Wärmepumpe mit Wasser als Arbeitsmedium Perspektiven und Grenzen

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1 Wärmepumpe mit Wasser als Arbeitsmedium Perspektiven und Grenzen Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Karl PONWEISER Projektass. Dipl.-Ing. Thomas SCHLÖGL VDI - Forum 2015 Johannes Kepler Universität Linz Motivation 2 Wasser als Arbeitsmedium 4 Verdichter 8 Kreisprozess 11 Grenzen 20 Perspektiven 22

2 Bereitstellung von Prozesswärme mit einer Wärmepumpe und Temperaturen von bis zu T Senke = 200 C (Sättigungsdruck ~ 15.5 bar) Bereitstellung Prozessdampf (kein Kondensator notwendig) Synthetische Arbeitsmittel ungeeignet (Prozesse müssten überkritisch erfolgen) Wasser (R718) als Kältemittel + Hohe kritische Temperatur unterkritischer Prozess + Global Warming Potential: GWP = 0 + Ozone Depletion Potential: ODP = 0 + ungiftig, nicht brennbar, nicht explosiv Nachteil beim Einsatz von Wasser als Arbeitsmedium: Temperatur der Quelle muss relativ hoch sein oder der Prozess muss teilweise bei Unterdruck ablaufen Motivation 2 Wasser als Arbeitsmedium 4 Verdichter 8 Kreisprozess 11 Grenzen 20 Perspektiven 22

3 R134a R134a vs. R718 Steigung der Taulinie im T,s - Diagramm (flaches Auslaufen bei R718) Steigung der Isobaren R718 Nachteile R718: hohe Verdichterendtemperaturen große Druckverhältnisse geringe volumetrische Kälteleistung Bei der Verwendung von Wasser als Kältemittel treten folgende Probleme auf: sehr hohe Verdichterendtemperaturen Abbildung 1: Verdichterendtemperatur bei einem einstufigen WP-Prozess mit einer Verdampfungstemperatur von 80 C, einem isentropen Wirkungsgrad von 0.75, unterschiedlichen Kältemitteln und unterschiedlichen Kondensationstemperaturen Abbildung 2 : Differenz zwischen Kondensationstemperatur und Verdichterendtemperatur bei einem einstufigen WP-Prozess mit einer Verdampfungstemperatur von 80 C, einem isentropen Wirkungsgrad von 0.75, unterschiedlichen Kältemitteln und unterschiedlichen Kondensationstemperaturen

4 Bei der Verwendung von Wasser als Kältemittel treten folgende Probleme auf: große Druckverhältnisse geringe volumetrische Kälteleistung große Volumenströme Abbildung 3 : Druckverhältnis bei einem einstufigen WP- Prozess mit einer Verdampfungstemperatur von 80 C, einem isentropen Wirkungsgrad von 0.75, unterschiedlichen Kältemitteln und unterschiedlichen Kondensationstemperaturen Abbildung 4 : Erforderlicher Ansaugvolumenstrom bei einem einstufigen WP-Prozess mit einer Kondensationsleistung von 1 MW, einer Verdampfungstemperatur von 80 C, einem isentropen Wirkungsgrad von 0.75, unterschiedlichen Kältemitteln und unterschiedlichen Kondensationstemperaturen Motivation 2 Wasser als Arbeitsmedium 4 Verdichter 8 Kreisprozess 11 Grenzen 20 Perspektiven 22

5 Verdichterkonzept große Volumenströme, große Druckverhältnisse, Know-How des Industriepartners Kolbenverdichter dreistufiger Hubkolbenverdichter (wegen hoher Verdichtungsendtemperaturen) OT UT D Kolben VSchad V Hub Abbildung 5 : Schema des Hubkolbenverdichters (Quelle: Bachelorarbeit Konzeptionierung einer Hochtemperaturwärmepumpe mit Wasser als Arbeitsmedium ) Verdichterkonzept Referenzfall Temperatur Druck Senke 130 C 3.0 bar Quelle C 0.12 bar Stufe Anzahl Kolben Durchmesser Kolben Hub m 0.23 m m 0.23 m m 0.23 m n Verdichter = 500 1/min Verdichter Einspritzpumpe Kondensator Leistungen 120 kw 0.8 kw 530 kw COP = 4.39

6 Motivation 2 Wasser als Arbeitsmedium 4 Verdichter 8 Kreisprozess 11 Grenzen 20 Perspektiven 22 Kreisprozess der Wasser Wärmepumpe 3 bar 0.85 bar 0.29 bar 0.12 bar Abbildung 6 : T,s Diagramm des dreistufigen WP-Prozess mit einer Verdampferdruck von 0.12 bar, reversibel adiabater Verdichtung mit Einspritzung (rot) und ohne Einspritzung (grün, strichliert) und einem Kondensatordruck von 3 bar

