neue energien 2020 - energieforschung.at · neue energien 2020 - 2. ausschreibung klima- und...
Post on 06-Sep-2019
2 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 1 von 31
NEUE ENERGIEN 2020 Publizierbarer Endbericht – INDEX
Programmsteuerung:
Klima- und Energiefonds
Programmabwicklung:
Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG)
Ein publizierbarer Endbericht sollte folgende Struktur (Index) besitzen und besteht aus mindestens
10 Seiten:
1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
Unter den vielen Technologien für thermisch angetriebene Kühlsysteme werden
Absorptionskältemaschinen als besonders geeignet angesehen, um Wärme bei niedrigen
Temperaturen für Kühlung nutzen zu können. Die Absorptionstechnologie findet allerdings auch in
gasgetriebene Absorptionswärmepumpen ihre Anwendung. So lassen sich damit herkömmliche
Wärmpumpen und auch Brennwertkessel zu substituieren.
Unabhängig von der jeweiligen Anwendung besteht ein Absorptionssystem aus mindestens einem
Absorber, in dem Gas von einer Flüssigkeit, dem Absorptionsmittel, absorbiert wird, und der jene
Komponente darstellt, die über die Kapazität und Effizienz des Systems entscheidet. Der Absorber
ist im Wesentlichen ein Gerät, in dem Gas und Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden, um die
Auflösung des Gases in der Flüssigkeit über die entstehende Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zu
ermöglichen. Je nachdem wie viel Wärme dabei generiert wird, müssen außerdem Maßnahmen zur
Wärmeableitung gesetzt werden.
Eine große Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche ist essentiell für eine effiziente Absorption und kann auf drei
Arten erreicht werden, die daher ein Klassifizierungsschema für Absorber liefern: Es gibt Sprüh-,
Film- und Blasenabsorber, deren Arbeitsprinzipien in Abb. 1.1 dargestellt sind.
(a) Sprüh (b) Fallfilm (c) Blasen
Abb. 1.1:Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche in verschiedenen Absorbertypen, in (a) und (c) ist die
Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche gleich der Oberfläche der Flüssigkeitstropfen bzw. Gasblasen.
gas
liquid
gas
liquid
gas
liquid
Gasblase
Flüssigkeit Flüssigkeits-
film
Gas
Flüssigkeits-
tropfen
Gas
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 2 von 31
Jede der dargestellten Varianten besitzt Vor- und Nachteile und dementsprechende Anwendungen.
Beispielsweise können in Sprühabsorbern die Flüssigkeitstropfen keinen Kontakt mit festen
Strukturbestandteilen bilden, was einen adiabatischen Absorber bedingt. Bei gleichzeitig
erforderlicher Wärmeabgabe müssen Film- oder Blasenabsorber herangezogen werden. Die
Entscheidung zwischen diesen beiden wird auf Grundlage der möglichen Druckverluste gefällt: Bei
niederem Arbeitsdruck (z.B. in LiBr/Wasser-Absorptionssystemen) muss ein Filmabsorber, der als
einziger einen vernachlässigbaren Druckverlust aufweist, verwendet werden, während bei
Hochdrucksystemen (z.B. Ammoniak/Wasser als Arbeitspaar) auf Blasenabsorber mit wesentlich
besseren Wärme- und Massentransportkoeffizienten, zurückgegriffen werden kann.
Ziel des Projektes war es das Konzept für einen innovativen Blasenabsorber zu entwickeln und
dieses Konzept anhand eines Funktionsmusters zu testen.
1.2 Schwerpunkte des Projektes
Zielsetzung in diesem Projekt war die Entwicklung und Evaluierung eines innovativen
Blasenabsorbers für Hochdruckabsorptionsanwendungen zur Wärme- beziehungsweise
Kältebereitstellung. Dabei lag der Fokus vor allem auf folgenden Arbeiten:
• Zunächst wurden Ammoniakblasenströmungen im Einzelkanalsystem untersucht, um das
grundsätzliche Verständnis zu vertiefen.
• Ammoniakblasenströmungen im Mehrkanalsystem waren insbesondere für die Entwicklung
der Verteilgeometrie von Bedeutung.
• Nach der Entwicklung des Absorbers wurde dieser in realen Wärmepumpen beziehungsweise
Kälteanlagen vermessen.
1.3 Einordnung in das Programm
1.3.1 Energiestrategische Ziele
• Sicherstellung der Kriterien der Nachhaltigkeit: ökonomisch, ökologisch und sozial dauerhaft, Reduktion der Importabhängigkeit bei Energieträgern, Reduktion des Energiebedarfs durch verbraucherseitige Maßnahmen
Ein Anteil von 51,3 % des Gesamt-Endenergieverbrauchs in Österreich entfällt auf den
Energieverbrauchsbereich „Wärme und Kälte“ (Niedertemperaturwärme, Klimatisierung und
Prozesswärme)1. Laut Studie ergeben sich durch Umstrukturierungen dieses Sektors durch
anteilsmäßige Steigerung der erneuerbaren Energieträger bei gleichzeitiger Steigerung der
Anwendungseffizienz folgende positive Effekte in Österreich:1
- Reduktion der Importabhängigkeit von fossilen Energieträgern und Reduktion der
zugehörigen nationalen Zahlungsabflüsse.
- Reduktion des CO2 Ausstoßes und Vermeidung von damit in Zusammenhang
stehenden Kosten (z.B. Zertifikatskäufe)
- Positive Einflüsse auf die österreichsiche Volkswirtschaft wie Schaffung von
zukünftigen Arbeitsplätzen und Schaffung regionaler Wertschöpfung durch
Investitionen in und den Betrieb von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energie
1 Haas et al., Wärme und Kälte aus Erneuerbaren 2030, Dachverband Energie Klima, 2007
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 3 von 31
- Ausbau von Technologieführerschaften im Bereich erneuerbarer Enerige und
Förderung eines entsprechenden Heimmarktes, wodurch auch positive
Rahmenbedingungen für den Ausbau des Exportmarktes geschaffen werden.
• Erhöhung der Ressourcen- und Energieeffizienz
Die Erhöhung der Ressourcen- und Energieeffizienz durch Einsatz der Absorptionstechnologie ergibt
sich unter anderem durch folgende Effekte:
- Verminderung des Stromverbrauchs durch Substitution von Kompressionsklimageräten
durch thermische Absorptionskältemaschinen mit erneuerbaren Antriebsenergien (z.B.
Biomasse oder Sonnenenergie) bzw. durch Nutzung von Abwärmequellen
- Nutzung von bisher ungenutzter Abwärme zur Bereitstellung von Kälte zur
Lebensmittelkühlung und/oder Gebäudeklimatisierung bzw. zur umweltfreundlichen
Bereitstellung von Prozesskälte für Industriebetriebe
- Substitution von Kompressionskühlmaschinen durch mit Fernwärme betriebene
Absorptionskältemaschinen (hocheffiziente Kälteerzeugung durch Kraft-Wärme-Kälte-
Kopplung)
- Verringerung des Endenergieverbrauchs von Heizungssystemen mit hohen
Vorlauftemperaturen durch Substitution ineffizienter Heizkessel durch die hocheffiziente
thermische Ammoniak-Wärmepumpen-Technologie (z.B. in Kombination mit Biomasse)
• Reduktion der Importabhängigkeit von Energieträgern
Die Reduktion der Importabhängigkeit von Energieträgern durch den Einsatz von
Absorptionswärmepumpen ist evident und ergebt sich aus den bereits genannten
Anwendungsszenarien: Verstärkte Nutzung von Abwärme-Quellen und erneuerbaren Energien zur
Kälteerzeugung sowie effizientere Systeme zur Raumheizung und Warmwasserbereitung durch
zusätzliche Nutzung erneuerbarer Umweltwärme (z.B. in Kombination mit Biomasse Heizung).
• Reduktion des Energiebedarfs durch verbraucherseitige Maßnahmen
Speziell im Bereich der Lebensmittelkühlung die derzeit größtenteils mittels elektrischer Energie
bewerkstelligt wird kann der Einsatz der Technologie zu einer Änderung der Verbraucherstruktur
führen (Wechsel von elektrischer Energie zu thermischer Antriebsenergie die aus obig genannten
Wärmequellen bezogen kann).
• Aufbau und Sicherung langfristig klimaschützender Raum- und Wirtschaftsstrukturen
Dieser Aspekt wird durch den Einsatz der Absorptionstechnologie dadurch gesichert, dass es durch
die Forcierung der Technologie im Energiesektor „Wärme und Kälte“ der auch in Österreich immens
an Bedeutung gewinnt zu einer Verschiebung der Energiebereitstellung von fossilen Energieträgern
hin zu erneuerbaren Energieträgern kommt.
• Verbesserung des Wissens über langfristige Entwicklungen, ihre Kosten und Wirkungen
Die im Projekt gewonnenen Erfahrungen mit Absorptionswärmepumpen tragen zur Erweiterung des
Wissens über die Möglichkeiten der Einbindung solcher Systeme in bestehende und zukünftige
Energiesysteme bei (z.B. thermische Netze).
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 4 von 31
1.3.2 Systembezogene Ziele
• Reduktion des Verbrauchs fossiler und nuklearer Energieträger
Wird eine tiefe Marktdurchdringung der Ammoniak-Absorptionstechnologie erreicht, so ergibt sich
als Konsequenz eine Verschiebung des Endenergieverbrauchs für Kühlzwecke von Strom zu
erneuerbarer Wärme. Der reduzierte Stromverbrauch führt immanent zu einer Reduktion des
Verbrauchs fossiler und nuklearer Energieträger, da durch diese Einsparung thermisch produzierter
Strom bzw. Atomstrom substituiert wird.
• Erschließung von Ressourcen erneuerbarer Energieträger
Die Erschließung von Ressourcen erneuerbarer Energieträger ergibt sich aus der direkten Nutzung
erneuerbarer Energieträger für Kühlzwecke (z.B. Biomasse). Wird die Technologie zur
Raumbeheizung genutzt, wird Umgebungswärme wie beispielsweise Erdwärme für diesen Zweck
genutzt. Betrachtet man den Fall der Einbindung von Ammoniak-Absorptionskältemaschinen in Fern-
und Nahwärmenetze (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung) so hängt der Nutzungsgrad erneuerbarer
Energien von dem verwendeten Brennstoff der Anlage ab, wobei in Österreich in diesem Bereich ein
klarer Trend zur Biomasse vorliegt.
