Forschung & Entwicklung
Langjahrige Arbeit beim Einsatz der Adsorptionskältetechnik haben gezeigt, daß das Einsatzpotential in Hinsicht der Ausnutzung von Ab- bzw. Niedertemperaturquellen sehr groß ist.
Eine breite Markteinführung scheiterte bisher an den zu hohen Investitionskosten und der eingeschränkten Produktpalette.
Insbesondere im Bereich der Gebäudetechnik eröffnete sich in den lezten Jahren durch den Einsatz von Sonnenkollektoranlagen und Klein-BHKW die Möglichkeit der kostengünstigen Heißwassernutzung. Bisher scheiterte die Nutzung dieser Potentiale zur Raumklimatisierung, da keine Adsorptionskältemaschine im ab 10kW zur Verfügung stand.
 
Der Einsatz moderner Werkstoff- und Fertigungstechnologien sowie leistungsfähigerer Maschinensteuerungen ermöglicht heute einen wesentliche Verbesserung der Maschinentechnik. Mit dem Entwicklungsprogramm, daß vom BMBF gefördert wird, verfolgt die Firma GBU mbH das Ziel, eine wesentlich verbesserte Maschinenreihe auf den Markt zu bringen.
 
 
Forschungsziel
 
Entwicklung einer Baureihe einer Adsorptionskältemaschine zur Nutzung von Niedertemperaturabwärme im Bereich von 50 - 100°C für die Produktion von Kaltwasser ab 2°C für Klimatisierung und Kühlung.
Die Kältemaschine soll modular aufgebaut und in einem Leistungsbereich von 10kW bis zu 1MW Kälteleistung verfügbar sein. Außerdem wird die Kältemaschine entsprechend den Einsatzbedingungen dimensionierbar sein.
Bearbeitungsschwerpunkte:
 
Entwicklung eines veränderten Grundaufbaus (Modulform)
 
Für die neue Kältemaschine wurden die Prozeßträger (das Verdampfersystem und der Adsorptionswärmetauscher) in eine Gehäusekammer integriert.
Der Verdampferwärmetauscher wurde als ein kombiniertes Verdampfer-/Kondensatorsystem konzipiert. Mit diesem Grundaufbau verbinden sich folgende technische Möglichkeiten, die für den thermischen Wechselbetrieb von Vorteil sind:
  • Singlemodule: Die Ausführung der Kältemaschine in nur einem Einzelmodul ermöglicht einfachste und kostengünstige Aggregate bei zyklischem Betrieb
  • Keine Strömungsverluste des Kältemisttels zwischen Verdampfer und Adsorber bei kürzesten Wegen und minimalen Totvolumina: Dadurch können Fehlkondensationen vermieden werden
  • außerdem wurde ein neuartiges Speichersystem für das Kältemittel konzipiert, damit entfallen periphere Umwälz- und Verteilsysteme sowie deren Verlustparameter
  • Die Adsorptionswärmetauscher werden in speziell berippte Wärmetauscherplatten ausgeführt, was eine verbesserte Wärmeübertragung im Silicagelbett ermöglicht. Im Verbund mit den ähnlich ausgeführten Verdampfer-/Kondensatorplatten erlauben sie eine optimale Kompaktierung des Kältemaschinenmoduls. Die Modulgröße reduziert sich dadurch um ca. 60%.
    Die unter Vakuum stehende Prozeßkammer weist eine minimale Kondensationsoberfläche auf, und hat keine beweglichen Teile mehr. Das Einzelmodul besteht somit nur aus dem Vakuumgehäuse mit den Wärmetauschern und der externen Verschaltung der hydraulischen Kreise.
    Aus den Kältemaschinenmodulen können je nach Einsatzbedingungen speziell konfektionierte Maschinensysteme zusammengesetzt werden: Sinlemodulbetrieb, Doppelmodulbetrieb, Vielfachmodulbetrieb.
    Beim Vielfachmodulbetrieb werden entsprechend der erforderlichen Kälteleistung eine bestimmte Anzahl von Standardmodulen (z.B. 20kW) parallel verschaltet. Dabei befindet sich die eine Hälfte der Module in Verdampfungs- / Adsorptionsbetrieb und die andere in Desorptions- / Rekondensationsbetrieb. Unter bestimmten Einsatzbedingungen (thermische Vorgaben der Arbeitskreise) wie z.B. hohe Kühlwassertemperaturen verändern sich die spezifischen Zyklenzeiten. Hier ist es sinnvoll die Anzahl der Module ungleichmäßig zu verteilen. Es befinden sich dann z.B. mehr Module in der Adsorptions- als in der Desorptionsphase.
    Der Grundaufbau des Maschinenprototyps ist in folgendem Schema dargestellt:
     