7 Kreisprozess der Wasser Wärmepumpe Abbildung 7 : log p,h Diagramm des dreistufigen WP-Prozess mit einer Verdampfungstemperatur von ca. 50 C, reversibel adiabater Verdichtung und einem Kondensatordruck von 3 bar Heißgaskühlung Verhinderung zu hoher Verdichterendtemperaturen mit Einspritzung von flüssigem Wasser Verdampfungsenthalpie des eingespritzten Wassers kühlt das dampfförmige Medium während der Verdichtung Tropfen müssen vor Erreichen des Öffnungsdruckes vollständig verdampft sein! Verdampfungszeit bei n Kompressor = 500 1/min: t Verdampfung ~ 0.25 x t Umdrehung ~ 0.03 s (folgendes Diagramm) Maximale Tropfengröße?

8 Darstellung der Einspritzzeit t Verdampfung t UT - Öffn.druck t Einspritz ~ 0.01 s Abbildung 8 : Ventilstellung des Einspritzventils Heißgaskühlung Annahmen: t Verdampfung = 0.03 s Tropfentemperatur: T satt (p Verdampfer ) errechneter Tropfendurchmesser: d Tropfen ~ 15 μm Resultierende Anforderungen an das Einspritzsystem: Wie können Tropfen mit diesem Durchmesser erzeugt werden? Wie kann ein Einspritzvolumenstrom von bis zu 5000 cm³/min bereitgestellt werden? Welche Leistung benötigt das Einspritzsystem?

9 Heißgaskühlung Einspritzung mit Injektor aus dem Bereich Verbrennungskaftmschinen Bosch Motorsport HP Injection Valve HDEV 5.2 Tropfengröße 15 μm (SMD) Flow Rate 1500 cm³/min (n-heptane) Operating Pressure 200 bar Spritzbild nach Kundenwunsch kompakte Bauweise Abbildung 9 : Mögliche Spritzbilder des Einspritzventils (Quelle: Variation des Verlaufes der Zustandsänderung bei der Kompression Änderung des Einspritzmassenstromes 3 bar 0.85 bar 0.29 bar Variante 1 Variante bar Abbildung 10 : T,s Diagramm mit verschiedenen Einspritzmengen

10 Fazit R718 Kreisprozess Nachteile: Verdampfung bei Unterdruck hohe Verdichterendtemperatur (ohne Heißgaskühlung) hohe Druckverhältnisse große Volumenströme große Verdichter keine hinreichend genauen Untersuchungen zur Einspritzung von Wasser mit Injektoren aus Verbrennungsmotoren Vorteile: unterkritischer Prozess gute Regelbarkeit der Endtemperatur mit Einspritzung Bereitstellung von Prozesswärme mit Hochtemperatur-WP Offener Prozess zur Dampfproduktion geringere Investitionen ODP und GWP = 0 keine Schäden an der Umwelt keine gesundheitlichen Auswirkungen auf den Menschen Motivation 2 Wasser als Arbeitsmedium 4 Verdichter 8 Kreisprozess 11 Grenzen 20 Perspektiven 22

11 Begrenzende Faktoren Verdichterendtemperatur darf einen bestimmten Wert nicht übersteigen, um die Kolbenringe (z.b.: PTFE, PEEK) nicht zu beschädigen Baugröße auf Grund der geringen volumetrischen Kälteleistung von Wasserdampf, bauen die Kolbenverdichter sehr groß Drehzahl ist auf Grund der maximalen Kolbenstangengeschwindigkeit begrenzt Tropfengröße je nach Drehzahl, darf der Tropfendurchmesser den Grenzwert nicht überschreiten Motivation 2 Wasser als Arbeitsmedium 4 Verdichter 8 Kreisprozess 11 Grenzen 20 Perspektiven 22

12 Perspektiven für R718 Wärmepumpen R718 gilt als ökologisch bestes Arbeitsmedium Temperaturen, die mit organischen Arbeitsmedien nicht erreicht werden können Folgeprojekt Genauere Untersuchungen zur Integration einer R718 Wärmepumpe in industrielle Prozesse zur Trocknung und Sterilisation Trocknungsprozesse nehmen ca. 25 % des industriellen Gesamtenergiebedarfes ein Errichtung eines Prüfstandes zur Verifizierung der theoretischen Ergebnisse Acknowledgement: Projekt SteamUp e!mission.at 4.Ausschreibung Projektpartner: AIT Austrian Institute of Technology GmbH LMF Leobersdorfer Maschinenfabrik GmbH Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!