• Verbesserung der Umwandlungseffizienz
In diesem Zusammenhang ist der Sanierungsbereich von Gebäuden bzw. die Substitution alter Gas-
und Ölkessel zu nennen. Derzeit werden in Österreich ca. 430.000 veraltete Ölkessel und 150.000
veraltete Gaskessel betrieben2. Der Kesseltausch im Zuge von Gebäudesanierungen erfolgt wegen
der bereits vorhandenen Versorgungsinfrastruktur in der Regel derart, dass die Art des
Energieträgers beibehalten wird. Im Sinne der Erhöhung der Effizienz des Energiesystems und der
damit verbundenen Reduktion an CO2-Emissionen ist beim Kesseltausch darauf zu achten, dass bei
der Substitution die modernsten Technologien mit höchstmöglichem Wirkungsgrad eingesetzt
werden. Die Ammoniak-Absorptionswärmepumpe stellt eine solche Technologie dar. Sie ist in der
Lage neben der im Brennstoff gespeicherten Energie zusätzlich Umgebungswärme zu nutzen, womit
sie die Effizienz der heute eingesetzte Brennwerttechnik um bis zu einem Faktor von 1,6 übertrifft,
ein Paradebeispiel für den Einsatz der hier vorgeschlagenen Technologie.
• Entwicklung von Schlüsseltechnologien
Durch das neuartige Konzept der Mikrokanäle wird nicht nur eine signifikante Steigerung der
Effizienz der Wärmeübertragung erreicht werden, sondern auch die Möglichkeit für
Kompaktifizierung und Miniaturisierung geschaffen. Dies birgt das Potential erheblicher
Vereinfachungen in der Handhabung und Anwendung von Wärmepumpen und Kühlanlagen. Der
entwickelte Hochleistungs-Wärmeübertrager stellt damit eine Schlüsseltechnologie für diese
Systeme dar.
• Herstellung einer Optionenvielfalt bei Technologien und Energieträgern
Der Mikrokanalplatten-Blasenabsorber ist eine Alternative zu konventionellen
Plattenwärmetauschern. Seine Entwicklung stellt die Erschaffung einer neuen und überlegenen
Option bei der Anwendung von Absorptionsanlagen dar.
• Multiplizierbarkeit, Hebelwirkung und Signalwirkung
Der breite Markteintritt der Ammoniak-Absorptionstechnologie würde eine Hebelwirkung auf andere
in Österreich stark vertretene Branchen ausüben. So könnte der hier entwickelte Hochleistungs-
2 Vereinigung Österreichischer Kessellieferanten (VÖK), 2008
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 5 von 31
Absorber auch in der chemischen Industrie und Verfahrenstechnik zu Anwendung kommen. Dies
würde die Entwicklung leistungsfähiger Kühlaggregate, wie Ammoniak-Absorptionssysteme weiter
stimulieren da Erfahrung aus anderen Branchen einfließen kann. Eine tiefe Marktdurchdringung von
Ammoniak-Absorptionswärmepumpen als hocheffiziente Heizsysteme stimuliert die Errichtung
erdreichgekoppelter Wärmequellen (Flachkollektoren, Tiefensonden, etc.), wo österreichische
Betriebe eine führende Rolle in Europa einnehmen.
• (Kosten-)Effizienz der Treibhausgasreduktion: Euro pro Tonne CO2-Äquivalent pro Jahr, über die Kyoto-Periode und über die technisch-wirtschaftliche Nutzungsdauer der Investition
Die Relevanz der Ammoniak-Absorptionstechnologie im Leistungssegment kleiner 50 kW sei am
Beispiel der Beispiel des Kesseltausches aufgezeigt. Der Einsatz effizienter Systeme zur
Wohnraumbeheizung stellt eine weitere Steigerung des energetischen Nutzes nach erfolgter
thermischer Sanierung dar. Derzeit werden in Österreich etwa 30% des Gesamtenergieverbrauchs
für die Klimatisierung von Wohngebäuden und die Warmwasseraufbereitung verwendet3. Die
Primärenergie wird zu 60% aus fossilen Brennstoffen (Heizöl, Flüssig- oder Erdgas) zur Verfügung
gestellt, die überwiegend durch Zentralheizungen und Kesselfeuerung bedient werden4,5. Vor allem
Kessel, die vor mehr als zwanzig Jahren installiert wurden, bedürfen einer dringenden Erneuerung.
Hier hat die Absorptionstechnik Potential zur Verminderung der Kosten aber vor allem auch der CO2-
Emissionen. Insgesamt sind in Österreich daher zurzeit 430.000 veraltete Ölkessel und 150.000
veraltete Gaskessel als aktuelles Marktvolumen identifizierbar2. Für den Vergleich der Anlagen wurde
von 10 kW Nennleistung und einem Heizvolumen von 16000 kWh/a Heizwärmebedarf und 4000
kWh/a Warmwasseraufbereitung ausgegangen. Der Wirkungsgrad wurde mit 82% für Ölkessel, 85%
für Gaskessel und 150% für Ammoniak-Absorptionswärmepumpen festgesetzt. Des Weiteren
wurden die CO2-Äquivalente der einzelnen Primärenergien mit der GEMIS-Software zu 0.25
kgCO2/kWhÖl und 0.21 kgCO2/kWhGas bestimmt. Die CO2-Bilanz einer Ölheizung bei einem
Einfamilienhaus mit 10 kW Nennleistung und 20 Jahre Nutzungsdauer beträgt daher 122 Tonnen
CO2, im Vergleich zu 99 Tonnen CO2-bei direkter Gasfeuerung. Eine Ammoniak-
Absorptionswärmepumpe hat im Gegensatz dazu einen Ausstoß von maximal 56 Tonnen CO2 mit
weiterem Einsparpotential durch Biomasseverwendung. Das ergibt ein Einsparpotential von 1,7
Millionen Tonnen CO2 pro Jahr bei Austausch aller veralteten Anlagen.
1.3.3 Technologiestrategische Ziele
• Unterstützung von Innovationssprüngen
Die Entwicklung des Mikrokanalplatten-Blasenabsorbers stellt einen Innovationssprung auf dem
Gebiet der Absorptionstechnologie dar.
• Erhöhung des inländischen Wertschöpfungsanteils im Energiesystem
Durch die bereits durchgeführten Forschungsprojekte in Österreich bietet sich die Möglichkeit den
noch nicht ausgeprägten Technologiebereich Absorptionswärmepumpen zur Kühlung und Heizung
frühzeitig in Österreich zu positionieren und damit eine Technologieführerschaft in Europa zu
erlangen, was eine unmittelbare Auswirkung auf inländische Arbeitsplätze und Wertschöpfung mit
sich bringt.
• Forcierung von Kooperationen und Partnerschaften zwischen Wissenschaft und Wirtschaft
3 TGA Fachplaner E5444, 7. Jahrgang, Februar 2008 4 Statistik Austria, 2004: Mikrozensus September 2003, Beheizung der Wohnungen 2003 5 Statistik Austria, 2005: Ergebnisse der Wohnungserhebung im Mikrozensus, Jahresdurchschnitt 2005
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 6 von 31
Um den angestrebten Markteintritt der Ammoniak-Absorptionstechnologie im kleinen
Leistungsbereich vollziehen zu können, bedarf es sowohl einer intensiven Kooperation mit
Anwendern aus der Industrie (z.B. Nah- und Fernwärmebetreibern, Industriezweige mit großen
Abwärmenutzungspotential,…) sowie der Kooperation mit offiziellen Einrichtungen (Vermarktung und
Förderung der Technologie). Nicht zu vergessen sind in diesem Zusammenhang die
Installationsbetriebe und Haustechnik-Planer, die die Technologie letztendlich bei Kunden
implementieren (in diesem Zusammenhang ist vor allem ein guter Wissensstand der Installateure
von größter Wichtigkeit).
• Stärkung der Technologiekompetenz österreichischer Unternehmungen
Österreichische Unternehmungen im Segment der Wärme- und Kältetechnologie sind in der Regel
kleine und mittlere Unternehmungen. Aufgrund des stetig zunehmenden Drucks seitens Asiatischer
Hersteller im globalisierten Wirtschaftssystem, ist es für unsere Unternehmen essentiell,
technologisch an vorderster Front zu stehen. Nur durch die ständige Entwicklung innovativer
Produkte kann der Wettbewerbsvorteil gegenüber fernöstlichen Billigproduzenten aufrechterhalten
bleiben. Die Ammoniak-Absorptionstechnologie stellt eine solche innovative Technologie dar.
• Verstärkung interdisziplinärer Kooperationen und des Systemdenkens
Bei der Einbindung von Absorptionssytemen in Gebäude oder Industrielle Prozesse ist eine intensive
Zusammenarbeit von Experten unterschiedlicher Bereich notwendig (Hersteller der Maschinen,
Haustechnikplaner und Installateure, Facility Manager,…). Es ist wichtig, dass es zu einem intensiven
Erfahrungsaustausch zwischen ExpertInnen dieser Bereiche kommt. Daher ist im Rahmen des
Disseminationsprozesses des Projektes geplant, z.B. Erfahrungen aus dem Projekt Installateuren im
Rahmen der vom Antragsteller angebotenen Ausbildungskurse weiterzugeben bzw. auf die
Technologie aufmerksam zu machen. Gerade bei Absorptionsmaschinen ist eine genaue Abstimmung
und Anpassung an das Gesamtsystem (z.B. Kältesystem) in Punkto Auslegung und
Regelungsstrategie für den effizienten Betrieb entscheidend.
• Verstärkung internationaler Kooperationen und Ausbau der internationalen Führungsrolle
Das Konsortium ist in einer Reihe internationaler Netzwerke vertreten wie Beispielsweise dem IEA
HPP Annex 33 („Compact Heat Exchangers in Heat Pumping Equipment“) und IEA HPP Annex 34
(„Thermally driven heat pumps“). Im Rahmen der Disseminationsaktivitäten des Projektes werden
diese Netzwerke genutzt werden und die Aktivitäten werden dort eingebracht werden, was zur
Sichtbarkeit der Aktivitäten in Österreich in diesem Bereich strak beitragen wird.
