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FluePump - Effizienzsteigerung durch kältemittelgekühlten Rauchgaskondensator für gasbefeuerte Absorptionswärmepumpen

Der Einsatz von gasbefeuerten Absorptionswärmepumpen als effiziente Heizung offeriert - aufgrund der wesentlich höheren Effizienz von bis zu 200% im Vgl. zu modernen Brennwertgeräten mit nur 105% – ein enormes ökologisches Potential. Ihre Anwendung wird vor allem im s.g. „Retro-Fit“ Bereich, d.h. in Gebäuden älterer Bausubstanz mit existierenden Öl- oder Gaskesseln, wo die bestehende Infrastruktur genutzt werden kann, angesehen. Dieses Segment der Heizungssanierung von älteren Gebäuden bietet ein immenses Einsatzpotential, da ca. 65 % des österreichischen Gebäudebestands vor 1981 errichtet wurde.

Umgesetzt wird die Brennwerttechnik herkömmlich, durch die Kühlung des Abgases unter den Taupunkt mit Hilfe des Heizungswasserrücklaufs. Da vor allem in älteren Gebäuden die Temperatur des Heizungswasserrücklaufs zu hoch für eine Kondensation des Wasserdampfes im Abgas ist, kann die Brennwerttechnik nicht genutzt werden. Um unter allen Betriebsbedingungen eine Kondensation des Wasserdampfes im Abgas und damit die Nutzung der Brennwerttechnik zu ermöglich, wird im Rahmen dieses Projektes der Einsatz eines kältemittelgekühlten Abgaswärmeübertragers anstelle eines über den Heizungswasserrücklauf gekühlten Abgaswärmeübertrager untersucht.

Es wurde ein Simulationsmodell aufgebaut, welches den Vergleich beider Abgaswärmeübertragervarianten ermöglicht. Aufgrund der wesentlich höheren Temperatur des Kältemittels am Eintritt in den Absorber, und der möglichen Beeinflussung der Absorption und des Absorptionswärmepumpenprozesses wurde ein Versuchsstand zur Untersuchung der Absorption von heißem Sorptiv aufgebaut. Des Weiteren wurde ein Modell des kältemittelgekühlten Abgaswärmeübertragers erstellt und dieser für den Einbau in eine gasbetriebene Absorptionswärmepumpe entsprechend ausgelegt. Die experimentelle Untersuchung der gasbetriebenen Absorptionswärmepumpe mit dem Arbeitsstoffpaar NH3/H2O (Ammoniak/Wasser) soll die mögliche Effizienzsteigerung, welche mit einem kältemittelgekühlten Abgaswärmeübertrager erzielt werden kann, zeigen.

Ausgangssituation

Bei den heute bereits am Markt erhältlichen bzw. beforschten Absorptionswärmepumpen handelt es sich um s.g. Brennwertgeräte. Dabei wird das Abgas gezielt unter dessen Taupunkt abgekühlt, um so die im Wasserdampf des Abgases enthaltene Wärme (teilweise) nutzen zu können. Heute eingesetzte Abgaskondensatoren werden i.d.R. durch den Heizungsrücklauf gekühlt. Dies bedingt aber, dass die Rücklauftemperatur (unter Berücksichtigung von Grädigkeiten wesentlich) kühler als der Taupunkt sein muss, um Wasserdampf aus dem Abgas zu kondensieren. Je tiefer das Abgas abgekühlt werden kann, desto höher fallen die Kondensationsgewinne aus. Vor allem im Bereich des Nachrüstmarktes (Retro-Fit Anwendungen) ist das Temperaturniveau des Heizungsrücklaufes jedoch meist höher als der Taupunkt des Abgases, weshalb keine Kondensation stattfinden kann und damit die latente Abgaswärme ungenutzt in die Umgebung emittiert wird.

