Wege zu einer globalen HFKW Regulierung in 2016
Personal viewpoints of the author 2016 TEAP Task Force Reports chair/cochair,
Lambert Kuijpers, Consultant, Niederlande
Übersicht über zukünftige Energieträger in den USA, Entwicklungen
Kältemittel, Verdichter und andere Komponenten
Prof. Dr. Reinhard Radermacher, University of Maryland, USA
Ergebnisse und Konsequenzen aus dem Klimaschutzabkommen von Paris
Dipl.-Ing. Volker Weinmann, Rotex Heating Systems GmbH (Daikin Group),
Güglingen, und stellv. Vorsitzender des IZW e.V.
Status der Verwendung von Wasser - R-718 als Kältemittel
Dr.-Ing. Jürgen Süß, efficient energy GmbH, Feldkirchen
Container-Kühlung - Alternativen für den globalen Einsatz
Dipl.-Ing. Holger König, ref-tech - Ingenieurbüro, Kressbronn
Kundenmehrwert über das Produkt hinaus – von der Komponente
zur optimierten Baugruppe
Dr.-Ing. Frank Rinne, Emerson Climate Technologies GmbH, Welkenraedt, Belgien
TIC Technology and Innovation Centre in Osaka
Dipl.-Ing. Felix Flohr, Daikin Chemicals Europe GmbH, Hannover
Application Development Centers - Innovationen aus dem Systemgedanken
Dipl.-Ing. Stefan Pietrek, Danfoss GmbH, Offenbach
Aktualisiert: 2020-03-05
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01 Begrüßung von Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse, BITZER-Professur für Kälte-, Kryo- und
Kompressorentechnik der TU Dresden und Vorsitzender des DKV
02 "Klimaziele und Klimapolitik der Bundesregierung" von Dr. Harald Kohl, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit
03 "Control Strategies: Strategien zur Überhitzungsregelung - Verschiebung der MSS" von
Paul McGahan, Honeywell GmbH, Cooling Solutions
04 "Untersuchung von CO2 Ejektoren" von Fabian Ahrendts, TUBraunschweig, IfT
05 "Neuartige Kreislaufvariante zur Einbindung eines CO2-Expanders" von Dr.-Ing. Jörg
Nickl, BITZER-Professur der TU Dresden
07 "Energieeffizienz & Klimaschutz - Welchen Beitrag leisten Wärmeübertrager"
von Michael Freiherr, Güntner GmbH & Co.KG
08 "Innovative Wärmeübertrager im Flügelrohr-Design" von Johann Witschel, Bundy
Refrigeration GmbH
09 "Organic Rankine Cycle - neue Perspektiven mit Komponenten der Kältetechnik" von
Dr.-Ing. Andreas Schuster, Orcan Energy AG
10 Abgasexergienutzung mittels CRC (Clausius Rankine Cycle)" von Dr.-Ing. Jörg
Nickl, BITZER-Professur der TU Dresden
11 "Alternativen zum Kältemittel R-23!" von Dr.-Ing. Robin Langebach, BITZER Professur
der TU Dresden
12 "Wrap-Up - Zusammenfassung und Schlusswort" von Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse,
BITZER-Professur der TU Dresden
Aktualisiert: 2020-03-05
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Es wurden der Wärmeübergang, der Druckverlust und die Strömungsform beim Strömungssieden im horizontalen, innenstrukturierten Rohr untersucht.
Die Messungen des Wärmeübergangskoeffzienten und des Druckverlusts wurden mit den Kältemitteln R407C und R410A bei Sättigungstemperaturen zwischen -30 und +10 oC, Wärmestromdichten zwischen 1000 und 20000 W/m2, Massenstromdichten zwischen 25 und 300 kg/m2s und Dampfgehalten zwischen 0,1 und 1,0 durchgeführt.
Die gemessenen Wärmeübergangskoffzienten werden mit berechneten Werten der Korrelationen von Shah, Liu und Winterton, Yun et al., Cavallini et al., Chamra und Mago, Kattan et al. sowie Zhang et al. verglichen. Die mittlere Abweichung beträgt zwischen 33,0% und 171,9%. Die Werte streuen stark. Es wird eine neue Nusselt-Korrelation hergeleitet. Die mittlere Abweichung der berechneten von den gemessenen Werten beträgt 9,8%. Im Bereich ±30% liegen 94,2% der Messwerte.
Die gemessenen Druckverluste werden mit berechneten Werten der Korrelationen von Pierre, Choi et al., Kuo und Wang, dem VDI-Wärmeatlas sowie Müller-Steinhagen und Heck verglichen. Die mittlere Abweichung beträgt zwischen 20,8% und 96,7%. Die Korrelationen berechnen nur den Reibungsdruckverlust oder sind in ihrem Gültigkeitsbereich eingeschränkt. Es wird eine neue Korrelation zur Berechnung des Gesamtdruckverlusts hergeleitet. Die mittlere Abweichung beträgt 18,1%. Im Bereich ±30% liegen 83,1% der berechneten Werte.