• Förderungen von Qualifikationen im Energie- und Klimaschutzbereich und Ausbau des Forschungsstandortes
Durch die innovative Forschung im Bereich der Absorptionsanlagen wird einerseits der Antragsteller
einen Beitrag liefern, der international bei ForscherInnen Interesse wecken wird. Dies wird sowohl
den Antragsteller als österreichische Forschungseinrichtung mit internationalem Ruf etablieren als
auch den Weg für internationale Kooperationen ebnen. Andererseits können die beteiligten
österreichischen Unternehmen den gewonnenen Technologievorsprung nutzen um eine
internationale Führungsrolle am Markt der Wärmepumpen bzw. Kühlanlagen einzunehmen.
• Generierung von Sekundärnutzen bzw. Spin Offs durch eine Technologie
Ein Sekundärnutzen, der sich aus diesem Projekt und der dem daraus resultierenden
Technologiesprung im Bereich Ammoniak-Absorptionskältemaschinen im Leistungsbereich ergibt, ist
die Stimulierung der F&E Tätigkeiten im Bereich der erdreichgekoppelten Wärmequellen, der
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 7 von 31
Rückkühltechnologien sowie der thermischen Speichertechnologien führen. Gelingt es die
Absorptionstechnologie im Markt zu etablieren, ergibt sich automatisch ein Forschungsbedarf in den
genannten Bereichen, da die Systemkomponenten für die neue Technologie optimiert werden
müssen. In allen Bereichen sind innovative Unternehmen aus Österreich aktiv, womit sich diese
Entwicklung positiv auf den gesamten Technologiestandort Österreich auswirkt.
1.4 Verwendete Methoden
Um die ambitionierten Ziele des Projektes zu erreichen wurden verschiedene Methoden
herangezogen. Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Mikrokanalplatten-Blasenabsorbers waren
grundlegende Studien der Charakteristika von Zweiphasenströmungen in Mikrokanälen, sowohl
experimenteller als auch theoretischer Natur. So wurden Blasenströmungen nach
thermodynamischen Parametern untersucht und deren Verhalten mittels
Hochgeschwindigkeitskamera optisch analysiert. Insbesondere bei der Konzeptentwicklung des
Funktionsmusters kamen Methoden der Computersimulation, wie CFD (Computational Fluid
Dynamics), hinzu. Für die Vermessung der Funktionsmusters wurden Messinstrumente nach dem
Stand der Technik angewendet.
1.5 Aufbau der Arbeit
AP1: ✓ Spezifikation und Aufbau des Versuches wurde abgeschlossen
✓ Kalibrierung und Inbetriebnahme des Versuchsaufbaus wurde abgeschlossen
✓ M1.1: Versuchsaufbau ist einsatzbereit
AP2: ✓ Klassifizierung des Hochgeschwindigkeitsflusses wurde abgeschlossen
✓ Experimentelle Daten
✓ M2.1: Absorptionsverhalten in Mikrokanälen dokumentiert
AP3: ✓ M3.1: Eindimensionales Modell für einen Mikrokanal-Blasenabsorber entwickelt
✓ Simulationen für verschiedene Mikrokanäle und Mikrokanalanordnungen
✓ M3.2: Ergebnisse der numerischen Simulationen liegen vor
AP4: ✓ Daten für Druckabfall, Temperatur,…
✓ Absorptionsfähigkeit bei voller und teilweiser Belastung
✓ Einfluss operativer Parameter
✓ M4.1: Einzelplattenmessungen und Absorberdesign
AP5: ✓ M5.1: Messungen und Datenanalyse Niedertemperatur-Prüfung
✓ M5.2: Messungen und Datenanalyse Hochtemperatur-Prüfung
AP6: ✓ M6.1: Kick-Off Meeting
✓ M6.2: Zwischenbericht
✓ M6.3: Endbericht
✓ M6.4: Abschlussworkshop
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 8 von 31
2 Inhaltliche Darstellung
2.1 Durchgeführte Arbeiten im Rahmen des Projektes & Methodik
Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Mikrokanalplatten-Blasenabsorbers waren grundlegende
Studien der Charakteristika von Zweiphasenströmungen in Mikrokanälen, sowohl experimenteller als
auch theoretischer Natur.
1999 beobachtete Xu6 das Strömungsverhalten eines Luft-Wasser-Gemisches durch einen dünnen
Spalt zwischen zwei parallelen Platten. Die Tiefe des Spaltes war üblicherweise 12 mm, während die
Breite zwischen 0.3mm und 1.0mm variierte. Vier verschiedene Arten wurden im
Strömungsverhalten festgestellt (siehe Abb. 2.1(a)), eingehende Untersuchungen lieferten die
entsprechenden Bereiche im Diagramm der Flächengeschwindigkeiten von Gas (Jg) und Flüssigkeit
(Jl).
[a] Verschiedene Arten des Strömungsverhaltens [b] Strömungsverhalten in Abhängigkeit
von den Flächengeschwindigkeiten
von Gas (Jg) und Flüssigkeit (Jl)
Abb. 2.1: In [a] sind die vier beobachteten Arten des Strömungsverhaltens
dargestellt: a: Kappenblasenfluss, b: Schwalltropfenfluss, c: wallender Fluss,
d: Ringtropfenfluss. [b] zeigt die Bereiche der vier Flussarten aus [A] im
Flächengeschwindigkeitsdiagramm: Kappenblasenfluss, Schwalltropfenfluss,
wallender Fluss, Ringtropfenfluss. Aus Xu (1999)10
Mittels dieser Ergebnisse konnten Xu et al.7 Modelle für die Übergänge im Fluss erstellen. Diese
gesammelten Resultate sind eine Referenz für experimentelle Untersuchungen an einzelnen
Mikrokanal-Blasenabsorbern für dieses Projekt.
2.1.1 Einzel und Mehrkanalversuchsaufbau
Der Versuchsaufbau wurde als Einwegprozess realisiert, da sich bei der Durchführung als
Kreisprozess mit Pumpe Probleme mit ungleichmäßigen Massenströmen ergaben. Die Pumpe erzeugt
Pulse, welche zwar durch einen Pulsationsdämpfer gemindert werden, jedoch nicht in dem Maße,
dass Experimente mit ausreichender Genauigkeit in Mikrokanälen durchgeführt werden konnten. Um
einen möglichst gleichmäßigen Massenstrom zu gewährleisten wurde statt mit einer Pumpe mit
Druckgefäßen und Ausgleichsbehältern gearbeitet. Abbildung 2.2 zeigt eine schematische
6 Xu, Int. J. Heat Fluid Fl. 20, 422 (1999) 7 Xu et al., Int. J. Multiphas. Flow 25, 411 (1999)
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 9 von 31
Darstellung eines Einzel- und Mehrkanalversuchsaufbaus zur Visualisierung von Blasenströmungen
und zur Bestimmung relevanter thermodynamischer Größen. Die Absorbereinheit besteht aus zwei
Bereichen: dem Absorptionsbereich, in welchen Flüssigkeit (Ammoniakwasserlösung) und Dampf
(Ammoniak) eingebracht werden, und dem Kühlbereich, welcher von Wasser durchströmt wird und
so die bei der Absorption entstehende Wärme abführt. Die Ammoniakwasserlösung und das
Kühlwasser können getrennt voneinander mittels zweier Klimageräte (Julabo FP51) temperiert
werden. Der Ammoniakdampf und die Ammoniakwasserlösung werden von unten in das System
eingebracht, während das Kühlwasser von oben nach unten in die gegenläufige Richtung fließt. Die
Massenströme von Lösung und Dampf beziehungsweise die Dichte der Lösung wurden mittels
Coriolis-Durchflussmessern (Emerson Coriolis Elite Sensor CMF010) bestimmt. Der
Kühlwasserdurchfluß wird kalorimetrisch (GMR Typ AFSKMM8) bestimmt. Die Regelung erfolgt über
Nadelventile (Swagelok). Die 20%ige Lösung im Lösungsmitteltank wird mit Stickstoff bedrückt und
dadurch in den Absorber gepreßt. Um eine gleichmäßige Versorgung mit Ammoniakdampf zu
gewährleisten befindet sich die Ammoniakflasche in einem Wärmebad und fungiert so als
Verdampfer. Die Dichte und der Massenstrom der aus dem Absorber austretenden Lösung werden
ebenfalls mit einem Coriolis-Durchflussmessern (Emerson Coriolis Elite Sensor CMF010) bestimmt.
Temperaturen werden mit handelsüblichen Temperaturmeßfühlern (Pt100) gemessen. Drücke
werden mit Druckmeßzellen (Swagelok PTI-S-AG) bestimmt.
Um das Blasenverhalten zu visualisieren wurde der Absorber mit einem Schauglas aus Acrylglas
Abb.2.2: Schematische Darstellung des Einzel- und Mehrkanalversuchsaufbaus bestehend aus (von links
nach rechts): zwei Klimageräten (Julabo) zur Temperierung des Kühlwassers und der armen
Ammoniaklösung; dem Absorber, welcher den eigentlichen Testbereich darstellt; Zufuhr von armer
Ammoniaklösung und Ammoniakgas (rechts unten); Ausgleichbehälter und Überströmventil, um stetige
Bedingungen im Absorber zu erhalten; Temperatur-, Druck-, Massenstrom- und Dichtemeßgeräte (grün)
Wä
rme
ba
d
Julabo FP51 II
Du
rch
flu
ßm
esse
r
D
p
Ausgleichsbehälter
D
p
Absorber
NH3
Gasdurchflußmesser
D
p
Rohrleitung
Wasser
Flowchart
Test Rig
Wartungsventil
N2
Nadelventil
Regelventil
T
T
Absperrventil
AN 14
Auslaß/Spülung
Überströmventil Abluft
Faß
Absperrventil Wartungsventil
NH3/H2O
20-40%
Wartungsventil
Wa
rtu
ng
sve
ntil
T
T
Dru
ckm
ind
ere
r
Dru
ckm
ind
ere
r
Coriolis 010
D
p
D
p
T
T
T
T
Re
ge
lve
ntil
Co
rio
lis 0
10
Julabo FP51 I
T
T
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 10 von 31
versehen (siehe Abb: 2.3), in das verschiedene Kanalgeometrien eingefräst wurden. So konnten
sowohl Einzel- als auch Mehrkanalsysteme realisiert werden und die Blasenströmung mit Hilfe einer
Hochgeschwindigkeitskamera (Phantom, Dantec Dynamics) analysiert werden. Wegen der kurzen
Belichtungszeiten mussten leistungsfähige Gleichstrom-LED-Lampen eingesetzt werden (Abb. 2.4).
