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Umwelttechnik in Baden-Württemberg
Abschlussbericht zum Förderprogramm
"Betriebliche Umwelttechnik"
des Ministeriums für Umwelt, Naturschutz und Verkehr BadenWürttemberg
Drucklufttrocknung und Kälteerzeugung
durch Abwärmenutzung von Kompressoren
Walter Kunst, Thomas Weimer
Firma Gebr. Kunst Drucklufttechnik
Förderkennzeichen:
Laufzeit:
BUT 053
13.05.2008 - 15.07.2009
Das Projekt wurde mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg im Rahmen
des Programms "Betriebliche Umwelttechnik" gefördert.
Juli 2010
Inhaltsverzeichnis
1.
Motivation ............................................................................................................................................ 3
2.
Kurzzusammenfassung ......................................................................................................................... 3
3.
Theoretische Grundlagen der Resorptionsanlage ................................................................................ 4
4.
Mögliche Stoffsysteme für die Resorptionsanlage ............................................................................... 5
5.
Vorversuche Resorptionsanlage ........................................................................................................... 6
5.1 Wärmeübertrager............................................................................................................................... 6
5.2 Gaseinmischung Absorber .................................................................................................................. 6
5.3 Halbresorptionskreislauf .................................................................................................................... 7
5.4 Stoffsysteme im Halbresorptionskreislauf ........................................................................................ 8
6.
Aufbau Resorptionsanlage ................................................................................................................... 9
7.
Anlagenverschaltung .......................................................................................................................... 10
8.
Druckluftseitiger Versuchsaufbau ...................................................................................................... 11
9.
Versuchsbetrieb.................................................................................................................................. 13
10.
Fazit und Ausblick ........................................................................................................................... 14
Literatur .................................................................................................................................................. 14
Anhang 1 Versuchsergebnisse ................................................................................................................ 15
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1. Motivation
Laut VDMA, werden durchschnittlich in Deutschland 1,5 GW an Strom für die Drucklufterzeugung
benötigt. Umgerechnet auf die Drucklufttrocknung, die ca. 4 % der installierten elektrischen Leistung
ausmacht, sprechen wir von einem durchschnittlichen elektrischen Bedarf von mindestens 50 MW.
Durch Abwärmenutzung der Kompressionswärme kann der elektrische Bedarf der Drucklufttrocknung
komplett substituiert werden. Pro Jahr entspricht dies einem Einsparpotential in Deutschland von 425
GWh (der durchschnittliche Bedarf mit den Jahresstunden multipliziert). Mit einer durchschnittlichen
CO2 Emission aus der Stromerzeugung von 618 t/GWh folgt ein Emissionsreduktionspotenzial von
263.500 t CO2 jährlich.
2. Kurzzusammenfassung
Es wurde eine kleine Demonstrationsanlage zur Drucklufttrocknung mit Kompressorabwärme aus
Plattenapparaten aufgebaut, vermessen und in Kombination mit einem Druckluftkompressor getestet.
Zunächst wurde hierzu ein Plattenabsorber und ein Plattendesorber zu einem Halbkreislauf (Absorber,
Desorber, Lösemittelwärmetauscher) verschaltet, mit Heißwasser betrieben und vermessen.
Verschiedene Stoffsysteme wurden in dem Halbkreislauf getestet und eine Grundauslegung für das
System Ammoniak – Wasser durchgeführt. Dann wurde aus den vermessenen Komponenten ein
kompletter Resorptionskreislauf für den Einsatz als Trockner bei der Druckluftentfeuchtung aufgebaut
und getestet. Abschließend wurden weitere Verbesserungen an der Kälteanlage durchgeführt, um
einen sicheren Betrieb und eine schnelle Erreichung der Betriebstemperatur zu ermöglichen.
Während der Durchführung dieses Projekts ergaben sich einige Probleme bei der Umsetzung des völlig
neuartigen Resorptionskreislaufs in eine funktionsfähige Demonstrationsanlage. Diese mussten
entsprechend analysiert und gelöst werden.