Die Messungen der Strömungsform wurden mit R134a bei der Sättigungstemperatur +10 oC, der Wärmestromdichte 10000 W/m2, Massenstromdichten zwischen 15 und 300 kg/m2s und Dampfgehalten zwischen 0,1 und 0,9 durchgeführt. Die Strömungsform wurde mit einem Laser-Wegmesssensor gemessen.
Aufgrund des unterschiedlichen Benetzungsverhaltens sind Strömungsformkarten für Glattrohre nicht zur Bestimmung der Strömungsform in innenstrukturierten Rohren geeignet. Durch die Helixstruktur der Rippen kommt es im innenstrukturierten Rohr zu einer neuen Strömungsform der Helixströmung. Dabei strömt die Flüssigphase helixförmig durch das Messrohr. Wegen der großen benetzten Oberfläche steigt dadurch der Wärmeübergangskoeffzient an.
Es werden die Grenzkurven einer neuen Strömungsformkarte für horizontale innenstrukturierte Rohre hergeleitet.
Aktualisiert: 2020-03-05
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Die Dissertation mit dem Titel: „Das Kältesystem mit Admission (Economizer)“ ist eine umfangreiche Aufarbeitung von Dampfkompressionskältesystemen, bei denen bei der Entspannung ein Gasstrom über Verdampfungsdruck erzeugt wird welcher schließlich der Verdichtung bei diesem erhöhten Druck zugeführt wird. Diese Art von Systemen wird in der Arbeit als Admissionssysteme, der Zugabeprozess von Gas in den fortschreitenden Verdichtungsprozess eines Verdrängungsverdichters als innere Admission bezeichnen. Die Schrift besteht aus vier weitestgehend autonomen wissenschaftlichen Arbeiten.
Die erste Arbeit ist ein umfangreicher Review zum Thema Admissionssysteme und Verdichter mit innerer Admission um das veröffentlichte Wissen zum Thema zusammenzutragen und durch die geschaffene Terminologie in einen strukturierten Bezug zu setzen. In diesem Zusammenhang werden allgemeine, vom Autor erarbeitete, Berechungsmodelle vorgestellt und deren Ergebnisse für alle üblichen Kältemittel präsentiert.
Einem weiteren Schwerpunkt, der Definition von Kennzahlen, die das Verhalten des Verdichters mit innerer Admission eindeutig beschreiben, ist ein eigenständiges Kapitel gewidmet. Es zeigt sich, dass es, anders als beim den Sauggasmassenstrom beschreibenden Liefergrad eines Verdichters, keine direkt mit geometrischen Verdichtergrößen und aus Messwerten resultierenden thermodynamischen Zustandsgrößen darstellbare Bezugsgröße zur Definition eines den Admissionsgasmassenstrom beschreibenden Liefergrades gibt. Daher werden mehrere mögliche Vergleichsprozesse zur Definition einer solchen Kennzahl vorgeschlagen und gegenübergestellt. Darauffolgend wird diskutiert, welche Einflussfaktoren eine Reduktion des den zugeführten Gasstrom beschreibenden Admissionsliefergrades zur Folge haben.
In einem weiteren Abschnitt wird die innere Admission der verschiedenen gängigen Verdichterbauarten (Schraubenverdichter, Spiralverdichter, Hubkolbenverdichter) untersucht. Aus Mangel an vergleichbarem Datenmaterial erfolgt die Gegenüberstellung vor allem qualitativ. In diesem Abschnitt werden die bereits erwähnten Einflussfaktoren für die verschiedenen Verdichterbauarten diskutiert. Es folgt eine vergleichende Diskussion der Verdichterbauarten mit Blick auf den inneren Verdichtungsprozess mit innerer Admission anhand von Indikatordiagrammen.
Basierend auf den Erkenntnissen der zuvor gemachten Studien wird die innere Admission eines Hubkolbenverdichters, wie 1905 von Voorhees patentiert, theoretisch, wie auch experimentell untersucht. Eine grundlegende thermodynamische Studie des Verdichtungsprozesses resultiert in einem Berechnungsverfahren zur Bestimmung des theoretisch maximal zu erzielenden Admissionsmassenstroms nach Ergänzung eines gegebenen Verdichters mit einer Admissionsöffnung in der Zylinderwandung und der hierzu aufzubringenden erhöhten Leistungsaufnahme.
Der gewählte Ansatz basiert lediglich auf dem als bekannt vorausgesetzten Liefergrad und Gütegrad des um die Admission erweiterten Ausgangsverdichters. Jedoch erhöhen Informationen über den Motorwirkungsgrad und den relativen Schadraum die Genauigkeit der Berechnung.
Im experimentellen Teil werden drei CO2-Hubkolbenverdichter untersucht, welche zur Ermöglichung der inneren Admission mit verschiedenen Admissionsöffnungen versehen sind. Der für diesen Zweck errichtete Versuchsstand erlaubt die Messungen der Massenströme, Temperaturen, Drücke und Leistungsaufnahme des untersuchten Verdichters. Eine weitere Messvorrichtung ermöglicht Hochgeschwindigkeitsdruckmessungen in der Verdichtungskammer sowie in den Saug- und Druckkammern bei variierenden Admissionsbedingungen.