Um das zeitliche Temperaturverhalten abschätzen zu können, wurde eine Simulation über den
Querschnitt des Absorbers durchgeführt, woraus ersichtlich wurde, dass sich das System nach
wenigen Minuten im Equilibrium befindet (siehe Abb. 2.5).
Abb. 2.3: Auseinandergezogene Darstellung
des Absorbers mit (von links nach rechts)
Flansch, Schauglas, Kanalplatte und Kühlplatte
Abb 2.4: Hochgeschwindigkeits-kamera auf
der Traversierung vor dem Absorber mit LED-
Beleuchtung
Abbildung 2.6 zeigt einige der
untersuchten Schaugläser mit Kanälen
unterschiedlicher Querschnitte, die
untersucht wurden.
80 cm
Abb. 2.5: Temperaturverhalten des Absorbers; nach wenigen
Minuten befindet sich das System im Gelichgewicht (t = 238
Sekunden).
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 11 von 31
Des Weiteren wurden unterschiedliche Einlassgeometrien untersucht, um eine optimale Verteilung
des Gases in die Kanäle zu ermöglichen. Dabei wurden Einzeleinlässe, Mehrlocheinlässe und auch
Drahtgeflechte eingesetzt (Abb: 2.7). Das in Abbildung 2.7 verwendete Schauglas besitzt keine
Kanalstruktur.
Abb 2.7 a: NH3-Einströmbereich mit feinmaschigem Drahtgeflecht links, b: mit
drei Öffnungen (mitte), c: mit vier Öffnungen (rechts)
Abb 2.6: Vier Varianten von Schaugläsern mit
eingefrästen Kanälen
2 cm
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 12 von 31
2.1.2 Absorptionsverhalten in Kanälen8
Betrachtet man die Absorption in den Kanälen, so lassen sich zwei wesentliche Effekte beobachten:
1) schubweise Gegenströmung
2) Nicht vollständige Absorption sphärischer Blasen
Beide Effekte sind in Abbildung 2.8 a-c dargestellt und werden im Folgenden genauer beschrieben.
Die Abbildung zeigt eine Sechskanalkonfiguration, das heißt sechs Kanäle mit einem Querschnitt von
je 2 x 2 mm² 43 cm oberhalb des Einlassbereiches. Die einzelnen Abbildungen haben einen
zeitlichen Abstand von 57,5 ms (a,b) beziehungsweise 77,5 ms (b,c).
Abb. 2.8 a-c: Sechskanalkonfiguration 43 cm nach dem Gaseinlass bei
erhöhtem Ammoniakmassenstrom (0,4 g/s), die Lösung in den linken
beiden Kanälen strömt nach unten, was an den beiden umrandeten Blasen
zu erkennen ist; die beiden umrandeten Blasen werden nicht weiter
absorbiert im Gegensatz zur längliche Blase darunter
Ad1) Die Lösung in den beiden linken Kanälen strömt nach unten, obwohl die
Hauptströmungsrichtung nach oben gerichtet ist. Dies lässt sich an den eingezeichneten
Blasenformationen erkennen (weiß umrandet). Diese schubweisen Gegenströmungen treten
während eines Versuches immer wieder im gleichen Kanal auf. Auch bei Änderungen am
Ammoniakmassenstrom bleibt das System in dem Strömungszustand. Beginnt man den Versuch von
neuem, so kann sich dieses Strömungsverhalten in einem anderen Kanal oder auch gar nicht
ausbilden. Das heißt selbst bei gleichen Versuchsparametern konnten einmal Gegenströmungen
entstehen und einmal nicht. Die Ursache liegt darin, dass der erste Kontakt von Lösung und
Ammoniakdampf nie auf exakt gleiche Weise erfolgt, da durch das Einbringen einer zweiten Phase
(Ammoniakdampf) und der Absorption ein turbulentes Strömungsregime entsteht. Kleine
Änderungen der Anfangsbedingungen können den weiteren Verlauf stark beeinflussen. Zum
Vergleich zeigt Abbildung 2.9 a, b den Einlassbereich des gleichen Versuchslaufes mit
unterschiedlichen Ammoniakmassenströmen, um das Verhalten der Strömung besser sichtbar zu
machen.
8 Schmid G., Reichl Ch., Benovsky P., Fleckl T., Pauschenwein G., Monsberger M., Optische und CFD-gestützte Untersuchung
von Ammoniak-Blasenströmungen in Ammoniakwasserlösung zur Entwicklung eines Mikrokanalabsorbers, DKV-Tagung 2011, Aachen, Deutschland
2
cm
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 13 von 31
Ad 2) Einige Ammoniakblasen (nicht alle)
werden nur bis zu einer gewissen Größe
absorbiert – ihr Volumen bleibt ab diesem
Zeitpunkt konstant. Dies wurde in allen drei
Kanalkonfigurationen vereinzelt beobachtet,
wobei die Blasen mit konstanter Größe (zeitlich)
im Durchmesser immer kleiner waren als die
kleinere Länge des Kanalquerschnitts (siehe
Abb: 2.10). Abbildung 2.13 skizziert den
Querschnitt drei verschiedener Kanäle (4 x 20
mm², 2 x 2 mm², 1 x 1 mm²) mit darin
befindlichen Ammoniakdampfblasen (blau).
Oben sind Blasenquerschnitte gezeigt, die sich
noch im Absorptionsprozess befinden, unten
Blasenquerschnitte bei welchen der
Absorptionsprozess abgeschlossen sein kann.
Das heißt die sphärischen, Blasen im unteren
Bereich von Abbildung 2.10 werden nicht weiter
absorbiert.
Koaleszieren zwei sphärische Blasen so wird ihr
Gesamtvolumen bis zum Wiedererlangen der
sphärischen Gestalt kleiner. Die
koaleszierenden Blasen werden absorbiert, solange sie keine sphärische Form haben.
Ebensowenig werden die Blasen weiter absorbiert, wenn sie durch die Lösungsströmung an die
Wand gedrückt werden. Sie verhalten sich dabei wie elastische Kugeln (Tischtennisbälle), die von
Kanalwand zu Kanalwand prallen. Während des Aufpralls ändert sich zwar kurzeitig ihre Form, doch
bleibt ihr Volumen konstant. Abbildung 2.11 verdeutlicht das Phänomen der nicht vollständigen
Absorption sphärischer Blasen nochmals anhand von mehreren Ammoniakdampfblasen, deren
Volumen im Kanalverlauf konstant bleibt. Es ist dabei allerdings auch zu erkennen, dass dieser
Effekt nur einen minimalen Teil des Gesamtgasvolumens betrifft.
Abb. 2.10: Darstellung von Blasen in unterschiedlichen Kanalquerschnitten,
oben: drei verschiedene Kanalquerschnitte mit nicht vollständig absorbierten
Ammoniakblasen (blau), unten: die gleichen Kanalquerschnitte mit Blasen,
welche ihre Größe über die übrige Strecke im Absorber behalten und nicht weiter
absorbiert werden. Die beiden Blasen im linken Kanal sollen verdeutlichen, daß
nicht weiter absorbierende Blasen in verschiedenen Größen auftreten können.
4 mm
20 mm
2 mm
2 mm
1 mm
1 mm
Absorption
Abb. 2.9: links (a): Einlassbereich bei gleichen
Massenströmen wie in Abbildung 6 (0,4 g/s NH3),
rechts (b): gleicher Versuch bei 0,2 g/s NH3, die
Gegenströmung ist deutlicher sichtbar
2 cm
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 14 von 31
Sind die Ammoniakblasen aufgrund der Kanalgeometrie noch langgezogen, so werden sie absorbiert,
wie aus Abbildung 2.12 zu entnehmen ist. Die Ursache für diesen Effekt bei sphärischen Blasen ist
noch nicht vollständig geklärt, weshalb hier nur Vermutungen angestellt werden können. Die
wesentlichen thermodynamischen Größen, die die Absorption beeinflussen, sind:
• Temperatur
• Druck
• Konzentration
Hinzukommen noch Größen wie:
• Strömungen und Turbulenzen
• Oberflächenspannungen
• Gravitation in Form von Auftrieb der Blasen
Betrachtet man eine sich im Ruhesystem der Lösung aufsteigende, langgezogene Blase, so entsteht
aufgrund des Lösungsvolumens, das die Blase beim Aufsteigen verdrängt, eine nach unten
gerichtete, schnelle Lösungsströmung entlang der Grenzfläche von Ammoniakdampf und
Ammoniakwasserlösung. Diese Strömung begünstigt wegen der dadurch verursachten Turbulenzen
sowohl einen guten Wärme- wie Stofftransport. Hat die Blase eine rein sphärische Form gewonnen,
so verringert sich die lokale Lösungsgeschwindigkeit um die Blase, da sie nun weniger Flüssigkeit
verdrängt (siehe Abb: 2.10, Mitte oben und Mitte unten). Außerdem verringert sich bei kleiner
werden der Blase deren Auftriebskraft. Die kleinere Auftriebskraft verursacht eine geringere
Blasengeschwindigkeit und damit ebenfalls eine verringerte lokale Lösungsgeschwindigkeit um die
Blase. Die geringeren lokalen Geschwindigkeiten verursachen eine schlechte Durchmischung der
Lösung, weshalb sich die lokale Konzentration um die Blase nur wenig ändert und keine
konzentrationsärmere Lösung zur Blase befördert werden kann.
Aufgrund der Oberflächenspannung ist es für die Blasen energetisch günstiger eine kugelförmige
Gestalt anzunehmen. Eine Folge davon ist, dass langgezogene oder gequetschte Blasen die
Absorption begünstigen, da sie möglichst rasch kugelförmige Gestalt annehmen möchten. Dies
begünstigt die Absorption von einzelnen langgezogenen Blasen im Kanal.
Abb. 2.11: Sphärische Blasen mit einem Durchmesser kleiner der
Kanalquerschnittsseitenlänge werden nicht weiter absorbiert
2 cm
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 15 von 31
In wie weit sich die eben beschriebenen Effekt auf den Gesamtprozess auswirken, muss in weiteren
Forschungsarbeiten untersucht werden. Ebenso muss geklärt werden wie sich die Marangoni-
Konvektion, wie von Kang et al.9 beschrieben, auf das System auswirkt.
