HyPump – Hocheffiziente Hybrid-Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung in der Industrie

Projektverlauf

Im Rahmen einer Markt- und Literaturrecherche wurden der Stand der Forschung und Entwicklung erhoben und die technischen Randbedingungen für den Kompressions/Absorptions-Wärmepumpenkreislauf festgelegt. Weiters wurde gezielt nach bestehenden Lösungsansätzen für die technologischen Herausforderungen, wie z.B. hohen Kompressor-Austrittstemperaturen, Öl-Rückführung, Kompressor-Schmierung sowie Regelungsstrategie, in der Literatur gesucht.

Daran anschließend dienten Simulationsmodelle zur Ermittlung von Effizienz und technischen Betriebsgrenzen bei unterschiedlichen Randbedingungen (externe Temperaturniveaus von Wärmequelle und Wärmesenke, Komponentenparameter, etc.). Auf diesen Daten basierend wurde die aussichtsreichste Prozessführung ausgewählt, eine Komponentenauslegung durchgeführt und das Simulationsmodell z.B. mit Kennlinien von den gewählten Komponenten verfeinert.

Parallel zur Simulation wurden Vorversuche mit Plattenwärmetauschern und Kompressoren durchgeführt. Es sollte die Verteilung der Zweiphasenströmung im Plattenwärmetauscher genauer untersucht werden und durch Verteiler optimiert werden. Durch Evaluieren der Leistung verschiedener Plattenwärmetauscher wurde ermittelt, welche Art am besten für den Absorptions- und Desorptionsprozess in einer Hybridwärmepumpe geeignet ist. Der für das Kältemittel Ammoniak geeignete Trennhaubenkompressor sollte im Rahmen des Projektes hinsichtlich des verwendenden Stoffpaares und der Schmierung untersucht werden.

Aufbauend auf den Ergebnissen der Komponententests wurde ein Funktionsmuster des bestgeeigneten Prozesses einer hybriden Wärmepumpe mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Lithiumnitrat und ein Laborversuchsstand zur experimentellen Analyse aufgebaut. Das Funktionsmuster wurde bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen detailliert analysiert. Die Ergebnisse wurden mit dem Simulationsmodell verglichen, um weiteres Optimierungspotential zu lokalisieren.

Ergebnisse

Die Ergebnisse zeigen, dass das System einer Hybriden Wärmepumpe auf Grund der erweiterten Regelungsmöglichkeiten für viele Anwendungsfälle und vor allem für die Hochtemperaturanwendung eine interessante Variante darstellt. Unter Berücksichtigung der Erfahrungen mit dem Funktionsmuster besteht allerdings noch Optimierungs- und Überarbeitungsbedarf hinsichtlich einzelner Komponenten:

+ Bei den Kompressoren besteht Optimierungspotential hinsichtlich Gütegrad und WärmeverlusteVor allem der Gütegrad fließt direkt in die erreichte Leistungszahl des Kreislaufs ein.
+ Absorber und Generator müssen für höhere Leistungszahlen und für einen hohen Temperaturgleit von Wärmequelle und Wärmesenke hinsichtlich Wärme- und Stoffübergang optimiert werden.
+ Beim Absorber ist das unterschiedliche Strömungsverhalten (Viskosität und Oberflächenspannung) von Ammoniak/Wasser und Ammoniak/Lithiumnitrat zu berücksichtigen.
+ Lösungsverschleppung vom Lösungskreislauf Richtung Kompressoren ist apparativ zu unterbinden, um zu gewährleisten, dass reines Ammoniak in der Gasphase am Eintritt in den Kompressor vorliegt.