Institut für Thermodynamik Technische Universität Braunschweig. Diplomarbeit

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1 Institut für Thermodynamik Technische Universität Braunschweig Diplomarbeit Aufbau eines Prüfstandes zur Untersuchung der Vereisungsproblematik einer CO 2 -Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Naturumlaufabtauung Julia Mildenberger Betreuer: Kai Kosowski Braunschweig, November 2008

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3 Braunschweig, im November 2008 Eidesstattliche Erklärung Hiermit erkläre ich an Eides statt, dass ich diese Diplomarbeit eigenständig und nur unter zu Hilfenahme der angegebenen Quellen verfasst habe. (Julia Mildenberger) III

4 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Symbolverzeichnis VI VIII 1 Einleitung 1 2 Grundlagen Der Wärmepumpen-Kreisprozess Wärmepumpenprozess mit CO 2 als Kältemittel Außenluft als Wärmequelle Vereisungsproblematik des Verdampfers Lösungsansätze für die Verdampfer-Abtauung Gängige Abtauverfahren Einsatz des Naturumlaufs für die Verdampfer-Abtauung Funktionsweise des Naturumlaufs Vorversuche Modellprüfstand Versuchsaufbau und -vorbereitung Versuchsdurchführung und -auswertung Vereisungs- und Abtauversuch Versuchsaufbau und -vorbereitung Versuchsdurchführung und -auswertung Konzeptionierung und Aufbau der Wärmepumpenanlage Aufbau der Anlage Wärmequellenseite Kältemittelkreislauf Wärmesenkenseite Messverfahren Verdampferwägung Wärmequellenseite Kältemittelkreislauf Wärmesenkenseite IV

5 INHALTSVERZEICHNIS 5 Durchführung von Prüfstandsversuchen Befüllversuch Abtauversuche Abtauung durch externen Wärmeeintrag Abtauung durch Naturumlauf Auswertung und Diskussion der Versuchsergebnisse Befüllversuch Abtauversuche Abtauung durch externen Wärmeeintrag Abtauung durch Naturumlauf Verdampferwägung Ausblick Zusammenfassung 66 Literaturverzeichnis 68 V

6 Abbildungsverzeichnis 2.1 Anergie-/Exergieströme Komponenten eines Wärmepumpenkreislaufs Wärmepumpenkreislauf im p,h-diagramm Abkühlung feuchter Luft, dargestellt im schematischen Mollier-Diagramm Abkühlung feuchter Luft an der Lamellenoberfläche Heißgasabtauung, schematische Darstellung Prozessumkehrabtauung, schematische Darstellung Naturumlaufabtauung, schematische Darstellung Energieströme verschiedener Abtauverfahren, schematische Darstellung Funktionsweise Naturumlauf, schematische Darstellung Modellprüfstand, Schema Modellprüfstand Temperaturverläufe Warmbad Vereisungs- und Abtauvorversuch, Schema Wägung des Wärmeübertrager-Probestücks Eisbildung am Prüfteil Fließbild der Versuchsanlage im Heiz- und Naturumlaufbetrieb Versuchsanlage, schematische Darstellung Ventilatorkennlinie Verdampfer Verschaltung der Kältemittelrohre des Verdampfers Verdichter Gaskühler Expansionsorgan Wägesystem des Verdampfers Messmatrix der Lufttemperaturen Messmatrix der Luftgeschwindigkeiten Oberfläche der Datenerfassungssoftware Darstellung des Wärmepumpenkreislaufs im p,h-diagramm Darstellung des Naturumlaufs im p,h-diagramm VI

7 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 6.1 Systemverhalten bei Naturumlaufinitialisierung Temperaturniveaus von Wasser, Luft und Kohlendioxid während des Naturumlaufs Abhängigkeit des Naturumlaufs von der Kältemittelfüllmenge Abhängigkeit der Luftleistungen von der Kältemittelfüllmenge Darstellung des Naturumlaufs für drei unterschiedliche Kältemittelfüllmengen Aufteilung der Verdampferoberfläche zur Betrachtung der luftseitig übertragenen Leistungen Darstellung der je Verdampferreihe luftseitig übertragenen Leistung Wasserseitig übertragene Leistung bei Abtauung ohne Naturumlauf Wasserseitig übertragene Leistung bei Abtauung mit Naturumlauf Wägung des Verdampferpakets bei Abtauung ohne Naturumlauf Wägung des Verdampferpakets bei Abtauung mit Naturumlauf Vergleich der Wägung bei Abtauung mit und ohne Naturumlauf VII

8 Symbolverzeichnis Begriffe und Abkürzungen COP Coefficient Of Performance GWP Global Warming Potential ODP Ozone Depletion Potential Lateinische Formelzeichen c p spezifische isobare Wärmekapazität [ J kg K ] d Wandstärke [m] E Energie [J] g Erdbeschleunigung [ m s 2 ] h spezifische Enthalpie [ J kg ] ṁ Massenstrom [ kg s ] P Antriebsleistung [W ] p Druck [bar] Q Wärmestrom [W ] q spezifische Wärme [ J kg ] T absolute Temperatur [K] V Volumenstrom [ m3 s ] V Volumen [m 3 ] v Geschwindigkeit [ m s ] VIII

9 NOMENKLATUR w spezifische Arbeit [ J kg ] kgw asser x Wassergehalt feuchter Luft [ ] kgtr.luft x D Nassdampfgehalt [ ] Griechische Formelzeichen Differenz [ ] ε Leistungszahl bei Kälteanlagen [%] ϕ relative Feuchte der Luft [%] ϱ Dichte [ kg m 3 ] ϑ Temperatur in Celsius [ C] Indizes Zustand der siedenden Flüssigkeit, z.b. ϱ Zustand des gesättigten Dampfes, z.b. ϱ A Abk Abt el fl G g ges h HK L l Auftrieb Abkühlung Abtauung elektrisch flüssig Grenzfläche gasförmig gesamt heiz- Heizkreis Luft latent IX

10 NOMENKLATUR Nutz- nach Hahnöffnung Naturumlauf Prüfstand Reibung Rücklauf sensibel technisch Umgebung vor Hahnöffnung Vorlauf Wasser Wärmepumpe N nhö N U P St R RL s t U vhö V L W W P X

11 Kapitel 1 Einleitung Im Rahmen der Diskussion über eine ressourcenschonende Wärmeversorgung geraten Systeme mit fossilen Brennstoffen als Energieträger zunehmend in die Kritik. Wärmepumpen stellen hier eine bewährte alternative Komponente moderner und umweltfreundlicher Heizungssysteme dar. Als natürliches Kältemittel stellt Kohlendioxid in Wärmepumpen eine ökologisch unbedenkliche Alternative zu herkömmlichen Kältemitteln wie z. B. Propan dar. Zudem ist eine Wärmepumpe, die mit CO 2 als Kältemittel arbeitet, aufgrund der thermischen Eigenschaften des Kohlendioxids besser in der Lage, die in einem Passivhaus geforderten hohen Ausgangstemperaturen für Raumheizung und Brauchwassererwärmung bereitzustellen. Auf der Wärmequellenseite der Wärmepumpe stehen grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten der Wärmezufuhr zur Verfügung: Grundwasser, Erdreich und Außenluft können als Wärmelieferanten dienen. Wärmepumpensysteme mit Luft als Wärmequelle besitzen hierbei den Vorteil, dass auf aufwändige Vorarbeiten bei der Errichtung der Anlage sowie großen Platzbedarf verzichtet werden kann. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen verbunden mit einer hohen Feuchtigkeit der Außenluft besteht jedoch eine große Gefahr der Verdampfervereisung. Setzt Eis am Verdampfer an, können sich seine Wärmeübertragungseigenschaften derart verschlechtern, dass es zu einer Einschränkung, im schlimmsten Fall sogar zum Erliegen des Wärmepumpenkreislaufs kommt. Zur periodischen Abtauung des Verdampfers sind verschiedene Verfahren im Einsatz. Diese unterscheiden sich in Abtaugeschwindigkeit sowie im Energiebedarf für die Abtauung. Der in dieser Arbeit untersuchte Einsatz eines Naturumlaufs für die Verdampferenteisung stellt ein neues, bislang noch nicht realisiertes Abtauverfahren dar. Grundsätzlich ist die Verwendung eines Naturumlaufs für den pumpen- bzw. verdichterlosen Transport eines Fluids für die Wärmeübertragung jedoch kein neues Prinzip: In der Kraftwerkstechnik z. B. findet diese Technologie schon lange in Form von Naturumlauf-Dampferzeugern Anwendung [Baars 2003]. Die Umsetzbarkeit des Verfahrens beim Einsatz für die Verdampferenteisung sowie die Leistungsfähigkeit sind 1