Abb. 2.12: Momentaufnahmen der Absorption in zehn Kanälen im Abstand
von 25 ms
2.1.3 1D Modellierung und CFD-Simlationen
1D-Modell
Im Gegensatz zu einem Fallfilmabsorber ist der Druckverlust in einem Blasenabsorber nicht
vernachlässigbar klein. So ist bei einem Wasserabsorptionsprozess der Fallfilm der Blasenabsorption
vorzuziehen, da hier selbst kleine Druckverluste die Leistung des Systems stark beeinflussen
können. Bei einem Ammoniakabsorptionsprozess, wie er hier vorliegt, ist jedoch der
Blasenabsorption der Vorzug zu geben, da hier die Transportkoeffizienten für Wärme und Masse
durch relativ geringe Druckverluste wesentlich erhöht werden können. Abbildung 2.13 zeigt ein
zweiphasiges Gas-Flüssigkeit-Strömungsregime, wie es in einem typischen Blasenabsorber
vorkommt. In einem solchen Strömungsregime können zwei charakteristische Muster unterschieden
werden: die wallende Strömung und die Schwallblasenströmung.
Da die Literatur teilweise inkonsistent und widersprüchlich ist, hat man sich dafür entschieden ein
einfaches 1D-Modell zu entwickeln, um die experimentellen und numerischen Arbeiten zu
unterstützen. Das Modell basiert auf Analogien von Impuls-, Wärme- und Massentransport. Nimmt
man an, dass im System Bedingungen für Analogien zwischen Impuls, Wärme- und Massentransport
an Zweiphasengrenzen existieren, z.B.: Wärmeübertragerwand und Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche, so
ergibt sich der Wärmetransportkoeffizient 𝛼 zu
𝛼 = 𝐶𝑝 ∙ 𝑃𝑟−𝑚 ∙ 𝜏Δ𝑉⁄ 2.1
Und der Massentransportkoeffizient β zu
𝛽 = 𝜌−1 ∙ 𝑆𝑐−𝑚 ∙ 𝜏Δ𝑉⁄ 2.2
9 Kang, Y.T., Akisawa, A., Kashiwagi, T., Visualization and model development of Marangoni convection in NH3-H2O system,
International Journal of Refrigeration 22 (1999) 640-649
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 16 von 31
Wobei Cp die spezifische Wärme der Lösung, ρ die Dichte
der Lösung, Pr die Prandtlzahl, Sc die Schmidtzahl, m der
Impuls, 𝜏 die Scherspannung und ΔV die
Relativgeschwindigkeit von Blase zu Lösung sind.
Dadurch wurde das Problem darauf reduziert die
passenden Werte für 𝜏 die Scherspannung und ΔV die
Relativgeschwindigkeit zu finden.
Die Werte für die Scherspannung 𝜏 und die
Relativgeschwindigkeit ΔV wurden separat für wallende
Strömung und die Schwallblasenströmung
(Einlassbereich bzw. Bereich der entwickelten Strömung)
ermittelt.
Für die Relativgeschwindigkeit ΔV in der zweiphasigen
wallenden Strömung wurde ein neues Modell für das
Gas-Flüssigkeitsverhältnis entwickelt, welches sehr gut
mit den empirischen Daten von Smith (1969)10
übereinstimmt. Für die Scherspannung 𝜏 im Bereich der
wallenden Strömung wurde ein homogenes Modell von
McAdams (1954)11 verwendet.
Um die Relativgeschwindigkeit ΔV und die
Scherspannung 𝜏 im Bereich der Schwallblasenströmung
zu erhalten, wurde die Steiggeschwindigkeit einer Blase
nach Nicklin (1962)12 und eine analytische Lösung einer
ringförmigen laminaren Gegenströmung verwendet.
Das Modell liefert eine gute Übereinstimmung mit den empirischen Ergebnissen aus der Literatur.
CFD-Simulationen im Einzel- und Mehrkanalsystem
Es wurden dreidimensionale Mehrphasenströmungen sowohl im Einzel- als auch im Mehrkanal
mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) simuliert. Mittels CFD-Simulationen war es möglich,
sowohl beobachtete Strömungsmuster nachzubilden und zu studieren, als auch mit Hilfe der
gewonnenen Resultate das Entwerfen des kompletten Absorbers (~10kW) zu unterstützen. Im
Folgenden werden die Simulationen zu Ein- und Mehrkanalströmungen genauer beschrieben.
Die numerische Behandlung von instationären dreidimensionalen Mehrphasenströmungen ist
aufgrund der teilweise komplizierten Struktur der Phasengrenzfläche äußerst komplex 13,14,15. Die
für die Beschreibung der physikalischen Prozesse notwendige Genauigkeit der Phasengrenze liegt in
den meisten Fällen deutlich über der eigentlichen Auflösung des Rechengitters, das für die
numerische Strömungssimulation verwendet wird. Während für die Simulation einzelner Gasblasen
in Flüssigkeiten noch extrem feine Netze verwendet werden können, die die Phasengrenze abbilden,
10 Smith, S.L., 1969. Void fractions in two-phase flow. A correlation based on equal velocity head model. Proc. Instn. Mech.
Engrs. 184, 647-664 11 McAdams, W.H., 1954. Heat transmission, 3rd ed. McGraw-Hill, New York 12 D.J. Nicklin, Two-phase bubble flow, Chemical Engineering Science, Volume 17, Issue 9, September 1962, Pages 693-702 13 Ubbink H., Numerical prediction of two fluid systems with sharp interfaces, PhD thesis, Imperial College of Science,
Technology & Medicine, Department of Mechanical Engineering, Exhibition Road, London SW7 2BX. (1997) 14 Rusche H., Computational Fluid Dynamics of Dispersed Two-Phase Flows at High Phase Fractions, PhD thesis, Imperial
College of Science, Technology & Medicine, Department of Mechanical Engineering, Exhibition Road, London SW7 2BX (2002) 15 Brennen, C.E., Fundamentals of Multiphase Flow, Cambridge University Press. ISBN 13 978-0-521-84804-6, 2005,
http://resolver.caltech.edu/CaltechBOOK:2005.001.
Abb. 2.13: Strömungsmuster in einem
vertikalen Blasenabsorber
Ti
Tb
Δx
xi
xb
wq
i
lqn
cooling
water
solution
dz
L
ΓlΓc r
Tg
Γgp
z
vapor
z+dz
t
z
τig τi
lτw
Vg
VlVi
ΔTl
ΔTg
d
slug
flow
ch
urn
flow
Vbub
Vfilm
Vi
p+dp
i
gq
VSlug
ri
rw
Lbub
Lslug
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 17 von 31
ist für die vorliegenden Kanäle dies nicht mehr möglich, sodass auf Rekonstruktionsmethoden (z.B.
level-set Methoden 16) für die Grenzfläche zurückgegriffen werden muss. Konkret wurde aus dem
vielfältigen Spektrum an verfügbaren Methoden für die Simulationen ein Volume-of-Fluid Verfahren
(siehe z.B. auch 17, eine Arbeit an rechteckigen Kanälen) verwendet, das im Code ANSYS Fluent
13.0 implementiert ist.
Für eine vollständige Abbildung des experimentell durchgeführten Prozesses sind zusätzlich zur
Mehrphasensimulation eine Reihe von Effekten in der Simulation zu berücksichtigen: (a) die lokale
Konzentration von Ammoniak in der flüssigen Phase muss bekannt sein, (b) die lokale Temperatur
muss verfügbar sein, (c) es muss ein Modell implementiert werden, welches das Volumen der
Gasphase durch den Absorptionsprozess verringert und das Gas in die flüssige Phase transportiert
(Massentransfermodell).
Die Berücksichtigung der Gravitation und der thermischen Effekte und somit auch die Simulation der
lokalen Temperatur erfordern lediglich die zusätzliche Lösung der Energiegleichung sowie einen
zusätzlichen Kraftterm. Die Berechnung der lokalen Ammoniakkonzentration in der flüssigen Phase
unter Berücksichtigung von Diffusionsprozessen kann nur durch eine Multispeziessimulation
(zusätzlich zur Mehrphasensimulation) erreicht werden. Das bedeutet, dass eine zusätzliche
Differentialgleichung gelöst werden muss.
Das Massentransfermodell ist der Kern der Simulation: In Abhängigkeit von der lokalen Temperatur,
Ammoniakkonzentration in der Lösung und der lokalen Oberfläche einer Gasblase muss sowohl die
Form der Gasblase verändert werden (Volumenreduktion und Formanpassung) als auch die lokale
Temperatur und die lokale Ammoniakkonzentration in der Flüssigkeit erhöht werden. Dies geschieht
mittels einer Zusatzroutine, die in jedem Iterationsschritt aufgerufen wird und die Änderungen an
Parametern und Variablen durchführt. Dabei stellt die Behandlung der Oberfläche das substantielle
Problem dar, da ja die Absorption in Abhängigkeit der lokalen Oberfläche wirkt, die Oberfläche aber
in einem volume-of-fluid solver nicht explizit dargestellt ist, sondern nur per Rekonstruktion
verfügbar ist. In Abbildung 2.14 ist eine solche Rekonstruktion der Oberfläche dargestellt. Dabei
sind auch weitere Größen wie Druck, Strömungsgeschwindigkeit, etc. ersichtlich.
16 Chang, Y.C., Hou, T.Y., Merriman, B., Osher, S., A level set formulation of eulerian interface capturing methods for
incompressible fluid flow, Journal of Computational Physics 124 (1996) 449-464. 17 Ghidersa, B.E., Finite Volume-based Volume-of-Fluid Method for the Simulation of Two-phase Flows in Small Rectangular
Channels, PhD thesis, Fakultät für Maschinenbau der Universität Karlsruhe, 2003
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 18 von 31
Um die Simulationsmethodik schrittweise zu entwickeln, wurde in einem ersten Schritt eine
Mehrphasensimulation in einer Luft – Wasser Umgebung durchgeführt (siehe Abb: 2.15). Durch 3
Öffnungen (vergleiche Abb. 2.9) tritt die Gasphase (Luft) in ein zunächst vollständig mit Wasser
geflutetes System ein. Wasser wird durch eine zentrale Öffnung unterhalb zugeführt. Die
Massenströme sind dabei so gewählt, dass eine Verteilung analog zum System Ammoniak-Lösung im
unmittelbaren Kontaktbereich der beiden Phasen entsteht. Dabei wurde die Dichte der Luft als 6
kg/m³ angenommen, um die vorherrschende Drucksituation wiederzugeben. Dies stellt einen
kritischen Extremfall für die Simulation dar, da eine sehr hohe Gasphasengeschwindigkeit am Eintritt
(1 m/s) auf eine langsam strömende Wasserphase (0.02 m/s am Eingang) trifft. Damit ist der
Volumenstrom des Gases um den Faktor 37 höher als der des Wassers. Während dieser Zustand im
direkten Kontaktbereich erreicht wird, ist die Mehrphasenströmung im weiteren Verlauf durch die
fehlende Absorption selbstverständlich durch die Gasphase dominiert, während in den Experimenten
die Gasphase kontinuierlich schwindet.
