit R 21 und mit R 11 im vorigen Beispiel).
225
6.5. BERECHNUNGSBEISPIEL ZUM ALLGEMEINEN WARMEROCKGEWINN
In den vorangegangenen Abschnitten wurden Berechnungen von Warmepumpen
durchgefUhrt, die integrierter Bestandteil der entsprechenden verfahrenstechnischen Anlage waren; sowohl die Warmequelle als auch die Warmesenke
lagen innerhalb dieses Systems.
1m Bereich der gesamten Industrie kann darUber hinaus Abwarme mit Hilfe
von Warmepumpen auf 100° - 130°C aufgewertet werden. Warmequelle und
Warmesenke mUssen dabei nicht in derselben industriellen Anlage liegen.
Urn einen Wirtschaftlichkeitsvergleich zwischen verschiedenen Warmepumpenarten fUhren zu konnen, werden im folgenden mehrere Kompressionswarmepumpen, Absorptionswarmepumpen und eine kombinierte Kompressions-/Absorptionswarmepumpe fUr einen gewahlten VergleichsprozeB berechnet.
Dieser
ben:
-
Warmepumpen-VergleichsprozeB ist durch die folgenden GroBen gegeVerdampfungstemperatur
Kondensationstemperatur
Nutzwarmeleistung
40°C
120°C
1 MW
226
1m einzelnen werden die folgenden Warmepumpensysteme berechnet:
Einstufige Kompressionswarmepumpe (Fig. 27, Kap. 2.1.)
Zweistufige Kompressionswarmepumpe (Fig. 28, Kap. 2.1.)
Dreistufige Kompressionswarmepumpe (Fig. 143)
Einstufige Absorptionswarmepumpe (Fig. 142, Kap. 6.4.)
Absorptionswarmepumpe mit zweistufigem Antriebsteil (Fig. 144)
Absorptionswarmepumpe mit zweistufiger Verdampfung und
zweistufiger Warmeabgabe (Fig. 145)
- Absorptionswarmepumpe mit zweistufiger Verdampfung und dreistufiger Warmeabgabe (Fig. 146)
- Kombinierte Kompressions-/Absorptionswarmepumpe (Fig. 147)
-
In den Klammern sind die Abbildungs-Nummern der entsprechenden Warmepumpenarten genann~
H.O.-KREIS
M.D.-KREIS
N.D.-KREIS
Fig. 143: FlieBbild einer dreistufigen Kompressionswarmepumpe
227
HQ-9ufe
Vn--->"'::::'Y
I
L _______ _
ND-Stufe
t
t,
<fAA <.hn
<2 <~ <~
t1 I~ <tc
~<~
J
~
<!4n
Fig. 144: Absorptionswarmepumpe mit zweistufigem Antriebsteil und
Nutzung der Warme auf unterschiedlichem Temperaturniveau
228
t
H.o.
NO
Fig. 145: Absorptionswarmepumpe mit zweistufiger Verdampfung und
zweistufiger Nutzung der Warme
229
t
~
ts
Po~)-fo
~----------------~
~ <!AA<~
7<2<3<~<S
Fig. 146: Absorptionswarmepumpe mit zweistufiger Verdampfung und dreistufiger Nutzung der Warme
230
Fig. 147: FlieBbild einer kombinierten Kompr8ssions-Absorptionswarmepumpe fUr die Temperaturgrenzen 40 /120 oC
231
Die Ergebnisse der Berechnung der jahrlichen Betriebs- und Gesamtkosten
der acht Warmepumpenarten beim allgemeinen WarmerUckgewinn sind in Tab. 20
zusammengefal3t.
WXRMEPUMPENART
BETRIEBSKOSTEN/JAHR GESAMTKOSTEN/JAHR
(Mio S/a)
(Mio S/a)
Kompr.WP, l-stuf.
1.984
2.627
Kompr.WP, 2-stuf.
1.712
2.256
Kompr.WP, 3-stuf.
1.632
2.206
Abs.WP, l-stuf.
1.264
1.666
Abs.WP, 2-stuf.Antrieb
1. 736
2.226
Abs.WP. 2-stuf •Verd .• 2-st.WA
1.200
1.581
Abs.WP. 2-stuf.Verd .• 3-st.WA
1.200
1.588
Komb.Kompr./Abs~WP
1.560
2.065
Tab. 20: Jahrliche Betriebskosten und Gesamtkosten verschiedener Warmepumpensysteme zum allgemeinen WarmerUckgewinn fUr 1 MW Nutzwarmeleistung in den Temperaturgrenzen 40o/120oC
Aus den in Tab. 20 dargestellten Ergebnissen konnen die folgenden Aussagen getroffen werden:
- Elektrisch betriebene Kompressionswarmepumpen zum allgemeinen WarmerUckgewinn liegen sowohl in den jahrlichen Betriebskosten als auch
in den jahrlichen Gesamtkosten wesentlich hoher als Absorptionswanmepumpen.
232
- Zwei- und dreistufige Kompressionswarmepumpen liegen bei Oberwindung
eines Temperaturgefalles von BOoC (40°/120°) in den jahrlichen Gesamtkosten um ca. 15 % niedriger als einstufige Kompressionswarmepumpen.
- Absorptionswarmepumpen mit zweistufigem Antriebsteil arbeiten im Vergleich zu einstufigen Absorptionswarmepumpen bzw. zu Absorptionswarmepumpen mit zweistufiger Verdampfung mit ca. 40 % hoheren Betriebskosten und sind daher fUr den Einsatz zur allgemeinen WarmerUckgewinnung
(bis 120°C) nicht geeignet.
