Absorptionskältemaschinen (AKM) können einen Beitrag zu einer energieeffizienten und klimafreundlichen Kältebereitstellung leisten. Eine genaue Anlagenauslegung erfordert die Berücksichtigung der Prozesse in den Einzelapparaten der AKM sowie deren Wechselwirkung im systemischen Zusammenhang. Detaillierte Kenntnisse über die Transportprozesse in Austreiber und Absorber sind hierfür notwendig.
Daher wird für experimentelle Untersuchungen eine Absorptionskältemaschine entwickelt und als Versuchsanlage im Labormaßstab aufgebaut. Charakterisierende Größen wie Kälteleistung und thermische Leistungszahl (COP) werden im Versuchsbetrieb erfasst. Ergänzend werden die Transportprozesse in Absorber und Austreiber untersucht. Temperaturen und Volumenströme externer Wärmequellen und –senken sowie der prozessintern zirkulierenden Lösung werden variiert.
Die Kälteleistung nimmt mit steigender Temperatur im Verdampfer und Austreiber zu. Die Steigerung der Temperatur im Absorber und Kondensator führt zu einer Abnahme der Kälteleistung. Nahezu in gleicher Weise verhält sich der COP in Abhängigkeit der vorgenannten Parameter. Lediglich die Abhängigkeit des COPs von der Temperatur im Austreiber wird zusätzlich durch die Temperatur im Verdampfer beeinflusst. Zusammenfassend lassen sich diese Zusammenhänge durch die Temperaturabhängigkeit der Entgasungsbreite erklären, die ein Maß für die Fähigkeit der Lösung ist, Kältemittel aufzunehmen. Die Erhöhung des umlaufenden Lösungsvolumenstroms in der AKM führt zu einer Reduktion von Kälteleistung und COP. Dies ist auf die von der zusätzlichen Lösung im Austreiber aufgenommenen, sensiblen Wärme zurückzuführen, die im Absorber wieder abgeführt wird. Somit verringert sich der Anteil der latent durch die Absorption von Kältemittel übertragenen Wärme. Dem gegenüber führt eine Erhöhung des Lösungsvolumenstroms zu einer Verbesserung des Wärmeübergangs in Austreiber und Absorber durch eine stärkere Durchmischung des Flüssigkeitsfilms und eine besseren Benetzung der Wärmeübertrageroberfläche. Der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen auf die Transportprozesse lässt sich auf die damit verbundene Änderung der Stoffeigenschaften der Lösung erklären.
Zur Beschreibung der Einflüsse und Wechselwirkungen wird ein Simulationsmodell des Absorptionskreislaufes entwickelt, in dem die Transportprozesse in allen Apparaten detailliert berücksichtigt werden. Die Resultate der Simulation stimmen gut mit den experimentellen Daten überein.
Aktualisiert: 2019-12-27
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In der vorliegenden Arbeit wird eine experimentelle und theoretische Untersuchung einer solarbetriebenen, diskontinuierlich arbeitenden trockenen Absorptionskälteanlage vorgestellt.
Ausgehend von der Idee einer einfach aufgebauten Kälteanlage mit einer geringen Kälteleistung (ausreichend z.B. zur Kühlung von Medikamenten) wurde ein Prototyp aufgebaut und in einem Feldversuch getestet.
Das Grundprinzip dieser Art der Kälteerzeugung ist die chemische Absorption eines Kältemitteldampfes (z.B. Ammoniak NH3) von einem Salz, dem sogenannten Absorbens.
Die beiden Reaktoren, in denen sich das Absorbens befindet, sind direkt in einen schwach konzentrierenden Kollektor eingebaut, um die für die Desorption des NH3 erforderliche hohe Temperatur zu erreichen. Die Anlage besetzt kein einziges bewegtes Teil, weder im NH3 - System, noch in einem sekundären Kühlkreislauf. Ermöglicht wird dies durch vier waagrechte Wärmerohre. Während der Desorption erfolgt ein Wärmetransport in die Reaktoren und während der Absorption erfolgt der Wärmetransport aus den Reaktoren.
Aufgrund dieser Technik regelt sich der Prozess vollständig selbst über die Temperaturen in den Reaktoren.
Die experimentelle Untersuchung in einem Freilandversuch hat gezeigt, dass eine trockene Absorptionskälteanlage mit geringer Leistung durch die Verwendung von Wärmerohren ohne jegliches bewegtes Teil betrieben werden kann. Trotz der auftretenden Wärmeverluste durch die immer wiederkehrende Abkühlung und Aufheizung der Anlagenteile, wurden Wärmeverhältnisse im Bereich von 0.045 bis 0.082 bei einer durchschnittlichen Dauerkälteleistung von 15 W erreicht.
Weiterhin wird ein Rechenmodell für eine solarbetriebenen trockene Absorptionskälteanlage vorgestellt. Die Grundlage der Berechnungen bildet die numerische Berechnung des Reaktors mit dem ADI-Verfahren, Das Rechenmodell basiert auf der zweidimensionalen, instationären Fourierschen Wärmeleitgleichung. Berücksichtigt werden die inneren Wärmequellen und –senken bei der chemischen Reaktion, sowie die anisotrope Wärmeleitfähigkeit der Absorbenzien.
In einer Langzeituntersuchung des Arbeitsstoffpaares NH3 /SrCl2 wurden mehr als 2000 Zyklen bestehend aus Absorption und Desorption absolviert. Dabei nahm die zyklierte NH3 – Masse um ca. 6 % ab. Die Zeit, die für die Desorption von 50 % des NH3 erforderlich ist vergrößerte sich von 47 Minuten auf 60 Minuten.
