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Analyse und Optimierung einer einstufigen Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpe
(2021) Mirl, Nico; Spindler, Klaus (Apl. Prof. Dr.-Ing.)
In der vorliegenden Arbeit wird eine Komponentenoptimierung der Desorber-Einheit sowie des Absorbers einer Absorptionswärmepumpe durchgeführt. Die Anforderungen an die Wärmepumpe umfassen sowohl eine hohe Effizienz als auch möglichst geringe Systemkosten, wobei letzteres durch ausschließliche Verwendung von Standardkomponenten, wie beispielsweise Plattenwärmeübertrager und einfach fertigbare Behälter, erzielt wird. Es wird ein allgemeingültiges Analyseverfahren für Absorptionswärmepumpen und -kälte-maschinen erarbeitet und angewandt. Mit diesem Verfahren ist sowohl eine Quantifizierung der Potenziale des Absorptions- und Desorptionsprozesses als auch eine Zuordnung dieser Potenziale zu Problemstellungen der Wärmeübertragung bzw. Stoffübertragung möglich. Für das Analyseverfahren ist eine exakte Wiedergabe der Zustandsgrößen von zentraler Bedeutung. Es wird aufgezeigt, dass die Zustandsgleichung aus (Tillner-Roth und Friend, 1998a) die experimentellen Daten im relevanten Temperaturbereich von −30 °C ≤ 𝜗 ≤ 200 °C und Druck-bereich von 𝑝 ≤ 30 bar am besten wiedergibt. Diese Zustandsgleichung wird daher für die Prozess-analyse verwendet. Zur Optimierung der Absorptionswärmepumpe werden zwei Desorber-Konzepte experimentell untersucht: ein Desorber nach dem Naturumlaufprinzip und ein zwangsdurchströmter Desorber. Die Messungen zeigen, dass mit dem zwangsdurchströmten Desorber die erreichte Entgasungsbreite von 0,044 ≤ Δ𝜉_E ≤ 0,078 auf 0,066 ≤ Δ𝜉_E ≤ 0,102 erhöht wird. Auch der Desorberwirkungsgrad von 0,851 ≤ 𝜂_ξ,Des ≤ 0,923 belegt die sehr gute Funktionalität dieses Desorber-Konzeptes. In einem separaten Versuchsstand wird die Verteilung der Flüssigkeit auf die Plattenspalte des Absorbers untersucht. Diese Versuche werden in dem Ersatzsystem Luft/Wasser mit einer optischen Methode durchgeführt und ausgewertet. Es wird aufgezeigt, dass die bisher verwendete Vollkegel-düse mit einem Sprühwinkel von 𝛽 = 90° in Verbindung mit einem Düsenabstand zum obersten Plattenspalt im Absorber von 𝑡 ≈ 0 mm die Flüssigkeit nicht gleichmäßig innerhalb des ersten Durchgangs verteilt. Durch die Verwendung einer Vollkegeldüse mit einem Sprühwinkel von 𝛽 = 120° und einem Düsenabstand von 𝑡 ≈ 6 mm erfolgt die Verteilung der Flüssigkeit auf die Plattenspalte weitestgehend gleichmäßig. Bei Verwendung dieser Düse wird im Betrieb der Absorptionswärmepumpe, mit Ausnahme eines Betriebspunktes, die höchste Wärmeübertragungs-fähigkeit des Absorbers 𝑘𝐴Abs erreicht. Insgesamt zeigen die Untersuchungen, dass der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und erprobte zwangsdurchströmte Desorber eine nahezu ideale Desorption ermöglicht. Darüber hinaus wird durch einen Kondensat-Abscheider sichergestellt, dass der Ammoniakmassenanteil des Kältemittels maximal ist. Sowohl die Entgasungsbreite Δ𝜉_E als auch das Wärmeverhältnis 𝜁 als Maß für die Effizienz der Absorptionswärmepumpe werden durch diese Maßnahmen erheblich gesteigert.