- Kombinierte Kompres~ons-)\bsorptionswarmepumpen liegen zwar in den jahrlichen Betriebs- und Gesamtkosten niedriger als mehrstufige Kompressionswarmepumpen, arbeiten aber unwirtschaftlicher als ein- und zweistufige
Absorptionswarmepumpen.
- Die zum allgemeinen WarmerUckgewinn bis 120°C aufgrund der niedrigsten
jahrlichen Betriebs- und Gesamtkosten am gUnstigsten einsetzbare
Warmepumpenart ist die Absorptionswarmepume mit zweistufiger Verdampfung.
- Bei Warmepumpen, die integrierter Bestandteil einer verfahrenstechnischen Anlage sind (in der Destillationstechnik, Verdampfungstechnik,
Trocknungstechnik, integrierten Energieversorgung), wird die durch Aufwertung von Abwarme erzeugte Nutzwarme in demselben Proze8 wieder eingesetzt und unterliegt daher keiner getrennten kostenma8igen Bewertung.
1m Gegensatz dazu wird bei Warmepumpen zum allgemeinen WarmerUckgewinn
Nutzwarme erzeugt, die an andere betriebsinterne oder betriebsexterne
Verbraucher abgegeben bzw. verkauft wird.
FUr die erzeugte Nutzwarme mu8 daher ein Warmepreis festgesetzt werden.
Bei Bewertung der Nutzwarme mi t dem Warmeprei s von 390 S/~1l~h errechnen
sich die dynamischen Amortisationszeiten der zum allgemeinen WarmerUckgewinninteressanten Warmepumpenarten fUr die Temperaturgrenzen 400 /120 0 C
(1 MW Nutzwarmeleistung) in Abhangigkeit der jahrlichen Nutzungsdauer
nach Tab. 21 zu:
233
jahrliche Betriebsstunden
2 000 h 4 000 h 6 000 h 8 000 h
Kompr.WP, 2-stuf.
25.8
6.4
3.8
2.7
Kompr. WP, 3-stuf.
26.1
6.4
3.8
2.7
Abs. WP, l-stuf.
11.0
4.1
2.6
1.9
Abs.WP, c-sLVerd. , 2-st. WA
9.5
3.7
2.3
1.7
Abs.WP, 2-st.Verd., 3-st.WA
9.7
3.8
2.4
1.7
20.6
5.9
3.5
2.5
Komb. Kompr.jAbs.WP
Tab. 21: Dynamische Amortisationszeit (in Jahren) der zum allgemeinen
WarmerUckgewinn interessanten Warmepumpenarten fUr die Temperaturgrenzen 40 0 j1200 C und 1 MW Nutzwarmeleistung in Abhangigkeit der jahrlichen Betriebsstundenzahl
Auf die einstufige Kompressionswarmepumpe und die Absorptionswarmepumpe
mit zweistufigem Antriebsteil wurde in dieser Berechnung aufgrund der
schlechten Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu den anderen Warmepumpen
verzichtet.
- Aus Tab. 21 geht hervor, daB die Absorptionswarmepumpe mit zweistufiger
Verdampfung auch nach der Amortisationszeit die fUr den Einsatz zum
allgemeinen WarmerUckgewinn gUnstigste Warmepumpenart darstellt.
DarUber hinaus kann ausgesagt werden, daB Absorptionswarmepumpen Uber
den gesamten jahrlichen Betriebsstundenbereich gUnstigere Amortisationszeiten bringen als Kompressionswarmepumpen und kombinierte Kompressions-jAbsorptionswarmepumpen.
- Die Amortisationszeit von Warmepumpen zum allgemeinen WarmerUckgewinn
ist stark von der jahrlichen Betriebsstundenzahl abhangig. Diese Tatsache muB bei Verkauf der Nutzwarme an Fernheizwerke berUcksichtigt
werden.
7. ALLGEMEINE OBERSICHT - STAND DES WISSENS UND EINSATZMUGLICHKEITEN
VON W~RMEPUMPEN
Durch die steigenden Energiepreise aufgrund der fortschreitenden Verknappung unserer Primarenergievorrate wurde in den vergangenen Jahren die Bedeutung der EnergierUckgewinnung vor allem fUr den Bereich der Industrie
erkannt.
Die beiden bedeutendsten Moglichkeiten zur industriellen 'Warme- bzw.
EnergierUckgewinnung sind der Warmetausch und die Warmepumpe. Die Abgrenzung zwischen beiden Systemen erfolgt durch das Nutztemperaturniveau.
Dieses liegt beim Warmetausch unter dem Temperaturniveau der Abwarme, bei
der Warmepumpe darUber.
Durch Warmepumpen kann daher Abwarme, deren Nutzung durch Warmetausch
nicht mehr moglich ist, noch weiter genutzt werden. Warmepumpen stellen
somit eine wesentliche Erweiterung der industriellen WarmerUckgewinnungsmoglichkeiten dar.
Unter den Begriff der Warmepumpe fallen aber nicht nur die von der Gebaudeheizung her bekannten Kompressionswarmepumpen, sondern eine Reihe anderer Warmepumpensysteme, deren Einsatz vor allem in industriellen Anlagen
interessant ist.
Die Moglichkeiten der industriellen WarmerUckgewinnung zur Einsparung
von Primarenergie mUssen daher sowohl von den Planern als auch von den
Betreibern energieintensiver verfahrenstechnischer Anlagen berUcksichtigt werden.