12 1 EINLEITUNG hingegen bislang nicht untersucht worden. Ziel der vorliegenden Diplomarbeit war es, einen Prüfstand zur Untersuchung einer CO 2 -Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Naturumlaufabtauung zu errichten. Anhand dieses Prüfstands sollte die Einsatzfähigkeit des Naturumlaufs für die Verdampferenteisung belegt werden. Darüber hinaus sollte eine Aussage über die Abtauleistung des neuen Enteisungsverfahrens getroffen werden. Aufgabe dieser Diplomarbeit war die Planung, Errichtung und Inbetriebnahme der Wärmepumpenanlage sowie aller peripheren Komponenten. Zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit des Naturumlaufs war die Abtauleistung in Abhängigkeit von der Kältemittelfüllmenge im Prüfstand zu bestimmen. Ergänzend waren Basismessungen zur Abtauung ohne Naturumlauf durchzuführen, um die Einflüsse des externen Wärmeeintrags aus der warmen Laborumgebung auf das Abtauverhalten zu beschreiben. Wesentlicher Bestandteil der Arbeit war hierbei die Entwicklung geeigneter messtechnischer Verfahren, um den zeitlichen Verlauf des Ver- und Enteisungsgrades des Verdampfers zu untersuchen. Hiervon ausgehend gliedert sich die vorliegende Arbeit in fünf Hauptabschnitte: In Kapitel 2 werden zunächst Grundlagen zur Arbeitsweise einer CO 2 -Luft/Wasser-Wärmepumpe, zur Verdampfervereisung und zu möglichen Abtauverfahren vorgestellt. Schwerpunkt stellt hier die Abtauung durch Naturumlauf dar. Kapitel 3 beschreibt Untersuchungen, die im Vorfeld der Arbeiten am Hauptprüfstand an einem Modellprüfstand durchgeführt wurden. Diese Untersuchungen halfen, einen ersten Eindruck über die Arbeitsweise eines Naturumlaufs und die hierbei übertragenen Leistungen zu erlangen. In Kapitel 4 wird auf die Planung und Errichtung des Hauptprüfstandes eingegangen. Die verwendeten Komponenten sowie Messverfahren und Messtechnik werden detailliert vorgestellt. Kapitel 5 stellt die am Prüfstand durchgeführten Untersuchungen vor. Unterschieden wird hierbei zwischen Befüll- und Abtauversuchen. Befüllversuche sind Versuche, mit deren Hilfe die optimale Füllmenge des Kreislaufs zum Erreichen einer maximalen Abtauleistung bestimmt wurde. In den Abtauversuchen wurde die Enteisung des Verdampfers einmal mit Naturumlauf und einmal allein durch externen Wärmeeintrag über der Zeit betrachtet. Die Ergebnisse der vorgenommenen Untersuchungen sind in Kapitel 6 zu finden. Hier wird ein direkter Vergleich der Messergebnisse des Naturumlauf-Abtauverfahrens und der Basismessung ohne Naturumlauf gezogen. 2

13 Kapitel 2 Grundlagen Im Folgenden wird eine kurze Einführung zu Funktion und Arbeitsweise des Wärmepumpenprozesses gegeben. Schwerpunkte der Betrachtung stellen hierbei die Vereisungsproblematik einer Wärmepumpe mit Außenluft als Wärmequelle sowie der Naturumlauf als möglichem Lösungsansatz für den Abtauvorgang dar. 2.1 Der Wärmepumpen-Kreisprozess Die Wärmepumpe ist eine Kältemaschine, bei welcher nicht die tiefste Temperatur und die dabei erzeugte Kälte, sondern die auf ein höheres Temperaturniveau ge- pumpte Wärmemenge wirtschaftlich genutzt wird [Plank 1969, S.467]. Beim Einsatz der Wärmepumpe zu Heizzwecken wird hierbei dem zu heizenden Raum durch den Nutzwärmestrom Q N [vgl. Abb. 2.1] mehr Energie in Form von Wärme zur Verfügung gestellt, als die Anlage an mechanischer oder elektrischer Energie über die Antriebsleistung P el (Exergiestrom Ex) z. B. eines Verdichters aufnimmt. Abbildung 2.1: Anergie-/Exergieströme (nach [Weigand et. al. 2008]) 3

14 2 GRUNDLAGEN Die energetische Differenz wird kostengu nstig der Umgebung (Luft, Wasserquelle, Erd entzogen, wodurch die reich) u ber den Umgebungswa rmestrom Q U (Anergiestrom An) Wa rmepumpe im Vergleich zu direkten elektrischen Heizungen im Idealfall prima renergetisch deutlich gu nstiger arbeitet: Q N = Q U + Pel (2.1) Hieraus erkennt man, dass die Wa rmepumpe effizient arbeitet, wenn das Verha ltnis zwischen Nutzwa rmestrom Q N und vom Verdichter aufgebrachter elektrischer Antriebsleistung Pel groß ist. Dieses Verha ltnis wird u berlicherweise als COP (Coefficient Of Performance) bezeichnet und nimmt per Definition immer Werte gro ßer 1 an: COP = Q N Pel (2.2) Grundsa tzlich besteht eine Wa rmepumpe aus einem geschlossenen Kreislauf, dessen vier Hauptkomponenten Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsorgan in Abbildung 2.2 dargestellt sind. Im Kreislauf zirkuliert ein Ka ltemittel, dessen Zustand zwischen der gasfo rmigen und der flu ssigen Phase wechselt. Kondensator Abbildung 2.2: Komponenten eines Wa rmepumpenkreislaufs (nach [Kling 2007]) Im Verdampfer (1) wird der Wa rmequelle, also der Umgebung, auf niedrigem Temperaturniveau Wa rme entzogen und mit Hilfe des Verdichters (2) auf ein ho heres Temperaturniveau gebracht. Im Kondensator (3) findet die Wa rmeabgabe des Ka ltemittels an die Wa rmesenkenseite statt. Das Expansionsventil (4) sorgt fu r die Entspannung des Ka ltemittels auf den Verdampfungsdruck. 4

15 2 GRUNDLAGEN Wärmepumpenprozess mit CO 2 als Kältemittel Neben Ammoniak stellt CO 2 eines der klassischen Kältemittel dar, von dem bereits Ende des 19. Jahrhunderts in Kaltdampfprozessen Gebrauch gemacht wurde. Da es ungiftig, nicht brennbar und chemisch inaktiv ist, stellte es eine gute Alternative zu damals verwendeten brennbaren Kältemitteln wie beispielsweise Diethylether dar. Allerdings galten seine thermischen Eigenschaften als ungünstig, da die aus seiner Verwendung resultierenden hohen Anlagendrücke lange nur unter Schwierigkeiten händelbar waren. In den 1930er Jahren wurde es daher durch die Freone verdrängt, bis die Erkenntnis über deren negative Auswirkungen auf die Ozonschicht ihren Siegeszug stoppten und die Einführung alternativer Kältemittel erforderlich machte. Gustav Lorenzen schließlich rief 1988 das fast vergessene CO 2 als Kältemittel wieder in Erinnerung. Mit seinen äußerst günstigen Eigenschaften hinsichtlich der Erderwärmung und des Abbaus der Ozonschicht (GWP=1 und ODP=0) stellt es eine gute Alternative zu Kältemitteln wie R134a dar, deren Verwendung z. B. in PKW aufgrund ihres GWP höher als 150 nach EG-Verordnung ab 2011 eingestellt werden soll [Plank 1956], [Lemke 2005]. Ein Wärmepumpenprozess mit CO 2 als Kältemittel gestaltet sich aufgrund des tief liegenden kritischen Punktes von Kohlendioxid in der Regel als transkritischer Prozess. Die Wärmeabgabe erfolgt im als Gaskühler bezeichneten Kondensator nun überkritisch ohne Phasenwechsel, das heißt die Wärmeabgabe erfolgt entsprechend nicht isotherm wie bei der herkömmlichen Kondensation, sondern bei stetig fallender (gleitender) Temperatur. Der nach dem Verdichter herrschende Hochdruck ist somit nicht mehr an die Kondensationstemperatur des Kältemittels gebunden, sondern kann als Parameter frei gewählt werden, was eine Möglichkeit der Optimierung des Wärmepumpenprozesses hinsichtlich des COP bietet [Kosowski / Tegethoff 2006]. Im Fall einer idealen Prozessführung können die Zustandsänderungen des Kältemittels in einem solchen Wärmepumpenprozesses im Druck-Enthalpie-Diagramm der Abbildung 2.3 verfolgt werden: Zustandsänderung 1-2: Adiabat isentrope Verdichtung Kältemitteldampf wird vom Verdichter angesaugt und durch adiabate Kompression auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht. Die spezifische Verdichterarbeit w t kann hierbei direkt als Differenz der spezifischen Enthalpien der Zustände 2 und 1 abgelesen werden: w t = h 2 h 1 Zustandsänderung 2-3: Isobare Wärmeabfuhr Die Enthitzung erfolgt isobar im Gaskühler durch Wärmeabgabe an das Heizbzw. Brauchwasser. Die abgeführte spezifische Heizwärme q h wird hierbei dargestellt durch die Enthalpiedifferenz der Zustände 2 und 3: q h = h 2 h 3 5

16 2 GRUNDLAGEN qh wt h3=h4 Abbildung 2.3: transkritischer Wärmepumpenkreislauf im p,h-diagramm (nach [Lemke 2005]) Zustandsänderung 3-4: Isenthalpe Expansion Das Kältemittel wird im Expansionsventil isenthalp ins Nassdampfgebiet hinein entspannt und tritt anschließend in den Verdampfer ein. Zustandsänderung 4-1: Isobar-isotherme Wärmezufuhr Das Kältemittel nimmt im Verdampfer Wärme aus der Umgebung auf und verdampft hierbei isobar-isotherm. Bewertet wird die Wärmepumpe mittels der Leistungszahl ε W P : ε W P = q h w t = h 2 h 3 h 2 h 1 (2.3) Sie gibt an, um welchen Faktor die Heizleistung größer ist als die zugeführte mechanische oder elektrische Leistung, die benötigt wird, um den (adiabat angenommenen) Verdichter anzutreiben. Die Heizleistung selbst bestimmt sich wiederum aus der spezifischen Heizleistung q h und dem im System umgewälzten Kältemittelmassenstrom ṁ zu [Köhler 2003]: Q = ṁ (h 2 h 3 ) (2.4) Außenluft als Wärmequelle In Kapitel 2.1 wurde bereits die Existenz unterschiedlicher Ausführungsformen der Quellenseite einer Wärmepumpenanlage erwähnt: Grundwasserbrunnen und Erdreichkollektoren stellen zwei Möglichkeiten dar, der Umwelt die für die Prozessfunktion benötigte Verdampfungsenthalpie zu entziehen. Eine mitunter kostengünstigere Alternative stellt die Wärmequelle Luft dar. In der vorliegenden Arbeit sollte daher die 6