Für die Mehrphasensimulation mittels der volume-of-fluid Methode wurden für die durchgeführten
Berechnungen die Oberflächenspannung zwischen Wasser und Luft, sowie ein Grenzflächenwinkel an
den metallischen Wänden von 45° vorgegeben. Der vorgegebene Zeitschritt der Simulationen zu
Rechnungsbeginn wurde auf 1µs festgelegt, in weiterer Folge wurde er durch eine Fixierung der
Courant-Zahl auf 1 jeweils pro Rechenschritt neu berechnet. Je nach aktuellem Status der
Strömungsform ergibt sich damit ein leicht veränderter Zeitschritt in der Simulation. Bei einer
Gesamtzellzahl von ca. 3.1 Millionen Rechenzellen kommen bei einer instationären Simulation
enorme Rechenzeiten von einigen Wochen zustande, die nur mit Hilfe von
Computerclustertechnologie beherrschbar sind. Wegen der enormen Rechenzeiten ist eine
Simulation des gesamten Absorbers nicht möglich. In Abbildung 2.15 ist ein Teilbereich abgebildet.
Abb. 2.14: Visualisierung einer Blasenströmung in einem
runden Rohr
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 19 von 31
Abbildung 2.15: Mehrphasensimulation im Luft-Wassersystem.
Dargestellt ist die instantane Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Die
umschlossenen Bereiche stellen die Wasserphase dar, da in diesem System
ohne Absorption die Gasphase den Rechenbereich dominiert. Die
Grenzfläche ist mit der aktuellen Strömungsgeschwindigkeit eingegraut.
2.1.4 Entwurf und Fertigung des kompletten Plattenabsorbers
Einleitung
Im folgenden Abschnitt wird die Entwurfsphase des gesamten Absorbers beschrieben. Dabei muss
zunächst erwähnt werden, dass die Konstruktion des Plattenwärmetauschers einen Kompromiss aus
thermodynamischen Randbedingungen, Ätzbarkeit der Platten, Verschweißbarkeit der Platten,
Anschlussmöglichkeiten und zu guter Letzt Finanzierbarkeit darstellt. Im Folgenden wird auf die
Wahl der Fertigungstechnik, thermodynamische Simulationen, mechanische Simulationen und
Probleme, die sich ergaben, eingegangen.
Während der Experimente und Recherchen bezüglich der Fertigung des Absorbers wurde deutlich,
dass ein bloßes Dichten der Platten zueinander mit O-Ring-Schnur nicht ausreicht:
• Erstens kann dadurch die Dichtheit der Kanäle zueinander nicht gewährleistet werden, was
den Effekt der Kanäle negativ beeinflussen würde,
• zweitens kann nicht sichergestellt werden, dass Primär- und Sekundärseite (Wasser bzw.
Ammoniaklösung) gegeneinander dicht sind,
• und drittens wird die strukturelle Integrität des Plattenwärmetauschers dramatisch
verringert.
Aus diesen Gründen hat man sich dazu entschieden die Platten zueinander zu verlöten. Dadurch sind
die Platten an jeder gewollten Stelle fest miteinander verbunden, was gleichzeitig eine optimale
Strömung und eine hohe Gesamtfestigkeit ermöglicht.
Berechnungen & Simulationen
Berechnung des Wärmeübertrages eines Moduls - bestehend aus zwei Platten
(Lösungsseite und Wasserseite)
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 20 von 31
Im folgenden Teil werden thermodynamische Simulationen und Berechnungen zur Auslegung des
Absorbers beschrieben.
𝛼1 Wärmeübergangskoeffizient
Lösung/Wand
𝛼2 Wärmeübergangskoeffizient
Wasser/Wand
λSS Wärmeleitfähigkeit Edelstahl
d Wandstärke eine Platte
αG gesamter Wärmeübergangs-
koeffizient
�̇� gesamter Wärmeübertrag
�̇�𝑀 Wärmeübertrag pro Modul
A zum Wärmeübertrag
beitragende Fläche pro Modul
nK Kanalanzahl
nP Plattenanzahl
t Kanaltiefe
b Kanalbreite
l Kanallänge
⟨ΔT⟩ logarithmische mittlere
Temperaturdifferenz
𝛼1 = 2000 W/m²K, 𝛼2 = 2000 W/m²K, λSS = 15 W/mK, �̇�= 30 kW, ⟨ΔT⟩ = 4 °C
Die 𝛼-Werte wurden hierbei mit relative geringen 2000 W/m²K angenommen, obwohl zu erwarten
ist, dass diese Werte höher liegen. Dies wird auch im Folgenden anhand einer CFD-Simulation
deutlich. Die zum Wärmeübertrag beitragende Fläche pro Modul, bestehend aus einer Absorberplatte
und einer Kühlwasserplatte, ergibt sich zu:
𝐴 = 2𝑛𝐾 ∙ 𝑏 ∙ 𝑙 2.3
Der Faktor 2 in Gleichung (2.3) rührt daher, dass das Modul, bestehend aus einer Absorberplatte
und einer Kühlplatte, in Verbund mit weiteren Modulen ist, sodass ein Wärmeübertrag sowohl durch
den Kanalboden als auch durch die Kanaldecke möglich ist.
Der gesamte Wärmeübergangskoeffizient wird zu:
𝛼𝐺 =1
1𝛼1
+1
𝛼2+
𝑑𝜆𝑆𝑆
2.4
Was einem Wärmeübertrag pro Modul
�̇�𝑀 = 𝛼𝐺 ∙ 𝐴 ∙ ⟨∆𝑇⟩ = 1068,4 𝑊 2.5
entspricht.
Ein Modul, bestehend aus einer Absorberplatte und einer Kühlplatte, überträgt im Verbund mit
weiteren Modulen etwa 1050 W, das heißt für 10 kW sind 10 Module notwendig, was 20 Platten
entspricht.
Simulation des Wärmeübertrags in kleinen Kanälen
Um den Entwurf des Absorberfunktionsmusters zu optimieren, wurden auch CFD-Studien zum
Wärmetransport für einen wassergekühlten Absorber durchgeführt, wobei Abbildungen 2.16 den
simulierten Ausschnitt darstellt. Ziel war es die Wärmetransportkoeffizienten zu bestimmen. Für die
Simulation wurde ein Wandfunktionswärmeübergangskoeffizient verwendet, welcher den 𝛼-Wert
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 21 von 31
repräsentiert. Die Berechnungen basieren auf dem von Jayatilleke et. al.18 publiziertem Wandgesetz,
welches in FLUENT implementiert ist.
Abbildung 2.16a (links oben): Ausschnitt aus dem Blasenabsorber betrieben
im Gegenstrom; blau: Wassereinlässe, rot: Lösungsauslässe
Abbildung 2.16b (rechts): Darstellung der Stromlinien je nach Temperatur
eingefärbt
Abbildung 2.16c (links unten): Vektorielle Darstellung des Strömungsfeldes;
ein längerer Pfeil bedeutet eine größere Strömungsgeschwindigkeit
Ergebnisse:
• Die Simulationen haben gezeigt, dass diese Geometrie die geforderten Anforderungen an den
Wärmeübergang erfüllt und sogar übertrifft, trotz der im Verhältnis zu herkömmlichen
Plattenwärmetauschern dickeren Wandung.
• Der sehr gute Wärmeübergang rührt von den geringen Abmessungen der Kanäle und war
eines der Projektziele.
Die Ergebnisse wurden für den endgültigen Entwurf des Absorberfunktionsmusters herangezogen.
Wie noch gezeigt werden wird, stimmen die erwarteten Werte gut mit den Versuchen in den realen
anlagen überein. Im der Endausführung hat man sich aus Kostengründen für einen Absorber mit
einer Leistung von etwa 10 kW entschieden, das heißt insgesamt 22 geätzte Platten:10 Platten für
die Lösung, 10 für das Kühlwasser und zwei Deckplatten.
Simulation zur mechanischen Belastbarkeit
3 fache Sicherheit bei 20 bar
Neben den thermodynamischen Simulationen, war es auch notwendig die mechanische Belastbarkeit
vorab zu prüfen bzw. zu simulieren. Die Belastbarkeitsüberprüfungen wurden mit Hilfe von
SolidWorks™, einem 3D-CAD-Programm, durchgeführt. Die Bauteile wurden stets ein Druck von
p = 20 bar beaufschlagt und eine dreifache Sicherheit bei der Streckgrenze gefordert. Als maximaler
Spannungswert der Kühlplatten wurden 5,3 x 107 N/m² erreicht, was unterhalb des erlaubten
18 C. Jayatilleke, The Influence of Prandtl Number and Surface Roughness on the Resistance of the Laminar Sublayer to
Momentum and Heat Transfer. Prog. Heat Mass Transfer, 1:193-321, 1969.
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 22 von 31
Maximalwertes ist. Bei der Absorberplatte wurde ein maximaler Spannungswert von 7,3 x 107 N/m²
errechnet, was leicht über dem sehr konservativ gewählten Sicherheitswert von 7,0 x 107 N/m² ist.
In Anbetracht der Tatsache, dass hier Einzelplatten untersucht wurden und nicht berücksichtigt
wurde, dass sich die Stabilität durch den Verbund mit weiteren Platten erhöht, wurde dieser Wert als
noch akzeptabel eingestuft. Zur weiteren Überprüfung wurde eine Simulation mit zwei aufeinander
liegenden Platten von den gleichen Bereichen durchgeführt, wobei eine Maximalspannung 3,2 x 107
N/m² (erlaubt wären maximal 7 x 107 N/m²) erhalten wurde.