In diesem Zusammenhang interessiert nun, welche Warmepumpenarten in welchen verfahrenstechnischen Anlagen wie wirtschaftlich eingesetzt werden
konnen.
235
Die allgemeinste Definition einer Warmepumpe kann folgend abgefaBt werden:
Die Warmepumpe ist ein technisches System, das auf der kalten Seite (Niederdruckseite) Warme aufnimmt und durch Energiezufuhr auf einem hoheren
Temperaturniveau auf der warmen Seite (Hochdruckseite) wieder abgibt.
Aus der Literatur sind eine Reihe von Warmepumpenarten bekannt, die nach
ihrer SystemfUhrung in offene und geschlossene Systeme eingeteilt werden
konnen.
Offene Systeme verdichten direkt dampfformige Abwarme, wahrend geschlossene Systeme die Abwarme Uber Warmetausch-Apparate an das Arbeitsmedium
der Warmepumpe Ubertragen.
Der Antrieb der Warmepumpensysteme kann durch mechanische Energie (reine
Exergie) und durch Warme (Exergie und Anergie) erfolgen.
Alle heute bekannten Warmepumpensysteme lassen sich in Form der Systemati k aus Fig. 26 (Kap. 2) zu samm'enfas sen .
Die heute am haufigsten eingesetzte Warmepumpenart ist die Kompressionswarmepumpe (Kap. 2.1.), die als geschlossenes System mit einem Kaltemittel (Frigen) arbeitet und vor allem als
- elektrische Warmepumpe
- Gaswarmepumpe
- Templ ifier
bekannt ist.
Elektrische Warmepumpen (Kap. 2.1.1.1.) verwenden Elektromotoren zum Verdichterantrieb, Gaswarmepumpen Gasmotoren (Kap. 2.1.1.2.). Der Vorteil
von Gaswarmepumpen ist die Nutzung der Motorabwarme fUr den Warmepumpenkreislauf. Nach demselben Prinzip arbeiten auch Dieselmotor-getriebene
Warmepumpen (Kap. 2.1.1.3.).
Templifier sind Hochtemperaturwarmepumpen (Nutztemperatur 120 - 130oC),
die mehrstufig arbeiten und elektrisch betrieben sind (Kap. 2.1.1.4.).
236
Kompressionswarmepumpen konnen neben Einstoff-Kaltemitteln als Arbeitsmedium ein Gemisch aus Kalte- und Losungsmittel (Kap. 2.1.2.) oder ein Gemisch aus mehreren Kaltemitteln verwenden (Kap. 2.1.3.).
Sorptionswarmepumpen (Kap. 2.2.) sind geschlossene Systeme, die als Arbeitsmedium ein Arbeitsstoffpaar (Kalte- + Losungsmittel) einsetzen
und thermisch betrieben sind.
Der Antrieb der Sorptionswarmepumpe wird entweder mit Sattdampf oder
durch direkte Befeuerung vorgenommen.
Erfolgt die Abwarmeaufnahme Uber einen Verdampfer und die Nutzwarmeabgabe
Uber einen Kondensator, handelt es sich urn Absorptionswarmepumpen (Kap.
2.2.1.), erfolgen die Warmeabgabe und -aufnahme durch nochmalige Absorption/Desorption (Resorption/Entgasung) urn Resorptionswarmepumpen (Kap.
2.2.2.).
Kompressions- und Sorptionswarmepumpen werden auch als kombinierte Systeme
eingesetzt (Kap. 2.3.), die zusatzlich mit Losungskreislauf ausgestattet
sein konnen (Kap. 2.3.2.).
Thermokompressoren (Kap. 2.4.) sind mechanisch betrieben und verdichten
als offene Systeme direkt die von einem verfahrenstechnischen ProzeB kommenden BrUden (dampfformige Abwarme). Die WarmeUbertragung an ein Kaltemittel wie bei den geschlossenen Systemen fallt daher weg.
Strahlwarmepumpen (Kap. 2.5.) sind als offene Systeme thermisch betrieben,
indem Abdampf durch hochgespannten Treibdampf (Kap. 2.5.1.) oder hochgespannte TreibflUssigkeit (Kap. 2.5.2.) verdichtet und auf ein hoheres
Temperaturniveau gehoben wird. In Abhangigkeit der Art des Treibmediums
spricht man von Dampfstrahlwarmepumpen (Treibmedium Sattdampf) und von
thermischen Warmepumpen (Treibmedium siedende F1Ussigkeit).
Unter Sonderformen von Warmepumpen (Kap. 2.6.) fallen die
pumpe und die Rotationswarmepumpe.
Peltierwarmepumpen nutzen den Peltiereffekt als Verfahren
trischen Warmeerzeugung und wurden in Versuchsanlagen zur
von Raumen eingesetzt (Kap. 2.6.1.). Rotationswarmepumpen
perimentellen Charakter (Kap. 2.6.2.).
Peltier-Warmezur thermoelekKlimatisierung
haben rein ex-
237
AbschlieBend sei die in der Literatur beschriebene chemische Warmepumpe
erwahnt, die aus einer Kombination endothermer und exothermer chemischer
Reaktionen besteht und mit den hier beschriebenen Warmepumpentypen nichts
gemeinsam hat (Kap. 2.6.2.).
