04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und EnergiespeicherungAuthor: search.filters.author.Spindler, Klaus

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    Leistungssteigerung einer Diffusions-Absorptionskältemaschine durch Steigerung des Hilfsgasvolumenstroms
    (2021) Brunder, Johannes; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, Konstantinos
    Diffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKM) werden durch Wärme angetrieben und arbeiten strom- und geräuschlos. Als Hotel- und Campingkühlschränke sind DAKMs mit Kälteleistungen bis ca. 100 W weit verbreitet. Eine DAKM in einem größeren Kälteleistungsbereich hat bei einer Beheizung durch Abwärme, Fern- oder Nahwärme sowie solarer Wärme das Potenzial beispielsweise für die Gebäudekühlung klimafreundlich Kälte bereit zu stellen. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) wird an der Skalierung des Diffusions-Absorptionskälteprozesses zu größeren Kälteleistungen geforscht. Im Gegensatz zu beispielsweise Kompressionskältemaschinen wird das Kältemittel einer DAKM nicht durch Drosselung auf einen niedrigeren Absolutdruck verdampft, sondern durch Partialdruckabsenkung in eine Hilfsgasatmosphäre verdunstet. Um kontinuierlich Kälteleistung zu erzeugen, muss das gasförmige Kältemittel in einem weiteren Prozessschritt wieder aus dem Hilfsgas absorbiert werden. Der Transport des Hilfsgas vom Verdunster zum Absorber im sogenannten Hilfsgaskreislauf beruht auf dem Dichteunterschied zwischen dem mit Kältemittel angereichertem und dem an Kältemittel armen Hilfsgas. Untersuchungen in der Literatur belegen die entscheidende Bedeutung einer Steigerung des Hilfsgasumlaufs für eine Erhöhung der Kälteleistung der DAKM. Es werden experimentelle Untersuchungen an einem Prototyp einer DAKM vorgestellt. Der Hilfsgasvolumenstrom wird kontinuierlich und eingriffsfrei mittels Clamp-On Ultraschallmessverfahren gemessen. Der Hilfsgasvolumenstrom kann sowohl durch Steigerung der Antriebskräfte als auch Reduzierung der Druckverluste im Hilfsgaskreislauf erhöht werden. Es werden Entwicklungsschritte des Prototyps zur Steigerung des Hilfsgasvolumenstroms vorgestellt und evaluiert.
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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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    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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    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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    Untersuchung der Austreibereinheit einer Diffusions-Absorptionskältemaschine mit Plattenaustreiber
    (2020) Brunder, Johannes; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, Konstantinos
    Diffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKM) werden durch Wärme angetrieben und arbeiten strom- und geräuschlos. Als Hotel- und Campingkühlschränke sind DAKM mit Kälteleistungen bis ca. 100W weit verbreitet. Eine DAKM im größeren Kälteleistungsbereich hat bei einer Beheizung durch Abwärme, Fern- oder Nahwärme sowie solarer Wärme das Potenzial klimafreundlich Kälte bereit zu stellen. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) wird an der Skalierung des Diffusions-Absorptionskälteprozesses zu größeren Kälteleistungen geforscht. Eine der größten Hürden dabei ist eine deutliche Steigerung der Leistungsdichte der Wärmezufuhr. Um das Ziel zu erreichen wird als Austreiber ein Plattenwärmeübertrager mit nachgeschaltetem vertikalen Thermosiphonrohr eingesetzt. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise und erhöht zusätzlich den Lösungsumlauf durch eine nahezu punktuelle Beheizung am Fußpunkt des Thermosiphonrohres. Zudem werden geringe Temperaturdifferenzen zwischen dem externen Antriebsmedium und der Siedetemperatur des Arbeitsmediums durch dieses Austreiberdesign erreicht. Es wird die Konzeption des Prüfstands zur Untersuchung des Austreiberdesigns vorgestellt. Das Förderverhalten mit dem Zweistoffgemisch Ammoniak-Wasser wird unter Variation der Ammoniak-Konzentration und des Systemdrucks präsentiert. Dabei wird insbesondere der Einfluss von Strömungswiderständen im Zulauf des Austreibers, wie sie der üblicherweise in DAKMs verwendete Lösungsmittelwärmeübertrager verursacht, analysiert.
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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.