Durch die Kühlung des Abgaskondensators mit dem aus dem Verdampfer kommenden Kältemittels anstelle mit Heizungswasser kann stets eine vollständige Kondensation des Wasserdampfs im Abgas unabhängig von der Rücklauftemperatur erfolgen, da das Temperaturniveau des Kältemittels meist unter 0°C liegt. Dabei wird die Abgaskondensationswärme vom Kältemittel aufgenommen und im Absorber bzw. Kondensator ans Heizungswasser abgegeben. Damit wird das Temperaturniveau der Abgaskondensationswärme innerhalb des Absorptionskreislaufes auf ein für das Heizungssystem nutzbares Temperaturniveau angehoben.

Vor allem bei hohen Rücklauftemperaturen kommt es zu einer enstprechenden Steigerung der Effizienz. Das Projekt soll schließlich zu einer technologischen Verbesserung und damit zu einer größeren Verbreitung von Absorptionswärmepumpen beitragen.

Projektverlauf

Zu Beginn des Projektes wurde eine Literaturrecherche über die Entstehungsmechanismen der Verschmutzung bei von Abgas um-/durchströmten Wärmeübertragerflächen durchgeführt, sowie Überlegungen zu mögliche Reinigungskonzepte/-strategien angestellt. Des Weiteren wurde eine Literaturrecherche zur Werkstoffauswahl gemacht.

Zum simulativen Vergleich der Abgaswärmeübertragervarianten wurde ein detailliertes thermodynamisches Modell mit dem Arbeitsstoffpaar NH3/H2O basierend auf Energie-, Massen- und Stoffbilanzen aufgebaut, welches die Kenntnis über die erreichbare Gesamteffizienz ermöglicht. Zur Auslegung des Abgaswärmeübertragers wurde für diesen ein eigenes Simulationsmodell, welches eine detaillierte Modellierung der Kondensation beinhaltet, entwickelt.

Es wurde zur Untersuchung der Absorption von heißem Sorptiv ein Prüfstand einer Absorptionswärmepumpe mit dem Arbeitsstoffpaar NH3/H2O aufgebaut und Betrieb genommen. Erste Messungen konnten bereits durchgeführt werden.

Ergebnisse

Das Simulationsmodell hat gezeigt, dass die Effizienz der Absorptionswärmepumpe mit dem Arbeitsstoffpaar NH3/H2O – bei Verwendung eines kältemittelgekühlten Abgaswärmeübertragers - bei hohen Rücklauftemperaturen im Heizungssystem (trück = 55 °C) eine Steigerung der Effizienz um bis zu 12 % erreicht werden kann. Ebenso konnte festgestellt werden, dass der Einfluss der Kältemittelreinheit auf die erreichbare Gesamteffizienz geringer ausfällt. Dadurch können Subkomponenten des Desorbers wie z. B. der Dephlegmator oder die Rektifikationskolonne bedeutend kleiner ausgeführt werden, bei gleichzeitig höherer Gesamteffizienz.

Im Rahmen von ersten Messungen wurde ersichtlich, dass sich eine höhere Kältemitteltemperatur am Eintritt in den Absorber, welche sich beim Einsatz eines kältemittelgekühlten Abgaswärmeübertragers ergibt, wesentlich auf den Absorptionswärmepumpenkreislauf auswirkt. Dabei ist es vor allem zu einem Anstieg des Niederdrucks gekommen, wenn das Kältemittel vor dem Eintritt in den Absorber durch einen zusätzlichen Wärmeübertrager auf eine höhere Temperatur gebracht wurde. Als Folge des höheren Niederdrucks sank der im Verdampfer übertragbare Wärmestrom, wodurch die Regelung der Anlage entsprechend angepasst werden musste.

Steckbrief

Projektnummer
853579
Koordinator
Technische Universität Graz - Institut für Wärmetechnik
Projektleitung
Rene Rieberer, rene.rieberer@tugraz.at
Partner
E-Sorp GmbH
Schlagwörter
Erneuerbare Energie Energieeffizienz Rauchgaskondensation Absorption Wärmepumpe
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
06.2016 - 11.2018
Budget
451.389 €