Von den in der Systematik der Warmepumpen zusammengefaBten Warmepumpenarten konnen nur die folgenden Systeme im Bereich der verfahrenstechnischen Industrie wirtschaftlich eingesetzt werden (Kap. 5):
-
Kompressionswarmepumpen
Absorptionswarmepumpen
Kombinierte Kompressions-/Aesorptionswarmepumpen
Thermokompressoren
Damptstrahlwarmepumpen
Diese Warmepumpenarten lassen sich in bezug auf SystemfUhrung (offen/geschlossen) und auf Antriebsart (mechanisch/thermisch) in den nachstehenden tabellarisrhen Zusammenhang bringen.
ANTRIEB
mechanisch
c:
cu
III
.Q
~
~
~
thermisch
KOMPRESSIONS- ABSJRPT/ONSWARMEPUMPE
WARMEPUMPE
THERMO-
DAtvPFSTRAHL -
KOMPRE5S0R
WAAMEPUMPE
~
:::)
~
~
~
V)
~
....
0
238
Die exergetische Untersuchung der Warmepumpe zeigt, daB sich in exergetischer Hinsicht vier Typen von Warmepumpen definieren lassen (Kap. 1.3.2.).
Ober den Antrieb der Warmepumpe wird entweder reine Exergie (mechanischer
Antrieb) oder Exergie und Anergie (thermischer Antrieb) zugefUhrt.
In der Warmequelle erfolgt bei Nutzung von Umweltwarme die Aufnahme reiner
Anergie, bei der Nutzung von Abwarme die Aufnahme von Anergie und Exergie.
Die Einteilung der vier exergetischen Warmepumpentypen kann entsprechend
der nachstehenden Tabelle vorgenommen werden.
WAAMEQUELLE
Anergie
-t
ffJ
~
~
"(
Anergie + Exergie
TYP 1
TYP 2
TYP3
TYPt.
~
-91
~
QJ
~
+
-S!
~
QI
~
Der exergetische Vergleich der beiden geschlossenen Warmepumpenarten,
und zwar der Kompressions- und der Absorptionswarmepumpe zeigt, daB Absorptionswarmepumpen in allen Temperaturbereichen den Kompressionswarmepumpen exergetisch Uberlegen sind (Kap. 3.1.2.).
Absorptionswarmepumpen zeigen auch eine geringere Abhangigkeit der LeistungsgroBe von der Temperaturdifferenz zwischen Warmequelle und Warmesenke. Absorptionswarmepumpen passen sich daher schwankenden Warmequellentemperaturen wesentlich besser an als Kompressionswarmepumpen
(Kap. 2.3.1.1.).
239
Die Berechnung und Darstellung der Arbeitsbereiche von Warmepumpen (Kap.
3.1.) erfolgt am gUnstigsten in Abhangigkeit der Parameter
- exergetischer Wirkungsgrad
- Nutztemperatur
Diese Darstellung bringt den Vorteil, daB die Arbeitsbereiche aller Warmepumpenarten in bezug auf SystemfUhrung und Antriebsart direkt miteinander
verglichen werden konnen.
Die Leistungsbereiche mit den Parametern
- LeistungsgroBe (Leistungszahl bzw. Warmeverhaltnis)
- Nutztemperatur
konnen nur fUr mechanisch betriebene Warmepumpensysteme (Kompressionswarmepumpen, Thermokompressoren) und fUr thermisch betriebene Warmepumpensysteme (Absorptionswarmepumpen, Dampfstrahlwarmepumpen) verglichen werden.
da ein direkter Vergleich der Leistungszahl und des Warmeverhaltnisses
nicht moglich ist (Kap. 3.1.).
Ein Vergleich der Arbeitsbereiche von Kompressions- und Absorptionswarmepumpe zeigt wieder, daB die Absorptionswarmepumpe exergetisch gUnstiger,
d.h. mit hoherem exergetischen Wirkungsgrad arbeitet als die Kompressionswarmepumpe.
Der Einsatz von Warmepumpen im Bereich der verfahrenstechnischen Industrie
kann in den folgenden Aufgabengebieten erfolgen:
-
Destillationstechnik (Kap. 5.2.)
Verdampfungstechnik (Kap. 5.3.)
Trocknungstechnik (Kap. 5.4.)
Integrierte Energieversorgung (Kap. 5.5.)
Allgemeiner WarmerUckgewinn (Kap. 5.6.)
FUr Destillations-, Verdampfungs-, Trocknungsanlagen und fUr Anlagen zur
integrierten Energieversorgung ist in bezug auf den Warmepumpeneinsatz
240
kennzeichnend, daB sowohl die Warmequelle, d.h. der Abwarmeanfall als auch
die Warmesenke, d.h. der Nutzwarmebedarf in derselben verfahrenstechnischen Anlage liegen. Die Warmepumpe ist daher integrierter Bestandteil
des Systems.
Durch Warmepumpen zum allgemeinen WarmerUckgewinn wird Abwarme, die an
irgendeiner Stelle des Industriebetriebes anfallt, aufgewertet und einem
beliebigen Abnehmer zugefUhrt. Warmequelle und Warmesenke liegen nicht
mehr in derselben verfahrenstechnischen Anlage.
Warmepumpen zum allgemeinen WarmerUckgewinn sind nicht nur im Bereich der
verfahrenstechnischen Industrie, sondern in allen Industriezweigen einsetzbar.
Urn die Wirtschaftlichkeit von Warmepumpen im Bereich der verfahrenstechnischen Industrie zu untersuchen, wurden fUr die fUnf vorher genannten
Prozesse verschiedene Warmepumpensysteme technisch und wirtschaftlich berechnet und mit der konventionellen Anlage ohne Warmepumpe verglichen
(Kap. 6.).