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Neuartige Gaseinmischung in die Absorber
Saubere Trennung von Gas und Flüssigkeit nach dem Desorber
Minimierung von Druckverlusten
Materialbeständigkeiten von Hilfsaggregaten
Konzepte zur Befüllung und Entleerung der Anlage
Regelung im stationären Betrieb
Wenn es daher auch nicht möglich war, in der vorgegebenen Zeit eine in diesem Sinne voll und
uneingeschränkt funktionsfähige Anlage zu entwickeln, so konnten wir zeigen, dass das
Resorptionsprinzip prinzipiell einsetzbar ist, funktioniert und zudem viele Vorteile gegenüber einer
Absorptions- bzw. Kompressionskältemaschine besitzt. Die noch verbleibenden Entwicklungsarbeiten
werden von den Projektpartnern über das Projektende hinaus fortgesetzt. Nach dem erfolgreichen
Feldtest soll schnellstmöglich die Markteinführung erfolgen.
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3. Theoretische Grundlagen der Resorptionsanlage
Um die hohen Drücke in klassischen Ammoniak-Absorptionsanlagen und deren hohe Investitionskosten
zu umgehen, wird in diesem Projekt die klassische Absorptionsanlage zur Resorptionsanlage modifiziert.
Es entstehen zwei Lösungsmittelkreisläufe, die über einen Ammoniakgasstrom gekoppelt sind. Eine
Resorptionsanlage besteht somit aus zwei Halbkreisläufen, zwischen denen kontinuierlich Ammoniak
ausgetauscht wird.
Abbildung 1:
Schematische Darstellung einer Resorptionskältemaschine
(DE = Desorber, ABS = Absorber, LWT = Lösemittelwärmetauscher)
Anstelle des Verdampfers der herkömmlichen Absorptionsanlage (oder einer Kompressions-Kälteanlage)
wird ein zweiter Desorber eingesetzt und der Kondensator der konventionellen Anlage wird durch
einen zusätzlichen Absorber ersetzt. Das Bereitstellen von Kälte findet nun nicht mehr durch
Verdampfen eines reinen Kältemittels statt, sondern durch Austreiben des Kältemittels aus einer Lösung
bei einem bestimmten Druck. Dieser kalte Desorber sowie der zusätzliche Absorber bilden zusammen
einen ersten Halbkreislauf, in dem das Lösungsmittel im Kreis gefahren wird und dabei seine
Konzentration ändert. Dieser Halbkreislauf ist über die Gasströme mit einem zweiten Halbkreislauf
verbunden.
Der zweite Halbkreislauf ist analog des thermischen Verdichters der konventionellen Absorptionsmaschine und auch vollkommen analog zu dem ersten Halbkreislauf. Hier wird im heißen Desorber
(Ab-)Wärme zum Austreiben des Kältemittels Ammoniak aus der Lösung verwendet. In den Absorbern
wird das in den Desorbern ausgetriebene Ammoniak wieder absorbiert, was zu einer Wärmeentwicklung führt, die über den Kühlwasserkreislauf abgeführt wird. Die Absorption muss stets auf einem
Temperaturniveau stattfinden, die eine Wärmeabfuhr der Lösungswärme an das Kühlwasser zulässt.
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Um Kälte bei der Desorption in Kreislauf 1 bereitzustellen muss die Wärmezufuhr bei wesentlich
niedrigeren Temperaturen als bei Kreislauf 2 stattfinden. Erreicht wird dies durch unterschiedliche
Druckniveaus der Apparate sowie verschiedene Lösungsmittelkonzentrationen in den beiden
Halbkreisläufen. Im heißen Desorber herrscht ein hoher Druck und eine geringe Ammoniakkonzentration, zum Desorbieren von Ammoniak sind somit auch hohe Temperaturen erforderlich, die
als Aufwand aufgebracht werden müssen. Im kalten Desorber ist der Druck niedrig und die
Ammoniakkonzentration hoch. Die Desorption findet daher schon bei niedrigen Temperaturen statt,
wodurch der zugehörige Heizkreislauf auf einem niedrigen Temperaturniveau gehalten werden kann,
nämlich unterhalb der Umgebungstemperatur. Wichtiges Merkmal bei der Verschaltung der beiden
Halbkreisläufe ist die Koppelung der Gasströme über Kreuz: Der im heißen Desorber ausgetriebene
Gasstrom wird vom Absorber des anderen Kreislaufs absorbiert – und umgekehrt. Ebenfalls wichtig sind
sehr effektive Lösungsmittelwärmeübertrager zwischen Absorber und Desorber in jedem Kreislauf. Wird
hier die treibende Temperaturdifferenz zu groß, sinkt der COP stark ab.
