Prof. Dr.-Ing. Uwe Sievers

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1 Prozessberechnungen zur Kälte- und Wärmeerzeugung für Supermärkte mit einer CO 2 -Anlage Prof. Dr.-Ing. Uwe Sievers Fachgebiet Technische Thermodynamik, Anlagenbau und Kältetechnik Hochschule für Angewandte 1

2 1. Motivation 2. CO 2 -Kältemaschinenprozess in Grundschaltung 3. Weitestgehende CO 2 -Abkühlung mit Umgebungsluft 4. Begrenzte CO 2 -Abkühlung mit Umgebungsluft 5. Zusammenfassung und Ausblick Gliederung 2

3 Natürliches Kältemittel CO 2 (R 744) in Supermärkten für Normalkühl- und Tiefkühlbereich erfolgreich Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz (EEGWärmeG) verlangt Abkehr von thermischer Energieversorgung auf Basis fossiler Energieträger Suche nach alternativen Wärmeerzeugungssystemen Abwärmenutzung von Supermarkt-Kälteanlagen zur Heizwasser- und Brauchwassererwärmung ist eine Möglichkeit Idee der Abwärmenutzung von Kältemaschinen bereits 1939 von Prof. Pauer, TH Dresden, für Warmwasserbereitung z. B. in Brauereien und Schlachthäusern in Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau in eigenem Unterkapitel vorgeschlagen: Unter Umständen ist es wirtschaftlicher, die Kompressorleistung (einer Kältemaschine) nicht nach dem Kältebedarf, sondern nach dem Bedarf an Abfallwärme zu bemessen Motivation 3

4 ca. 70 Jahre später: Abwärmenutzung von Kältemaschinen zur Heizwasser- und Brauchwassererwärmung für Supermärkte in größerem Umfang aufgegriffen. Fortschrittlich im Vergleich zur Freien und Hansestadt Hamburg: Von Prof. Pauer 1939 ebenfalls geäußerte Idee, Abwärme aus Kraftwerken zur Heizwasser- und Brauchwassererwärmung für Gebäude zu nutzen, stößt für das neu errichtete Kohle-Kraftwerk Moorburg auf massiven Widerstand. Abwärme wird dort ohne weitere Nutzung an die Elbe (im Sommer zusätzlich an Umgebungsluft) abgegeben. Für Supermarkt-Kälteanlagen stellen sich die Fragen: Wo liegen Grenzen der Abwärmenutzung für Supermärkte? Wann ist zusätzliches Wärmeerzeugungssystem erforderlich? Motivation 4

5 CO 2 -Kältemaschinenprozess mit Economiser 5

6 Vorgaben und Annahmen für CO 2 -Kältemaschinenprozess 6

7 Heizwasser-Rücklauftemperatur t HW,R = 30 C Heizwasser-Vorlauftemperatur t HW,V = 50 C Brauchwasser-Eintrittstemperatur t BW,ein = 10 C oder 25 C Brauchwasser-Austrittstemperatur t BW,aus = 65 C BW,aus Kleinste Temperaturdifferenz im Wärmeübertrager t WÜ,min = 2 K, außer bei unterkriti-schem Betrieb im Kondensator t WÜ,min = 4 K CO 2 -Überhitzung im NK- und im TK-Verdampfer t WÜ = 7 K Druckverlust je Wärmeübertrager p WÜ = 0,3 bar Vorgaben und Annahmen für CO 2 -Kältemaschinenprozess 7

8 Druckverlust in NK- und in TK-Saugleitung entsprechend Temperaturdifferenz t SL = 2 K Druckverlust in Druckleitung entsprechend Temperaturdifferenz t DL = 1 K Druckverlust in Kondensatleitung sowie in Flüssigkeitsleitung p KL = p FL = 2 bar Vorgaben und Annahmen für CO 2 -Kältemaschinenprozess 8

9 Kälteleistungszahlen COP für NK, TK und gesamten Prozess 9

10 Exergetischer Wirkungsgrad ζ K, NK der NK-KälteerzeugungKälteerzeugung 10

11 Exerget. Wirkungsgrade ζ K,TK u. ζ K von TK- u. gesamter Kälteerz. 11

12 Exergetischer Wirkungsgrad ζ H der Wärmeerzeugung 12

13 Exergetischer Wirkungsgrad u. Leistungszahl gesamter Prozess 13

14 Kälteleistungszahl COP K und bezogener Heizwärmestrom 14

15 Leistungszahl COP ges der Kälte-Wärme-Kopplung 15

16 Exergetischer Wirkungsgrad ζ K der Kälteerzeugung 16

17 Exergetischer Wirkungsgrad ζ K, TK der TK-KälteerzeugungKälteerzeugung 17

18 Exergetischer Wirkungsgrad ζ H der Wärmeerzeugung 18

19 Exergetischer Wirkungsgrad ζ ges der Kälte-Wärme-Kopplung 19

20 CO 2 -Kältemaschinenprozess mit externer Wärmepumpe 20

21 CO 2 -Prozess innerer Wärmeübertrager hinter Mitteldruckbehälter 21

22 CO 2 -Kältemaschinenprozess bezüglich Möglichkeiten und Grenzen der Abwärmenutzung zur Heiz- und Brauchwassererwärmung untersucht Für Bewertung u. Vergleich verschiedener Varianten beispielhaft Leistungszahlen, exergetische Wirkungsgrade, bereitgestellter Heizwärmestrom, Temperaturen und Massenströme berechnet Anhand des Heizwärmestrombedarfs des Supermarktes können damit für jeweilige Umgebungstemperatur erforderliche Betriebsparameter bestimmt werden Abwärmenutzung erfordert Kompromiss zwischen Kälte- und Wärmeerzeugung bei Wahl der Betriebsparameter Zusammenfassung 22

23 Ist neben erforderlicher Kälteerzeugung für Supermarkt durch CO 2 -Kältemaschinenprozess im konkreten Fall auch vollständige Wärmeerzeugung sinnvoll? Ist es wirtschaftlicher, CO 2 -Prozess mit anderen, für Kälteerzeugung günstigeren Betriebsparametern zu fahren und durch Abwärmenutzung nicht abgedeckten Anteil des Heizwärmestrombedarfs mit Hilfe eines zusätzlichen Heizsystem bereit zu stellen? Berechnungen inzwischen für weitere Varianten durchgeführt. Weitere interessierende Fälle können mit vorhandenem Rechenprogramm, ggf. nach Erweiterung, untersucht werden. Ausblick 23

24 Veröffentlichungen vom Vortragenden zum Thema mit weiteren Informationen: U. Sievers, V. Balko: Prozessberechnungen für eine CO 2 -Anlage zur Kälte- und Wärmeerzeugung für Supermärkte. Teil 1: Weitestgehende CO 2 -Abkühlung durch Umgebungsluft. Forschung im Ingenieurwesen 79 (2016) 3: ; DOI /s Elektronisch verfügbar unter: U. Sievers, V. Balko: Prozessberechnungen für eine CO 2 -Anlage zur Kälte- und Wärmeerzeugung für Supermärkte. Teil 2: Begrenzte bzw. keine CO 2 -Abkühlung durch Umgebungsluft. Forschung im Ingenieurwesen 79 (2016) 3: ; DOI /s Elektronisch verfügbar unter: Veröffentlichungen 24