    Entwicklung eines optimierten Platten-Wärmetauscher zur Festbettwärmeübertragung mit Silicagel
     
    Die Leistungsfähigkeit des Systems zur Festbettwärmeübertragung im Silicagel ist entscheidend für die Gesamtleistung und den Wirkungsgrad der Kältemaschine.
    Die Prozesse der Adsorption und Desorption des Kältemittels sind gekennzeichnet durch folgende Parameter:
  • gute Anströmbarkeit des Kältemitteldampfes zur gesamten Schüttung (begrenzte Schütthöhen)
  • hoher Wärmeübertragungsgradient vom thermischen Kreis des Heiß- oder Kühlwassers zum Silicagelfestbett
  • minimale spezifische Eigenwärme des Wärmeübertragers
  • Der sehr geringe Wärmeübertragungsfaktor vom Metall (Aluminium) zum Silicagel ist der limitierender Parameter bei der Temperierung des Silicagels und nur durch entsprechend hohe Wärmeübertragungsfläche zu kompensieren.
    Beim bisherigen System wurden hochberippte, mit Silicagel gefüllte Rohre eingesetzt. Die Rippen haben eine Wandstärke von 0,5mm. Berechnungen haben gezeigt, daß bei den vorherrschenden thermodynamischen Parametern eine Rippendicke von ca. 0,1 mm für die Wärmeleitung (bei einer Schüttungshöhe des Festbettes von 12-15mm ausreichend ist, so daß eine Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche durch Verfeinerung der Rippenstruktur bei gleichbleibender Eigenwärme möglich ist.
    Das entwickelte Wärmetauscherkonzept hat folgenden Aufbau:

     neuer Wärmetauscheraufbau

     übliches Rippenrohrsystem

     

     

    Dieses System weist im Vergleich zum Rippenrohr folgende Kennwerte auf:
     
     Systemvergleich der verschiedenen Wärmeübertragungssysteme mit Silcagelfestbett
     
     neuer WT
    Rippenrohr
     
    spezifische WÜ-Leistung
      179 (213%)
    84
    W / K kg Silicagel
    spezifische Eigenwärme
      2,02 (40%)
    5,04
    kJ / K kg Silicagel
    spezifische WÜ-Fläche
      3,49 (251%)
    1,39
    m² / kg Silicagel
    WT-Masse ohne Silicagel
      60,8 (23%)
    262
    kg
     
    Die zum Teil erhebliche Verbesserung der Leistungsparameter des neuen Wärmetauscherkonzeptes ist nicht nur auf die höherer Wärmeübertragungsfläche am Silicagel sondern auch auf die gesteigerte Wärmeübertragungsleistung auf der hydraulischen Seite zurückzuführen. Außerdem kann mit minimalen Wandstärken (Reduzierung der Eigenwärme) operiert werden, da bei dem "Sandwich"-Verbund die Profilierung der Einzelelemente die erforderlichen Festigkeiten erbringen.
     
     
    Entwicklung eines kombinierten Verdampfer-/Kondensator-Wärmetauschers in Plattenausführung
     
    Die Bauform der Wärmetauscherplatten des Verdampfer/Kondensators entspricht im wesentlichen der des Adsorber-Wärmetauschers (Rationalisierung bei der Produktion).
    Das Verdampfer-/Kondensatorsystem muß bei dem gewählten Grundaufbau folgende Eigenschaften aufweisen:
  • gewünschte Verdampfungs- und Kondensationsleistung im gesamten thermischen Einsatzspektrum.
  • minimale spezifische Eigenwärme durch geringe Wandstärken der Wärmetauscherbaugruppen (Reduzierung der Energieverluste im Wechselbetrieb) bei großer Wärmeübertragungsfläche.
  • durchgängige Strömungskanäle ohne Turbulenzräume zum Austausch der Flüssigkeitssäulen bei der Umschaltung (Vermeidung der Vermischung der Flüssigkeitssäulen)
  • Festigkeit gegenüber dem hydraulischen Druck
  •  
    Konstruktive Optimierung
  • Minimierung aller trägen Massen
  • Minimierung der internen Wärmeverluste
  • Das Gehäuse mit integrierter Isolation gegen Fehlkondensationen erfordert neben der entsprechenden Werkstoffauswahl eine konsequente Leichtbauausführung. Das heißt das Gehäuse besteht im aus einem Sandwich-Verbund, der aus metallischen Deckblechen (Al oder St) mit einem Stützkern aus Wabenplatten oder Hart-schaum aus Kunststoff. Dieses Bauprinzip schafft auch die gewünschte Isolationswirkung, so daß auf eine äuße-re Isolation, die zusätzlich aufgebracht werden muß, verzichtet werden kann. Die Isolation ist insbesondere für die Vermeidung von Fehlkondensationen von Bedeutung.
     