Ein Betrieb der Anlage mit niedrigen Maximaldrücken ist sicherheitstechnisch günstig, hat allerdings den
Nachteil, dass im heißen Desorber mehr Lösungsmittel (Wasser) mit dem Gasstrom (Ammoniak) in den
anderen Halbkreis übertragen wird. Dieser Massenstrom an Lösungsmittel muss aus dem kalten in den
heißen Kreislauf wieder rückgeführt werden, was zu einer Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades
führt.
4. Mögliche Stoffsysteme für die Resorptionsanlage
Für den Einsatz in einer Resorptionsanlage wurden folgende Stoffsysteme in Betracht gezogen:
1.
2.
3.
4.
Kaliumcarbonat/CO2/Wasser
Methanol/ Wasser
Triethylenglycol/Wasser
Ammoniak/Wasser
Ein wichtiges Kriterium bei der Vorauswahl der Systeme war ein ungiftiges und nicht brennbares
Stoffsystem zu finden. Dieses Kriterium wird von einer mit Kohlendioxid angereicherte Lösung von
Kaliumcarbonat und Wasser erfüllt. Auch das System mit einem herkömmlichen Kältemittel
(Triethylenglycol) und Wasser erfüllt dieses Kriterium. Überschlägige Berechnungen zeigen jedoch, dass
bei diesem System in den Lösungsmittelwärmeübertragern der Anlage sehr hohe Wärmemengen
ausgetauscht werden müssen. Um z. B. eine Kälteleistung von etwa 5 kW zu erzielen, sind Lösungsmittelwärmeübertrager in der 100 kW Klasse notwendig. Damit ist eine experimentelle Untersuchung
dieses Systems im resorptionskreislauf nicht sinnvoll.
Das System Methanol/Wasser ist in geringem Maße giftig, zeichnet sich dafür durch das Vorhandensein
sehr detaillierter Stoffdaten aus Rektifikationsversuchen aus. Das einzige in Betracht gezogene giftige
Stoffsystem war das System Ammoniak/Wasser. Allerdings wird es auch als einziges der in Betracht
gezogenen Stoffsysteme bisher in Absorptionskälteanlagen eingesetzt.
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5. Vorversuche Resorptionsanlage
5.1 Wärmeübertrager
Für die spätere Serienfertigung einer Resorptionskältemaschine hat sich die Firma Makatec zum Ziel
gesetzt, eigens dafür konstruierte, kostengünstige und chemisch äußerst beständige Wärmeübertrager
einzubauen. Eins solcher Wärmeübertrager ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung 3:
Gewickelter Wärmeübertrager
Prinzipiell handelt es sich um eine Wicklung von Polymerfolien, zwischen die ein Gitter als
Abstandshalter eingebracht wurde. Diese verhindern das Zusammenkommen der Folien und sorgen für
ein turbulentes Durchströmen der Wicklung bei geringem Druckverlust.
Dieser Sandwichaufbau ermöglicht eine kompakte Bauweise sowie eine glatte Innenseite der
Strömungskanäle, was die Apparate wenig anfällig für Verschmutzung macht und die Lebensdauer
aufgrund niedriger Foulingerscheinungen erhöht.
Bislang können diese gewickelten Wärmeübertrager jedoch nur für Flüssig/Flüssig-Anwendungen
eingesetzt werden. Vor einem Einsatz als Lösemittelwärmeübertrager in solch einer kritischen
Anwendung wie einer ammoniakgefüllten Kälteanlage müssen diese Wärmeübertrager ihre
Zuverlässigkeit und Dichtigkeit erst in Langzeiteinsätzen mit weniger kritischen Medien, wie
beispielsweise der Rückkühlung von Klimaanlagen mit korrosivem Meerwasser, unter Beweis stellen.