Zum einen werden die in der Arbeit definierten Güte- und Liefergrade der Verdichter bestimmt. Zum anderen werden die mit den Druckmessungen in den Vorkammern und in der Verdichtungskammer erstellten Indikatordiagramme genutzt um den Einfluss der drei verschiedenen, verwirklichten Varianten der Admissionsöffnung auf den Admissionsvorgang zu analysieren. Mit dem Verfahren lassen sich die richtigen Dimensionen der Admissions-öffnung abschätzen.
Aktualisiert: 2020-03-05
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Im Laufe der Entwicklung der Kältetechnik ist das energetische Verhalten von Kältemaschinen und Wärmepumpen stets von zentraler Bedeutung gewesen und hat bis heute nicht an Aktualität verloren. Nachdem die Analyse des Kreislaufverhaltens im stationären Betrieb sehr weit ausgereift ist, konzentriert sich jetzt die Forschung auf den weitaus komplizierteren Fall des instationären Betriebes, um auch das Betriebsverhalten im Teillastbereich analytisch abdecken zu können.
Aktualisiert: 2020-03-09
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Für Kältemittelverdichter verschiedener Bauarten, die nach dem Veränderungsprinzip arbeiten, wird ein Programmsystem erarbeitet, um die Vorgänge in diesen Verdichtern beschreiben und beurteilen zu können. Die Rechenansätze basieren dabei auf grundlegenden physikalischen Ansätzen. Bei der Beschreibung des Arbeitsprozesses in den Verdichtern werden Realgasgleichungen zur Beschreibung der Zustandsänderungen des Kältemittels herangezogen. Die Ansätze für die Berechnung der Gleitlager und Dichtelemente sind aus den Grundgleichungen der hydrodynamischen Schmierfilmtheorie abzuleiten, die zur instationären zweidimensionalen Reynolds’schen Differentialgleichung als Ausgangsgleichung führen.
Für die einzelnen Verdichterbauarten (Hubkolben-, Flügelzellen-, Rollkolben- und Kreiskolbenverdichter) werden getrennte Programmstrukturen erarbeitet, mit denen es möglich ist, die thermodynamischen und mechanischen Verluste zu ermitteln und zu analysieren. Die Programme sind in der Sprache FØRTRAN IV geschrieben und auf der CYBER 76 des Regionalen Rechenzentrums für Niedersachsen in Hannover entwickelt und getestet worden.
Die Betrachtung konzentriert sich hier auf die Beschreibung der Vorgänge in offenen Verdichtern, um von vornherein Wechselwirkungen zwischen Antriebsmotor und Verdichtungsprozess auszuschließen.
Zur Veranschaulichung der Möglichkeiten dieser Programme erfolgt eine Abschätzung verschiedener konstruktiver Eingabegrößen auf die Ergebnisse und deren Bedeutung bei der Auswertung der Verlustanalysen.
Die Blockstrukturen der Programme für die betrachteten Verdichter sind derart organisiert, dass die Beschreibung des Arbeitsprozesses, der Dichtelemente und der Gleitlager sowohl in eigenständig organisierten Programmsystemen erfolgen kann als auch in einer übergeordneten Verkopplung zur Simulation des gesamten jeweiligen Verdichtertyps. Kernstück dieser Blockstruktur ist dabei das Programmsystem zur Beschreibung des Arbeitsprozesses, das zum p, V-Diagramm führt. Von hier werden die für die weiteren Rechnungen erforderlichen Druckdaten zur Verfügung gestellt. Ist dies nicht erwünscht, müssen diese Werte als Funktion des Drehwinkels aus Messungen ermittelt und manuell in die entsprechenden Programme eingelesen werden.
Aktualisiert: 2020-07-02
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In Auswertung von Prognosen über anthropogen verursachte Emissionen von Treib-hausgasen in die Erdatmosphäre sind internationale und europäische Reduzierungs-programme aufgestellt worden. Darüber hinaus ist Deutschland weiterreichende Selbstverpflichtungen eingegangen.
Der Hauptanteil der Treibhausbelastung entsteht bei der Energiebereitstellung für alle Bereiche der Volkswirtschaft und die Haushalte durch Emission von Kohlendioxid.
Eine Reduzierung kann durch gezielte Sparmaßnahmen und / oder Verbesserung der Wirkungsgrade der energetischen Prozesse erreicht werden.
Die Kenntnis der Struktur des Energiebedarfs und der Effektivität der genutzten energetischen Prozesse ist eine wichtige Voraussetzung für eine Auswahl wirksamer Ansatzpunkte für gezielte Maßnahmen und für die Abschätzung der möglichen Beiträge zur Erfüllung der vereinbarten Ziele.
Die technische Erzeugung von Kälte ist eine unverzichtbare Voraussetzung für eine qualitativ und quantitativ hochwertige Versorgung der Bevölkerung mit Lebensmitteln, für die Durchführung industrieller Prozesse und Verfahren, für die Klimatisierung von Gebäuden und Fahrzeugen sowie zur Deckung des Bedarfs sonstiger Gebiete wie Medizin, Sportstätten und Wehrtechnik.