Die Betriebsdaten der konventionellen Anlage stammen zum einen Teil aus
bestehenden Anlagen, zum anderen Teil aus der Literatur.
241
Die in Destillationsanlagen am gUnstigsten einzusetzenden Warmepumpenarten
sind:
- der Thermokompressor
- die Kompressionswarmepumpe
Als Warmequelle dieser Warmepumpensysteme dient der Kopfkondensator der
Kolonne, wobei die Kondensationswarme Uber den Verdichter aufgewertet und
zur Beheizung des Sumpfverdampfers genutzt wird (Kap. 6.1.).
Thermokompressoren konnen a1s offene Systeme empfohl en werden, wenn der
Destillatdampf gUnstige thermodynamische Eigenschaften besitzt bzw. wenn
die Sumpftemperatur der Kolonne Uber 1200 C liegt.
Bei ungUnstigen thermodynamischen Eigenschaften bzw. chemischer Agressivitat der Kopfdampfe werden Kompressionswarmepumpen fUr Sumpftemperaturen
bis 1200 C herangezogen.
Kompressionswarmepumpen arbeiten aufgrund der zusatzlichen Gradigkeit
der WarmeUbertragung im Verdampfer der Warmepumpe mit geringeren Leistungszahlen als Thermokompressoren.
Die Berechnung einer Gasnachverarbeitungsanlage brachte eine Reduktion
der Betriebskosten einer Propan/Butan-Pentan-Trennkolonne durch Einbau
eines Thermokompressors um 46 % (Kap. ~.1. ) bzw. durch Einbau einer
Kompressionswarmepumpe (2-stufig, R 11) um 19 %.
Die Betriebskosten von C2/C 2- bzw. von C3/C3-Trennanlagen liegen durch
das geringere Temperaturgefalle zwischen Kopf und Sumpf der Kolonne mit
Einsparungen bis 80 % (Kap. 5.2.6.) noch gUnstiger.
Da sich tiurch den Warmepumpeneinbau die verfahrenstechnische Auslegung
der Destillationsanlage andert, mUssen Warmepumpen bereits in der Planungsphase der Anlage berUcksichtigt werden. Der nachtragliche Einbau von
Warmepumpen in bestehenden Destillationsanlagen ist wirtschaftlich nicht
sinnvoll (Kap. 6.1.).
242
Warmepumpen konnen in Destillationskolonnen eine Reduktion der Betriebskosten und unter Umstanden auch eine Reduktion der Investitionskosten bringen (Kap. 6.1.). Eine Effizienz des Warmepumpeneinsatzes ist daher zumeist
gegeben.
In Verdampfungsanlagen kommen in den meisten Fallen Thermokompressoren
zum Einsatz. Die yom VerdampfungsprozeB abstromenden WasserdampfbrUden
werden dabei angesaugt und urn die Gradigkeit der WarmeUbertragung zur Beheizung des laufenden Prozesses verdichtet. Dadurch lassen sich Leistungszahlen in der GroBe von 10 - 15 erreichen (Kap. 5.3.).
Die Berechnung einer einstufigen Wasserdestillationsanlage mit Thermokompressor brachte im Vergleich zur konventionellen Anlage eine Reduktion der
Betriebskosten von 78 % und eine Amortisationszeit der Warmepumpe von
4 Monaten (Kap. 6.2.).
Durch den Einsatz eines Thermokompres~ors in einer zweistufigen Verdampferanlage zur Meerwasserentsalzung mit den Leistungsdaten einer bestehenden,
vierstufigen Anlage konnen 14 %der Betriebskosten eingespart werden. Die
Amortisationszeit errechnet sich zu 4.4 Jahren (Kap. 6.2.).
Durch e;ne vielstufige AusfUhrung konventioneller Verdampferanlagen und
eine Optimierung derselben konnen Betriebskosten erreicht werden, die knapp
gUnstiger liegen als beispielsweise die einer zweistufigen Verdampferanlage
mit Thermokompressor.
Die hier untersuchten Beispiele zeigen, daB Dampfstrahlwarmepumpen in Verdampferanlagen im allgemeinen unwirtschaftlicher als Thermokompressoren
(Kap. 6.2.) arbeiten.
Durch den Warmepumpeneinsatz in Trocknungsanlagen kann die in der feuchten Fortluft des Trockners enthaltene Warme rUckgewonnen und in aufgewerteter Form dem TrocknungsprozeB erneut zugefUhrt werden (Kap. 5.4.).
Die Berechnung einer Kompressionswarmepumpe in einer Papiertrocknungsanlage zur Versorgung betriebsinterner HeiBwasserverbraucher brachte
bei Bewertung der abgegebenen Warme mit dem angenommenen War-
243
mepreis eine Amortisationszeit der Warmepumpe von 5.9 Jahren (Kap. 6.3.).
Der Warmepumpeneinsatz zur Blaslufterhitzung ist wirtschaftlich nicht
sinnvoll, da die Einsparung an Dampfkosten und der Mehraufwand an Stromkosten fUr den Kompressorantrieb gleich hoch ausfallen.
Der Bedarf einer integrierten Energieversorgung besteht dann, wenn ein
verfahrenstechnischer ProzeB sowohl gekUhlt als auch beheizt werden muB.
FUr Anlagen zur integrierten Energieversorgung kommen vor allem geschlossene Warmepumpensysteme, d.h. Kompressions- und Absorptionswarmepumpen
zum Einsatz (Kap. 5.5.).