5.2 Gaseinmischung Absorber
Vor dem Einbau in der Versuchsanlage wurde eine neue Methode der Gaszuführung in den Absorber
getestet. Hierbei wird der Gasstrom mittels Membranröhrchen als feiner Blasenstrom in einen Plattenwärmeübertrager aus Edelstahl eingebracht. Der Plattenwärmeübertrager ist gegenwärtig dem
gewickelten Kunststoffwärmeübertrager vorzuzuziehen, da er problemlos bei der Gaseinströmung
verwendet werden kann.
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Abbildung 4:
Membranmodul zur Gaseindüsung Absorber
Aufgrund der großen Gasmenge, die in den Flüssigkeitsstrom eingebracht werden muss, kommt es zu
einer deutlichen Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Plattenapparate, so dass für
den Abtransport der freiwerdenden Wärmemenge über die Platten nur sehr wenig Zeit bleibt. Die
Absorber müssen somit hoch genug sein, damit genügend Zeit für den Wärmeübergang bleibt und diese
effektiv arbeiten können. Die Leistungsfähigkeit des oben dargestellten Eindüsungsverfahrens wurde
auf dem Prüfstand mit dem System Wasser/Luft ermittelt und hat sich bewährt.
Für den Einbau wurden die gleichen wie die von Frank Schaal im Rahmen seiner Dissertation über
Membranabsorber verwendeten Membranen verwendet, [1] Es handelt sich um das Produkt accurel
300/1200 der Fa. Membrana, Polypropylenmembranröhrchen mit Porendurchmessern von 0,2 µm.
Allerdings haben sich diese in Abbildung 4 dargestellten Membranen als problematisch für den Einsatz
in der ammoiakbasierten Resorptionsanlage erwiesen (s.u. Kapitel 9).
5.3 Halbresorptionskreislauf
Vor dem Aufbau der Demonstrationsanlage wurde die Funktion sowie das Zusammenspiel der einzelnen
Komponenten und Apparate an einer halben Anlage, bestehend aus einem Desorber, einem Absorber
und einem Lösemittelwärmetauscher, gezeigt. Hierbei wird das Gas vom Desorber in den Absorber des
gleichen Kreislaufs zurückgeführt. Ziel dieses Halbresorptionskreislaufs ist es, die Funktion von
Gaseindüsung im Absorber sowie die Funktion von Desorber mit anschließendem Abscheider (Entgaser)
zu bestätigen bzw. diese zu optimieren.
Folgende Grafik stellt den schematischen Aufbau der halben Anlage dar.
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Abbildung 5:
Halbresorption mit Membraneindüsung
5.4 Stoffsysteme im Halbresorptionskreislauf
Für den Einsatz in einer Resorptionsanlage wurden folgende Stoffsysteme untersucht:
1. Kaliumcarbonat/CO2/Wasser
2. Methanol/ Wasser
3. Ammoniak/Wasser
Die Versuchsergebnisse sind detailliert in der Studienarbeit von Herrn Giegerich dargestellt, [2].
Zuerst wurden die Halbresorption mit einem einfachen und ungiftigen Stoffsystem getestet. Hierbei
wurde eine mit Kohlendioxid angereicherte Lösung von Kaliumcarbonat und Wasser verwendet. Ziel war
hierbei, die Strömungsverhältnisse des Gases innerhalb der Plattenapparate zu beobachten. Da es sich
bei diesem System jedoch um ein chemisches System handelt, ist die Kinetik v.a. bei niedrigen
Temperaturen sehr langsam, so dass bei Raumtemperatur keine nennenswerten Ergebnisse erzielt
wurden.
Das System Methanol/Wasser wurde in der Halbresorption getestet und konnte erstmals beobachtbare
Gasströme liefern. Für erste Tests des Anlagenaufbaus der Halbresorption war dieses Stoffsystem gut
geeignet, allerdings waren die Gasmengen aufgrund der langsamen Kinetik für einen Einsatz in der
späteren Testanlage viel zu gering.