Mit der Langzeituntersuchung konnte gezeigt werden, dass ein problemloser Dauerbetrieb einer diskontinuierlich arbeitenden trockenen Absorptionskälteanlage über lange Zeit möglich ist.
Aktualisiert: 2020-03-09
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In der vorliegenden Arbeit werden rechnergestützte Verfahren anhand verschiedener
Programme (ANSYS, EES, und V BASIC) zur Simulation und Optimierung der Komponentengeometrie
sowie der stationären Betriebsweise des Gesamtsystems von solarbetriebenen
Absorptionskältemaschinen, die bei niedrigen Antriebstemperaturen (ab 50 °C) betrieben
werden sollen, entwickelt. Die Simulationsmodelle werden an Messungen verifiziert und dann
auf einige Problemstellungen angewendet.
Zur Realisierung des Zieles (Austreibung ab 50 °C) wird das im Fachgebiet untersuchte neue
Arbeitsstoffpaar Aceton-Zinkbromid eingesetzt. Die dafür erforderlichen thermophysikalischen
Stoffdaten sowie die in der Kältetechnik sehr häufig verwendeten Arbeitsdiagramme
(Log P, T; h, T; h, ζ und ζ, T) für die Lösung Aceton-Zinkbromid und Mollier log P, h-
Diagramm für das reine Aceton wurden berechnet, dargestellt, korreliert, diskutiert und mit
der Literatur verglichen.
Die Simulationsergebnisse haben die Einsatzmöglichkeit des neuen Arbeitsstoffpaares als
Arbeitsmittel in der Niedertemperatur betriebener Absorptionskältemaschine bestätigt.
Aktualisiert: 2020-02-05
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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen und theoretischen Untersuchung von Eisbildungs- und Schmelzprozessen in einem Eisspeicher.
Ausgangspunkt war das Ziel, einen Eisspeicher für den Verbund mit einer solar betriebenen Absorptionskältemaschine auszulegen, zu bauen und zu optimieren. Für die Auslegung und den Bau des Eisspeichers bzw. dessen Wärmeübertrager aus Kupfer-Glattrohr wurden Berechnungspro-gramme zur Abbildung des Betriebsverhaltens in MATLAB erstellt. Grundlage hierfür war die Vermessung von Wärmeübertragern aus Glatt- und Wellrohr. Anhand dieser Programme kann die Optimierung bereits gebauter Wärmeübertrager aber auch die Auslegung neuer Bauformen statt-finden. Zudem ermöglichen sie die Untersuchungen verschiedener Einflussfaktoren auf die Wärmeübertragungsvorgänge im Eisspeicher. Diese sind die Beladungs- und Entladungstempe-raturen, Massenströme oder die Speichermasse. Zur Quantifizierung der freien Konvektion im vertikalen Schmelzspalt bei der Entladung des Eisspeichers dient eine aus Messdaten hergeleitete Nusselt-Korrelation.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit setzt sich mit Eisbildung und Schmelzen an Wellrohren auseinan-der. Mit einem Wärmeübertrager aus Wellrohr fanden Beladungs- und Entladungsversuche am Eisspeicher statt. In MATLAB erstellte Programme zur Berechnung der Erstarrungs- und Schmelzprozesse wurden anhand von Messdaten bewertet. Da keine Nusselt-Korrelationen für den inneren und äußeren Wärmeübergang am Wellrohr bekannt waren, fand eine Abschätzung geeigneter Korrelationen anhand der Wilson-Plot-Methode statt.
Der Wärmeübertrager aus Wellrohr erreicht eine deutlich höhere Übertragungsleistung als die untersuchten Wärmeübertrager aus Glattrohr. Wesentlich verantwortlich dafür ist dessen um den Faktor 2 bis 3 größere Übertragungsfläche. Eine Verbesserung des Wärmeübergangs durch die Wellrohrkontur war nicht festzustellen. Der äußere Wärmeübergang lässt sich ausreichend genau mit einer um den Faktor 0,65 korrigierten Nusselt-Korrelation von Churchill und Chu für waag-rechte Glattrohre beschreiben. Die Berechnung des inneren Wärmeübergangs ist mit einer Korre-lation nach Gnielinski für Rohrwendeln aus Glattrohr möglich.
Zur Abbildung der Betriebscharakteristika des Eisspeichers wurde für TRNSYS ein Unterpro-gramm erstellt. Dieses Unterprogramm ist Bestandteil des von Zetzsche entwickelten TRNSYS-Modells zur Untersuchung des Betriebsverhaltens eines Gebäudekühlsystems. Die Kälteleistung zur Kühlung der Räume und der Beladung des Eisspeichers wird von einer solar angetriebenen Absorptionskältemaschine erzeugt.
Das TRNSYS-Unterprogramm zur Abbildung des Eisspeichers basiert auf anhand von Messda-ten berechneten Funktionen für das Wärmeübertragungsvermögen kA in Abhängigkeit von der übertragenen Energiemenge.
Aktualisiert: 2020-03-05
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Zur Schonung der fossilen Energiequellen ist bei der Anwendung von Technologien der Energieverbrauch so niedrig wie möglich zu halten. Dies kann erreicht werden durch eine optimale Prozessauslegung und zusätzlich durch die Verwendung von regenerativen Energiequellen, die die Energievorräte der Erde nicht belasten.
Ein Anwendungsfall ist die Klimatisierung von Gebäuden. Hier bietet sich aus Gründen der Energieeinsparung die Kombination einer Absorptionskältemaschine (AKM) mit einem Sonnenkollektor an.
Aktualisiert: 2020-03-09
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