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Effizienzsteigerung einer NH3/H2O-Absorptionskältemaschine : experimentelle Untersuchung eines Anlagenkonzepts mit Plattendesorber
(2021) Haak, Luisa; Mirl, Nico; Brunder, Johannes; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, Konstantinos
Beim Absorptionskältemaschinen-Prozess wird die Antriebsenergie weitgehend in Form von Wärme zugeführt. Durch Verwendung von beispielsweise industrieller Abwärme oder von Wärme aus regenerativen Energieträgern zum Antrieb, ist mit Absorptionskältemaschinen (AKM) eine sehr klimaschonende Kälteerzeugung möglich. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) werden aktuell experimentelle Untersuchungen zur Effizienzsteigerung von NH3/H2O-Absorptionssystemen durchgeführt. Entwickelt wurde ein Desorber-Konzept mit einem direkt von der reichen Lösung durchströmten Plattenwärmeübertrager. Zur Erhöhung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel wird ein Plattendephlegmator mit nachgeschaltetem Kondensatabscheider verwendet. Verglichen mit den verbreitet eingesetzten Desorbern in Behälterbauweise mit integrierter Rektifikationskolonne zeichnet sich das Desorber-Konzept mit Plattenwärmeübertrager durch eine sehr geringe Füllmenge sowie geringe Fertigungskosten aus. Ein Nachweis für die hohe Effizienz des Absorptionssystems mit Plattendesorber ist bereits für den Betrieb als Wärmepumpe im Rahmen des Projekts „Optimierung von Absorptionswärmepumpen zum Einsatz im Wärmenetz 4.0“ erbracht worden. In diesem Beitrag wird das Konzept des direkt durchströmten Plattendesobers auf die AKM übertragen. Es werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen vorgestellt und mit der AKM aus der Dissertation von Zetzsche verglichen. Da beim Anlagenkonzept mit Plattendesorber keine Rektifikation vorgesehen ist, wird eine Erhöhung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel allein durch die Dephlegmation realisiert. Eine Herausforderung bei der Optimierung des verwendeten Plattendephlegmators zur Steigerung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel stellen die unterschiedlich großen Volumenströme der beiden Fluidströme, Kältemitteldampf und reiche Lösung, dar. Anhand von Thermographieaufnahmen wird die Temperaturverteilung über Plattendephlegmator analysiert. Zur Steigerung des übertragenen Wärmestroms wird einerseits ein Konzept für einen asymmetrischen Plattendephlegmator vorgeschlagen, andererseits wird die Orientierung des Plattendephlegmators diskutiert.
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Experimentelle Untersuchung zur Einbindung einer Ammoniak-Wasser Absorptionswärmepumpe in Fernwärmenetze
(2018) Mirl, Nico; Schmid, Fabian; Spindler, Klaus
Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) werden derzeit experimentelle Untersuchungen zur Einbindung einer Ammoniak-Wasser Absorptionswärmepumpe (AWP) mit Fernwärmenetzen durchgeführt. Die im Austreiber benötigte Wärmeleistung soll dabei dem Fernwärmevorlauf entnommen werden. Die Wärmeleistung für den Verdampfer wird dem Rücklauf des Fernwärmenetzes entzogen. Dadurch kann die Temperatur des Fernwärmerücklaufs unter die heizungsseitige Rücklauftemperatur abgesenkt werden. Die Vorteile dieser Systemkopplung sind unter anderem eine gesteigerte Effizienz des Fernwärmenetzes und eine Erhöhung der Entnahmeleistung. Aus dieser Systemkopplung resultiert eine hohe Temperatur der Verdampfung von circa 30 °C. Der einzustellende Tiefdruck der Wärmepumpe kann durch die hohe Verdampfungstemperatur erhöht werden. Dies hat wiederum Auswirkungen auf den Ammoniakmassenanteil der reichen Lösung und damit auf den gesamten Ammoniakmassenanteil der AWP-Befüllung. Das Ziel dieser Untersuchungen ist, die AWP für den Betrieb mit hohen Temperaturen am Verdampfer in Hin-blick auf eine gesteigerte Effizienz zu optimieren. Hierfür muss zunächst der Ammoniakmassenanteil der Befüllung neu ermittelt werden. Anschließend werden verschiedene Verschaltungsvarianten der Wärmeübertrager im Kältekreis untersucht und auch die Aufteilung des Heizungskreislaufs auf den Absorber und Kondensator variiert. Durch eine Bilanzierung der einzelnen Wärmeübertrager bzw. der Ermittlung deren Effektivität werden Optimierungspotentiale aufgezeigt. Insbesondere die Komponenten, in denen ein Stoffübergang bzw. ein stofflicher Ausgleich erfolgt, werden näher betrachtet. Auf diese Weise soll eine Anpassung der Komponenten für die weitere Anlagenentwicklung ermöglicht werden. Es wird zunächst der Versuchsaufbau näher erläutert. Anschließend werden die ersten Ergebnisse der Untersuchungen sowie die daraus abgeleiteten Optimierungsvorschläge vorgestellt.