Die vorliegende Studie hat einen Gesamtenergiebedarf für die technische Erzeugung von Kälte im Referenzjahr 1999 in der Höhe von ca. 77.000 GWh/a ergeben. Dabei entfallen ca. 66.000 GWh/a auf elektrischen und ca. 11.000 GWh/a auf nichtelektrischen Bedarf. Der Primärenergiebedarf wird mit ca. 165.000 GWh/a ausgewiesen.
Damit hat die Kältetechnik einen Anteil am gesamten Energiehaushalt in Deutschland, bezogen auf den Endenergiebedarf (Strom) von 14,0 % und auf den Primärenergieverbrauch von 5,8 %.
Aktualisiert: 2020-03-05
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Das zweite Statusseminar im Rahmen des vom BMFT geförderten DKV-Verbundvorhabens "Minderung von FCKW-Emissionen in der Kälte- und Klimatechnik" fand am 11. Oktober 1990 in Bonn statt. Aufgabe und Ziel der Statusseminare sind Berichte über den Stand der Forschungsarbeiten der einzelnen Vorhaben und Diskussion der Ergebnisse und der zukünftigen Arbeiten im Rahmen des Verbundvorhabens.
Aktualisiert: 2020-03-09
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In der Arbeit werden Arbeitsstoffe für Absorptionswärmepumpen und Absorptionswärme-transformatoren untersucht und mit bisher verwendeten Gemischen, die sich in Absorptionskältemaschinen bewährt haben, verglichen. Die dort eingesetzten Stoffe sind jedoch für Absorptionswärmepumpen und Absorptionswärmetransformatoren wegen der höheren Arbeitstemperaturen weniger geeignet. Arbeitsstoffgemische für Sorptions-wärmeprozesse sollten bestimmte Eigenschaften erfüllen. Da von den Stoffen, die für Absorptionswärmepumpen Absorptionswärmetransformatoren in Frage kommen, nur wenige für eine Beurteilung wichtige Stoffdaten bekannt sind, wurden die thermische Stabilität, das Dampf – Flüssigkeitsgleichgewicht und die Viskosität gemessen. In einer rechnerischen Studie wurde bei verschiedenen äußeren Randbedingungen das Verhalten der Arbeitsstoffpaare in Absorptionswärmepumpen und mit den bisher verwendeten Arbeitsstoffpaaren verglichen.
Aktualisiert: 2020-07-02
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In der Arbeit wird der Einfluss von Fluid und Heizfläche auf den Wärmeübergang beim Blasensieden an horizontalen Kupferrohren untersucht. Der Wärmeübergang wird anhand des Wärmeübergangkoef- fizienten a behandelt, der als Quotient aus Wärmestromdichte q und Übertemperatur ?T der Rohr- oberfläche definiert ist. Zum Fluideinfluss wird mit zwei 8 mm-Rohren und 23 Fluiden in einem großen Bereich von q und reduziertem Druck p* = p/pc gemessen und die Datenbasis in einem Litera- turvergleich erweitert. Im Zuge der Revision des VDI-Wärmeatlasses wurde damit ein Fluid-Parameter Pf aus Oberflächenspannung s und Steigung dp/dT der Dampfdruckkurve neu definiert und der Fluid- einfluss auf a bei mittleren Werten von q und p* stoffgruppen-übergreifend einheitlich beschrieben.
Zum Heizflächeneinfluss wird a mit den o.g. 8 mm-Rohren sowie einem 25 mm-Rohr mit 36 azimutal verteilten Thermoelementen gemessen. Aus den Messwerten und früheren Daten zu Stahlrohren mit D = 4, 8, bzw. 88 mm folgt eine einheitliche relative a(D)-Abhängigkeit. Außerdem wird die Wirkung regelmäßig angeordneter und einfach geformter Makrovertiefungen (mit und ohne Hinterschneidun- gen) auf der Rohroberfläche als Elementareffekt für das Blasensieden an Hochleistungsrohren unter- sucht und nachgewiesen, dass der Wärmeübergang durch die Makrovertiefungen bei mittleren bis tiefen reduzierten Drücken verbessert wird und die Hinterschneidungen den Effekt zusätzlich erhöhen. Wegen der Bedeutung für den Heizflächeneinfluss wird die Blasenbildung mit einer Hochgeschwin- digkeits-Videokamera exemplarisch gemessen und als wichtigste Ergebnisse gefunden, dass der Wärmeübergang in die an der Rohrunterseite hochgleitenden Blasen ähnlich hoch ist wie in die an den Keimstellen anwachsenden, und dass die Variationsbreite der Blasenparameter so groß ist, dass sie außer mit dem Mittelwert auch mit ihrer Häufigkeitsverteilung charakterisiert werden sollten.
Schlagwörter:
Wärmeübergang, Blasensieden, horizontale Kupferrohre, Fluideinfluss, Heizflächeneinfluss, Oberflä- chenmodifikationen, Literaturvergleich, experimentelle Datenbank
Aktualisiert: 2020-03-09
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Im Rahmen dieser Arbeit wurden Ansätze zur Berechnung von Phasengleichgewichten und Flüssigkeitsviskositäten von Öl-Kältemittel-Gemischen untersucht.
Begleitend dazu wurden die entsprechenden Stoffeigenschaften an einem Öl-Kältemittel-System für einen weiten Zustandsbereich experimentell bestimmt.