17 2 GRUNDLAGEN Funktion einer CO 2 -Luft/Wasser-Wärmepumpe am Prüfstand abgebildet werden. Somit wird im folgenden lediglich auf Außenluft als Wärmequelle näher eingegangen. Arbeitet ein Wärmepumpenkreislauf mit Luft als Wärmequelle, ergeben sich hieraus einige Vorteile gegenüber alternativer Wärmequellen: Verfügbarkeit: Außenluft steht überall und zu jeder Jahreszeit in ausreichendem Maße zur Verfügung. Geringer baulicher Aufwand verbunden mit geringen Investitionskosten: Die Außenluft wird von einem vor dem Verdampfer angeordneten Ventilator frei aus der Umgebung angesaugt. Hierdurch entfallen aufwändige bauliche Maßnahmen wie großflächige Erdräumarbeiten. Zudem entstehen aufgrund des geringen technischen Aufwandes keine hohen Investitionskosten. Jedoch weist Luft als Wärmequelle des Wärmepumpenprozesses auch einige Nachteile auf [Berlinger et. al. 2008]: schwankende Temperaturen: Über das Jahr betrachtet schwanken die Außenlufttemperaturen beträchtlich. Dies hat zur Folge, dass zu Zeiten großen Heizwärmebedarfs niedrige Umgebungstemperaturen vorliegen, welche wiederum niedrige Verdampfungstemperaturen und damit geringe Verdampfungsdrücke erfordern, wodurch die Wärmepumpe energetisch ungünstig arbeitet. thermische Eigenschaften: Neben einer geringen Wärmekapazität besitzt Luft im Vergleich zu Wasser zudem deutlich niedrigere Wärmeübergangskoeffizienten, wodurch im Verhältnis größere Massenströme und Wärmeübertragerflächen benötigt werden. Luftfeuchte: Bei der vor dem Verdampfer angesaugten Außenluft handelt es sich im Allgemeinen um feuchte Luft. Dies hat zur Folge, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit am Verdampfer auskondensieren und sogar gefrieren kann, wodurch der Wärmepumpenbetrieb erheblich behindert werden kann. Auf die Eigenschaften der feuchten Luft soll im Folgenden näher eingegangen werden. Eigenschaften der feuchten Luft Bei feuchter Luft handelt es sich um ein Gas-Dampf-Gemisch, also einem Gemisch aus reiner trockener Luft und Wasser. Während die Luft in einem für Deutschland maximal angenommenen Temperaturbereich von -30 C bis +45 C stets gasförmig vorliegt, 7

18 h = 0 0 o C 2 GRUNDLAGEN kann das im Gemisch enthaltene Wasser in diesem Bereich alle drei Aggregatzustände fest, flüssig, gasförmig annehmen. Bei Köhler [Köhler 2003] findet man zwei relevante Konzentrationsmaße zur Beschreibung der Eigenschaften der feuchten Luft: Der Wassergehalt x: Hierunter versteht man die Masse des im Gemisch enthaltenen Wassers m W auf die Masse der trockenen Luft m L : x = m [ ] W kg W asser m L kg tr. Luft bezogen (2.5) Die relative Feuchte ϕ: Sie beschreibt das Verhältnis des Wasserdampfpartialdrucks p D und des Sättigungsdampfdrucks p s und wird üblicherweise in Prozent angegeben. Für die trockene Luft nimmt sie entsprechend einen Wert von ϕ = 0 %, für die feucht gesättigte Luft einen Wert von ϕ = 100 % an. Es ist: ϕ = p D p s [%] (2.6) Für die Betrachtung der Zustandsänderungen der feuchten Luft lässt sich das h-x- Diagramm nach Mollier (Abb. 2.4) heranziehen: h ϑ1 4 1 ϕ=100% ϑ2 ϑ3 2. q 3'4. q 13 3' 3 ϑ 3 x Abbildung 2.4: Abkühlung feuchter Luft, dargestellt im schematischen Mollier- Diagramm (aus [Köhler 2003]) 8

19 2 GRUNDLAGEN Feuchte Luft vom Zustand 1 (x 1, ϑ 1 ) wird auf den Zustand 2 (x 1 = x 2, ϑ 2 ) abgekühlt und erreicht die Sättigungslinie mit ϕ = 100 %. Punkt 2 wird Taupunkt genannt, in diesem Zustand ist die feuchte Luft gesättigt und kann keine weitere Feuchtigkeit aufnehmen. Bei weiterer Abkühlung schlägt sich Wasserdampf nieder, es wird Zustand 3 (x 1 = x 2 = x 3, ϑ 3 ) im Nebelgebiet erreicht, wobei sich das an diesem Punkt bestehende Gemisch zusammensetzt aus gesättigter Luft der gleichen Temperatur wie im Zustand 3 und aus auskondensiertem reinen Wasser, dessen Zustand sich auf der Isothermen ϑ 3 bei x = befindet. Entfernt man das auskondensierte Wasser und erwärmt die übrig gebliebene gesättigte Luft des Zustands 3 auf die Ausgangstemperatur ϑ 1, so wird der Gemischzustandspunkt 4 mit (x 4 < x 1, ϑ 4 = ϑ 1 ) erreicht. Zu erkennen ist, dass dieser Vorgang eine einfache Möglichkeit darstellt, Luft unter Beibehaltung der Temperatur zu trocknen. Die hierbei umgesetzten Wärmemengen sind dem Diagramm 2.4 als Enthalpiedifferenzen zu entnehmen: q 13 = h 3 h 1 q 3 4 = h 4 h 3 Im h-x-diagramm wird zudem gezeigt, dass für Zustände um 0 C im Nebelgebiet zwei Isothermen existieren: Zum einen die im Diagramm als obere Linie dargestellte Isotherme des feuchten Nebels und zum anderen die untere Eisnebelisotherme. Im Gebiet zwischen den beiden Isothermen liegt Luft vor, in der sowohl flüssiges Wasser als auch Eis enthalten sind [Köhler 2003]. Abkühlung feuchter Luft an der Verdampferlamelle Betrachtet man vor diesem Hintergrund die Abkühlung feuchter Luft an einem schematischen Ausschnitt der Lamellenoberfläche, können folgende Vorgänge beobachtet werden (Abb. 2.5): C g/kg ϑ x feuchte Luft ϑ L x L G ϑ G x G Q s Q l Eis/Frost Kühlfläche / Lamelle Q 0 Abbildung 2.5: Abkühlung feuchter Luft an der Lamellenoberfläche (aus [Berlinger et. al. 2008]) 9

20 2 GRUNDLAGEN Feuchte Außenluft strömt entlang der kühlen Lamellenoberfläche. Hierdurch wird aufgrund des Temperaturgefälles ϑ L ϑ G ein Wärmestrom Q 0 von der Luft an die gekühlte Fläche übertragen. Quer zur Strömung bildet sich hierbei analog zum Geschwindigkeitsprofil ein Temperaturprofil aus. Liegt die Oberflächentemperatur der Lamellen unterhalb der Taupunkttemperatur der feuchten Luft, kondensiert Wasserdampf an der Lamellenoberfläche aus und es fließt ein Stoffstrom von der feuchten Luft an die Phasengrenzfläche G: Es entsteht ein Konzentrationsprofil x L x G. Sinkt nun die Temperatur der Lamellenoberfläche unter den Gefrierpunkt von Wasser, erstarrt das Kondensat und es kommt zur Eisbildung. Der aus der reinen Abkühlung der feuchten Luft resultierende Wärmestrom wird als sensibler Wärmestrom Q s bezeichnet, während bei Kondensationsvorgängen die Verdampfungswärme bzw. bei Gefrieren des Kondensats die Schmelzwärme des Wassers frei wird und dem Kältemittel als latente Wärme zugeführt wird. Entsprechend wird dieser Wärmestrom als latenter Wärmestrom Q l bezeichnet. Dieser besteht beim Übergang von der gasförmigen in die feste Phase aus der Summe der Verdampfungs- und Schmelzenthalpie. Der gesamte von der Luft bereitgestellte Wärmestrom Q 0 ist somit eine Summe aus latentem und sensiblem Wärmestrom: Q 0 = Q l + Q s (2.7) 2.2 Vereisungsproblematik des Verdampfers Wie Abbildung 2.4 zu erkennen gibt, kann in Abhängigkeit von Ausgangsfeuchte und -temperatur bei der Abkühlung der am Verdampfer angesaugten, im Allgemeinen ungesättigten feuchten Luft die Taulinie erreicht werden. Wird die Temperatur nun weiter verringert, fällt bei Überschreiten der Taulinie Feuchtigkeit aus und schlägt sich als Kondensat am Verdampfer nieder. Liegt die Oberflächentemperatur der Verdampferlamellen aufgrund niedriger Verdampfungstemperaturen unterhalb von 0 C, gefriert das ausgeschiedene Wasser und bleibt als Eis an den Lamellen haften. Bleibt dieser Betriebszustand über längere Zeit bestehen, wächst die Eisschicht an und führt durch das Zusetzen der Lamellengänge zu einer empfindlichen Störung des Wärmepumpenprozesses: Der Luftstrom kann aufgrund der fortschreitenden Verengung des Strömungsquerschnitts den Verdampfer nicht mehr ungehindert passieren, wodurch die Wärmeübertragung und somit das Verdampfen des Kältemittels auf längere Sicht nicht mehr möglich ist und der Kreislauf zum Erliegen kommt. Aufgrund der beschriebenen negativen Auswirkungen der Eisbildung auf die Funktion des Wärmepumpenkreislaufs die Verengung des Strömungsquerschnitts, die Ver- 10

