Die hydraulischen Kreisläufe werden durch eine im Labor des IWT fix installierte Wärmesenken- und Wärmequelleninfrastruktur gespeist. Beide können über einen Infrastrukturrechner gesteuert werden.
Sowohl die Wärmequelle als auch die Wärmesenke am Versuchstand sind eigenständige Kreisläufe, in denen Temperatur und Durchflussmenge frei einstellbar bzw. regelbar sind. Die Wärmequelleninfrastruktur wird von einem ca. 60 kW Elektroboiler versorgt. Durch den Pufferspeicher und den Regler kann das Temperaturniveau vorgeben werden. Die Wärmesenkeninfrastruktur besitzt ebenfalls einen Pufferspeicher und gibt die Wärme durch einen Trockenkühlturm an die Umgebung ab.
Abbildung 3.6 zeigt auf der linken Seite den direkten Anschluss der Wärmequellen-Infrastruktur an den Wärmequellenkreis des Prüfstands. Der Kreislauf versorgt den Desorber mit Wärme und kühlt anschließend das Ammoniak in den Gaskühlern (AUX1 und AUX2) ab. Die Temperatur wird zu Beginn des Kreislaufs über eine Beimischschaltung mit einem motorgesteuerten Dreiwegeventil geregelt. Vorteil ist, dass die Quellentemperatur des Prüfstands unabhängig von der Vorlauftemperatur der Infrastruktur eingestellt werden kann. Der Volumenstrom kann durch zwei Strangregulierventile nach den Gaskühlern oder über das Schieberventil nach dem Desorber variiert werden. Zusätzlich können entweder einzelne oder beide Gaskühler aus dem Kreislauf heraus genommen werden. Durch das Öffnen des Schiebers kann der Wärmequellenkreislauf mit abgeriegelten Gaskühlern betrieben werden. Für die Bestimmung des Volumenstroms wurde im Rückfluss eine magnetisch-induktive Durchflussmessung eingebaut. Die Temperaturen werden an allen relevanten Stellen im Kreislauf gemessen.
Abbildung 3.6 Wasserkreislauf der Wärmequelle
Die Verbindung zwischen der Wärmesenken-Infrastruktur (links in Abbildung 3.7 angedeutet) und dem Wärmesenkenkreis des Prüfstands ist durch einen Plattenwärmetauscher, siehe Abbildung 3.7, getrennt. Die hydraulische Trennung erfolgt wegen der sich potentiell anstellenden Temperaturen über 100°C am Wärmesenkenaustritt. Wie im Wärmequellenkreislauf wird die Temperatur im Wärmesenkenkreislauf durch eine Beimischschaltung und ein motorgesteuertes Dreiwegeventil geregelt. Vor dem Ventil befinden sich noch ein Ausdehnungsgefäß zum Ausgleich von Volumsänderungen und eine Förderpumpe für den Durchfluss am Plattenwärmetauscher. Das Wasser wird nach dem Ventil durch die zweite Förderpumpe befördert und strömt noch vor der Wärmezufuhr im Absorber durch das Volumenstrommessgerät. Der Volumenstrom wird über das Strangregulierventil eingestellt. Im Absorber wird die Absorptionswärme aufgenommen und anschließend die Wärme vom überhitzen Ammoniak nach dem Hochdruckkompressor im Desuperheater. Der Volumenstrom wird durch das Strangregulierventil im Rücklauf eingestellt. Alle relevanten Temperaturen werden im Kreislauf gemessen.
Abbildung 3.7 Wasserkreislauf der Wärmesenke
In Tabelle 3-2 sind die wesentlichen Bauteile, ausgenommen der bereits zuvor angeführten Wärmetauscher wie z.B. Absorber, für die hydraulischen Kreisläufe der Wärmesenke und Wärmequelle aufgelistet.
Tabelle 3-2 Komponenten der hydraulischen Kreisläufe
1 Plattenwärmetauscher 810*030 SWEP
2 Dreiwegeventil VXG44.15-1,6 Siemens
3 Strangregulierventile TA STAD DN10 TA Hydronics
3.3 Sicherheitseinrichtungen
Für den sicheren Betrieb des Prüfstands wurden verschiedene Sicherheitseinrichtungen vorgesehen. Diese dienen zum Schutz des Betreibers und zum Schutz der Anlage vor Schäden.