Die Berechnung des Phasengleichgewichtes erfolgte mit verschiedenen Ansätzen (Flory-Huggins-, Wilson-, UNIQUAC- und UNIFAC-Gleichung) zur Bestimmung von Aktivitätskoeffizienten und einer Zustandsgleichung (RKS). Aufgrund der prinzipiellen Schwierigkeiten bei der Bestimmung einiger ölspezifischer Daten, erweist sich die Anwendung der Zustandsgleichungen zur Beschreibung der flüssigen Phase als unverhältnismäßig aufwendig. Eine genauere Wiedergabe des Dampfdruckes von Öl-Kältemittel-Gemischen ist mit der UNIQUAC- und der Wilson-Gleichung oder mit der Gleichung nach Flory-Huggins möglich, wenn die Temperaturabhängigkeit der in den Ansätzen enthaltenen Parameter berücksichtigt wird. Die UNIFAC-Gleichung erwies sich für Kältemittel- und für Öl-Kältemittel-Gemische als unzureichend.
Die Entmischung von Öl-Kältemittel-Gemischen lassen sich gut mit dem Ansatz von Flory-Huggins und der UNIQUAC-Gleichung wiedergeben. Die Berechnung der Mischungslücken mit an Dampfdruckmessungen angepassten Parametern ist jedoch nicht zufriedenstellend gelungen. Die Ursache hierfür liegt darin begründet, dass kein funktionaler Zusammenhang zwischen den an Dampfdruckmessungen angepassten Parametern und den an die Löslichkeitsgrenzen angepassten, gefunden werden konnte. Dementsprechend gelingt es auch nicht hinreichend genau, von Werten der Mischungslücke auf den Verlauf der Dampfdruckkurve zu schließen.
Für die experimentelle Bestimmung der Flüssigkeitsviskositäten von Öl-Kältemittel-Gemischen wurde ein druckfestes Kugelfallviskosimeter entworfen und in Betrieb genommen. Zur Abschätzung von Gemischviskositäten wurde die Anwendung verschiedener empirischer Ansätze für mehrere binäre Öl-Kältemittel-Systeme untersucht. Für die Berechnung der Gemischviskositäten bewährten sich besonders die Ansätze nach “Lederer“, “Wilson“, “Lees“ und “Grunberg und Nissan“.
Aktualisiert: 2020-03-09
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Hauptprogramm der Tagung Berlin
Das Vortragsprogramm umfasst in diesem Jahr 108 Beträge an zwei Tagen in den fünf Arbeitsabteilungen des DKV.
Die einzelnen Abteilungen des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins (DKV) bieten das folgende Programm:
Kryotechnik: Stoffdaten; Anlagenbau; Werkstoffe; Kryokomponenten; Kryokonservierung; Kryomedizin
Grundlagen: Wärmeübertragung; Wärmeübertragung; Absorptionsprozesse und alternative Prozesse; Absorptionsprozesse und alternative Prozesse; Natürliche Kältemittel und Stoffeigenschaften; Sonderverfahren
Komponenten: Wärmeübertrager und Prozessverbesserungen; Systemoptimierungen; Verdichter; Ölabscheider/Anlagen Schaltungen; Regelungen/Wartung/ Monitoring
Kälteanwendung: Integriertes Systemdesign; Alternative Konzepte; Kältemittel; Kälteanwendung- Alternative Systeme und Komponenten; Kälteanwendung
Klimatechnik und Wärmepumpenanwendung: Energieeffizienz; Raumluftströmungen/Behaglichkeit; Raumlufttechnik für Schulräume; Wärmepumpensystemtechnik; Anlagentechnik und Komponenten; Anlagentechnik und Komponenten
In der Studentenveranstaltung stellten Studierende ihre Arbeiten aus allen Teilen der Kälte-, Klima-, Kryo- und Wärmepumpentechnik vor. Themen waren: Kälteanlagen, Kinetik und Anwendungen.
Aktualisiert: 2020-03-05
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Die Beurteilung der Energiefrage, die bis zu Beginn der achtziger Jahre nur aus rein technisch-betriebswirtschaftlicher Sicht betrachtet wurde, hat sich durch den Reaktorunfall von Tschernobyl im Jahre 1986, die drastisch ansteigenden Umweltschäden und durch die Gefahr von Klimaveränderungen aufgrund ansteigender Schadstoffkonzentrationen in der Luft deutlich verändert. Ein Ausbau der Kernenergie ist bedingt durch die gesteigerte Sensibilität der Bevölkerung und der nicht vollständig geklärten Entsorgung radioaktiver Abfälle nicht zu erwarten. Die Verwendung von Primärenergieträgern, wie z.B. Kohle und Erdöl, muß wegen ihren begrenzten Vorkommen und den bei ihrer Verbrennung entstehenden Schadstoffen verringert werden. Zu diesen Schadstoffen zählen neben Schwefeldioxid (SO2 ) und Stickoxiden (NOx), die zu den Hauptverursachern des Waldsterbens zählen, auch das bei jeder Verbrennung entstehende Kohlendioxid (CO2 ). Es steht im Verdacht, zusammen mit anderen in der Luft vorhandenen Spurengasen, wie z.B. Methan (CH4 ) und einigen Fluorchlorkohlenwasserstoffen, für den unter dem Begriff Treibhauseffekt bekannten Temperaturanstieg der Erde verantwortlich zu sein. Aus diesen Gründen muß einer flexibleren und vielseitigeren Energiepolitik Vorrang gegeben werden, wobei drei unterschiedliche Richtungen eingeschlagen werden können.
