Vermessung der SorTech-Adsorptionskältemaschine

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1 Adsorptionskältemaschine SorTech Kälteleistung COP Teillast Design of Experiments Die vorgestellten Messergebnisse beschreiben das Leistungs- und COP- Kennfeld der periodisch arbeitenden Adsorptionskältemaschine in Abhängigkeit der drei anliegenden Fluideintrittstemperaturen und der Phasendauer auf Basis der Ergebnisse eines zentral zusammengesetzten DoE-Versuchsplans für vier Einflussgrößen. Measurement of SorTech ACS 08 adsorption chiller adsorption chiller SorTech cooling capacity COP part load design of experiments The reported measurement results describe cooling capacity and coefficient of performance of the periodically working adsorption chiller in dependence on the three ingoing fluid temperatures and the duration of the periods using the results of a central composite doedesign for four parameters. Autoren Marek Kowalski (li.), Prof. Dr.-Ing. Mario Adam (re.), Dipl.-Ing. Klaus Backes (o. Bild) E² Erneuerbare Energien und Energieeffizienz, FH Düsseldorf Vermessung der SorTech-Adsorptionskältemaschine ACS 08 Einleitung Die Arbeitsgruppe E² Erneuerbare Energien und Energieeffizienz im Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Fachhochschule Düsseldorf hat im Rahmen des öffentlich geförderten ZIM-Projektes HiL-Feldtest von Mini-KWKK-Anlagen die Adsorptionskältemaschine SorTech ACS 08, Baujahr 2011, an einem Hardware-in-the-Loop- Prüfstand betrieben. Im Zuge einer daran anschließenden Bachelor-Abschlussarbeit erfolgten Vermessungen der Kälteleistung und des COP in Abhängigkeit der drei Eintrittstemperaturen und der Phasendauer [1]. Adsorptionskältemaschine SorTech ACS 08 Die Adsorptionskältemaschine (AdKM) ACS 08 der SorTech AG (siehe Abbildung 1) arbeitet mit dem Stoffpaar Silikagel/ Wasser. Sie besteht aus zwei Adsorber-/ Desorberkammern und je einem Kondensator und Verdampfer, die phasenverschoben betrieben werden und somit einen quasikontinuierlichen Betrieb ermöglichen. Die AdKM kann durch Vertauschen der Anschlüsse im Kälte- und Rückkühlkreis auch als Wärmepumpe betrieben werden. Die nominale Kälteleistung der Maschinen beträgt laut Hersteller 8 kw bei einem Coefficient of Performance (COP) von 0,6. Tabelle 1 enthält die Leistungen, Ein- und Austrittstemperaturen und Volumenströme der drei Kreise, sowie den COP am Nennbetriebspunkt der Maschine laut Hersteller. Versuchsplanung Design of Experiments, kurz DoE, stellt eine arbeitseffiziente Methodik für Parametervariationen bei Experimenten oder Simulationen dar [3]. Besonders bei einer großen Anzahl an Einflussfaktoren erreicht man mit vergleichsweise kleinem Aufwand große Erkenntnisgewinne. Durch Experimente oder Simulationen nach einem systematischen DoE- Versuchsplan lassen sich die physikalischen Abhängigkeiten der Zielgrößen von den variierten Einflussgrößen in Form von Regressionsfunktionen bestimmen, die im gesamten Versuchsraum Gültigkeit besitzen und zur Suche allgemeiner Abhängigkeiten oder Optima dienen können. Einflussgrößen sind im vorliegenden Falle die Eintrittstemperaturen in den drei Kreisen der AdKM und die Phasendauer, mit den in Tabelle 2 dargestellten Variationsbandbreiten. Bei der Phasendauer handelt es sich um die Länge einer Adsorptions- bzw. Desorptionsphase. Ein Zyklus der AdKM besteht aus je einer Adsorptions- und Desorptionsphase und zwei Wärmerückgewinnungsphasen dazwischen. Mess- bzw. Zielgrößen sind im vorliegenden Falle die Kälteleistung und der COP. Der zentral zusammengesetzte, orthogonale DoE-Versuchsplan für vier Einflussgrößen besitzt insgesamt 30 Versuchspunkte. Gemessen