Die strukturelle Integrität wurde in einer Druckprüfung bis 15 bar bestätigt.
Fertigung des Absorbers
Die einzelnen Platten wurden bei der Firma Precisionmicro19 gefertigt und über die Firma SK-Trade20
bezogen. Hierbei war darauf zu achten, dass nicht jedes beliebige Breite-Höhe-Verhältnis der Kanäle
ätzbar ist. Da der Absorber gegenüber Ammoniaklösungen resistent sein sollte, kam bei der
Lottechnik nur Nickellot in Frage. Kupferlot würde stark korrodieren und so den Absorber innerhalb
kurzer Zeit leck werden lassen. Das Verlöten der einzelnen Platten wurde bei der Firma Formtech21
durchgeführt, wofür allerdings auch extra eine Lötvorrichtung gefertigt werden musste. Bei der
Fertigung galt es außerdem darauf zu achten, dass der verwendete Edelstahl gut ätzbar und
zugleich gut lötbar ist. Die verlöteten Platten wurden einer Wasserdruckprobe bei 15 bar
unterzogen, unter der Annahme, dass die Versuchsanlagen, in welchen der Absorber getestet wird,
einen maximalen Betriebsdruck von 10 bar aufweisen. Aus Sicherheitsgründen und zur leichteren
Handhabe wurde der fertige Absorber in einen Rahmen eingespannt.
19 http://www.precisionmicro.com/
20 http://www.sktrade.de 21 http://www.formtech.de
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 23 von 31
2.1.5 Messung des Absorbers in realen Anlagen
Messungen bei Fa. Pink
Um die Leistungsfähigkeit des BubblePlate-Absorbers messen zu können, war die Integration des
Plattenwärmetauschers in den Kälteprozess einer Ammoniak-Wasser-Absorptionskältemaschine
notwendig. Diese Einbindung wurde möglich, indem eine bestehende Kältemaschine, sowie der
Kältemaschinen-Prüfstand der Pink GmbH durch diverse Anschlüsse und Absperrungen angepasst
beziehungsweise um Sensorik- und Regelungskomponenten erweitert wurden (siehe
Abbildung 2.17).
Da sich die Funktionsweise des BubblePlate-Absorbers wesentlich von jener des
Rohrbündelabsorbers unterscheidet, welcher in den Kältemaschinen der Pink GmbH eingesetzt wird,
musste der Prüfstand für die beiden Betriebsarten adaptiert werden. Im RI-Schema des Prüfstandes
sind sämtliche Komponenten, die notwendige Messtechnik, sowie die unterschiedliche Einbindung
des BubblePlate-Absorbers bzw. des Rohrbündelabsorbers an die anderen Komponenten der
Kältemaschine dargestellt (siehe Abbildung 2.18).
Wie bei Absorptionskältemaschinen üblich, wurde die Vermessung des BubblePlate-Absorbers für
verschiedene Betriebspunkte durchgeführt, wobei die Variation sowohl die Heißwassertemperatur
(HT-Temp), die Rückkühltemperatur (MT-Temp) als auch die Kaltwassertemperatur (LT-Temp)
betraf. Für die Messungen wurden folgende Temperaturen festgelegt:
Abb. 2.17: Absorber-Prüfstand
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 24 von 31
Abb. 2.18: RI-Schema Absorber-Prüfstand bei Fa. Pink
Betriebspunkt 1 Betriebspunkt 2 Betriebspunkt 3
• Kaltwassertemperatur (LT-Temp): 8/5°C 13/10°C 18/15°C
• Rückkühltemperatur (MT-Temp): 24/28°C 28/32°C 32/36°C
• Heizwassertemperatur (HT-Temp): 75/68°C 85/78°C 95/88°C
Mit der Intervalldauer von 30 Minuten ergab sich für die 27 unterschiedlichen Messpunkte eine
Messdauer von 13,5 Stunden. In Abbildung 2.19 ist die Leistung des BubblePlate-Absorbers für alle
Betriebspunkte ersichtlich. Die jeweiligen Mittelwerte für einen Betriebspunkt wurden in die
Kennfelder des BubblePlate-Absorbers eingetragen, wobei ein Kennfeld für jeweils eine
Kaltwassertemperatur (LT-Temp) gültig ist.
Abb. 2.19: Kennlinien BubblePlate-Absorber
0
1
2
3
4
5
6
7
8
23 25 27 29 31 33
Leis
tun
g [k
W]
MT-Temp Eintritt [°C]
BubblePlate-AbsorberLT-Temp 8/5 °C
75
85
95
0
2
4
6
8
10
23 25 27 29 31 33
Leis
tun
g [k
W]
MT-Temp Eintritt [°C]
BubblePlate-AbsorberLT-Temp 13/10 °C
75
85
95
0
2
4
6
8
10
12
14
23 25 27 29 31 33
Leis
tun
g [k
W]
MT-Temp Eintritt [°C]
BubblePlate-AbsorberLT-Temp 18/15 °C
75
85
95
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 25 von 31
Zusätzlich zur Messung des BubblePlate-Absorbers wurde als Referenzsystem der herkömmliche
Rohrbündelabsorber vermessen, wobei die Wärmetauscherfläche des Plattenwärmetauschers mit
2,8 m² geringfügig kleiner ist als jene des Rohrbündelwärmetauschers mit 3,0 m².
Die Betriebsbedingungen (Durchflüsse, Systemdrücke,…) wurden gleich gehalten, wobei hier vor
allem der geringe Durchfluss im Rückkühlkreislauf von ~1,0 m³/h zu erwähnen ist, der aufgrund des
hohen hydraulischen Widerstands des BubblePlate-Plattenwärmetauschers am Prüfstand maximal
erreichbar war.
Unterschiedlich war jedoch der Absorberdruck, denn der für die „Einspritzung“ des
Ammoniakdampfes aus dem Verdampfer notwendige Differenzdruck reduzierte den Druck im
BubblePlate-Absorber um ~0,18 bar im Vergleich zum Rohrbündelabsorber, bei dem kein
Differenzdruck erforderlich ist.
Um die Auswirkungen des geringen Durchflusses im Rückkühlkreislauf abschätzen zu können, wurde
zudem noch der „Normalbetrieb“ der Kältemaschine untersucht, beim dem der Durchfluss im
Rückkühlkreislauf des Rohrbündelabsorbers auf ~ 2,6 m³/h gesteigert wurde. In Abbildung 2.20
sind die Ergebnisse der Vergleichsmessungen dargestellt:
Abb. 2.20: Vergleichsmessung von Rohrbündelabsorber (rot) und BubblePlate-Absorber(blau), die Leistung des
BubblePlate-Absorbers ist dabei stets oberhalb der des Rohrbündelabsorbers
Messung: Absorber: Durchfluss-Rückkühlung:
BubblePlate [BP]: BubblePlate-Absorber 1,0 m³/h
Rohrbündel-Absorber: Rohrbündelabsorber 1,0 m³/h
Normalbetrieb: Rohrbündelabsorber 2,6 m³/h
Messungen bei Fa. Heliotherm
Im Zuge des Projektes wurde seitens Heliotherm für die Untersuchungen am neu entwickelten
Absorberkonzept ein bestehender Prüfstand für die Absorptionswärmepumpe adaptiert. Dabei kann
der Absorber in einen Absorptionswärmepumpenkreislauf eingebunden werden. Es handelt sich bei
dem Absorptionswärmepumpenkreislauf um einen Hochtemperaturgenerator inklusive
dazugehörigen Kältemittel- und Lösungsmittelkreislauf. Der Aufbau des Prüfstandes ist in
Abbildung 2.21 dargestellt.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
23 25 27 29 31 33
Leis
tun
g [k
W]
MT-Temp Eintritt [°C]
Rohrbündel & BubblePlateLT-Temp 8/5 °C
75 BP 7585 BP 8595 BP 95
0
2
4
6
8
10
23 25 27 29 31 33
Leis
tun
g [k
W]
MT-Temp Eintritt [°C]
Rohrbündel & BubblePlateLT-Temp 13/10 °C
75 BP 7585 BP 8595 BP 95
0
2
4
6
8
10
12
14
23 25 27 29 31 33
Leis
tun
g [k
W]
MT-Temp Eintritt [°C]
Rohrbündel & BubblePlateLT-Temp 18/15 °C
75 BP 7585 BP 8595 BP 95
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 26 von 31
Abbildung 2.21: Aufbau Absorber-Prüfstand Heliotherm
Aufgrund der Probleme mit der Fertigung des Funktionsmusters, konnten die ursprünglich
angedachten Messungen aus terminlichen Gründen noch nicht durchgeführt werden. Es wurden
daher Messungen mit einem „Standard“-Absorber durchgeführt. Bei den verwendeten Absorbern
handelt es sich um handelsübliche Plattentauscher (Abmessung ca. 335mmx125mm, 32 Platten,
Tauscherfläche je 1,02 m2). Die Messungen dienen dabei als Vergleichsreferenz für die Messungen
mit dem BubblePlate Absorber. Für die Vergleichsmessungen mit dem BubblePlate Absorber wird
derselbe Prüfaufbau verwendet, einzig der Absorber wird ausgetauscht. Es werden dieselben
Betriebspunkte überprüft, wobei mit dem entwickelten Absorber eine größere Übertragungsleistung
erwartet wird.
Wie schon erwähnt war es der Firma Heliotherm aus terminlichen Gründen nicht möglich die
Messungen am BubblePlate-Absorber rechtzeitig fertigzustellen. Diese Messungen werden allerdings
nachgereicht und in einer aktualisierten Version des publizierbaren Endberichts aufgenommen.
Abbildung 2.22: Versuchsaufbau (links und rechts)
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 27 von 31
Schlussfolgerung
Die Messergebnisse zeigten eine erhöhte Leistungsfähigkeit von etwa 5 bis 10 % des BubblePlate-
Absorbers im Vergleich zum herkömmlichen Rohrbündel-Absorber, welcher in den Kältemaschinen
der Pink GmbH verwendet wird. Berücksichtigt man noch die kleinere Wärmeübertragsfläche des
BubblePlate-Absorbers, so ergibt sich eine Wärmeübertragssteigerung 12,5%-18% gegenüber der
bisher verwendeten Rohrbündelvariante bei gleichen Betriebsbedingungen. Es ist jedoch
anzumerken, dass nicht alle Betriebspunkte mit dem BubblePlate-Absorber angefahren werden
konnten, da er kühlwasserseitig einen zu hohen Druckverlust aufweist. Lösungsseitig ist der
Druckverlust im Vergleich zu herkömmlichen Plattenwärmetauschern gering.