Die Berechnung dreier Kompressionswarmepumpen und einer Absorptionswarmepumpe in einer Anlage zur integrierten Energieversorgung brachte fUr
einen gewahlten VergleichsprozeB eine Einsparung an Betriebskosten von
ca. 50 % (Kap. 6.4.).
Die Amortisationszeiten der Warmepumpe liegen zwischen 2 und 2.5 Jahren.
Die wirtschaftlich gUnstigste Warmepumpe war die Absorptionswarmepumpe,
die den Kompressionswarmepumpen sowohl in den Betriebskosten bzw. den
jahrlichen Gesamtkosten als auch in der Amortisationszeit Uberlegen war.
Die in Destillations-, Verdampfungs-. Trocknungsanlagen und in Anlagen
zur integrierten Energieversorgung berechneten Warmepumpen sind. wie bereits vorher ausgefUhrt. integrierter Bestandteil der verfahrenstechnischen Anlage.
Die durch die Warmepumpe erzeugte Nutzwarme wird in derselben Anlage
wiedereingesetzt und muB daher keiner kostenmaBigen Bewertung von auBen
unterworfen werden.
Die Amortisation dieser Warmepumpen errechnet sich daher Uber die jahrlichen Betriebskosteneinsparungen im Vergleich zu konventionellen Anlage
und die Investitionskostensumme.
Bei Anlagen zum allgemeinen WarmerUckgewinn kann die an einer Stelle des
Industriebetriebes erzeugte Nutzwarme nicht in derselben Anlagen wiedereingesetzt werden, sondern wird nach auBen abgegeben. Diese Warmeabgabe
244
("Verkauf") bewirkt aber die Notwendigkeit einer kostenmaBigen Bewertung
dieser Warmeenergie.
Die Amortisation von Warmepumpen zum allgemeinen WarmerUckgewinn errechnet sich daher aus den jahrlichen RUckflUssen (jahrliche Ertrage aus dem
"Warmeverkauf" minus der jahrlichen Betriebskosten) und der Investitionskostensumme.
Zum allgemeinen WarmerUckgewinn werden fast ausschlieBlich geschlossene
Warmepumpensysteme eingesetzt (Kap. 5.6.).
Die Warmepumpenauswahl kann mit Hilfe des im Anhang der Arbeit dargestellten FlieBschemas vorgenommen werden.
Urn die Wirtschaftlichkeit verschiedener Warmepumpensysteme zum allgemeinen
WarmerUckgewinn fUr einen gewahlten VergleichsprozeB zu berechnen, wurden
acht unterschiedliche Warmepumpen herangezogen (Kap. 6.5.).
Aus der Berechnung der jahrlichen Gesamtkosten folgt, daB die Absorptionswarmepumpe mit zweistufiger Verdampfung die gUnstigste Warmepumpenart
darstellt. Ihre jahrlichen Gesamtkosten liegen urn 30 % niedriger als die
ei ner zwei stufi gen Kompressi onswarmepumpe (Tab. 20.).
Kombinierte Kompressions-/Absorptionswarmepumpen haben zwar niedrigere
jahrliche Gesamtkosten als Kompressionswarmepumpen, liegen aber im Vergleich zur zweistufigen Absorptionswarmepumpe in den jahrlichen Gesamtkosten urn 23 % hoher (Kap. 6.5.).
Die Amortisationszeiten von Warmepumpen zum allgemeinen WarmerUckgewinn
hangen
- von der Hohe des Warmepreises
- von der jahrlichen Betriebsstundenzahl
abo
Bei Bewertung der gelieferten Nutzwarme mit dem angenommenen
Warmepreis liegen die Amortisationszeiten fUr 4 000 jahrliche Betriebsstunden zwischen 3.7 und 6.4 Jahren (Tab. 2.1.).
245
Dabei liefert eine Absorptionswarmepumpe mit zweistufiger Verdampfung mit
3.7 Jahren eine urn ca. 40 % niedrigere Amortisationszeit als eine zweistufige Kompressionswarmepumpe (6.4 Jahre).
Absorptionswarmepumpen sind daher fUr den Einsatz zum allgemeinen industriellen WarmerUckgewinn aufgrund der niedrigeren jahrlichen Gesamtkosten und der kUrzeren Amortisationszeit wesentlich besser geeignet als
Kompressionswarmepumpen.
Wie in den SchluBfolgerungen aus den Ergebnissen dieser Arbeit bereits
angedeutet wurde. hat die kostenmaBige Bewertung der verschiedenen Energieformen und das Verhaltnis Strompreis zu Dampfpreis einen wesentlichen
EinfluB auf die Wirtschaftlichkeit der Warmepumpe.
Die Kostenaufteilung Strom - Dampf wurde in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nach der Grenzkostenrechnung vorgenommen /245/. indem die eigenerzeugte elektrische Energie mit den Kosten der fremdbezogenen bewertet wurde.
Die zur Berechnung herangezogenen verfahrenstechnischen Anlagen wurden
energetisch als Einzelanlage und nicht als Teil eines betrieblichen Energieverbundes betrachtet.
Kompressionswarmepumpen sind heute durch ihren zahlreichen Einsatz zur
Gebaudebeheizung technisch weiter entwickelt als Absorptionswarmepumpen.
Die wirtschaftliche Oberlegenheit der Absorptionswarmepumpe gegenUber der
Kompressionswarmepumpe. vor allem zur allgemeinen WarmerUckgewinnung.
rechtfertigt eine gezielte technische Entwicklung von industriellen Sorptionswarmepumpen fUr die zahlreichen Einsatzmoglichkeiten im Bereich der
Industrie.