    Entwicklung eines auf den zyklischen Betriebsprozeß optimierten Umschaltsystems
     
    Hierbei erwies sich ein auf den Umschaltprozeß der Adsorptionskältemaschine spezialisiertes rotatorisches Stellglied als optimale Variante.

    Entwicklung einer veränderten Prozeßgestaltung und einer neuen Steuerung
     
    Die Adsorptionskältemaschine ist ein Passivsystem. Die Leistungsparameter hängen somit proportional von den thermischen Randbedingungen der hydraulischen Arbeitskreise und der Leistungsfähigkeit des Steuerungssystems ab. Die Adsorptionskältemaschine hat entsprechend ihrer Bauform und der jeweiligen Einsatzbedingungen ein spezifisches Optimum der beiden maßgebenden aber gegenläufigen Parameter - Leistungsdichte und Kältezahl (C.O.P.). Dieser Arbeitspunkt kann über die Zyklenzeit der Betriebsphasen eingestellt werden.
    Für schwankende Betriebsbedingungen (z.B. Absenkung der Heißwassertemperaturen, Teillastbetrieb...) muß die Prozeßsteuerung diesen Kennwert permanent angleichen, was nur mit entsprechender Steuerungstechnik möglich ist. Das System wird die Betriebsparameter erfassen, mit einer programmierten maschinenspezifischen Kennwert-Matrix vergleichen und den optimalen Betriebspunkt (Zyklendauer für Adsorption und Desorption) permanent anpassen. Damit kann die Maschine immer mit maximal möglichem Wirkungsgrad betrieben werden.
    Außerdem ist vorgesehen die peripheren Systeme (Pumpen in den Kreisen, Rückkühlsystem, Heißwasserregelung...) mit in die Maschinensteuerung einzubeziehen, so daß hier ebenfalls eine Verbrauchsoptimierung durchgeführt und der Gesamtenergieverbrauch reduziert werden kann. Damit werden beispielsweise großen Schaltverzögerungen bei langen Rohrleitungslängen zwischen den Systembaugruppen vermieden, so daß unter anderem die Schalthysterese reduzierbar ist und das System bei einem stabilisierten Arbeitspunkt betrieben werden kann.
    Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Prozeßgestaltung ist die interne Rückgewinnung der Sorptionsenthalpie, die zu einer erheblichen Verbesserung der Kältezahl (C.O.P.) der Maschine führt.
     
    Der Funktionsnachweis dieser neuen Konzeption wird in zwei Prototypen der Adsorptionskältemaschine (20kW-Doppelmodul, 360kW-Doppelmodul) geführt werden.
     
    Kennwerte des neuen Systems
     
    Leistungsparamater des neuen Systems
  • höhere Leistungsdichte der Adsorptions-Wärmetauscher
  • höhere Kältezahl (C.O.P.: ca.0,8)
  • reduzierter Gesamtenergieverbrauch
  • Konstruktive Parameter
  • kompakte Module mit Wärmetauschern in Plattenbauweise (Beispiel: 10kW-Modul-L/B/H:2000x500x600)
  • reduzierte Eigenmasse (spezifisches Leistungsgewicht: < 20 kg/kW)
  • Betriebstechnische Parameter
  • verbesserte Teillastcharakteristik
  • Stabilisierung der Zyklenschwankungen
  • Preis
  • reduzierte Investitionskosten (ca. 500DM / kW Kälteleistung)
  • Zwischenergebnisse/Bearbeitungsstand (Mai2000)
  • erster Prototyp zum veränderten Grundaufbau (Modul in Einkammerbauweise mit einem Ver-dampfer/Kondensator-Plattenwärmetauscher und einem Adsorptionswärmetauscher in Rohrbündelbauweise) fertiggestellt und getestet
  • abgeschlossene Neukonstuktion und Herstellung des Adsorptionswärmetauschers in Plattenausführung für den Einbau in den zweiten Prototypen.