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Optimization potentials for the absorber and the generator of an ammonia-water absorption heat pump
(2019) Mirl, Nico; Spindler, Klaus
Experimental investigations to identify optimization potentials of an ammonia-water absorption heat pump are performed. In this heat pump, both the absorber and the generator are designed as plate heat exchangers. At the inlet of the absorber, the weak solution is sprayed through a nozzle into the refrigerant vapor, thus creating a high surface for the mass transfer. The advantages of this system are a compact design and a low refrigerant filling quantity. The aim of these investigations is to identify and classify optimization potentials in heat and mass transfer in the absorber and generator. The potentials in heat transfer are determined using calculated temperature profiles. For an analysis of the mass transfer, the ammonia mass fractions of the strong and the weak solution are calculated with measured densities. By comparison with the theoretically possible ammonia mass fractions, a classification in the areas of heat or mass transfer is carried out for further optimization.
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Reduction of the return temperature in district heating systems with an ammonia-water absorption heat pump
(2018) Mirl, Nico; Schmid, Fabian; Spindler, Klaus
In this study, a new setup for the reduction of the return temperature in district heating systems will be presented. For this purpose, an ammonia-water absorption heat pump will be integrated within a district heating substation and theoretically investigated. The idea of this coupling is that the district heating flow is used to power the generator of the heat pump. The district heating return is cooled in the evaporator. In this way, the capacity of the district heating system can be increased or the mass flow rate can be reduced. Additionally, the lower return temperature leads to a higher efficiency of the whole system. The field of possible operating points for such a system is also revealed and discussed.
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Visualisierung und Optimierung der Flüssigkeitsverteilung in einem Plattenabsorber
(2020) Mirl, Nico; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, Konstantinos
Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) werden derzeit experimentelle Untersuchungen zur Effizienzsteigerung einer Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpe durchgeführt. Alle Wärmeübertrager innerhalb dieser Absorptionswärmepumpe sind als Plattenwärmeübertrager ausgeführt. Im Absorber wird die arme Lösung über eine Düse in den Eintrittskanal des Plattenwärmeübertragers zerstäubt. Hierdurch wird zum einen die arme Lösung mit einer möglichst großen Oberfläche zur Absorption mit dem Kältemittel zusammengeführt. Zum anderen wird durch die Zerstäubung auch die arme Lösung auf die einzelnen Plattenspalte verteilt. Eine optimale Verteilung der armen Lösung auf die Plattenspalte ist insbesondere für die weitere Absorption unter Wärmeabfuhr innerhalb des Plattenwärmeübertragers von großer Bedeutung. Das Ziel der Untersuchungen am Absorber besteht darin, die Wärme- und Stoffübertragung innerhalb des Plattenwärmeübertragers durch eine gleichmäßigere Flüssigkeitsverteilung der armen Lösung auf die Plattenspalte zu erreichen. Hierfür wird ein Versuchsstand verwendet, in dem die Flüssigkeitsverteilung der Zweiphasenströmung anhand des Stoffsystems Luft/Wasser optisch untersucht und optimiert werden kann. Es werden verschiedene kommerziell verfügbare Düsen untersucht und die Eintauchtiefe der Düse in den Plattenwärmeübertrager variiert. Die Ergebnisse werden mit der aktuellen Einbausituation verglichen und die Erkenntnisse auf den Absorber der Absorptionswärmepumpe übertragen. Es werden sowohl die Ergebnisse dieser Untersuchungen als auch der Einfluss der veränderten Düse und deren Position auf die Wärmeübertragung im Absorber aufgezeigt.