Offene Warmepumpensysteme (vor allem Thermokompressoren) sind technisch
ausgereift und konnen in Verdampfungs- und Destillationsanlagen und in
den damit verbundenen Industriebereichen schon heute wirtschaftlich eingesetzt werden.
246
Es mu6 sich also bei Anlagenplanern und bei Betreibern energieintensiver
Anlagen ein "Warmepumpendenken" durchsetzen, damit beim Bau einer industriellen Anlage schon in der Planungsphase die wirtschaftlichen Moglichkeiten des Warmepumpeneinsatzes berUcksichtigt werden.
Denn nur so kann der fortschreitenden Abnahme unserer Primarenergievorrate langfristig begegnet werden.
8. BEMERKUNGEN ZUR DEFINITION UND VERWENDUNG DES BEGRIFFES DER EXERGIE
Schon 1824 zeigte CARNOT, da8 aus einer Warmemenge Q, die bei €iner Temperatur T zur VerfUgung steht, bei der Umgebungstemperatur Tu maximal die
Arbeit E gewonnen werden kann. Dieses Arbeitsvermogen wird als Exergie
bezeichnet.
T
T
J
s
Fig. 148: Carnot-Proze8 im T/s-Diagramm
Man denkt sich die Warme einem Carnot-KreisprozeB (Fig. 148) zugefUhrt.
Vor dem Verdichter wird die Warmemenge Qu bei Umgebungstemperatur abgefUhrt. Mit Hilfe des 1. Hauptsatzes errechnet sich die Arbeit, die bei
der Expansion gewonnen werden kann, abzUglich der bei der Verdichtung benotigten Arbeit wie folgt:
E = Q - Qu
Q = T (51 - 52)
Qu = Tu (51 - S2)
(53)
(54)
248
(55)
Mit Gleichung (53) ergibt sich:
E
=Q.
T - Tu
T
(56)
T
T
Q
T
Q
Fig. 149: Grafische Darstellung der Carnot-Beziehung
Die Gleichung (56) gilt nur, wenn die Warme bei einer konstanten Temperatur (z.B. bei der Kondensation) anfallt. In vielen Fallen wird aber die
Warme bei gleitender Tempera~ur, das heiBt im Bereich zwischen Tl und T2
frei. Es darf dann trotzdem mit diesen Beziehungen gerechnet werden, jedoch ist fUr T die thermodynamische Mitteltemperatur einzufUhren. Diese
ist allgemein definiert durch /33/:
Tm = --Q--
(57)
Die vereinfachte Berechnung Uber die Enthalpien gilt nur, wenn keine technische Arbeit mit der Umgebung ausgetauscht wird.
249
Wird die Warme gleichma6ig Uber den gesamten Temperaturbereich abgegeben
(d.h. die spezifische Warme cp ist konstant), kann die thermodynamische
Mitteltemperatur mit Gleichung (58) berechnet werden.
(58)
In diesem Buch wird auBer im Kap. 1.3.1. bei der Berechnung des Exergieverlustes beim WarmeUbergang auf die EinfUhrung der mittleren Temperatur verzichtet, da sie nur bei Kenntnis ~ller Stoffdaten exakt zu berechnen ist
und so z.B. keine allgemeinen Aussagen Uber den exergetischen Wirkungsgrad
von Warmepumpen mit verschiedenen Kaltemitteln gemacht werden konnen.
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3. DIE
W~RMEPUMPE
IN VERFAHRENSTECHNISCHEN PROZESSEN
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Ziesling, K.: Neue Einsatzbereiche und verbesserte Konstruktionen von Verdichtern in der Verfahrenstechnik. Verfahrenstechnik 7, Nr. 6, 1973, S. 179 - 183.
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Schindelhauer, G.: Kreiskolbenverdichter im Einsatz fUr Warmepumpen. VDI-Berichte Nr. 289, 1977, S. 21 - 25.
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Hertges, Th.: Vielzellenverdichter beim Einsatz in Warmepumpen.
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LUdtke, K.: Turboverdichter im Einsatz fUr Warmepumpen. VDI-Berichte Nr. 289, 1977, S. 43 - 52.
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Moderegger, H.H.: Der Einsatz von Turboverdichtern in Warmepumpenanlagen. Warmepumpen, Vulkan-Verlag Essen, 1978, S. 145152.
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Hartmann, K.: Turbokaltemaschinen in Warmepumpensystemen.
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Hartmann, K.: Offene oder hermetische Turbokaltemaschinen?
Klima + Kalteingenieur 7, 1973, S. 13 - 18.
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Emblik, E.: Kalteanlagen mit olfreien Kompressoren fUr die
chemische Industrie. Kaltetechnik, 16. Jahrg., Nr. 6, 1964,
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Schmitz, U.: Auslegung von luftbeaufschlagten Verdampfern von
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Slipcevic, B.: Vereinfachte Auslegung von Trockenexpansionsverdampfern. Chemie-Technik, 5. Jahrg. Nr. 9, 1976, S. 367 371.
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Ruosch, E.: Leittechnik bei groBen Anlagen. VDI-Berichte Nr.
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Gasparovic, N.: HeizwarmerUckgewinnung aus Gasturbinenabgasen.
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Nr. 222. 1974, S. 89 - 99.
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Gneuss, G.: Kraft-Warme-Kupplung in Industriebetrieben - Dezentralisierter ~nergieverbund spart Primarenergie und Kosten.
