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Abso Fluid Untersuchung neuer Arbeitspaare für die Verwendung in Absorptionsanlagen zur solaren Kühlung

Ziel des Projekts war die Untersuchung und Anwendung eines neuen, innovativen Arbeitspaares unter Verwendung von Wasser als Kältemittel und Polymeren (linear bzw. niedrig-hyperverzweigt) als Lösungsmittel. Bei der praktischen Untersuchung des neuen Arbeitspaares unter Laborbedingungen wurde auf Ergebnissen und Daten aus den bereits abgeschlossenen Projekten „CoolPlate“ und „MiniPac“ aufgebaut. Im Zuge der Untersuchungen im vorliegenden Projekt wurde dabei das im Rahmen der Vorprojekte entwickelte Konzept der Fallfilmplattenwärmeübertrager eingesetzt. Unterstützend dazu wurden gängige Simulationswerkzeuge (OpenFOAM und im Projekt entwickelte Codes) verwendet. Durch chemisches Finetuning wurde außerdem das neue Absorptionsmittel an den Absorptionsvorgang in einer thermischen Kältemaschine angepasst. Ein polymerbasierendes Arbeitsstoffpaar wurde erfolgreich in einer einstufigen Absorptionskältemaschine im Labormaßstab eingesetzt und getestet. Dabei konnte gezeigt werden, dass dieses neue Arbeitsstoffpaar für Kühldeckenanwendungen eingesetzt werden könnte.

Ausgangssituation

Infolge von Klimaänderungen, neuen architektonischen Trends und dem steigenden Wunsch nach thermischem Komfort ist der Energiebedarf für Kühlung, sowohl im Wohn- als auch im Bürobereich, in den letzten Jahren stark gestiegen. Derzeit wird der Großteil des Kühlbedarfs durch elektrisch betriebene Kompressionskältemaschinen gedeckt, was in Österreich zu einem CO2-Ausstoß von 200-300g CO2/kWhel führt. Die Absorptionstechnologie stellt in diesem Bereich einen potentiellen Prozess zur Nutzung erneuerbarer Sonnenenergie dar, da sie als Antriebsenergie Niedertemperaturwärme (ab 65°C) verwendet. Diese kann durch solarthermische Anlagen („solar cooling“), aber auch durch Fern- oder Abwärme zur Verfügung gestellt werden. Derzeit verfügbare Absorptionskältemaschinen sind aufgrund hoher Investitionskosten und großem Platzbedarf nicht konkurrenzfähig. Diese Nachteile ergeben sich aus einem aufwändigen Design und der Verwendung hochwertiger Materialien. Letztere sind notwendig um Probleme, wie Korrosion, Bildung nicht kondensierbarer Gase, Kristallisation und Gesundheitsrisiken, die von den verwendeten Arbeitsmitteln herrühren, in den Griff zu bekommen. Die Weiterentwicklung der Arbeitsmittel inklusive der entsprechenden Systemtechnik ist essentiell, um thermische Kühlung in kleinen Leistungsbereichen bis 100 kW konkurrenzfähiger zu machen.

Ergebnisse

Auf Basis der im Projekt Absofluid erzielten Ergebnisse kann eine Prototypenfertigung sowohl von Wärmeübertragermodulen als eines kompakten Gesamtsystems einer Absorptionskältemaschine kleiner Kälteleistung unter Verwendung von Polymeren als Arbeitsstoffpaar erfolgen. Für das Upscaling auf eine Kälteleistung von bis zu 10 kW sind noch weitere Planungs- und Konstruktionsarbeiten auf Komponenten bzw. Systemebene notwendig. Im Falle der Wärmeübertragermodule muss vor allem aus Kostengründen eine Änderung der Fertigungsweise erfolgen und es müssen daher auch entsprechende Adaptionsarbeiten der untersuchten Flüssigkeitsverteiler, Sekundärseite der Wärmeübertrager und des Moduldesigns durchgeführt werden. Wichtig ist eine dicht verschweißte oder verlötete Bauweise sowohl der Module als auch des Gesamtsystems, um damit den Falschlufteintrag zu minimieren. Weitere Forschungs- und Entwicklungsfragestellungen vor allem in Bereich der Regelungsoptimierung werden sich dabei durch den Testbetrieb eines Prototyps der Gesamtanlage ergeben.

Im Bereich der Arbeitsstoffpaare sind noch weitere Optimierungen (z.B. durch Additivierungen) der Fluide notwendig, um die Stoff- und Wärmeübertragungseigenschaften der Polymere zu verbessern bzw. um die Dampfdruckerniedrigungseigenschaften zu erhöhen. Erster Punkt ist wichtig, um die Anzahl der Wärmeübertragerflächen im Vergleich zum Stoffsystem LiBr/H2O zu reduzieren und um damit die Apparate kleiner bauen zu können. Der zweite Punkt ist für eine Erniedrigung der Verdampfungstemperatur in der Absorptionskältemaschine von Bedeutung, da damit die Temperatur der Nutzseite weiter abgesenkt werden kann und die Massenströme des Kühlmediums für die Anwendung in Kühldecken reduziert werden können.

Eine weiter interessante Anwendung der polymeren Arbeitsstoffpaare liegt auf Grund der positiven Korrosionseigenschaften in offenen Sorptionsanwendungen zur Luftkonditionierung in Gebäuden. Diese Option wird im laufenden Forschungsprojekt „LDEC“ (FFG Nr. 834570) näher untersucht werden und kann bei positiver Evaluierung auch in weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Prototypenentwicklung dieses Systems führen.

Steckbrief

Projektnummer
825560
Koordinator
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Projektleitung
Michael Monsberger, michael.monsberger@tugraz.at
Partner
Technische Universität Wien
KIOTO Clear Energy AG
Evonik Industries AG
Schlagwörter
Solares Heizen und Kühlen Kältemittel Absorption
Förderprogramm
Neue Energien 2020
Dauer
01.2010 - 07.2015
Budget
489.616 €