21 2 GRUNDLAGEN schlechterung der Wärmeübertragung an das Kältemittel und somit letztendlich eine Verringerung der Heizleistung und der Effizienz der Wärmepumpe ist der Betrieb einer Wärmepumpe mit der Wärmequelle Luft bei luftseitig kritischen Betriebszuständen (s. u.) ohne eine Vorrichtung zur Verhinderung oder periodischen Abtauung des Eisansatzes nicht möglich. Kritische Betriebszustände Im Tagesverlauf und über die gesamte Heizperiode ändern sich Temperatur und Feuchte der Außenluft über weite Bereiche. Der hinsichtlich der Vereisungsgefahr des Verdampfers besonders zu untersuchende Bereich ist der kritische Zustandsbereich feuchter Luft. Charakterisiert wird dieser Bereich nach Berlinger [Berlinger et. al. 2008] durch Lufttemperaturen zwischen 2 C und 7 C und einen hohen Wassergehalt der Luft zu finden etwa an einem nebligen Herbstmorgen. Da in diesem Temperaturbereich die Verdampfungstemperatur des CO 2 unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser sinken kann, zugleich aber auch der Wassergehalt der angesaugten Außenluft sehr hoch ist, birgt dieser Betriebszustand eine besondere Gefahr der Eisbildung am Verdampfer. 2.3 Lösungsansätze für die Verdampfer-Abtauung Bei Kling [Kling 2007] werden unterschiedliche Ansätze für die Abtauung des Verdampfers beschrieben. Im Folgenden werden zwei gängige aktive Abtauverfahren vorgestellt, bevor im Anschluss auf die in dieser Arbeit untersuchte neuartige Methode, den Naturumlauf, näher eingegangen wird Gängige Abtauverfahren Grundsätzlich lassen sich die gängigen Abtauverfahren in zwei Gruppen einteilen: Passive Methoden: Unter den passiven Methoden der Verdampferabtauung sind alle Maßnahmen zu verstehen, durch die ohne zusätzlichen energetischen Aufwand die Vereisung verringert oder die Enteisung verbessert wird. Beispielhaft ist hier die Optimierung der Oberflächenbeschaffenheit des Verdampfers zu nennen: Durch eine geringe luftseitige Oberflächenrauhigkeit wird das Anhaften von Eis am Verdampfer erschwert bzw. das Abfließen von auskondensiertem Wasser erleichtert. Aktive Methoden: Die zweite Gruppe der Abtauverfahren stellen die aktiven Methoden der Verdampferenteisung dar. Diese Verfahren führen zu einem zusätzlichen Energiebedarf, da sie die zum Schmelzen des Eises benötigte Energie z. B. mit Hilfe des Verdichters oder durch direkte elektrische Beheizung bereitstellen müssen. Bei der Bestimmung des COP nach 11

22 2 GRUNDLAGEN Gleichung 2.2 muss dieser zusätzliche elektrische Energiebedarf für die Abtauung entsprechend berücksichtigt werden. Die beiden gängigsten aktiven Abtaumethoden sind die Prozessumkehr und die Heißgasabtauung und sollen nachfolgend kurz erläutert werden: Die Heißgasabtauung Bei dieser auch als Bypassabtauung bezeichneten Enteisungsmethode wird das verdichtete Kältemittel im Abtaubetrieb durch eine Bypassleitung zum Verdampfer geführt. Da beim Verdichtungsprozess die Temperatur des Kältemittels ansteigt, kann so im Verdampfer Wärme an das Eis übertragen und dieses somit abgetaut werden. Im verlustfreien Fall entspricht die Abtauleistung der Heißgasabtauung der elektrischen Leistungsaufnahme des Verdichters. Abbildung 2.6 zeigt die schematische Darstellung einer Wärmepumpe mit Heißgasabtauung im Wärmepumpenheiz- und Abtaubetrieb. Abbildung 2.6: Schematische Darstellung von Heiz- und Abtaubetrieb bei der Heißgasabtauung (nach [Kling 2007]) Die Prozessumkehrabtauung Während der Abtauung mit Prozessumkehr wird der Wärmepumpenkreisprozess in umgedrehter Reihe durchlaufen: Im Gaskühler (im Abtaubetrieb als Verdampfer arbeitend) findet nun die Verdampfung des Kältemittels mit Hilfe zugeführter Wärme aus dem Heizkreis statt, im Verdampfer (im Abtaubetrieb als Kondensator arbeitend) die Kondensation und Wärmeabgabe an das Eis. Das Umschalten zwischen Heiz- und Abtaubetrieb wird in der Regel mit Hilfe eines 2/4 Wege-Ventils realisiert. Verglichen mit der Heißgasabtauung ist die Abtauleistung und damit auch die Abtaugeschwindigkeit der Prozessumkehrabtauung deutlich höher: Nicht nur die Enthalpiezunahme durch die Verdichtung steht zur Verfügung, sondern es erfolgt ein zusätzlicher Wärmeeintrag durch die Wärmeaufnahme aus dem Heizkreislauf. Dieser Vorteil im Abtaubetrieb erfordert allerdings im Heizbetrieb die Wiedereinspeisung der aus dem 12

23 2 GRUNDLAGEN Heiznetz entnommenen Wärme und verursacht so einen zusätzlichen Energieaufwand. Der Prozess ist schematisch in Abbildung 2.7 in beiden Betriebsmodi dargestellt. Abbildung 2.7: Schematische Darstellung von Heiz- und Abtaubetrieb bei der Prozessumkehrabtauung (nach [Kling 2007]) Einsatz des Naturumlaufs für die Verdampfer-Abtauung Beide vorgestellten Verfahren zur Verdampferabtauung besitzen den Nachteil des zusätzlichen Primärenergiebedarfs durch den Verdichterbetrieb während des Abtauvorgangs. Beim Naturumlauf hingegen erfolgt die Abtauung ohne zusätzliche Verdichtung des Kältemittels. Das CO 2 zirkuliert allein aufgrund von Dichtedifferenzen im System. Verdichter und Expansionsventil werden hierbei im Naturumlaufbetrieb überbrückt, so dass keine elektrische Energie für den Abtauvorgang benötigt wird. Es wird lediglich - ähnlich wie bei der Prozessumkehrabtauung - Wärme aus dem Heizkreislauf für die Verdampfung des Kältemittels entnommen. Diese muss später wieder zugeführt werden. Analog zur Prozessumkehrabtauung findet im Abtaubetrieb ein Wechsel der Funktion der beiden Wärmeübertrager statt. Daher muss der Verdampfer (im Naturumlaufbetrieb als Kondensator arbeitend) mit einer gewissen Höhendifferenz z oberhalb des Gaskühlers (im Naturumlaufbetrieb als Verdampfer arbeitend) angeordnet werden, damit das gasförmige Kältemittel nach oben steigen und im Verdampfer unter Wärmeabgabe an das Eis kondensieren kann. Hinsichtlich der Bezeichnung der Kreislaufkomponenten ist der Wärmepumpenbetrieb maßgeblich. Daher sollen im Folgenden auch im Naturumlaufbetrieb die Bezeichnungen der beiden luft- und wasserseitigen Wärmeübertrager trotz ihres Funktionswechsels beibehalten werden. Um jedoch kenntlich zu machen, dass der jeweilige Wärmeübertrager nun im Naturumlaufbetrieb arbeitet, wird der Namenszusatz (NU) erteilt. Der Wärmeübertrager Verdampfer arbeitet demzufolge im Heizbetrieb, während der Wärmeübertrager Verdampfer (NU) im Naturumlaufmodus arbeitet und der Kondensation des Kältemittels dient. 13

24 2 GRUNDLAGEN Die wesentlichen Komponenten und deren Zusammenwirken im Heiz- und Naturumlaufbetrieb zeigt schematisch Abbildung 2.8. Man erkennt, dass die Naturumlaufabtauung eine Sonderform der Prozessumkehrabtauung darstellt. Abbildung 2.8: Schematische Darstellung von Heiz- und Abtaubetrieb bei der Naturumlaufabtauung (nach [Möhlenkamp 2008]) Sowohl die Prozessumkehr- als auch die Heißgasabtauung benötigen aufgrund des Verdichterbetriebs einen zusätzlichen elektrischen Energiebedarf P el,abt für die Abtauung. Bei der Naturumlaufabtauung hingegen muss lediglich wie auch bei der Prozessumkehrabtauung die im Heizbetrieb aus dem Heizkreis entnommene Wärme Q HK wieder eingespeist werden. Daher könnte die Naturumlaufabtauung gegenüber der Abtauung mit Hilfe einer Prozessumkehr zwar geringere, gegenüber der Heißgasabtauung aber höhere Abtauleistung Q Abt aufweisen. Eine schematische Darstellung der umgesetzten Energieströme zeigt Abbildung 2.9. Abbildung 2.9: Schematische Darstellung der Energieströme verschiedener Abtauverfahren (Die dem Heizkreis entnommene Wärme Q HK muss dem Speicher im Wärmepumpenbetrieb wieder zugeführt werden) 14