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zur optimal en BetriebsfUhrung.
Wochenblatt fUr Papierfabrikation, Nr. 9, 1977, S. 310 - 318.
SACHVERZEICHNIS
Absorptions-Kompressionswarmepumpe 98
Absorptionswarme 70
Absorptionswarmepumpe 69, 84
Amortisationszeit 117, 184
Anergie 18
Arbeitsbereich allgemein 121
Kompressionswarmepumpe 124
Sorptionswarmepumpe 128
Strahlwarmepumpe 137
Thermokompressor 130
Arbeitsmedien Kompressionswarmepumpe 145
Mehrstoff-Kompressionswarmepumpe 156
Sorptionswarmepumpe 149
Austreiber 69
Auswahlkriterien 142
azeotrope Kaltemittelgemische 156
azeotrope Mehrstoff-Kompressionswarmepumpe 61
Berechnung von Warmepumpen 207
Betriebsverhalten 97
BrUdenkompression 101
BrUdenwascher 188
Carnot-ProzeB 7
chemische Warmepumpe 120
Dampfstrahlverdichter 107
Dampfstrahlwarmepumpe 106
Dampfturbine 55
Destillation 168, 175, 209
Dieselmotor 55
277
Druck in der Warmepumpe 17, 147
Druckverhaltnis 146
elektrische Warmepumpe 49
EnergierUckgewinnung bei der Destillation 172
Energieversorgung 200
Entgaser 59, 88
Entgasungsbreite 60, 89, 150
exergetischer Wirkungsgrad 30, 33, 41, 103
Exergie 18, 247
Exergiediagramm 28
ExergiefluBbild allgemein 21
von Warmepumpen 31
Expansionsmaschine 197
Expansionsverhaltnis 107
Frigen 235
Gasnachbereitungsanlage 209
Gasturbine 55
Gaswarmepumpe 52
gegenlaufige Absorptionswarmepumpe 84
gegenlaufige Resorptionswarmepumpe 89
gleitende Verdampfungstemperatur 63
Grenzkostenrechnung 208
GUtegrad 73
Hauptsatze der Thermodynamik 20
HeiBflUssigkeits-Strahlpumpe 115
Hochdruckkaltemittel 148
Hochtemperatur-Warmepumpe 56
industrieller Warmepumpeneinsatz 164
innerer Warmetausch 79
integrierte Energieversorgung 200, 222
278
Joule-ProzeB 11, 57
KaltdampfprozeB 6, 44
Kaltemittel 145
KaltgasprozeB 10, 57
Kaltluft-Warmepumpe 57
Kaskadenschaltung 46
Kompressions-Sorptionswarmepumpe 98
Kompressionswarmepumpe mit Losungskreislauf 58
ohne Losungskreislauf 44, 49, 121
Kraftheizung 55
kritische Temperatur 147
kritischerDruck 147
Leistungsbereich allgemein 122
Kompressionswarmepumpe 125
Sorptionswarmepumpe 130
Strahlwarmepumpe 139
Thermokompressor 134
Leistungszahl 13, 91
Lorenz-ProzeB 12, 59
Losungsfeld 150
Losungskreislauf 71, 85
Losungsmittel 149
Meerwasserentsalzung 201, 216
Nahrungsmittelindustrie 187
Nesselmann-DreiecksprozeB 12
nichtazeotrope Kaltemittelgemische 157
nichtazeotrope Mehrstoff-Kompressionswarmepumpe 62
Niederdruckkaltemittel 147
Nutzungskriterien fUr Warmequellen 162
279
Ottomotor 55
Papierindustrie 188, 194, 197, 218
Parallelbetrieb 172, 184
Peltierwarmepumpe 118
Primarenergie 1, 42
Primarenergienutzungsgrad 42, 91
Regelung 60, 65, 81
Rektifikator 70
Rektifiziersaule 66
Resorber 59, 87
Resorptionswarmepumpe 87
Rotationswarmepumpe 119
Sorptionswarmepumpen 67, 121
spezifische Anlagenkosten 165
Stirling-ProzeB 11
Strahlwarmepumpe 106, 122
Summenwirkungsgrad 33
Templifier 56
thermische Kompression 68
thermische Warmepumpe 115
thermodynamische Mitteltemperatur 248
Thermokompressor 101, 121
Trocknungstechnik 193, 218
Verdampfungstechnik 187, 214
Verdichtungsverhaltnis 17, 146
verfahrenstechnische Industrie 164
Vergleichsleistungszahl 146
volumetrische Heizleistung 16, 146
280
Warmepumpe Definition 235
exergetische Beurteilung 42
exergetische Typen 29
Funktionsweise 5
in der Destillationstechnik 168, 175, 209
in der Nahrungsmittelindustrie 187
in der Papierindustrie 58, 188, 194, 197, 218
in der Trocknungstechnik 193, 218
in der Verdampfungstechnik 187, 214
in der verfahrenstechnischen Industrie 164
offener ProzeB 10
Prinzip 5
realer ProzeB 9
Regelung 60, 65, 81
Systematik 44
theoretischer ProzeB 8
zur Energieversorgung 200, 222
zur Meerwasserentsalzung 201, 216
zur WarmerUckgewinnung 225
Warmequellen 161
Warmestromverhaltnis 30, 36, 38
WarmeUbergang 64
Warmeverhaltnis 29, 72, 74, 91
Wirkungsgrad 15, 91
Zuckerindustrie 188
Zwischenkondensator 176
Zwischenverdampfer 176