Wärmepumpe mit Turbokompressor Dr. Cordin Arpagaus IES, NTB Buchs 1 cordin.arpagaus@ntb.ch
Wärmepumpen der Schlüssel zur Energiewende Verkaufszahlen Wärmepumpen 2015: 18 318 Vergleich Holz-, Öl- und Gaskessel 240 000 Wärmepumpen in Betrieb 70% der neu erbauten Einfamilienhäuser werden mit Wärmepumpen ausgestattet (Quelle: Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz FWS / GebäudeKlima Schweiz) 2 cordin.arpagaus@ntb.ch
Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Umweltwärme Strom 25% Heizwärme und Warmwasser 75% 100% Luft Wasser Erdwärme 2/3 Luft / Wasser WP 1/3 Sole/Wasser WP Wärmepumpe COP = Heizwärme Strom = 4 COP (Leistungszahl): Coefficient of Performance 3 cordin.arpagaus@ntb.ch
COP [-] IES Technologischer Fortschritt - Leistungszahl (COP) Entwicklung von Sole/Wasser Wärmepumpen Ziel bis 2050 COP = 5.7* (Gütegrad 65%) Forschungsbedarf Kompressor *Betriebspunkt Sole/Wasser B0/W35 B0: Sole (brine) bei 0 C W35: Vorlauftemperatur Wasser 35 C (Quelle: Wärmepumpen-Testzentrum WPZ, NTB Buchs, www.wpz.ch) 4 cordin.arpagaus@ntb.ch
SCCER-EIP «Swiss Competence Center for Energy Research Efficiency in Industrial Processes» SCCER = Förderprogramm für Energie in der Schweiz (25 Hochschulen, 1 073 Forschende) Work Package 2: Energie Effizienz (direkt) Ziel: Hocheffiziente Systemlösungen und Technologien (z.b. Kreisprozesse und Wärmepumpen) Performance Sprung Wärmepumpen Systeme Wärmepumpe mit Turbokompressor Effizienzsteigerung im kleinen Leistungsbereich Turbokompressor Komponenten 5 cordin.arpagaus@ntb.ch
Funktion Turbokompressor dynamische Kompression Diffusor Spiralgehäuse Spiralgehäuse Einlass Diffusor Laufrad Gasspalt Laufrad E kin E pot 6 cordin.arpagaus@ntb.ch
Ölfreie Kompression Einschränkungen mit Öl 1. Thermischer Zerfall bei 120 C 2. Reduktion Kompression Effizienz 3. Verminderung des Wärmeaustauschs 4. Bedingt Ölrückführungssysteme (Ölsammler, Ölabscheider, etc.) Ölfrei = höhere Effizienz + neue potentielle Anwendungen Hochtemperatur Wärmepumpen Mehrstufige (Multi-Temperatur) Wärmepumpen 7 cordin.arpagaus@ntb.ch
Effiziente aerodynamische Gaslagerung Gleitlager mit Fischgerätemuster geräuscharmer Lauf mit hohen Drehzahlen nahezu verschleissfreier Betrieb (keine Reibung) absolute Ölfreiheit 8 cordin.arpagaus@ntb.ch
Miniaturisierung hoher Anspruch an Fertigungstoleranzen CFD Design 5-achsige CNC Fräsmaschine Herstellbare Spaltgrösse 50 80 m 15 mm Durchmesser (Quelle: Javed et al., 2016) 9 cordin.arpagaus@ntb.ch
Klein / kompakt / geringes Gewicht Grössenvergleich Turbokompressor vs. Scroll Kompressor (Quelle: Schiffmann, 2014) 10 cordin.arpagaus@ntb.ch
Turbokompressoren im Vergleich TT300 EMTC-180k Ref Miniatur Turbokompressor Design: 2-stufig 1-stufig 1-stufig Lagerungsart: Magnetlagerung Gaslagerung Gaslagerung Antriebsleistung: 300 kw (Industrie) 6 kw 0.5 kw Max. Drehzahl: 48 000 rpm 180 00 rpm 230 000 rpm Max. Druckverhältnis (R134a): 4.0 (TT300) 3.5 3.5 Massenstrom (R134a): n.a. 20 160 g/s 10 30 g/s Max. Effizienz: n.a. 75% 76% Abmessungen (L x H) 788 x 518 mm 255 x 86 mm 155 mm / 75 mm Gewicht 120 kg 5 kg 0.6 kg 11 cordin.arpagaus@ntb.ch
Verdichterkennfeld (Druckverhältnis vs. Massenstrom) 12 cordin.arpagaus@ntb.ch
Take Home Message Wärmepumpe mit Turbokompressor Hohe Effizienz Ölfrei Kleinstmasstab Neue Anwendungen (Hochtemperatur & Multi-Temperatur) 13 cordin.arpagaus@ntb.ch