• Entwicklung neuer Technologien, wie z.B. der Kernfusion, der Wasserstofftechnologie oder die Nutzung regenerativer
• Energiequellen wie Sonne, Wind oder Erdwärme. Rationellere Energieverwendung in bekannten technischen Systemen durch Verbesserung der Umwandlungs- und Nutzungswirkungsgrade.
• Verwendung neuer technischer Prozesse mit dem Ziel einer effektiveren Nutzung der bekannten Primärenergieträger.
Da eine schnelle großtechnische Nutzung neuer Energiequellen zur Zeit nicht zu erwarten ist, steht die Entwicklung neuer und die Verbesserung alter technischer Systeme im Vordergrund.
Einen Beitrag hierzu können z.B. Wärmepumpen und –kälteanlagen leisten, die nach dem Absorptionsprinzip arbeiten. Diese Anlagen wurden mit Entdeckung der Fluorchlorkohlenwasserstoffe in den dreißiger Jahren von den Kompressionsanlagen bis auf wenige Großanlagen und den Sonderfall der Wärmetransformation fast völlig verdrängt. Das erst in den letzten Jahren /l/ entdeckte ozonschädigende Potential dieser Stoffe, das zu einer Abnahme der Ozonschicht in der Atmosphäre geführt hat, haben nun wieder zur Renaissance der Sorptionsanlagen geführt.
Zur besseren Koordination zukünftiger Forschungsarbeiten wurden im Rahmen diese Projekts in einer internationalen Zusammenarbeit die bisher geleisteten Arbeiten auf dem Gebiet der Sorptionsanlagen erfaßt und ausgewertet.
Aktualisiert: 2020-03-09
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In dieser Arbeit wird eine neuartige zweistufige Absorptionswärmepumpe vorgestellt, die als Pilotanlage mit einer Heizleistung von 500 kW gebaut wurde. Zur Erprobung in der Praxis wurde diese Wärmepumpe in das Heizsystem der Flugwerft Schleißheim, einer Außenstelle des Deutschen Museums, integriert. Das Ziel war, den Energiebedarf zur Raumheizung zu verringern und damit einen Beitrag zur Minderung der CO2- Emissionen zu leisten.
Neuartig an der Pilotanlage ist, dass sie Wärme auf zwei Temperaturniveaus abgibt, einmal bei einer Temperatur von über 80°C, wobei das Wärmeverhältnis (der COP) etwa 1.3 beträgt, und gleichzeitig auch bei 39°C, mit einem COP von 2.2. Dabei ist das Verhältnis der Wärmeleistungen auf den beiden Temperaturniveaus frei wählbar. Um eine große Energieeinsparung zu erzielen, sollte den Wärmeverhältnissen entsprechend das Heizsystem so ausgelegt sein, dass möglichst viel Niedertemperaturwärme benötigt wird.
Die Wärmeleistung der Pilotanlage beträgt je nach Arbeitspunkt bis zu 600 kW, und damit mindestens 55% der in der Flugwerft maximal benötigten Heizleistung. Mit der bei 39°C abgegebenen Wärme wird hauptsächlich die Fußbodenheizung der Ausstellungshallen versorgt, während die bei etwa 80°C bereitgestellte Wärme für die vorhandenen Radiatoren, die bei einer Temperatur von 60°C betrieben werden, verwendet wird. Als Umweltwärmequelle steht ein Grundwasserbrunnen zur Verfügung.
Die Konstruktion der Wärmepumpe lehnt sich an die Bauweise konventioneller, zum Kühlen eingesetzter Absorptionsmaschinen an, Das bedeutet, dass die wesentlichen Komponenten, nämlich alle Wärmetauscher, als horizontale Rohrbündelapparate ausgeführt sind. Neu entwickelt wurde die Verteilung der LiBr- Lösung auf die Rohrbündel, eine auf die unterschiedlichen Betriebsmodi zugeschnittene Regelung und ein entsprechendes Vakuumsystem sowie ein spezieller Schutzmechanismus vor Kristallisation der Lösung.
Die Maschine wurde von der Firma Entropie S.A. und Menerga gebaut und im Herbst 1992 in der Heizzentrale der Flugwerft installiert; sie nahm den Betrieb dann im Winter desselben Jahres auf.
Seither konnte die Wärmepumpe, wenn auch nicht völlig problemlos, so doch insgesamt erfolgreich, betrieben werden. Schwierigkeiten bereitet vor allem das Niedertemperatur-Heiznetz, da es weniger Wärme aufnimmt als von der Auslegung her vorgesehen. Dadurch, dass die Maschine jetzt mehr Hochtemperatur-Heizwärme liefern muss, geht der mittlere COP um etwa 5-10% zurück.