Das einzige Stoffsystem, welches nachweislich gute Leistungen bei vertretbaren Volumenströmen und
Dimensionen der einzelnen Komponenten bringt, war das System Ammoniak/Wasser. Es musste somit
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für die Testanlage eingesetzt werden, auch wenn es aufgrund seiner Korrosivität und Toxizität Probleme
mit sich brachte. So mussten besondere Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, wie beispielsweise
eine Absauganlage in der Werkstatt, ein Ammoniakgaswarngerät und Schutzkleidung. Auch auf die
Auswahl der Werkstoffe musste nun besonderen Wert gelegt werden. Im Anhang 1 werden die
Versuchsergebnisse der Halbresorption mit Ammoniak/Wasser dargestellt.
6. Aufbau Resorptionsanlage
Die Versuchsanlage wurde auf den Betrieb mit 40%iger Ammoniaklösung bei einer maximalen
Betriebstemperatur von 100°C und einem Druck von 3,5 bar ausgelegt. Da unter diesen Bedingungen
Ammoniak eine sehr aggressive Lauge ist, musste besonderer Wert auf die Auswahl der Werkstoffe und
Komponenten gelegt werden.
Als Absorber, Desorber und Lösungsmittelwärmetauscher wurden identische, nickelverschweißte
Plattenwärmeübertrager aus V4A Edelstahl verwendet. Diese wurden vom Lieferanten (GEA WTT) nach
den Vorgaben ausgelegt. Es wurde der Plattenwärmetauscher mit der größten Fläche (0,72m²) von allen
Auslegungsrechnungen eingesetzt. Der Entgasungsbehälter wurde ebenfalls aus V4A angefertigt und zur
Überwachung des Füllstands wurde ein Rohr aus Polysulfonkunststoff (PSU) mit einem Epoxidharz
eingeharzt. All diese Apparate sollen in den zukünftigen Produkten mit Kälteleistungen kleiner 10 kW
durch polymerbasierte Alternativen ersetzt werden (Spiralwärmeübertrager, Membrankontaktoren)
Alle Verschraubungen und Kugelventile wurden ebenfalls aus einem laugenresistenten Edelstahl
gefertigt. Zur Verbindung der einzelnen Plattenapparate kamen Edelstahlwellschläuche zum Einsatz.
Diese haben neben einer hohen chemischen Beständigkeit und mechanischen Festigkeit auch eine sehr
geringe Gasdurchlässigkeit. Für das Umwälzen der Ammoniaklösung kommen zwei Zahnradpumpen zum
Einsatz. Diese besitzen Zahnräder aus PTFE, ein Gehäuse aus V4A und Dichtungen aus EPDM. Die
Pumpen können eine Druckerhöhung von 2,4 bar bei einem Volumenstrom von 6,5 l/min bewältigen.
Die Gaseindüsung wurde durch einen in den Plattenwärmeübertrager eingeschraubten
Membranapparat realisiert. Dieser besteht aus 20 Membranen von je 15 cm Länge und 1 mm
Durchmesser, die in einen 1 Zoll - Doppelnippel eingeharzt wurden und durch ein 1 Zoll - T-Stück direkt
in den Membranapparat eingeführt wurden. Das T-Stück ermöglicht den Anschluss der Gasleitung
membranseitig sowie der Flüssigkeit mantelseitig. Um ein Vollaufen der Gasleitung zu verhindern,
wurde unmittelbar zwischen T-Stück und Gasleitung ein Rückschlagventil eingebaut.
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Abbildung 6:
Versuchsanlage Resorption
Die gasseitige Verbindung der Halbkreisläufe wurde durch einen Ventilblock mit vier Kugelhähnen an
der höchsten Stelle der Anlage realisiert. Das ermöglicht den Kurzschluss der beiden Flüssigkeitskreisläufe und erlaubt den Transport von Ammoniak von einem zum anderen Kreislauf, um so die
Konzentrationen in den Kreisläufen zu beeinflussen.
7. Anlagenverschaltung
In dem Versuchsaufbau steht heißes Öl eines 55 kW Schraubenkompressors von Atlas Copco zur
Beheizung der Anlage als Abwärme zur Verfügung. Dieses soll zur Speisung der Resorptionsanlage
dienen, welche Kühlsole mit 5°C Vorlauf erzeugt. Aus technischen Gründen darf das Öl eine Temperatur
von 95°C nicht überschreiten und nicht kälter als mit 75°C zurückgeführt werden.