wird auf den 2 4 = 16 Ecken des faktoriellen Kerns, im Zentralpunkt in der Mitte dieses Kerns und auf den 4 x 2=8 sogenannten Sternpunkten. Um Aussagen zur Messunsicherheit auf Grund der Versuchsstreuung zu erhalten, erfolgen 5 Wiederholungsmessungen im Zentralpunkt. Macht in Summe 30 Versuchspunkte (siehe Tabelle 3). Die Lage der Versuchspunkte in einem vierdimensionalen Versuchsraum bei vier Einflussgrößen lässt sich zeichnerisch nicht mehr darstellen. Bei 3 Einflussgrößen ist dies noch möglich (siehe Abbildung 2). Der faktorielle Kern hat bei einem dreidimensionalen Versuchsraum die Form eines Würfels, mit 2³=8 Versuchspunkten auf seinen Ecken. Der Zentralpunkt befindet sich in der Mitte des Würfels und die 3 x 2 Sternpunkte sitzen um den Zentralpunkt herum auf den Zentralpunktachsen. Im vierdimensionalen Versuchsraum sind die Verhältnisse analog. Versuchsdurchführung und Ergebnisse Jede Messung eines Versuchspunktes umfasst mehrere Zyklen der periodisch arbeitenden Kältemaschine. Die Messwerte für die Zielgrößen wurden über den jeweiligen Messbereich gemittelt. Die Volumenströme in den drei Kreisen wurden konstant auf den Herstellerangaben gehalten. Die Ergebnisse an allen 30 Versuchspunkten enthält Tabelle KI Kälte Luft Klimatechnik

2 Wissenschaft Aus den Messergebnissen leiten sich für Kälteleistung und COP gemäß DoEAuswertemethodik folgende Regressionsfunktionen ab: QNT = 3, ,9756 x TNT + 0,1366 x T2NT 1,1703 x TMT 0,1374 x T2MT + 0,3938 x THT 0,1296 x T2HT 0,6394 x Phase 0,1753 x (TNT x TMT ) 0,1999 x (T2NT x Phase) 0,1445 x (TMT x THT ) + 0,1967 x (TMT x Phase) 0,1894 x (THT x Phase) + 0,1280 x (TNT x TMT x THT ) 0,0926 x (TNT x TMT x Phase) COP = 0, ,0482 x TNT + 0,0112 x T2NT 0,07 x TMT 0,0315 x T2MT 0,0175 x THT + 0,0401 x Phase 0,0196 x Phase² 0,0093 x (TNT x Phase) 0,0208 x (TMT x THT ) 0,018 x (THT x Phase) + 0,0124 x (TNT x TMT x THT ) 0,0126 x (TMT x THT x Phase) Die Einflussgrößen sind in den Regressionsfunktionen nicht dimensionsbehaftet (in C oder s), sondern linear normiert in den Grenzen zwischen -1,71885 und +1,71885 (Werte der Sternpunkte α) einzusetzen. Abbildung 3 verdeutlicht die Normierung beispielhaft anhand der Eintrittstemperatur im Kältekreis. Zur qualitativen Bewertung der Güte der ermittelten Regressionsfunktionen dient das Prognose-/Beobachtungsdiagramm. Es verdeutlicht die Abweichungen der Messwerte vom Rechenwert aus der Regressionsfunktion an den vermessenen Versuchspunkten. In Abbildung 4 SorTech ACS 08 [2] 1 1 Nenndaten der SorTech ACS 08 und vom Hersteller angegebene Betriebsbandbreiten [2] Silikagel/H2O Stoffpaar COP 0,6 Antriebskreis (HT) Rückkühlkreis (MT) Kältekreis (NT) Leistung kw 13,5 21,5 8 Eintrittstemperatur C 72 (55..95) 27 (22..37) 18 Austrittstemperatur C (6..20) Volumenstrom m³/h 1,6 3,7 2 2 Variierte Einflussgrößen und Variationsbandbreiten im DoE-Versuch Einflussgröße Kürzel Variationsbandbreite Eintrittstemperatur im Kältekreis TNT 8-20 C Eintrittstemperatur im Rückkühlkreis TMT C Eintrittstemperatur im Antriebskreis THT C Phasendauer Phase Sekunden Höchste Energieeffizienz mit EC+ durch ILK Dresden bestätigt besserer Systemwirkungsgrad verglichen mit herkömmlicher EC Technologie Besuchen Sie uns auf der SPS IPC Drives 2015 in Halle 3, Stand 318 Informieren Sie sich jetzt unter: Danfoss GmbH VLT Antriebstechnik Carl-Legien-Straße 8, D Offenbach Telefon: , vlt@danfoss.de DKDD.PA.407.A % Das Institut für Luft- und Kältetechnik ggmbh (ILK) in Dresden bestätigt als unabhängige Prüfstelle: Durch Auswahl des optimalen Frequenzumrichters, PM-Motors und Lüfters erzielt das EC+ Konzept den besten Systemwirkungsgrad in Ihrer RLT-Anlage.