25 2 GRUNDLAGEN In Kapitel wird eine erste Bewertung der energetischen Konkurrenzfähigkeit des Naturumlaufs gegenüber bestehenden Abtauverfahren gegeben. Wie die Größenordnungen der Energieströme der verschiedenen Abtaumöglichkeiten tatsächlich zueinander im Verhältnis stehen, war nicht Gegenstand der vorliegenden Arbeit und bleibt späteren Untersuchungen vorbehalten Funktionsweise des Naturumlaufs Die grundsätzliche Funktionsweise eines Naturumlaufs wird mit Hilfe von Abbildung 2.10 erläutert. Abbildung 2.10: Schematische Darstellung der Funktionsweise des Naturumlaufs In vereinfachter Weise ist hier der Naturumlaufbetrieb der Versuchsanlage dargestellt: Wärme wird dem Heizkreis über den Wärmestrom Q HK entnommen und im Gaskühler (NU) dem Kältemittel zugeführt. Dieses verdampft und steigt angetrieben von der nachströmenden flüssigen Phase nach oben, wobei es eine Höhendifferenz z überwinden muss. Die anschließende Kondensation im Verdampfer (NU) findet unter Abgabe des Wärmestroms Q Abt an das Eis statt. Da das Kondensat eine höhere Dichte besitzt als die gasförmige Phase, sinkt das Kältemittel im Fallrohr nach unten in den Gaskühler (NU) und der Kreislauf beginnt von neuem. Liegen wie im vorgestellten Beispiel flüssiges und gasförmiges Kältemittel zeitgleich im System vor, so wirkt die flüssige Phase mit einer Kraft F fl auf die Gasphase: F fl = p fl A = ϱ fl g z A (2.8) 15

26 2 GRUNDLAGEN Die Gasphase wiederum wirkt dieser Kraft entgegen mit: F g = p g A = ϱ g g z A (2.9) Die Differenz beider Kräfte stellt die Auftriebskraft F A dar: F A = F fl F g = (ϱ fl ϱ g ) g z A (2.10) Man erkennt unmittelbar, dass die Größe der Auftriebskraft abhängig ist von der Differenz der Dichten der flüssigen und gasförmigen Phase sowie der Höhendifferenz z zwischen Verdampfer (NU) und Gaskühler (NU). Für die Initialisierung und Aufrechterhaltung des Naturumlaufs muss also bei der Konstruktion einer Wärmepumpe mit Naturumlaufabtauung eine Höhendifferenz zwischen Verdampfer (NU) und Gaskühler (NU) vorgesehen werden. Bei der Bestimmung der Höhendifferenz sind die im System herrschenden Reibungsdruckverluste maßgeblich: Grundsätzlich bildet sich ein stationärer Naturumlauf aus, wenn im System ein Kräftegleichgewicht herrscht zwischen Auftriebs- und Widerstandskräften. Aus Gleichung 2.10 ergibt sich der Wirkdruck der Auftriebskraft p A aus der Differenz der Drücke der flüssigen und gasförmigen Phase zu: p A = p fl p g = (ϱ fl ϱ g ) g z (2.11) Im stationären Betriebsfall des Naturumlaufs muss der Wirkdruck gleich der im System vorliegenden Reibungsdruckverluste p R sein, so dass gilt: p A = p R (2.12) Da der Naturumlauf ein verdichterloses Abtauverfahren darstellt, kann die Abtauleistung nicht durch eine aktive Variation des Massenstroms beeinflusst werden. Im Gegensatz zum Wärmepumpenprozess ist der im Kreislauf zirkulierende Massenstrom keine frei wählbare Größe mehr: Wie Möhlenkamp [Möhlenkamp 2008] gezeigt hat, stellt sich der Massenstrom im System allein in Abhängigkeit von der Füllmenge, dem Reibungsdruckverlust und dem Auftriebswirkdruck ein. Eine ausführliche Betrachtung der physikalischen Vorgänge in einem Naturumlauf findet sich bei [Möhlenkamp 2008] und [Baars 2003]. 16

27 Kapitel 3 Vorversuche Bereits im Vorfeld der Errichtung der Hauptversuchsanlage wurden Untersuchungen zum Naturumlaufprinzip an einem Modellprüfstand durchgeführt. Zudem wurden an einem Wärmeübertrager-Probestück die am Verdampfer stattfindenden Ver- und Enteisungsmechanismen untersucht. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse dienten der Planung der Hauptversuchsanlage und der hieran durchzuführenden Versuche. 3.1 Modellprüfstand Im vorangegangenen Kapitel wurden die grundsätzliche Funktion und Arbeitsweise eines Naturumlaufs vorgestellt. Hiervon ausgehend wurde im experimentellen Teil dieser Arbeit zunächst ein Modellprüfstand errichtet, welcher es erlaubte, den Naturumlaufbetrieb der zu errichtenden Wärmepumpenanlage in vereinfachter Form zu untersuchen und einen ersten Eindruck über die übertragenen Leistungen zu erhalten. Ziel des Versuchs war es, mit Hilfe einer Wärmequelle und einer Wärmesenke das Kältemittel kontinuierlich zu verdampfen und zu kondensieren, um so einen natürlichen Umlauf des Kohlendioxids aufgrund der Dichtedifferenz zwischen gasförmigem und flüssigem Medium zu erreichen. Das Entstehen des Naturumlaufes sollte mit Hilfe der am Verdampfer übertragenen Leistungen nachgewiesen werden Versuchsaufbau und -vorbereitung Da der Modellprüfstand lediglich die Untersuchung des Naturumlaufbetriebs, nicht aber des Wärmepumpenbetriebs des Hauptprüfstandes ermöglichen sollte, beschränkt sich sein Aufbau auf die hierfür wesentlichen Bauteile (vgl. Abb. 3.1): Verdampfer- (1) und Kondensatorschlange (2), Befüll- (3) und Entleervorrichtung (4) sowie ein Kugelhahn zur Unterbrechung des Kreislaufes (5) und ein Manometer zur Kontrolle des Prüfstandsdrucks (6). Mit Hilfe des Versuchs sollte eine kalorimetrische Leistungsbestimmung durchgeführt werden. Hierfür wurden Verdampfer- und Kondensatorschlange mit zwei baugleichen 17

28 3 VORVERSUCHE Modellprüfstand 3 4 T T 6 5 p Abbildung 3.1: Schematische Darstellung der Komponenten des Modellprüfstands (1:Verdampfer; 2:Kondensator; 3:Befüllung; 4:Entleerung; 5:Kugelhahn; 6:Manometer) Gefäßen ummantelt. Diese dienten der Aufnahme zweier Wasserbäder unterschiedlicher Temperatur, um während der Versuchsdurchführung die Wärmequellen- und Wärmesenkenseite in reproduzierbarer Form darstellen zu können. Kondensator- und Verdampferschlange wurden mit einer mittigen Höhendifferenz von 0,3 m angebracht, um die für die Funktion eines Naturumlaufs notwendige Höhendifferenz zu erhalten (vgl. Kap ). Dieser Wert stellt hierbei lediglich einen Schätzwert des tatsächlich benötigten Höhenunterschiedes dar. Bei der Bestimmung der Kältemittelfüllmenge des Prüfstands war es Ziel, eine Füllmenge zu ermittelt, bei welcher die Hälfte des Prüfstandsvolumens mit flüssigem, die andere Hälfte mit gasförmigen Kältemittel befüllt sein sollte. Die Füllmenge wurde hierbei mit Hilfe des Innenvolumens des Prüfstandes und der jeweiligen Dichte des flüssigen bzw. gasförmigen Kohlendioxids bei Umgebungstemperatur bestimmt: m ges = 1 2 V P St ϱ fl V P St ϱ g (3.1) Die Verdampferschlange wie auch der Kondensatorbereich wurden mit zwei identischen Messbechern mit Füllmengenskala ummantelt, um die Wärmequellen- und -senkenseite in reproduzierbarer Form darstellen zu können. In beiden Behältern wurden die absoluten Badtemperaturen aufgenommen. Um die Ausbildung von Temperatursträhnungen zu vermeiden, wurde für eine gute Durchmischung beider Bäder gesorgt. Abschließend wurde die Verrohrung des Verdampferrücklaufs isoliert, um Wärmeverluste über die Rohroberfläche während der Versuchsdurchführung zu minimieren. 18

29 3 VORVERSUCHE Abbildung 3.2: Modellprüfstand des Naturumlaufs, dargestellt ohne Kalorimetergefäße und Isolierung Versuchsdurchführung und -auswertung Zu Versuchsbeginn wurden beide Bäder mit jeweils 5 l Wasser mit einer Temperatur von 26 C (Wärmequelle) bzw. mit einem Eisbad von 0 C (Wärmesenke) befüllt. Anschließend wurde über einen Zeitraum von jeweils 300 Sekunden die Abkühlung des Warmbades einmal mit geschlossenem Kreislauf (Hahn (5) geschlossen) und einmal mit geöffnetem Kreislauf (Hahn (5) geöffnet) gemessen. Während das Warmbad im ersten Fall Wärme lediglich an die Umgebung abgeben konnte, strömte nach der Öffnung des Kreislaufes flüssiges CO 2 in den Verdampfer ein und nahm zusätzlich die zum Verdampfen benötigte Wärme auf. Aufgrund der geringen Temperaturdifferenzen und der kurzen Messdauer kann der Temperaturverlauf als linear angenommen werden. Entsprechend lassen sich aus der Linearisierung der beiden Graphen der Temperaturverläufe vor und nach der Hahnöffnung (vgl. Abb. 3.3) zwei Abkühlraten R Abk ermitteln, mit welchen sich das Warmbad in den beiden untersuchten Fällen abkühlte: Fall 1: R Abk = 4, K/s Fall 2: R Abk = 6, K/s Es konnte festgestellt werden, dass im zweiten Fall tatsächlich eine deutlich schnellere Abkühlung des Wassers im Warmbad stattfand. Bestimmt man die am Verdampfer 19

