Analyse und Optimierung einer einstufigen Ammoniak/Wasser-Absorptionswärmepumpe

Abstract

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.