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MiniPAC Untersuchung spezifischer Fragestellungen an einem experimentellen Absorptionskältemaschinen-Modul mit mikrostruktkurierten Edelstahlplatten

Zielsetzung in diesem Projekt war eine erfolgreiche Entwicklung eines Funktionsmuster einer Absorptionskältemaschine im gewünschten Leistungsbereich (<10kW) unter Durchführung folgender Forschungsarbeiten:

•    Gase, die durch Korrosion im System entstehen, wirken sich sehr negativ auf die Effizienz der Kältemaschine, sowie auf ihre Lebensdauer aus. In diesem Projekt werden Lösungen für die Verhinderung der Entstehung bzw. Beseitigung dieser Gase aus dem System untersucht.

•    Die Wärmetauscher bilden das Kernstück jeder AKM und sind gleichzeitig ihr teuerster Teil. Hier soll ein völlig neues Konzept hinsichtlich ihrer Effizienz und Eignung untersucht werden.

•    Für den Betrieb einer AKM ist eine Rückkühlung notwendig. Am Markt befindliche Kühltürme sind für die beabsichtigte Anwendung aus mehreren Gründen nicht geeignet. Im Rahmen des Projektes werden neue Konzepte untersucht und entwickelt.

•    Abschließend erfolgt der Zusammenbau und Test einer kompletten AKM. Die Untersuchung der Interaktion aller Komponenten untereinander wird in einer Reihe von Experimenten untersucht.

Ausgangssituation

In den letzten Jahren ist der Kühlbedarf in Gebäuden stark gestiegen. Zufolge mehrerer nationaler und internationaler Studien wird sich dieser Trend auch in den kommenden Jahren fortsetzen. Gründe dafür sind, neben den klimatischen Veränderungen, auch die konstruktive Bauweise, steigende innere Lasten und erhöhte Behaglichkeitsansprüche sowohl in privaten Haushalten als auch in Bürogebäuden. Derzeit wird der Großteil des Kühlbedarfs durch konventionelle, elektrisch betriebene Kältemaschinen gedeckt, was zu einer verstärkten Beanspruchung und, in manchen Fällen, zu einer Überlastung bestehender Systeme zur Stromproduktion und –verteilung führt.

Eine Entlastung dieser, mit gleichzeitiger Möglichkeit der vermehrten Nutzung erneuerbarer Energien, kann durch thermisch getriebene Kälteprozesse, insbesonders durch Absorptions-kältemaschinen (AKM), erzielt werden. Es besteht ein reges Interesse sowohl seitens der Fern- und Nahwärmebetreiber („Fernkälte“) als auch der Solarindustrie („Solare Kühlung“) an der Einbindung von Absorptionskältemaschinen in ihre Systeme.

Bis jetzt war diese Technologie wegen hoher Anschaffungskosten und niedriger Strompreise nur vereinzelt, in großen Gebäuden zu finden. Typischerweise wurden Maschinen im Bereich von etwa 100 Kilowatt bis zu einigen Megawatt gebaut. Kleinere Maschinen (<10kW) waren bislang hauptsächlich wegen des hohen Anteils an erforderlicher manueller Arbeit im Bereich der Wärmetauscher, die die Hauptkosten einer AKM verursachen, nicht rentabel. Das Projekt Minipac zielt darauf ab, mit innovativen Ansätzen und Methoden, kleine Absorptionskältemaschinen im Vergleich zu Kompressionssplitgeräten marktfähig zu machen.

Ergebnisse

Auf Basis der im Projekt Minipac erzielten Ergebnisse kann eine Prototypenfertigung sowohl von Wärmeübertragermodulen als auch eines kompakten Hybridkühlers und damit eines kompakten Gesamtsystems einer Absorptionskältemaschine kleiner Kälteleistung erfolgen. Für das Upscaling auf eine Kälteleistung von bis zu 10 kW sind noch in beiden Fällen folgende 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. Zur Untersuchung der Dichtheit des Systems sollen Langzeitversuche durchgeführt werden, um den Einfluss geringer Leckraten auf die Performance der Kältemaschine zu evaluieren. Als Korrosionssicherheitsschutz kann die im Projekt untersuchte Beschichtung auf die Platten aufgebracht werden. Hier müssten die Machbarkeit in Bezug auf das gewählte Fertigungsverfahren (z.B. Temperaturbeständigkeit im Lötofen) und die zu erwartenden Kosten der Beschichtungen untersucht werden. Zur Verringerung der Korrosionsgefahr sollen auf jeden Fall Versuche mit neuen Arbeitsstoffpaaren durchgeführt werden, da dadurch wahrscheinlich das Problem substantiell verringert bzw. sogar vollständig gelöst werden könnte.

Im Bereich des Rückkühlers müssen vor allem Untersuchungen zur Hygiene jeweils in Langzeitversuchen durchgeführt werden. Mögliche Korrosionsprobleme der Aluminiumlamellen können durch die Verwendung von Edelstahllamellen oder epoxidharzbeschichteten Lamellen umgangen werden. Die pulsierende Betriebsweise kann sich auf Grund der stark verringerten eingesetzten Wassermengen und des langen Trockenbetriebes als ausreichende Maßnahme dafür erweisen. Die Versuche im Rahmen des Projektes Minipac konnten weder Korrosionseffekte noch Hygieneprobleme erkennen lassen. Allerdings wurden diese Versuche in einer Klimakammer über einen relativ kurzen Zeitraum durchgeführt. Hier werden noch weitere Versuche unter realen Betriebsbedingungen an unterschiedlichen Außenaufstellungsorten notwendig, um z.B. Einflüsse von Feinstäuben auf das System untersuchen zu können.

Weitere Forschungs- und Entwicklungsfragestellungen vor allem in Bereich der Regelungsoptimierung werden sich durch den Testbetrieb eines Prototyps der Gesamtanlage ergeben.

Steckbrief

Projektnummer
819027
Koordinator
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Projektleitung
Thomas Fleckl, thomas.fleckl@ait.ac.at
Partner
KIOTO Clear Energy AG
UNEX Heatexchanger Engineering GmbH
Schlagwörter
Absorption Solares Heizen und Kühlen Kältemittel
Förderprogramm
Neue Energien 2020
Dauer
03.2009 - 02.2012
Budget
267.535 €