30 3 VORVERSUCHE 26,5 Abkühlung des Warmbads vor und nach Hahnöffnung 26,4 26,3 vor Hahnöffnung nach Hahnöffnung 26,2 r [ C] Temperatu 26,1 26,0 25,9 25,8 ϑ= 0,000404t+26,06 ϑ= 0,000619t+26,17 25,7 25, Zeit [s] Abbildung 3.3: Temperaturverläufe des Warmbads vor und nach Öffnen des Kreislaufs übertragene Leistung Q mit Q = V ϱ c p T t ergibt sich hieraus für die beiden Leistungen vor und nach Öffnung des Kreislaufs: Fall 1: Q vhö = 8, 33 W Fall 2: Q nhö = 12, 91 W (3.2) Insgesamt wurde im Versuch nachgewiesen, dass ein Naturumlauf mit einer Leistung von Q = Q vhö Q nhö = 4, 58 W zustande kam. Um mit bestehenden Abtauverfahren konkurieren zu können, muss der Hauptprüfstand im Naturumlaufbetrieb allerdings eine um zwei Zehnerpotenzen höher liegende Leistung erreichen können. Ausgehend von den Erkenntnissen, die beim Aufbau des Modellprüfstands gewonnen wurden, wurde bei der Planung und Konstruktion des Hauptprüfstandes folgendes berücksichtigt: Ausreichende Rohrquerschnitte: Zu geringe Querschnitte bergen die Gefahr, dass im Naturumlaufmodus Blasen des verdampften Kältemittels beim Aufsteigen aus dem Gaskühler (NU) flüssiges Kohlendioxid nach Art einer Blasenpumpe mit nach oben reißen. Gelangen solche nicht verdampften Flüssigkeitstropfen in den Verdampfer (NU), können sie hier keine Kondensationswärme abgeben und die Abtauleistung des Naturumlaufs wird verringert. Beim Aufbau des Hauptprüfstandes wurde daher im Bereich des Steigrohres ein entsprechendes Zusatzvolumen vorgesehen (vgl. Abb. 4.2). 20

31 3 VORVERSUCHE Geeignete Höhendifferenz: Wie beschrieben handelte es sich bei der im Modell gewählten Höhendifferenz lediglich um einen Schätzwert. Um zu verhindern, dass aufgrund zu geringer Auftriebskräfte die Widerstandskräfte der Anlage nicht überwunden werden können, wurde bei der Konzeption des Hauptprüfstands auf eine variable Höhenverstellung zwischen Gaskühler- und Verdampferebene geachtet. Optimale Füllmenge: Um hinsichtlich einer maximalen Abtauleistung die optimale Kältemittelfüllmenge des Prüfstands möglichst exakt bestimmen zu können, wurde für den Hauptprüfstand eine Befüllkurve in Abhängigkeit der am Verdampfer (NU) abgegebenen Leistung erstellt (vgl. Kapitel 5). 3.2 Vereisungs- und Abtauversuch Dieser Vorversuch verfolgte zwei Ziele: Zum einen sollte durch gezielte Vereisung des Wärmeübertrager-Probenstücks in einer ersten Annäherung an die Fragestellung ermittelt werden, welche Struktur bzw. Dichte das am Verdampfer anwachsende Eis aufweist. Zum anderen wurde durch anschließendes kontrolliertes Enteisen des Probestückes untersucht, in welcher Größenordnung sich die im Bauteil verbleibende Restwassermenge bewegt. Hieraus konnten Rückschlüsse auf die Tauwassermenge gezogen werden, die nach vollständiger Enteisung im Verdampfer verbleiben würde Versuchsaufbau und -vorbereitung Abbildung 3.4 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Versuchs. Abbildung 3.4: Schematische Darstellung der Komponenten des Vereisungs- und Abtauvorversuchs (1:Probestück; 2:Wägesystem; 3:Stickstoffschale; 4:Dampferzeuger; 5:Isolierung) 21

32 3 VORVERSUCHE Geometrische Eigenschaften eines Wärmeübertragers wie der Lamellenabstand besitzen einen großen Einfluss auf seine Ver- und Enteisungseigenschaften. Daher wurde zunächst ein Wärmeübertrager-Probestück (1) vorbereitet, welches ein baugleiches Teilstück des im Hauptprüfstand eingesetzten Verdampfers darstellte. Während der gesamten Versuchsdurchführung wurde das Gewicht des Probenstücks über ein Wägesystem (2) ermittelt, um den jeweiligen Grad der Ver- und Enteisung dokumentieren zu können. Zunächst musste das Probestück eine möglichst konstante Bauteiltemperatur unterhalb von 0 C erreichen, da es Ziel des Versuchs war, den Vereisungsprozess möglichst realistisch nachzubilden. Hierfür wurde der untere Teil der Wärmeübertragerprobe während der Versuchsdurchführung in eine Schale mit flüssigem Stickstoff (3) eingetaucht. Zur Nachbildung einer hohen Luftfeuchtigkeit wurde mit Hilfe eines Dampferzeugers (4) kontinuierlich Wasser in unmittelbarer Nähe zum Probestück verdampft. Um den Versuchsaufbau so gut wie möglich gegenüber Umgebungseinflüssen zu isolieren, wurde er von fünf Seiten thermisch isolier (5) Versuchsdurchführung und -auswertung Zu Beginn des Versuchs wurde das Probestück an der Wägevorrichtung befestigt und das Gewicht des trockenen Prüfteils als Bezugswert ermittelt. Anschließend wurde flüssiger Stickstoff in den vorgesehenen Behälter eingefüllt und der Dampferzeuger eingeschaltet, sodass während der Vereisung durch das kontinuierliche Verdampfen des Wassers eine konstante Luftfeuchtigkeit vorlag. Nachdem eine ausreichende Vereisung der Probe erreicht worden war, wurden Stickstoffschale, Dampferzeuger und Isolierung entfernt und der Enteisungsvorgang gestartet. Das Gewicht des Prüfteils wurde hierbei aufgenommen, bis das das Eis am Probestück vollständig abgetaut war. Abbildung 3.5 zeigt die Veränderung des Prüfteilgewichts während der gesamten Versuchsdurchführung. Um die unterschiedlichen Effekte, die während der Versuchsdurchführung Einfluss auf das Gewicht der Verdampferprobe nahmen, zu beschreiben, wurden im Diagramm fünf Gewichtsdifferenzen gekennzeichnet: g 1 : Zu Beginn der Messung betrug das Gewicht des trockenen Probenstücks etwa 255 g, die anschließende Gewichtsreduzierung auf 248 g ist zurückzuführen auf den Auftrieb, den die Probe nach Eingießen des Stickstoffs in den Behälter erfuhr. Die Differenz der beiden Werte ist im Diagramm mit g 1 gekennzeichnet. g 2 : Während des Vereisungsprozesses nahm die Füllhöhe im Stickstoffbehälter und damit 22

33 3 VORVERSUCHE Wägung des Wärmeübertrager Probestücks Start t Vereisung Start t Abtauung ht [g] Gewic g 3 g 4 = g g 5 = g Abtauung Vereisung g 1 g Zeit [s] Abbildung 3.5: Wägung des Wärmeübertrager-Probestücks während der Ver- und Enteisung (die abgebildeten Gewichtsdifferenzen werden im Text erläutert) der Autrieb des Probenstücks durch das Verdampfen des Stickstoffs ab. Somit resultiert die Gewichtszunahme g 2 auf ein Gesamtgewicht von etwa 258 g von Start bis zum Beenden der Vereisung zum einen aus der zunehmenden Eisbildung am Probestück und zum anderen aus der nachlassenden Kraft des Auftriebs. g 3 : Mit Beginn der Enteisung wurde der Stickstoffbehälter entfernt. Das Gewicht der Probe und des aufgebrachten Eises konnte nun ohne Auftriebseinfluss von der Wägeeinrichtung ermittelt werden, so dass das von der Waage angezeigte Gewicht sprunghaft auf etwa 259 g ansteigt. Gekennzeichnet wird dieser Effekt im Diagramm von Gewichtsdifferenz g 3. g 4 : g 4 schließlich stellt die Differenz zwischen dem Gewicht des trockenen Prüfteils mit etwa 255 g und dem des vereisten Probenstücks mit etwa 259 g dar. Insgesamt wurden also auf das Prüfteil ein Gewicht von g 4 = g V ereisung 4 g Eis aufgebracht. g 5 : Mit Einleiten des Abtauprozesses verharrte das Gewicht des Prüfteils zunächst, bis schließlich die eigentliche Abtauung einsetzte und das Probestück durch abtropfendes Tauwasser an Gewicht verlor. Nachdem das Eis vollständig abgetaut war, betrug das 23

34 3 VORVERSUCHE Gewicht der Probe etwas weniger als 256 g, so dass mit einem g5 = gabtauung 3 g insgesamt etwa drei Viertel der aufgebrachten Eis- bzw. Wassermenge durch den Abtauvorgang aus dem Probestu ck entfernt wurden. Somit wird deutlich, dass ein nicht zu vernachla ssigender Teil der Eismenge - etwa ein Viertel - als Tauwasser im Pru fteil verblieben. Bei Ru ckschlu ssen auf die Wasserspeicherfa higkeit des Verdampfers ist hierbei zu beachten, dass wa hrend der Versuchsdurchfu hrung nicht das gesamte Probenstu ck, sondern lediglich das mittlere Drittel des Bauteils vereist wurde (s. Abb. 3.6). Einflu sse auf das Abtauen wie z. B. der Schwerkrafteinfluss oberer Eismassen oder die Verteilung des Tauwassers auf urspru nglich nicht vereiste, untere Bereiche konnten so nicht beru cksichtigt werden. Die hier ermittelte Wasserspeicherfa higkeit des Probenstu cks ist somit lediglich als Scha tzwert zu verstehen. Abbildung 3.6: Eisbildung am Pru fteil (Ausschnitt; Etwa ein Viertel des im oberen Bereich nicht vereisten Pru fteils sind nicht dargestellt) Der Effekt der Wasserspeicherung in Wa rmeu bertragern ist auch aus anderen Anwendungen bekannt. Bo ttcher [Bo ttcher 2006] beschreibt in seiner Arbeit die Einflussfaktoren und Folgen der Wasserspeicherung im Verdampfer eines PKW-Klimagera ts. Wa hrend der Versuchsdurchfu hrung wurde am Probenstu ck eine Vereisungsho he von 115 mm erreicht. Mit einer Breite von 40 mm und einer Tiefe von 45 mm ergibt sich 24