An der Pilotanlage wurden seit Sommer 1992 ausführliche Messungen durchgeführt, die noch andauern. Dazu wurde schon während des Probebetriebs der Maschine auf einem Prüfstand eine umfangreiche Messtechnik installiert. Bei den Messungen stellte sich heraus, dass an der Wärmepumpe einige Umbauten nötig waren: Der Wärmeübergang in den Lösungswärmetauschern wurde durch Einbauten von ca. 260 W/(m2K) auf ca. 360 W/(m²K) verbessert. Dies entspricht zwar nicht ganz den angestrebten Werten, ist jetzt jedoch zufriedenstellend. Die zunächst zur Absaugung der nichtkondensierten Restgase aus dem Absorber eingesetzte Dampfstrahlpumpe funktionierte nicht bei allen Arbeitspunkten der Maschine. Sie wurde deshalb durch eine Lösungsstrahlpumpe ersetzt.
Durch Entwicklung und Anwendung eines speziellen Verfahrens zur Messdatenauswertung wurde für die Dokumentierung des Betriebsverhaltens und die Berechnung wichtiger Kennzahlen eine hohe Genauigkeit erreicht. Nach dem geschilderten Umbau der Lösungswärmetauscher im Sommer 1994 werden die Auslegungsdaten, insbesondere das angestrebte Wärmeverhältnis von 1.3 bzw. 2.2 für Hoch- bzw. Niedertemperatur-Heizwärme, knapp erreicht.
Aktualisiert: 2020-03-05
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In der vorliegenden Arbeit wird der mögliche Einsatz des natürlichen Kältemittels CO2 in Flüssigkeitskühlern zur Gebäudeklimatisierung in tropischen Gebieten untersucht. Zur Zeit werden hierfür standardmäßig einstufige Kompressions-Kälteanlagen mit synthetischen Kältemittel wie R134a oder R407C eingesetzt. Bei sehr hohen Umgebungstemperaturen stellen einstufige CO2-Kältekreisläufe aus der Sicht des Energieverbrauchs keine geeignete Alternative dar. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung und Bewertung konkurrenzfähiger zweistufiger Schaltungsvarianten mit dem Kältemittel CO2.
Als Grundlage für die Untersuchungen dient das Anwendungsszenario eines in den Tropen gelegenen Hotels in Recife, Brasilien. Auf der Basis einer vor Ort durchgeführten Datenerhebung wird ein geeignetes Referenzhotel definiert. Das betrachtete Hotel hat etwa 300 Appartements und eine im Mittel benötigte Kälteleistung von rund 1 MW. Zusätzlich besteht ein Bedarf von durchschnittlich 25 000 Litern Warmwasser pro Tag, der aus der Abwärme des untersuchten Flüssigkeitskühlers gedeckt werden soll. Die erforderliche Heizleistung beträgt damit nur rund fünf Prozent der Kälteleistung. Ein einstufiger und vier zweistufige Kältekreisläufe mit dem Kältemittel CO2 werden hinsichtlich der energetischen Effizienz beim Einsatz in Flüssigkeitskühlern zur Klimatisierung des Referenzhotels miteinander verglichen. Drei der zweistufigen Schaltungsvarianten sind von anderen Autoren bereits für den Einsatz in der gewerblichen Kälteerzeugung untersucht worden. Im Rahmen dieser Arbeit wird als neue Variante ein gekoppelter zweistufiger Kreislauf mit parallel arbeitenden Verdichtern entwickelt.
Dieser verbindet einen äußeren einstufigen Kreislauf über eine Mitteldruckflasche mit einem inneren Teilkreislauf ohne Verdampfer zu einem zweistufigen Gesamtkreislauf. Verschiedene Möglichkeiten, einen internen Wärmeübertrager in den neu entwickelten Kreislauf zu integrieren, werden untersucht. Die neue Kreislaufvariante liefert von den fünf betrachteten Kältekreisläufen in allen relevanten Betriebspunkten die höchsten Leistungsziffern.
Für die Erwärmung des Brauchwassers stellt sich als günstigste Alternative die Nutzung eines angepassten einstufigen CO2-Kreislaufs kleiner Leistung heraus.
Die praktische Machbarkeit des neu entwickelten zweistufigen CO2-Flüssigkeitskühlers kann an einer herunterskalierten Versuchsanlage mit bis zu 30 kW Kälteleistung bei 35_C Umgebungstemperatur unter Beweis gestellt werden. Die Messergebnisse dienen im Folgenden der Kalibrierung der stationären und transienten Simulation.
Die stationäre Simulation beruht auf der Simulationsplattform von Tegethoff [Tegethoff 1999]. Zur Abbildung des zweistufigen Kreislaufs wird ein Fluid-Informationsfluss- Diagramm neu entwickelt und in der Simulationsplattform abgebildet. Die Ergebnisse der stationären Simulation stimmen gut mit den Messergebnissen der Versuchsanlage überein.
Aktualisiert: 2020-03-05
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Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Ergebnisse der beiden am Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik durchgeführten
Forschungsprojekte, die in der Gliederung dieser Arbeit chronologisch aneinandergefügt wurden.