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Abbildung 2:
Verschaltung Resorptionsanlage und Druckluftkompressor
In den Wärmeübertragern soll der Temperaturunterschied zwischen den ein- und austretenden Strömen
(Schlupf) 5 K betragen, in den Lösungsmittelwärmetauschern höchstens 3 K. Kühlwasser steht mit 25°C
zur Verfügung. Ein Druck von 0,7 bar(abs.) soll in der Anlage nicht unterschritten werden.
8. Druckluftseitiger Versuchsaufbau
Abbildung 9: Einbindung in Ölkreislauf
Durch die Einbindung in den Ölkreislauf des Kompressors konnte das Kompressoröl (ca. 90 - 100°C
Maximaltemperatur) als Antriebswärme für den Kälteabsorber genutzt werden.
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Die Nutzung des Öles für den Absorber hat keinen negativen Einfluss auf den regulären Betrieb des
Kompressors. Die Öltemperatur liegt dann zwischen 90 und 100°C nach dem Kompressor und 70 - 80 °C
im Rücklauf der Resorptionsanlage.
Durch den Einsatz der Absorptionsanlage im Nachkühler konnte die verdichtete Luft auf entsprechende
Temperaturen herunter gekühlt und das Kondensat über einen integrierten Wasserabscheider
ausgeschieden werden. Der eingesetzte Plattenapparat hat eine Wärmeübertragungsfläche von ca. 3,6
m2. Das Filterelement zur Wasserabscheidung ist in Abbildung 10 links vom Wärmeübertrager zu
erkennen.
Abbildung 10:
Druckluftnachkühler mit integriertem Wasserabscheider
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9. Versuchsbetrieb
Die oben beschriebene Versuchsanlage wurde aufgebaut, befüllt und durch Anschluss der externen
Versorgungsströme in Betrieb genommen. Leider war es zunächst nicht möglich einen konstanten
Betriebszustand zu erreichen. Der am Anfang mit dem Rotameter gemessene Gasstrom vom einen zum
anderen Halbkreislauf kam nach kurzer Betriebszeit zum Erliegen.
Auch eine Abkühlung des kalten Desorbers wurde nicht festgestellt, sondern eine langsame und
kontinuierliche Erwärmung der Gesamtanlage. Die zuvor berechneten Drücke in der Anlage ließen sich
trotz zuverlässig arbeitender Pumpen und Drosselventile nicht einstellen.
Einzeluntersuchungen ergaben, dass die Gaseindüsung mittels Membranen nicht den zuvor auf dem
Teststand ermittelten Werten entsprach: Der Druckverlust durch die Membranen betrug ein Vielfaches
des errechneten Wertes und lag nun in der Größenordnung von 2 bar. Da in der Demonstrationsanlage
ein maximaler Druckunterschied von 50 mbar zwischen Desorber und Membranen zulässig ist, konnte
die Eindüsung somit nicht funktionieren. Der Grund für den starken Anstieg des notwendigen Drucks zur
Ammoniakeindüsung konnte zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht abschließend geklärt werden. Denkbar
wäre ein Aufquellen der hier verwendeten Membranen und damit ein Verschließen der Poren in der
Ammoniakumgebung der Anlage, bzw. ein Verstopfen der Poren durch Verunreinigungen. Allerdings ist
Polypropylen chemisch völlig inert gegen alkalische Lösungen.
Abbildung 11:
Verguss der neuen
porösen Membranrohre
In einem zweiten Versuchsaufbau wurden neuartige
Polyethylenmembranen aus Korea verwendet. Diese haben im
Vergleich zu den ursprünglichen accurel Membranen von
Membrane eine wesentlich dickere Wandstärke und einen
größeren Durchmesser. Abbildung 11 zeigt diese Membranen
beim Vergießen. Der Vergleich von Abbildung 11 und
Abbildung 4 zeigt deutlich die geometrischen Unterschiede.