3 ist dieses Diagramm für die Kälteleistung dargestellt. Messwerte sind in der Regel mit Streuung behaftet (siehe auch Abbildung 4, Messwerte am Zentralpunkt) Prognose-/Beobachtungsdiagramm für die Kälteleistung Ausgehend davon lässt sich für alle Terme der allgemeinen Regressionsfunktion eine Signifikanzprüfung durchführen. Terme, die kleiner sind als das ermittelte Messrauschen, werden aus DoE-Versuchsplan (graphische Darstellung) für 3 Einflussgrößen Normierung der Einflussgrößen am Beispiel der Kältekreis- Eintrittstemperatur T NT der Regressionsfunktion eliminiert. In der Regressionsfunktion für die Kälteleistung fehlen deshalb z. B. die Terme Phase² und T NT x T HT. Die mittels Regressionsfunktion berechneten Werte für die Kälteleistung an den Versuchspunkten stimmen unter Berücksichtigung der Streuung gut mit den Messergebnissen überein. Gleiches gilt für den COP. Abbildung 5 und 6 zeigen mit Hilfe der Regressionsfunktionen berechnete Kennfelder für Kälteleistung und COP für verschiedene Fluidtemperaturen und Phasendauern. Gemäß Abbildung 5 erhöht sich die Kälteleistung erwartungsgemäß bei steigender Kältekreistemperatur, sinkender Rückkühltemperatur und einer Verkürzung der Phasendauer. Eine Erhöhung der Antriebstemperatur wirkt unterschiedlich: Bei niedrigen Kältekreis- und Rückkühltemperaturen erhöht sich die Leistung, insbesondere bei hohen Rückkühltemperaturen und langer Phasendauer ist das Gegenteil der Fall. Abbildung 6 zeigt, dass der COP erwartungsgemäß ansteigt, wenn sich die Temperatur im Kältekreis erhöht. Auch eine Verlängerung der Phasendauer wirkt leistungssteigernd (außer bei großem T MT & T HT ). Die Wirkung von Rückkühl- und Antriebstemperatur auf den COP sind unterschiedlich und hängen von den Randbedingungen ab: Wenn T NT und T HT niedrig sind, zeigt sich ein COP-Maximum bei mittleren Rückkühltemperaturen von ca. 30 C. Ist T HT groß, steigt der COP mit sinkender Rückkühltemperatur kontinuierlich an. Analog dazu steigt der COP bei einer Erhöhung der Heizkreistemperatur an, wenn T NT und T MT klein sind. Ist T MT groß, ist das Gegenteil der Fall. In Abbildung 7 wird der Einfluss der Phasendauer auf die Kälteleistung (rote Linien) und auf den COP (blaue Linien) noch einmal verdeutlicht. Durch Verlängerung der Phasendauer ergeben sich im Mittel kleinere Leistungen im Antriebsund im Kältekreis. Im Verhältnis ist der Rückgang im Antriebskreis aber größer, sodass der COP im Allgemeinen bei einer Verlängerung der Phasendauer ansteigt. Abbildung 8 zeigt einen Vergleich der an den Prüfständen gemessenen Betriebseigenschaften der SorTech ACS 08 bei einer kurzen Phasendauer von 350 s (grün) mit denen der Yazaki WFC-SC 05, einer kontinuierlich arbeitenden Absorptionskältemaschine mit dem Stoffsystem LiBr/Wasser (blau) [4]. Die helleren 28 KI Kälte Luft Klimatechnik

4 5 Kälteleistung über der Rückkühlkreis-Eintrittstemperatur T MT bei verschiedenen Kälte- und Antriebskreis-Eintrittstemperaturen (T NT, T HT ) und Phasendauern Linienfarben charakterisieren jeweils höhere Rückkühltemperaturen T MT, die gestrichelten Linien geringere Kältekreistemperaturen T NT. Kälteleistung und COP der SorTech- AdKM sind deutlich kleiner und unabhängiger von der Heizkreistemperatur, als das bei der Yazaki-AbKM der Fall ist. Bei hohen Rückkühltemperaturen geht der COP der SorTech-Maschine mit steigenden Antriebstemperaturen etwas zurück, bei der Yazaki-Maschine zeigt sich unter diesen Bedingungen ein COP-Maximum bei mittleren Antriebstemperaturen. Zusammenfassung Die periodisch