Im Abschnitt 2 wird zunächst ein geschichtlicher Rückblick der CO2-Technologie zum Anfang des 19. Jahrhunderts
gegeben. Es folgt ein Überblick über die stoffspezifischen Eigenschaften des Kohlendioxids und der verschiedenen
sub- sowie transkritischen Prozesse, die bei einer Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel möglich sind.
Im Abschnitt 3 wird der transkritische CO2-Prozess für verschiedene Anwendungen energetisch und exergetisch mit
dem subkritischen Prozess mit R22 als Kältemittel verglichen und bewertet.
Erläuterungen zum Aufbau der Versuchsanlage zur Warmwassererwärmung von 10°C auf 60°C sind im Abschnitt 4
und die erzielten Ergebnisse im Abschnitt 5 zu finden (erstes Projekt).
Im zweiten Projekt wurden die verschiedenen Anwendungen der Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik mit einer
relativ hohen Temperatur des Kohlendioxids vor der Entspannung bzw. Austrittstemperatur des Kohlendioxids aus dem
Hochdruckwärmeübertrager untersucht. Im Abschnitt 6 werden die verschiedenen Prozessberechnungen vorgestellt.
Eine deutliche Verbesserung der Leistungszahl des transkritischen CO2-Prozesses ist möglich, wenn das
Kohlendioxid arbeitsleistend entspannt wird und die zur Verfügung stehende Expansionsarbeit direkt für die
Verdichtung in einer zweiten Stufe verwendet wird. Die Auslegung und Konzeption einer solchen
Expansions-Kompressions-Maschine in Freikolbenbauweise wird im Abschnitt 7 behandelt. Erste
Versuchsergebnisse mit dieser Maschine schließen sich im Abschnitt 8 an.
Aktualisiert: 2020-03-05
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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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Aktualisiert: 2019-02-28
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Ausgehend von den globalen Umweltproblemen der Zerstörung der Ozonschicht und der fortschreitenden Erwärmung der Erdatmosphäre, wurden Alternativen zu den FCKW und FKW, insbesondere Kohlendioxid, auf ihre Eignung als Kältemittel zur Busklimatisierung und Transportkühlung untersucht. Die meisten Stoffdatengleichungen für Luft und Kältemittel bzw. Kältemittel-Öl-Gemische wurden der Literatur entnommen. Für den Dampfdruck wurde eine eigene sehr einfache und umkehrbare Gleichung entwickelt und mit Literaturdaten verglichen. Sie dient zur Abschätzung, konnte aber auch erfolgreich auf Kältemittel-Öl-Gemische angewendet werden. Für den Verdichter wurde ein einfaches Rechenmodell aufgestellt und die Rechenergebnisse mit Meßdaten aus der Literatur verglichen. Bei der Entwicklung des Simulationsprogramms für den Kältekreis lag der Schwerpunkt auf der Berechnung der Lamellenrohrbündelwärmetauscher. Wärmeübergang und Druckverluste der Luftseite für diese Wärmetauscher wurden aus Messungen übernommen. Für die Kältemittelseite wurden verschiedene Ansätze aus der Literatur zur Berechnung des Wärmeübergangs und der Druckverlusts im Rohr mit Meßwerten aus der Literatur, darunter auch Messungen mit CO2 als Kältemittel, verglichen. Vergleichsrechnungen für eine Stadtbusklimaanlage und für eine Transportkühlanlage mit den Kältemitteln CO2 und R134a bzw. R404A wurden mit verschiedenen Ölanteilen durchgeführt. Mit zunehmenden Ölanteil nehmen die Druckverluste besonders in der Saugleitung und im Verdampfer zu. Dies führt zu Leistungs- und Effizienzeinbußen, die beim Hochdruckkältemittel CO2 weniger stark ausfallenals bei R134a bzw. R404A. Die Leistungmessungen an den ersten Prototypen einer Busklimaanlage und Transportkälteanlage mit Kohlendioxid als Kältemittel zeigten eine ähnliche Kälteleistung und Effizienz wie vergleichbare Serienanlagen. Die Meßdaten wurden mit den Simulationsrechnungen verglichen. Durch den Einsatz eines internen Wärmetauschers konnte die Leistung der Transportkälteanlage insbesondere bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Umgebungsluft und Kühlraum gesteigert werden. Der Einbau weiterentwickelter Prototypen in zwei Stadtbusse konnte neben einem Feldtest im Linieneinsatz In Bad Hersfeld auch zu Abkühlversuchen und Vergleichsmessungen genutzt werden. Messungen zweier sonst identischer Busse ließen keinen Unterschied zwischen dem mit einer CO2-Klimaanlage und dem mit einer R134a-Klimaanlage ausgerüsteten Bus erkennen. Der Feldtest der beiden Stadtbusse mit jeweils ca. 1600 Verdichterbetriebsstunden und der Dauertest der Transportkälteanlage mit über 1800 Stunden zeigten die Alltagstauglichkeit der CO2-Anlagen. Die Reduzierung der Treibhausgasemissionen wurde auf 20 bis 30% gegenüber Serienanlagen abgeschätzt.
Aktualisiert: 2020-03-09
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Aktualisiert: 2020-03-05
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