NOT-AUS-Schalter
Für plötzliches Auftreten von kritischen Betriebszuständen wurden Not-Aus Schalter am Prüfstand angebracht. Diese sollen eine sichere und rasche Abschaltung der hybriden Wärmepumpe gewährleisten. Die drei Schalter sind neben der Bedienstelle, im Funktionsmuster über den Kompressoren und auf dem Schaltschrank angeordnet. Die Positionierung wurde so gewählt, dass diese gut zugänglich sind und die Schalter sichtbar sind.
Durch die Betätigung des Not-Aus-Schalters werden die beide Kompressoren, der Wärmequellenkreislauf und die Lösungsmittelpumpe vom Stromkreis getrennt. Bevor der Prüfstand wieder in Betrieb genommen werden kann, muss der Schalter durch Drehen entriegelt werden und ein Druckknopf am Schaltrank betätigt werden.
Überström-Eck-Sicherheitsventil
Sicherheitsventile sind federbelastete Ventile, die den Prüfstand vor zu hohe Systemdrücken schützen. Im Worst-Case Szenario ist diese Sicherheitseinrichtung die letzte Möglichkeit Anlage und Umwelt vor zu hohen Systemdrücken zu schützen. Insgesamt wurden fünf Ventile verbaut, die bei unterschiedlichen Drücken auslösen. Jedes Sicherheitsventil kann durch eine Einstellschraube auf den gewünschten Überlastdruck eingestellt werden. In Tabelle 3-3 sind die Anzahl, der Auslösedruck und die vor Überdruck geschützten Komponenten bzw. Teilkreisläufe aufgelistet.
Tabelle 3-3 Daten der Überdrucksicherheitsventile (Erkinger, 2014)
Stk. Bezeichnung Ansprechdruck [bar] Einsatzgebiet / Anwendung
3 Leser Typ 437 24 nach HPC, LPC, im RSAC
1 Leser Typ 437 22 nach LMP
1 Leser Typ 437 9 am PSAC
Zum Abbau des Überdrucks öffnet die Feder das Ventil und Ammoniak (gasförmig) kann austreten. Das Ammoniak wird durch Schläuche zu einer Absaugung mit Ventilator geleitet, welche das Gas anschließend über einen Kamin ins Freie befördert. Das Ventil nach der Lösungsmittelpumpe öffnet bei Überdruck einen Bypass, der vom Pumpenaustritt bis zum Niederdruckbehälter führt.
Druckschalter
Zusätzlich zu den Überdruckeckventilen sind Druckschalter im Prüfstand verbaut worden. Die Schalter schützen den Hochdruckkompressor (HPC), den Niederdruckkompressor (LPC) und die Lösungsmittelpumpe (LMP) vor zu hohem Hochdruck (HD) in der Druckleitung bzw. vor zu geringem Niederdruck (ND) in der Ansaugung. Aus diesem Grund führen jeweils zwei Leitungen von der Nieder- und Hochdruckseite zu den Schaltern. Wird eine Druckgrenze erreicht, so wird die Stromzufuhr zu dem Bauteil unterbrochen. Gleichzeitig wird bei der Auslösung der Druckschalter durch das Steuerprogramm in LabView der Hoch- und Niederdruckkompressor, die Lösungsmittelpumpe sowie die Wärmequelle abgeschaltet und verriegelt. Die Einstellung der Druckgrenzen erfolgt wie zuvor durch ein Federsystem. In Tabelle 3-4 sind die Einstellwerte für die einzelnen Bauteile aufgelistet.
Tabelle 3-4 Daten der Druckschalter (Erkinger, 2014)
Typ Installationsbereich Einstellwert ND / HD Einheit
Danfoss KP 15 LPC 1,2 / 18 [bar]
Danfoss KP 15 HPC 1,2 / 21 [bar]
Danfoss KP 15 LMP 1,2 / 23 [bar]
Weitere Sicherheitseinrichtungen für die beiden Kompressoren sind im Steuerungsprogramm in LabView programmiert worden. Dazu zählen Motorschutzt und Ölstandssignale, die einerseits visuell angezeigt werden und andererseits den Prüfstand automatisch abschalten. Vor dem Start des Prüfstands werden beide Verdichter initialisiert, entriegelt und anschließend erst nach 120 Sekunden freigegeben. Dies soll einen sicheren Start gewährleisten. Die Ölstandssignale überwachen den Füllstand des Öls im Ölsumpf des jeweiligen Kompressors. Bei Unterschreitung einer Füllstandsgrenze wird der Prüfstand selbstständig abgeschaltet.