35 3 VORVERSUCHE somit das Gesamtvolumen des vereisten Stücks zu V ges =0,207 l. Diese vereinfachte Annahme wird getroffen, da einerseits zwar nicht bekannt ist, wie weit die Vereisung in die Verdampferstruktur hineinreicht, andererseits aber das Eiswachstum auch außerhalb des Probestücks stattfand (vgl. Abb. 3.6). Um die Dichte des aufgebrachten Eises bestimmen zu können, müssen hiervon die Wandstärken der 18 Lamellen mit d ges =2,7 mm sowie das Volumen der neun Kältemittelrohre mit V ges =0,019 l abgezogen werden. Bei einer aufgefrorenen Eismenge von etwa 4 g ergibt sich hieraus mit ϱ = 4 g 0, 176 l 23 kg m 3 eine Dichte von ϱ 23 kg/m 3. Betrachtet man die Dichten von Klareis und Schnee mit ϱ Eis = kg/m 3 und ϱ Schnee = kg/m 3 wird deutlich, dass die Struktur des Eises am Probestück unter den hier gegebenen Versuchsbedingungen der kristallinen Schneestruktur entspricht. Grundsätzlich stellt die Dichte des Eises einen entscheidenden Wert für die Bestimmung der Wärmemenge dar, die für die Verdampferabtauung benötigt wird. Der hier durchgeführte Vorversuch diente lediglich einer ersten Abschätzung der Eisdichte. Bei Berlinger [Berlinger et. al. 2008] wird die Abhängigkeit der Eisdichte von Strömungsgeschwindigkeit sowie Temperatur und relativer Feuchte der Außenluft beschrieben. Es werden Größenordnungen für die Dichte angegeben, welche sich zwischen porösem Frost mit einer Dichte von ϱ = kg/m 3 bei Temperaturen um -7 C und vergletschertem Eis mit einer Dichte bis ϱ = 500 kg/m 3 bei Temperaturen um +7 C bewegen. 25

36 Kapitel 4 Konzeptionierung und Aufbau der Wärmepumpenanlage Im folgenden Kapitel wird zunächst die Verschaltung der Versuchsanlage anhand eines Fließbildes erläutert. Anschließend werden die einzelnen Komponenten der Wärmepumpenanlage sowie die verwendete Messtechnik vorgestellt. Die bei der jeweiligen Komponentenbeschreibung vergebene Nummerierung findet sich in der schematischen Darstellung der Versuchsanlage in Abbildung 4.2. Thematisch gegliedert ist dieses Kapitel aus Sicht des Wärmepumpenbetriebs nach Komponenten bzw. Messverfahren der Wärmequellenseite, des Kältemittelkreislaufs und der Wärmesenkenseite. Ein eigenes Unterkapitel bei den angewendeten Messverfahren wird der Verdampferwägung gewidmet: Sie stellt ein zentrales Element bei der qualitativen Beurteilung des Abtauverfahrens dar und wird hier gesondert beschrieben. 4.1 Aufbau der Anlage Abbildung 4.1 zeigt die wesentlichen Komponenten des Wärmepumpenkreislaufs wie Verdampfer, Verdichter, Gaskühler und Expansionsventil und deren Integration in die Versuchsanlage. Ebenso sind die peripheren Einrichtungen für die Konditionierung der Wärmequellen- und Wärmesenkenseite zu sehen. Die beiden Schaltzustände der Anlage Heizbetrieb und Naturumlaufbetrieb sind in der Abbildung schematisch dargestellt. Während des Abtaubetriebs im Naturumlaufmodus werden der Verdichter und das Expansionsventil jeweils durch eine Bypassleitung überbrückt. Zwischen beiden Schaltzuständen findet ein Aufgabenwechsel der beiden Wärmeübertrager statt: Der Verdampfer arbeitet jetzt als Kondensator, während im Gaskühler die Verdampfung des Kältemittels erfolgt. Somit stellt die Luft, die zuvor als Wärmequelle gedient hat, im Naturumlauf zusammen mit dem Eis am Verdampfer die Wärmesenke dar. Während im Heizbetrieb die Heizleistung der Wärmepumpe dem Wasser zugeführt wird, dient die Wasserseite im Abtaubetrieb als Wärmequelle. 26

37 4 KONZEPTIONIERUNG UND AUFBAU DER WÄRMEPUMPENANLAGE Abbildung 4.1: Fließbild der Versuchsanlage im Heiz- und Naturumlaufbetrieb 27

38 4 KONZEPTIONIERUNG UND AUFBAU DER WÄRMEPUMPENANLAGE Abbildung 4.2 zeigt schematisch die Integrierung aller wesentlichen Komponenten der Wärmequellen-, Kältemittel- und Wärmesenkenseite in die Versuchsanlage. Dargestellt ist der Wärmepumpenbetrieb. Um die für den Naturumlaufbetrieb notwendige Höhendifferenz z zwischen Gaskühler (NU) austritt und Verdampfer (NU) eintritt zu erreichen (vgl. Kap ), sind die Prüfstandskomponenten auf zwei Ebenen angeordnet. Auf der oberen Ebene befinden sich der Luftkanal sowie der Verdampfer, der Verdichter und das Expansionsorgan des Wärmepumpenkreislaufs. Die Höhendifferenz zwischen den beiden Ebenen ist grundsätzlich variabel (vgl. Kap ). Für die durchgeführten Versuche wurde sie mit z = 180 cm auf den maximal möglichen Wert gestellt. z Abbildung 4.2: Schematische Darstellung der Hauptkomponenten der Versuchsanlage (1:Luftkühler; 2:Prozessthermostat; 3:Luftkanal; 4:Kanalisolierung; 5:Differenzdruck-Ringleitung; 6:Luftleitung; 7:Ventilator; 8:Wägesystem; 9:Verdampfer; 10:Verdichter; 11:Gaskühler (isoliert); 12:Expansionsorgan; 13:Heizpatrone; 14:MID; 15:Schaltschrank; 16:Zusatzvolumen) 28

39 4 KONZEPTIONIERUNG UND AUFBAU DER WÄRMEPUMPENANLAGE Wärmequellenseite Zum Einstellen der erforderlichen Eigenschaften der Wärmequellenseite wie Lufttemperatur oder Luftvolumenstrom stehen folgende Komponenten zur Verfügung: Luftkühler (1): Die Kühlung der Ansaugluft erfolgt mit Hilfe eines Lamellenrohrbündel-Wärmeübertragers und eines Prozessthermostaten. Der Wärmeübertrager wird von einem Wasser- Ethylenglycolgemisch mit einem massenbezogenen Mischungsverhältnis von 50%-50% im Kreuz-Gegenstrom durchströmt. Die von der Luft an das Wärmeträgermedium abgegebene Wärme wird an den Prozessthermostaten abgeführt. Prozessthermostat (2): Die wesentliche Komponente für die Einstellung der geforderten Lufttemperaturen ist der Prozessthermostat der Firma LAUDA vom Typ INTEGRAL XT 950W. Der darstellbare Arbeitstemperaturbereich des Thermostaten liegt zwischen -50 C und +200 C; Die Wärmeabgabe erfolgt über eine geräteinterne Kältemaschine an das Leitungswassernetz. Bei den vorliegenden Betriebsbedingungen erreicht der Prozessthermostat eine Kälteleistung von maximal 6,3 kw. Luftkanal (3): Mit Hilfe des Luftkanals wird eine gezielte Durchströmung des Verdampfers erreicht. Er besteht aus zwei Kanalbauteilen mit je einem Meter Länge und einer Querschnittsfläche von je 0,4 x 0,4 m 2. Zwischen den beiden Kanalteilen ist der Verdampfer angeordnet. Gefertigt aus verzinktem Stahlblech ist der Luftkanal im Bereich der Verdampfer-Zuströmung mit Styropor thermisch isoliert. Über herausnehmbare Elemente in der Isolierung besteht die Möglichkeit, Vorgänge im Inneren des Luftkanals wie z. B. die Vereisung des Verdampfers zu beobachten. Der Luftkühler ist unmittelbar vor dem Luftkanal angeordnet. Da er einen geringeren Querschnitt aufweist als der Kanal selbst, sind im Luftkanal im Bereich der Verdampferzuströmung Styroporkeile eingesetzt. So kann die abrupte Querschnittserweiterung von Luftkühler- auf Kanalquerschnitt abgemildert und eine zu starke Verwirbelung der Ansaugluft vermieden werden. Ventilator (7): Die Luftströmung durch den Kanal wird über einen einflutigen Radialventilator der Firma Ziehl-Abegg erzeugt. Der Ventilator besitzt eine maximale Leistungsaufnahme von 2,4 kw und ist in der Drehzahl regelbar. Angeordnet auf der unteren Ebene des Prüfstands (vgl. Abb. 4.2) ist er mit dem Luftkanal über ein flexibles Rohr aus Aluminium verbunden. 29

