Lösungswärmetauscher

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Gl. 5-8

In Tabelle 5-5 sind die Messwerte der Messreihe 1 mit den Ein- und Austrittstemperaturen des Ammoniaks und des Wassers aufgelistet.

Tabelle 5-5 Temperaturen vor und nach dem Gaskühler der Messreihe 1

Messpunkt 1 2 3 4 5 6 7 Einheit

tSRC,AUX,in 32,4 37,4 42,0 46,7 51,7 56,7 61,7 [°C]

tSRC,AUX2,out 33,5 38,4 43,0 47,7 52,6 57,5 62,5 [°C]

tNH3,AUX2,in 60,2 64,6 68,9 73,2 77,7 82,3 86,6 [°C]

tNH3,AUX2,out 31,8 36,7 41,2 45,7 50,5 55,3 60,2 [°C]

φAUX1 1,06 1,10 1,13 1,18 1,24 1,30 1,35 [ - ]

φ_AUX2 1,02 1,03 1,03 1,04 1,05 1,05 1,06 [ - ]

Die Kreuzung der Temperaturverläufe wurde auch im Gaskühler 1 vor dem Niederdruckkompressor festgestellt. Die Unterschreitung der Eintrittstemperatur des Wassers ist sogar um circa 0,5 Kelvin höher als im Gaskühler 2.

5.6.2 Lösungswärmetauscher

Die beiden Lösungswärmetauscher SHX1 und SHX2 dienen zur Effizienzsteigerung der Wärmepumpe. Dies wird durch interne Wärmeübertragung erzielt. Dabei wird die arme Lösung, die dem Absorber zufließt, im Lösungswärmetauscher 1 von der reichen Lösung nach dem Absorber und anschließend im Lösungswärmetauscher 2 vom Ammoniak nach dem Niederdruckkompressor erwärmt. In den nachfolgenden Abbildung 5.22 und Abbildung 5.23 werden die Ergebnisse anhand der Messwerte des Messpunkts 7 ausgewertet.

In Abbildung 5.22 sind die Temperaturverläufe im Lösungswärmetauscher 1 (SHX1) dargestellt.

In diesem Diagramm ist das vorteilhafte Prinzip der Gegenstromführung gut erkennbar. Beide approximierten Geraden verlaufen annähernd parallel mit einer geringen Temperaturdifferenz.

Auf der linken Seite ist die Eintrittstemperatur der armen Lösung (PSO) und die Austrittstemperatur der reichen Lösung aufgetragen. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Geraden bleibt annähernd konstant auf Grund ähnlicher Massenströme und spezifischer Wärmekapazitäten von armer und reicher Lösung, vor allem bei hohen Lösungsumläufen. Dies hat den Vorteil geringer Exergieverluste im Wärmetauscher.

Abbildung 5.22 Temperaturverlauf im Lösungswärmetauscher 1 MP 7 (SHX1)

In Abbildung 5.23 sind die Temperaturverläufe im Lösungwärmetauscher 2 (SHX2) dargestellt.

Die beiden Wärmetauscher sind im Lösungsmittelkreislauf der armen Lösung nacheinander geschaltet. Der Lösungswärmetauscher 2 erwärmt die arme Lösung durch die hohe Kompressoraustrittstemperatur des Ammoniakmassenstroms, wobei der Lösungswärmetauscher 2 nach dem Niederdruckkompressor geschaltet ist. Wie zuvor bei den Gaskühlern, tritt auch hier wieder eine Überschneidung der Temperaturverläufe auf. Das Ammoniak verlässt den Wärmetauscher mit einer geringeren Temperatur als die Lösungseintrittstemperatur zulässt.

Die zuvor überlegten Gründe (siehe Kapitel 5.6.1) können für die Kreuzung des Temperaturverlaufs nicht direkt übernommen werden. Die vier Temperaturfühler liegen jeweils außen am Rohr an. Als Beispiel wurde wieder der Messpunkt 7 in Abbildung 5.23 ausgewählt.

Der Temperaturunterschied zwischen dem Ammoniakaustritt und dem Eintritt der armen Lösung beträgt 0,9 Kelvin.

Abbildung 5.23 Temperaturverlauf im Lösungswärmetauscher 2 MP 7 (SHX2) 65

Eine mögliche Begründung für die Kreuzung der Verläufe sind die Wärmeübergänge der Medien. Es wird vermutet, dass die reiche Lösung einen besseren Wärmeübergang besitzt als das gasförmige Ammoniak.

Die Betriebscharakteristik bzw. Effizienz des Lösungswärmetauschers ist vergleichbar mit dem Gaskühler 1 und 2 und weist Werte knapp um 1 auf.