Auch die Membranporen werden nach einem neuartigen und
nicht bekannten Verfahren hergestellt. Der nominale
Porendurchmesser hat sich lt. Herstellerangaben von 0,2 µm
bei den accurel Membranen auf 60 µm bei den neuen
Membranen deutlich erhöht.
In die Absorber konnte dann eine Kälteerzeugung und ein
konstanter Volumenstrom des Ammoniaks vom heißen
Desorber zum Absorber in Höhe von 8 m3/h beobachtet werden (ca. 0,07 mol/s, ca. 1,5 kW
Kälteleistung). Es wurde jedoch festgestellt, dass die Anlage einige Minuten bis zur Erzeugung von Kälte
benötigt, was für eine Anwendung in der Drucklufttrocknung nicht akzeptabel ist.
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10.
Fazit und Ausblick
Generell konnte nachgewiesen werden, dass die Niedertemperatur, welche direkt aus der erzeugten
Druckluft stammt, bezüglich Temperaturniveau und Wärmemenge ausreicht, um die Kältemenge zu
erzeugen, die für die Drucklufttrocknung notwendig ist. Nach Projektende müssen weitere
Untersuchungen zur Erhöhung der Dynamik stattfinden, wozu insbesondere die Füllmengen an
Lösemittel deutlich reduziert werden müssen und die Gasabtrennung vom Lösemittel nach dem
Desorber verbessert werden muss.
Die Anbindung an den Wärmekreislauf des Kompressors wurde ohne negative Konsequenzen für den
Betrieb realisiert.
Der eingesetzte Druckluftkompressor vom Typ GA55VSD von der Firma Atlas Copco erzeugt eine
Druckluftmenge von 250 m³/h bei 10 bar. Diese Luft muss zur Trocknung auf Temperaturen < 10° C
gekühlt werden. Hierfür ist eine Kälteleistung von ca. 2 kW erforderlich.
Um wirtschaftlich attraktive Randbedingungen zu erreichen, müssen die Kosten für die Anlage noch
deutlich reduziert werden oder es müssen weitere Kälteabnehmer an eine vergrößerte Anlage
angeschlossen werden. Der Preis je installiertes kW Kälteleistung sollte 1000 Euro nicht überschreiten.
Daher ist für diesen Demonstrationskompressor kurzfristig keine wirtschaftliche Trocknung mit
Resorptionsanlagen realisierbar.
Um dieses Kostenziel zu erreichen, wird Im nächsten Schritt die Kälteleistung der auf
Edelstahlplattenapparaten basierenden Anlagen auf 25 kW erhöht. Dies führt zu einer deutlichen
Kostenreduktion je kW Leistung sowohl bei den benötigten Wärmeübertragern aber insbesondere
auch bei der Peripherie wie den benötigten Sensoren und der Steuerung. Solche Anlagen kann die
Makatec GmbH als Einzelstücke inklusive Steuerung für ca. 30.000 € anbieten (Stand Juni 2010). In der
Kleinserie sind somit inzwischen Preise unter 1000 €/kW Kälteleistung erreichbar.
Auch für die Anlagen kleiner Leistung werden seit Anfang 2010 von Makatec entwickelte
Membrankontaktoren an der TU Berlin getestet, [3]. Diese können zusammen mit den
Spiralwärmeübertragern aus Kunststoff in naher Zukunft zu günstigen Preisen auch bei kleinen
Kälteleistungen unter 10 kW führen.
Literatur
[1]
Schaal, Frank: Membranabsorber für die Absorptionskältetechnik (2008), Dissertation an der
Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik der Universität Stuttgart
[2]
Giegerich, Thomas: Aufbau und Inbetriebnahme einer Kälteanlage nach dem Resorptionsprinzip
(2009), Studienarbeit am Institut für technische Thermodynamik und Kältetechnik Universität
Karlsruhe (TH)
[3]
Deutsche Bundesstiftung Umwelt: Projekt 25624; Membranbasierte Resorptionsanlagen zum
Heizen und Kühlen, Projektbericht im Juli 201
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Anhang 1 Versuchsergebnisse
Die dargestellten Versuchsergebnisse einer Halbresorption sind detailliert bei Thomas Giegerich
beschrieben, [2].
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