40 4 KONZEPTIONIERUNG UND AUFBAU DER WÄRMEPUMPENANLAGE In Abbildung 4.3 ist die Kennlinie des Ventilators dargestellt. Um den für die Anlage sehr hohen Volumenstrom zu reduzieren, wurde auf der Druckseite eine Drosselung des Luftstroms vorgenommen. Typ Abbildung 4.3: Kennlinie des Ventilators (nach Firmenprospekt Ziehl-Abegg) Kältemittelkreislauf Verdampfer (9): Für die Verdampfung des Kältemittels werden zwei baugleiche, kältemittelseitig parallel geschaltete Lamellenrohrbündel-Wärmeübertrager eingesetzt (vgl. Abb. 4.4). Sie weisen jeweils eine lamellierte Länge von 400 mm mit gewellten Lamellen auf. Die Lamellendicke beträgt 0,15 mm, der Lamellenabstand 2 mm. Die Abstände der Kältemittelrohre in vertikaler wie in versetzt horizontaler Richtung betragen jeweils ein Zoll und ergeben so ein gleichseitiges Dreieck. Die Verschaltung der Rohre ist schematisch in Abbildung 4.5 dargestellt. Die kältemittelseitige Anbindung des Verdampfers erfolgt aus Gründen der Verdampferwägung mit flexiblen Edelstahlschläuchen. Die Hauptmaße eines einzelnen Verdampfers betragen (L x T x H) 400 x 40 x 330 mm, die des gesamten Verdampferpakets 400 x 120 x 330 mm. Unter dem Verdampferpaket ist bündig eine trichterförmige Wanne mit Ablauf angebracht (vgl. Abb. 4.4). Diese dient der gezielten Abführung des im Abtaubetrieb anfallenden Tauwassers. Verdichter (10): Im Wärmepumpenbetrieb der Versuchsanlage kommt ein CO 2 -Verdichter der Firma Danfoss vom Typ TN1416 zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um einen einzylindrigen Hubkolbenverdichter mit einem Hubvolumen von 2,5 cm 3. Der Verdichter kann bei 30

41 4 KONZEPTIONIERUNG UND AUFBAU DER WÄRMEPUMPENANLAGE Verdampfer 1 Verdampfer 2 Kältemittelleitungen Tauwasserablauf Abbildung 4.4: Verdampfer der Versuchsanlage, dargestellt mit trichterförmigem Tauwasserablauf, mit Kältemittelleitungen und ohne Isolierung Abbildung 4.5: Verschaltung der Kältemittelrohre des Verdampfers (Seitenansicht des Verdampferpakets) einem Niederdruck bis maximal 45 bar, und bei einem Hochdruck bis maximal 120 bar betrieben werden. Eine schematische Darstellung des Verdichters zeigt Abbildung 4.6. Gaskühler (11): Als Gaskühler finden zwei baugleiche Koaxial-Wärmeübertrager der Firma Klimal Verwendung (vgl. Abb. 4.7). Diese sind kältemittelseitig in Reihe geschaltet. Das Mantelrohr wird von Wasser durchströmt, während sich im Innenrohr das Kältemittel befindet. 31

42 4 KONZEPTIONIERUNG UND AUFBAU DER WA RMEPUMPENANLAGE Abbildung 4.6: Verdichter der Versuchsanlage, dargestellt mit Ka ltemittelanschlu ssen und Montagevorrichtung Die Wa rmeu bertragung zwischen den beiden Medien erfolgt im Gegenstromverfahren. Aus dem Auslegungspunkt von wasserseitig 20 C Vorlauf- und 60 C Ru cklauftemperatur bei einem Volumenstrom von 0,014 l/s und einer Ka ltemittelvorlauftemperatur von 80 C bei einem Massenstrom von 0,01 kg/s ergibt sich eine u bertragene Leistung von 2,33 kw. Gegenu ber der Umgebung ist der Gasku hler mit Styroporplatten thermisch isoliert. Abbildung 4.7: Gasku hler der Versuchsanlage, dargestellt mit Wasser- sowie Ka ltemittelanschlu ssen und mit Isolierung Expansionsorgan (12): Als Expansionsorgan wird ein mechanisches Ventil der Firma Danfoss vom Typ MBR eingesetzt. U ber die manuelle Einstellung der Federvorspannung kann unter anderem die U berhitzung geregelt werden. Eine schematische Darstellung des Ventilquerschnitts zeigt Abbildung

43 4 KONZEPTIONIERUNG UND AUFBAU DER WÄRMEPUMPENANLAGE Abbildung 4.8: Expansionsorgan der Versuchsanlage, schematische Darstellung MBR ( fixed Pressure Regulator) Rohrleitungen und Leitungskomponenten: Die im Prüfstand verbauten, aus Kupfer gefertigten Kältemittelleitungen weisen einen Innendurchmesser von 4 mm auf. Einzige Ausnahme stellt das Zusatzvolumen (16) dar, dessen Einsatz ein Ergebnis der Vorversuche am Modellprüfstand ist (vgl. Kap ). Diese Rohrverdickung besitzt einen Innendurchmesser von 14 mm und ist oberhalb des Gaskühlers im Kältemittel-Steigrohr des Naturumlaufs angebracht. Alle Kältemittelleitungen sind thermisch isoliert. Die aus Edelstahl gefertigten Kapillarrohre, mit deren Hilfe die Messung der Systemdrücke erfolgen, weisen einen Innendurchmesser von 1.6 mm auf und sind ebenfalls gegenüber der Umgebung isoliert. R E F R I G E R A T I O N A N D A I R C O N D I T I O N I N G An zusätzlichen periphären Komponenten befinden sich im Prüfstand: Zwei Bypass-Ventile: Diese dienen im Naturumlaufbetrieb der Überbrückung des Verdichters und des Expansionsorgans. Je ein Ein- und Auslassventil: Über sie erfolgt das Befüllen und Entleeren bzw. Evakuieren der Versuchsanlage. Ein Überdruckventil: Dieses schützt die übrigen Anlagenkomponenten vor zu hohen Systemdrücken und führt beim Überschreiten des Drucks von 120 bar zum automatischen Ablassen des Kältemittels Wärmesenkenseite Im Wärmepumpenbetrieb dient als Wärmesenke in der Versuchsanlage das Leitungswassernetz. In der Serienanlage ist vorgesehen, die Wärmepumpe an einen Schichtenspeicher anzuschließen. Hier wird das im Wärmepumpenbetrieb erwärmte Wasser in Abhängigkeit seiner jeweiligen Dichte in die entsprechende Temperaturschicht eingespeichert. Im Naturumlaufbetrieb der Versuchsanlage wird dementsprechend tempe- (Thermal Ba 33

44 4 KONZEPTIONIERUNG UND AUFBAU DER WÄRMEPUMPENANLAGE riertes Leitungswasser als Wärmequelle eingesetzt, während in der Serienanlage warmes Wasser aus dem Schichtenspeicher ausgespeichert wird, um das Kältemittel im Gaskühler zu verdampfen. Heizpatrone (13): Da in der Versuchsanlage im Naturumlaufbetrieb nicht auf das warme Wasser des Schichtenspeichers zurückgegriffen werden kann, wird die für das Verdampfen des Kältemittels benötigte Wassertemperatur mit Hilfe eines in den Wasserkreislauf integrierten, elektrisch beheizten und regelbaren Durchlauferhitzers erreicht. 4.2 Messverfahren Im Folgenden werden die Messverfahren beschrieben, mit deren Hilfe relevante Größen wie Verdampfergewicht, Massenströme, Temperaturen und Drücke ermittelt wurden. Die Position der jeweiligen Messstelle in der Versuchsanlage ist in Abbildung 4.1 zu finden. Im Anschluss wird die verwendete Messtechnik und Messsoftware vorgestellt Verdampferwägung Das Verdampfergewicht wird während der Dauer des Ver- und Enteisungsprozesses mit Hilfe einer Präzisionswaage mit Niveauausgleich (8) gemessen. Über das Gewicht des Verdampferpakets kann beurteilt werden, ob mit Hilfe der Naturumlaufabtauung gegenüber der Naturabtauung tatsächlich eine schnellere Enteisung des Verdampfers erreicht werden kann. Während der Versuchsvorbereitungen stellte sich heraus, dass eine so weit wie mögliche mechanische Entkopplung der Wägeeinrichtung und des Verdampfers vom übrigen Prüfstand vorteilhaft ist: Anfängliche Versuche, den Verdampfer über Laufschienen mit dem Prüfstand zu verbinden, haben gezeigt, dass die zu überwindende Haftreibung der Schienen zu groß ist und so keine sinnvollen Messergebnisse erzielt werden können. In der aktuellen Version der Versuchsanlage befindet sich das Verdampferpaket daher frei aufgehängt an der Waage zwischen den beiden Kanalteilen (vgl. Abb. 4.9). Da die Messergebnisse der Waage stark anfällig gegenüber Schwingungen und Erschütterungen sind, wie sie z. B. allein schon durch den Ventilatorbetrieb verursacht werden, ist die Waageneinheit vom Prüfstand losgelöst und an der Raumdecke befestigt. Die Aufhängung des Verdampfers an der Waage erfolgt über zwei an den Kältemittelrohren befestigten Klemmvorrichtungen. Diese sind über vier Gewindestangen mit zwei auf der Waage aufliegenden Vierkantprofilen verbunden. Wichtige Kenndaten der Waage sind in Tabelle 4.1 zusammengestellt. Wie zuvor beschrieben erfolgt die kältemittelseitige Anbindung des Verdampfers an 34

45 4 KONZEPTIONIERUNG UND AUFBAU DER WA RMEPUMPENANLAGE Waagenaufhängung Waage Verdampferaufhängung Verdampfer Luftkanal Abbildung 4.9: Wa gesystem des Verdampfers den Kreislauf u ber flexible Metallschla uche, um die fu r die Wa gung notwendige Flexibilita t des Verdampferpakets zu gewa hrleisten. Auch bei der luftseitigen Isolierung wird auf die vertikale Beweglichkeit des Verdampfers geachtet. Diese wird realisiert mit Hilfe flexibler Schaumstoffmatten aus Armaflexr und ist notwendig, um Einflu sse der warmen Laborumgebung auf die Ver- und Enteisung so weit wie mo glich zu minimieren. Hersteller Mettler Toledo Typ SG32001 DeltaRange Messbereich g bis g Messgenauigkeit 0,1 g Tabelle 4.1: Kenndaten der Pra zisionswaage fu r die Verdampferwa gung 35