5.6.3 Desuperheater

Der Desuperheater ist im Ammoniakkreislauf der letzte Wärmetauscher vor den Ölabscheidern und dem Absorber. Dabei wird das Kältemittel, das mit einer sehr hohen Temperatur aus dem Hochdruckkompressor austritt, von der Wärmesenke abgekühlt. Gleichzeitig wird das Wasser anschließend an den Absorber vom Desuperheater zusätzlich erwärmt. Das Ziel des Wärmetauschers ist eine höhere Endtemperatur der Wärmesenke nach dem Absorberaustritt zu erreichen und das überhitzte Kältemittel für die Ölabscheidung zu kühlen.

In Abbildung 5.24 sind die beiden Temperaturverläufe des Messpunkts 7 aufgetragen. Das Ammoniak tritt mit einer hohen Temperatur in den Desuperheater ein. Auf der anderen Seite des Wärmetauschers, wo das abgekühlte Ammoniak austritt, tritt das Wasser der Wärmesenke ein. Das Wasser strömt nun in gegengesetzter Richtung durch den Desuperheater und nimmt die abgegebene Wärme des Ammoniaks auf. Die Messwerte zeigen jedoch einen anderen Trend. Die Temperaturen der beiden Medien sinken, was einer beiderseitigen Wärmeabgabe entspricht und physikalisch nicht möglich ist.

Abbildung 5.24 Temperaturverlauf des Desuperheater

Wie bereits in Kapitel 5.4 erläutert, kommt die vermeintliche Abkühlung der Wärmesenke wahrscheinlich durch eine Temperaturschichtung zustande. Die Messung der Absorberaustrittstemperatur konnte durch den Einbau einer Verengung zum Teil verbessert werden. Das heißt die Wärmesenkeneintrittstemperatur in den Desuperheater liegt bei gleichen Betriebsbedingungen niedriger als in Abbildung 5.24 angedeutet ist.

Eine weitere Unstimmigkeit in Abbildung 5.24, ist die Kreuzung der beiden Temperaturverläufe.

Geht man von einer Erhöhung der Eintrittstemperatur und nicht einer Abkühlung der 85

90 95 100 105

0 100

t [°C]

Q_SUP [%]

t_NH3

t_SNK

Annahme: cp=konstant

Wärmesenke aus, so tritt dieses Problem nach wie vor auf. Dies ist zurückzuführen auf unzureichend exakte Temperaturmessungen im Kühlkreislauf.

5.7 Leistungszahlen

Eine der wichtigsten Kenngrößen der Anlage ist die Leistungszahl COP. Die Berechnung der COP-Werte erfolgte durch die Formel 2-1. Die Werte sind für unterschiedliche Messreihen in Abbildung 5.25 auf der Ordinate aufgetragen. Auf der Abszisse ist wiederum die Eintrittstemperatur der Wärmequelle und Wärmesenke abzulesen. Die fünf Verläufe im Diagramm zeigen die Messreihen 1, 2, 4, 8 und 9 (siehe Tabelle 5-2).

Abbildung 5.25 COP-Verlauf für verschiedene Messreihen

Die Leistungszahlen zeigen einen fast konstanten Verlauf bei variierender Eintrittstemperatur der Wärmequelle und Wärmesenke. Unterschiede zwischen den Messreihen erklären sich durch die Druckniveaus und durch die Drehzahl des Niederdruckkompressors. Vergleicht man die beiden Messereihen 18-3 50Hz und 18-3 40Hz, so fällt eine Steigerung des COP mit geringerer Drehzahl auf. Durch eine genaue Auswertung der Daten für die Messreihe konnte die Erhöhung interpretiert werden. Die geringere Drehzahl bewirkt eine proportionale Verkleinerung der Massenströme des Ammoniaks und der Lösung. Dadurch werden primär die übertragenen Wärmeleistungen und die Leistungsaufnahme der elektrischen betriebenen Kompressoren kleiner. Der Wärmestrom in den Wärmetauschern sinkt durch den kleineren Massenstrom, gleichzeitig werden die Temperaturdifferenzen und der Druckverlust geringer.

Die Leistungen der Kompressoren und der Lösungsmittelpumpe sinken überproportional zu den Wärmeleistungen wodurch der COP mit geringerem Ammoniak- und Lösungsmassenstrom steigt.

Mit Hilfe des Simulationsprogramms in EES wurde der COP vorab abgeschätzt. Dieser lag für sämtliche Messreihen höher als gemessen wurde. Eine Ursache dafür sind die mäßigen Gesamtwirkungsgrade der beiden Kompressoren. Diese haben einen großen Einfluss auf den COP. Beide Verdichter benötigen eine höhere elektrische Leistung und geben einen großen Teil der zugeführten Leistung an die Umgebung ab, wodurch sich der thermische Nutzen verringert und der COP-Wert sinkt. Ein weitere Grund sind die hohen Temperaturdifferenzen zwischen der reichen Lösung am Austritt aus dem Absorber und der Wärmsenke am Eintritt.

Die unerwartete hohe Differenz zum Vergleich der Annahmen in der Simulation zeigt einen geringeren Wärmeübergang bzw. einen schlechten Absorptionsvorgang im Absorber.