+ Leistungssteigerung von bis zu 18% bei gleichen Betriebsbedingungen
+ Geringer lösungsseitiger Druckverlust von nur 0,18
o Hoher kühlwasserseitiger Druckverlust Potential kann nicht ausgeschöpft werden,
Es ist noch unklar, ob es sich beim hohen kühlwasserseitigen Druckverlust um ein
fertigungstechnisches Problem oder ein konstruktives Problem handelt, unter anderem auch
deshalb, weil bei der Konstruktion das Hauptaugenmerk auf der Lösungsseite lag. Dieses Problem
birgt allerdings auch viel Potential zur weiteren Verbesserung des Absorbers, jedoch müssen auch
alle anderen Einflussfaktoren bei der Systemintegration unbedingt berücksichtigt werden.
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 28 von 31
3 Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Im Projekt BubblePlate wurde mit Hilfe von Experimenten und Simulationen ein neuartiges Konzept
eines Plattenblasenabsorbers für Ammoniakanwendungen entwickelt und ein erstmalig
Funktionsmuster eines solchen Plattenblasenabsorbers getestet.
Durch die vielversprechenden Ergebnisse hat sich gezeigt, dass das Konzept eines Blasenabsorbers
mit Mikrokanälen sehr gut funktioniert. Es wurden jedoch auch Schwächen erkannt, welche
allerdings nicht das Konzept an sich betreffen, sondern lediglich die aktuelle Ausführung des
Blasenabsorbers. Dies wird weiter unten näher erläutert.
3.1.1 Ergebnisse zu Einzel, Mehrkanal und Gasverteilung:
• Die Verteilung der Gasphase durch mehrere Öffnungen wirkt sich
sehr positiv auf die Absorption aus.
• Kleinere Kanaldurchmesser begünstigen die Absorption: Die
Ammoniakblasen werden in den Kanälen von der Lösung oft nicht
vollständig absorbiert, sondern nur so lange, so lange sie
zylindrische Form haben. Besitzt die Blase kugelförmige Gestalt so
ist der Absorptionsprozess stark gebremst und kommt in diesem
Bereich des Absorbers fast vollständig zum Erliegen. Dem kann
durch eine Verkleinerung des Kanalquerschnittes entgegengewirkt
werden.
• Zu kleine Kanalquerschnitte erhöhen jedoch den Druckverlust.
3.1.2 CFD-Simulationen
Es hat sich gezeigt, dass sich Blasenströmungen in CFD-Simulation
modellieren lassen. Die Simulationsmethodik kann insbesondere auf
Teilprobleme angewendet werden. Um den gesamten Absorber
mehrphasig zu rechnen (Blasenströmungen, Rückkühlung sowie
Multispezies) wäre jedoch ein enormer Rechenaufwand nötig. Mit Hilfe
der CFD-Simulationen konnten aber dennoch wichtige Teilaspekte, wie
Phasenverteilung, Druckverluste, involvierte transiente Prozesse und deren zugehörige
Strömungsstrukturen analysiert werden.
3.1.3 Ergebnisse zum gesamten Blasenabsorber:
Die Messergebnisse in einer realen Anlage zeigten eine erhöhte Leistungsfähigkeit von 12,5 bis 18 %
gegenüber herkömmlichen Absorbern. Der Druckverlust auf der Lösungsseite ist gering, was
ebenfalls eine Verbesserung zu herkömmlichen Geräten bedeutet. Kühlwasserseitig wurde jedoch ein
großer Druckverlust festgestellt, was dazu führt, dass nicht das gesamte Potential des Absorbers
ausgeschöpft werden kann.
+ Leistungssteigerung von bis zu 18% bei gleichen Betriebsbedingungen
+ Geringer lösungsseitiger Druckverlust von nur 0,18
o Hoher kühlwasserseitiger Druckverlust Potential kann nicht ausgeschöpft werden
Bessere Gasphasen-
verteilung durch
Gaseinlassgeometrie
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 29 von 31
Es ist noch unklar, ob es sich beim hohen kühlwasserseitigen Druckverlust um ein
fertigungstechnisches Problem oder ein konstruktives Problem handelt, unter anderem auch
deshalb, weil bei der Konstruktion das Hauptaugenmerk auf der Lösungsseite lag. Diese Punkte
müssten im Zuge eines Folgeprojektes geklärt werden.
4 Ausblick und Empfehlungen
Im Projekt BubblePlate wurde ein neuartiger voll funktionsfähiger Blasenabsorber entwickelt, gebaut
und getestet. Die Ergebnisse dieser Tests stellten sich als vielversprechend heraus, obwohl dieser
erste Entwurf noch sehr viel Verbesserungspotential aufweist. So steigt die Absorberleistung im
Vergleich zu einem flächengleichen Rohrbündelabsorber um 18%, wobei der Druckverlust mit
0,18 bar gering ausfällt. Die Versuche haben allerdings auch gezeigt, dass die Plattenstruktur auf
der Kühlwasserseite dringend überarbeitet werden muss, da sie zu einem sehr großen Druckverlust
führt. Allerdings hängt dies wiederum von den jeweiligen Betriebsbedingungen ab. Basierend auf
diesen Projektresultaten sollten zukünftige Forschungsarbeiten im Beriech der Blasenabsorption
durchgeführt werden. Dabei sollte besonderes Augenmerk auf die folgenden Punkte gelegt werden:
• Zusammenarbeit mit einem Wärmetauscherhersteller, um Produktionskosten zu optimieren
• Optimierung der Kühlwasserseite des Absorbers
• Genauere experimentelle Untersuchung des Strömungsverlaufes im aktuellen
Funktionsmuster
• Weitere Simulationen zum Strömungsverhalten, insbesondere in Bezug auf die Absorption
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 30 von 31
5 Literaturverzeichnis
[1] Haas et al., Wärme und Kälte aus Erneuerbaren 2030, Dachverband Energie Klima, 2007
[2] Vereinigung Österreichischer Kessellieferanten (VÖK), 2008
[3] TGA Fachplaner E5444, 7. Jahrgang, Februar 2008
[4] Statistik Austria, 2004: Mikrozensus September 2003, Beheizung der Wohnungen 2003
[5] Statistik Austria, 2005: Ergebnisse der Wohnungserhebung im Mikrozensus,
Jahresdurchschnitt 2005
[6] Xu, Int. J. Heat Fluid Fl. 20, 422 (1999)
[7] Xu et al., Int. J. Multiphas. Flow 25, 411 (1999)
[8] Schmid G., Reichl Ch., Benovsky P., Fleckl T., Pauschenwein G., Monsberger M., Optische und
CFD-gestützte Untersuchung von Ammoniak-Blasenströmungen in Ammoniakwasserlösung
zur Entwicklung eines Mikrokanalabsorbers, DKV-Tagung 2011, Aachen, Deutschland
[9] Kang, Y.T., Akisawa, A., Kashiwagi, T., Visualization and model development of Marangoni
convection in NH3-H2O system, International Journal of Refrigeration 22 (1999) 640-649
[10] Smith, S.L., 1969. Void fractions in two-phase flow. A correlation based on equal velocity
head model. Proc. Instn. Mech. Engrs. 184, 647-664
[11] McAdams, W.H., 1954. Heat transmission, 3rd ed. McGraw-Hill, New York
[12] D.J. Nicklin, Two-phase bubble flow, Chemical Engineering Science, Volume 17, Issue 9,
September 1962, Pages 693-702
[13] Ubbink H., Numerical prediction of two fluid systems with sharp interfaces, PhD thesis,
Imperial College of Science, Technology & Medicine, Department of Mechanical Engineering,
Exhibition Road, London SW7 2BX. (1997)
[14] Rusche H., Computational Fluid Dynamics of Dispersed Two-Phase Flows at High Phase
Fractions, PhD thesis, Imperial College of Science, Technology & Medicine, Department of
Mechanical Engineering, Exhibition Road, London SW7 2BX (2002)
[15] Brennen, C.E., Fundamentals of Multiphase Flow, Cambridge University Press. ISBN 13 978-
0-521-84804-6, 2005, http://resolver.caltech.edu/CaltechBOOK:2005.001.
[16] Chang, Y.C., Hou, T.Y., Merriman, B., Osher, S., A level set formulation of eulerian interface
capturing methods for incompressible fluid flow, Journal of Computational Physics 124 (1996)
449-464.
[17] Ghidersa, B.E., Finite Volume-based Volume-of-Fluid Method for the Simulation of Two-phase
Flows in Small Rectangular Channels, PhD thesis, Fakultät für Maschinenbau der Universität
Karlsruhe, 2003
[18] C. Jayatilleke, The Influence of Prandtl Number and Surface Roughness on the Resistance of
the Laminar Sublayer to Momentum and Heat Transfer. Prog. Heat Mass Transfer, 1:193-321,
1969.
Neue Energien 2020 - 2. Ausschreibung K l ima - und Energ ie fonds des Bundes – Abw ick lung du rch d ie Öste r re i ch i s che For schungsförderungsgese l l s chaf t
FFG
Seite 31 von 31
6 Anhang
Publikationen:
• Schmid G., Reichl Ch., Benovsky P., Fleckl T., Pauschenwein G., Monsberger M., Optische
und CFD-gestützte Untersuchung von Ammoniak-Blasenströmungen in
Ammoniakwasserlösung zur Entwicklung eines Mikrokanalabsorbers, DKV-Tagung 2011,
Aachen, Deutschland
• Schmid G., Reichl Ch., Fleckl T., Neuartiges Konzept für einen Hochleistungs-Mikrokanal-
Absorber für Absorptionswärmepumpen, Sciencebrunch Nachschlagewerk 2011
• Reichl Ch., Schmid G., Monsberger M., Investigations of bubble flow regimes in small scale
channel geometries, 14th ERCOFTAC Alpe Danube Adria PC Meeting, Johannes Kepler
Universität Linz, Austria, November 14th 2011
• Schmid G., Reichl Ch., Neuartiges Konzept für einen Hochleistungs-Mikrokanal-Absorber für
Hochdruck-Absorptionswärmepumpen, FFG Sciencebrunch 2011
top related