arbeitende Adsorptionskältemaschine ACS 08 der Fa. SorTech besitzt laut Hersteller unter Nennbetriebsbedingungen eine Kälteleistung von 8 kw und einen COP von 0,6. Kälteleistung und COP der Maschine sind wie bei allen Sorptionskältemaschinen abhängig von den anliegenden Fluidtemperaturen in Kälte-, Rückkühl- und Antriebskreis. Bei periodischen Maschinen kommt die Phasendauer als Einflussgröße hinzu. Die Vermessung der Betriebseigenschaften der ACS 08 bediente sich zur Reduzierung des experimentellen Aufwandes der DoE-Methodik (DoE = Design of Experiments). Der zentral zusammengesetzte Standardversuchsplan für vier Einflussgrößen kommt mit 25 Versuchspunkten aus (plus einige Wiederholungen zur Ermittlung der Versuchsstreuung). Bei Wahl eines 3er-Gitterrasters wären beispielsweise 3 4 = 81 Versuchspunkte notwendig. Die ermittelten Regressionsfunktionen für Kälteleistung und COP stimmen unter Berücksichtigung 3 DoE-Versuchsplan (tabellarische Darstellung) mit Messergebnissen Versuchspunkt T NT [C] T MT [ C] T HT [ C] Phase [s] COP Kälteleistung [kw] 1 10,5 27,1 69, ,35 3, ,5 27,1 69, ,50 5, ,5 32,9 69, ,25 1, ,5 32,9 69, ,35 3, ,5 27,1 80, ,39 4, ,5 27,1 80, ,46 7, ,5 32,9 80, ,19 1, ,5 32,9 80, ,35 4, ,5 27,1 69, ,46 2, ,5 27,1 69, ,55 4, ,5 32,9 69, ,44 1, ,5 32,9 69, ,47 2, ,5 27,1 80, ,43 2, ,5 27,1 80, ,54 4, ,5 32,9 80, ,25 1, ,5 32,9 80, ,35 2, ,0 30,0 75, ,43 3, ,0 30,0 75, ,46 3, ,0 30,0 75, ,43 3, ,0 30,0 75, ,43 3, ,0 30,0 75, ,45 3, ,0 30,0 75, ,44 3, ,0 30,0 75, ,41 2, ,0 30,0 75, ,55 5, ,0 25,0 75, ,51 5, ,0 35,0 75, ,20 1, ,0 30,0 65, ,42 2, ,0 30,0 85, ,43 4, ,0 30,0 75, ,38 4, ,0 30,0 75, ,46 2,37 KI Kälte Luft Klimatechnik

5 6 COP über der Rückkühlkreis-Eintrittstemperatur T MT bei verschiedenen Kälte- und Antriebskreis-Eintrittstemperaturen (T NT, T HT ) und Phasendauern der Streuung gut mit den Messergebnissen überein. Im Ergebnis hängt die Kälteleistung in erwarteter Weise von der Kältekreistemperatur (Q K wenn T NT ), der Rückkühl- 7 kreistemperatur (Q K wenn T MT ) und der Phasendauer (Q K wenn t ) ab. Eine Erhöhung der Antriebstemperatur wirkt unterschiedlich: meist erhöht sich die Leistung, bei niedrigen Kältekreis- und hohen Rückkühltemperaturen sinkt sie aber ab. Der COP steigt wie erwartet mit steigender Phasendauer (Ausnahme: hohe T MT & T HT ) und steigender Kältekreistemperatur. Statt dass der COP mit steigender Antriebstemperatur ebenfalls ansteigt, ist bei hohen Rückkühltemperaturen, verstärkt durch lange Phasendauer und niedrige Kältekreistemperatur, das Gegenteil der Fall. Auch geringe Rückkühltemperaturen wirken nicht immer Wirkungsgrad steigernd. Bei niedrigen Kältekreis- und Antriebstemperaturen existiert ein COP-Maximum bei mittleren Rückkühltemperaturen. Kälteleistung (rote Linien) und COP (blaue Linien) über der Phasendauer bei drei verschiedenen Kälte-, Rückkühl- und Antriebskreis-Eintrittstemperaturen 8 Literatur [1] Kowalski, M.: Bachelorthesis Vermessung des stationären Kennfeldes der Adsorptionskältemaschine ACS 08 der Firma SorTech und Anpassung eines Matlab/ Simulink/ Carnot- Modells an die Messdaten, Januar 2013 [2] SorTech AG: Betriebs- und Installationsanleitung für den Maschinentyp: ACS 08/ACS 15, Version V 2.0, August 2009 [3] Adam, M.: Vorlesungsskript DoE, FH Düsseldorf 2013 [4] Adam, M., Lohmann, S.: Vermessung der Yazaki-Absorptionskältemaschine WFC- SC05, KI Kälte - Luft - Klimatechnik, 50 (2014), Heft 1-2, Seite Vergleich von Kälteleistung und COP der SorTech ACS08 und der Yazaki WFC-SC05 30 KI Kälte Luft Klimatechnik