#86583

TransCrit Trans-kritische Hochtemperatur-Wärmepumpe zur Abwärmenutzung

Im vorliegenden Projekt wird der innovative Ansatz einer transkritischen Prozessführung mit dem natürlichen Kältemittel R600 (n-Butan) für die Anwendung in einer Hochtemperatur-Wärmepumpe untersucht. Durch die Anwendung des überkritischen Kreislaufs kann der Betriebsbereich auf Nutztemperaturen bis über 150 °C bei moderatem Hochdruck (ca. 50 bar für R600) erweitert werden. Die Betrachtung von natürlichen Kältemitteln trägt dabei zukünftiger umweltrelevanter Gesetzgebung hinsichtlich Treibhauspotenzial von Kältemitteln Rechnung. Der Aufbau eines Funktionsmusters erfordert die Adaptierung des verwendeten Kompressors für brennbare Kältemittel, mit Kompressoraustrittstemperaturen bis zu 170 °C und Drücken bis zu 50 bar. Aufgrund des neuartigen Ansatzes können die theoretischen und experimentellen Ergebnisse zu einer stärkeren Verbreitung von Hochtemperatur-Wärmepumpen führen und die Grundlage für eine neue Klasse an transkritischen Wärmepumpen bilden.

Ausgangssituation

Der Stand der Technik vor Beginn des Projektes zeigte, dass Hochtemperatur-Kompressionswärmepumpen mit dem synthetischen Kältemittel R1336mzz(Z) und unterkritischem Prozess, Nutztemperaturen von bis zu 150 °C erreichen können. Im Bereich der natürlichen Kältemittel sind derzeit Hochtemperatur-Kompressionswärmepumpen auf das Kältemittel CO2 (R744) und 120°C beschränkt. Aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften muss der CO2-Prozess überkritisch bei relativ hohen Drücken (bis zu 150 bar) ablaufen.

Projektverlauf

Basierend auf dem Stand der Technik werden die technologischen Problemstellungen bei der Anwendung einer transkritischen Prozessführung im Bereich der Hochtemperatur-Wärmepumpentechnik definiert. Um den Kreislauf zu entwickeln und Komponenten auszulegen, werden Simulationsmodelle entwickelt. Nach Auswahl bzw. Adaption eines Kolbenkompressors für die Anwendung von brennbaren Kältemitteln bei einem ausreichenden Hochdruckniveau und Auswahl eines zuverlässigen Öl-Managements wird ein Funktionsmuster der Hochtemperaturwärmepumpe entwickelt, aufgebaut und experimentell untersucht. In diesem Zuge werden die zuvor aufgebauten Simulationsmodelle validiert und gegebenenfalls verbessert. Um die wirtschaftlichen Aspekte des Einsatzes der Hochtemperaturwärmepumpe darzustellen, werden basierend auf möglichen Industrieprozessen und Ergebnissen der Simulationen Wirtschaftlichkeitsanalysen durchgeführt.

Meilensteine

Entwicklung und Aufbau eines Hochtemperatur-Wärmepumpenfunktionsmusters zur Bereitstellung hoher Nutztemperaturen (über 150 °C)
Erstellung eines Simulationsmodells der Anlage
Experimentelle Untersuchung der Hochtemperaturwärmepumpe im sub- und transkritischen Betrieb

"Zukünftig muss industrielle Abwärme verstärkt mit Hilfe von Wärmepumpen „wieder nutzbar gemacht“ werden, um eine signifikante Einsparung fossiler Energieträger und damit verbundener CO2-Emissionen zu erreichen."

– René Rieberer –

Ergebnisse

Im Rahmen des Projektes TransCrit konnte bereits das Funktionsmuster einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit R600 als Kältemittel entwickelt, aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen werden. Im Zuge der bisherigen Messungen konnten im subkritischen Betrieb bei einer Quelleneintrittstemperatur von 60 °C (Spreizung 5 K) und einer Aufwärmung der Senke von 90 auf 120 °C eine Leistungszahl (COP) von 4,4 und im transkritischen Betrieb bei einer Aufwärmung der Senke von 80 auf 160 °C ein COP von 3,1 erreicht werden. Im weiteren Projektverlauf werden noch vertiefende Erkenntnisse hinsichtlich Betriebsverhalten, Einflüsse auf Leistung und Effizienz mit Hilfe von Versuchen und simulationstechnischen Untersuchungen erarbeitet.

Downloads

publizierbarer Endbericht

Ao.Univ.-Prof. Dr.techn. René Rieberer

Projektleitung

Ao.Univ.-Prof. René Rieberer beschäftigt sich seit 1995 schwerpunktmäßig mit der Thematik „Heizungs-, Kälte- und Klimatechnik“. Im Rahmen seiner Dissertation (1998) befasste er sich mit dem Thema „CO2-Wärmepumpen“. Nach einem Forschungsaufenthalt in Norwegen kehrte er im Oktober 1999 an das Institut für Wärmetechnik der TU Graz zurück. Seither hält er diverse Lehrveranstaltungen ab und leitet Forschungsprojekte im Bereich Heizungs-, Kälte- und Klimatechnik. Fachlich hat er sich im Themenbereich „Wärmepump“-Systeme, d.h. Anlagen zum Heizen oder/und Kühlen, mit alternativen Kältemitteln und Prozessen vertieft. Darüber hinaus ist er unter anderem als Reviewer für internationale Journale und Konferenzen tätig und Mitglied der Kommission „Heat Pumps and Heat Recovery“ im „International Institute of Refrigeration (IIR)“. Eine Übersicht über die ca. 250 Publikationen, bei denen Prof. Rieberer mitgewirkt hat ist unter https://graz.pure.elsevier.com/en/persons/ren%C3%A9-rieberer/publications/ abrufbar.

DI Manuel Verdnik

DI Manuel Verdnik hat sich bereits im Zuge seiner Masterarbeit mit dem Thema Hochtemperaturwärmepumpen beschäftigt. Nach Abschluss des Maschinenbaustudiums an der TU Graz ist er seit April 2018 als Doktorand am Institut für Wärmetechnik tätig. Er arbeitet dabei in der Arbeitsgruppe Heizungs-, Kälte-, Klimatechnik. Sein Forschungsschwerpunkt liegt in der experimentellen Untersuchung und simulationsgestützten Optimierung von Hochtemperaturwärmepumpen.

manuel.verdnik@tugraz.at

Steckbrief

Projektnummer

86583
Koordinator

Institut für Wärmetechnik (IWT), TU Graz
Projektleitung

René Rieberer,
Partner

Frigopol Kälteanlagen GmbH
Schlagwörter

Abwärmenutzung, Hochtemperaturwärmepumpe, Prozesswärmebereitstellung
Förderprogramm

Energieforschung (e!MISSION)
Dauer

04.2018 - 09.2020
Budget

483.612 €