1 – Prozess allgemein

Industrielle ECOP Wärmepumpe und Kältemaschine mit Edelgaskreislauf
ECOP Technologies GmbH, Wien
Bernhard Adler, CTO
Sebastian Riepl, CEO
Technische Universität Wien
Ao.Univ.Prof. Dipl.‐Ing. Dr. techn. Karl Ponweiser
Institut für Energietechnik und Thermodynamik
1 – Prozess allgemein
• Joule Prozess im rein gasförmigen Bereich
T
Argon
sink.out=95°C
2
1 – 2 isentrope Verdichtung 2 – 3 isobare Wärmeabfuhr
3 – 4 isentrope Entspannung
4 – 1 isobare Wärmezufuhr
sink.in=70°C
3
1
source.in=65°C
4
source.out=43°C
s
2
1 – Prozess allgemein
• Joule Prozess ‐ Darstellungen
T‐s
T
p‐h
p
2
p‐v
p
3
3
2
2
3
1
1
4
1
4
4
s
v
h
3
1 – Prozess allgemein
Einphasiger Joule Prozess
2‐Phasen Prozess
• Verschiebung des Prozesses im weiten
Temperaturbereich
Temperatur ist vom Druck entkoppelt!
• Verschiebung des Prozesses nur im
eingeschränkten Temperaturbereich
T
T
2
2
3
1
4
3
4
5
s
1
s
4
1 – Prozess allgemein
• Vergleich von sensibler und latenter Wärme
1
∙
1
2
∙
T
T
95°C
95°C
70°C
67°C
70°C
67°C
TA=67°C
2
L
L
Δtm=3K
Δtm=11.2K
0.8% Exergieverluste von Q
3.2% Exergieverluste von Q
5
1 – Prozess allgemein
T
Argon
sink.out=95°C
T
NH3
2
2
sink.out=95°C
sink.in=70°C
sink.in=70°C
3
5
1
4
3
6
source.in=65°C
source.out=43°C
1
source.in=65°C
4
source.out=43°C
s
s
schematischer Vergleich eines 1‐ und 2‐ Phasenprozesses
bei quellen‐ und senkenseitiger Verwendung
von Transportmedien für thermische Energie mit sensiblem Speicherverhalten
6
2 – Prozess Bsp. 1
T
NH3
Beispiel 1
2
• Senke 70/95
• Quelle 65/43
sink.out=95°C
sink.in=70°C
5
3
4
1
6
2
2
source.in=65°C
source.out=43°C
5
1
6.05 s
NH3 T [˚C]
1
40
2 143.13
3
93
4
93
5
73
6
40
p [bar]
15.554
54.402
54.402
54.402
54.402
15.554
s [kJ/(kg K)]
5.6265
5.6265
5.0572
2.9365
2.6082
2.6567
h [kJ/(kg)]
1633.1
1817.4
1596.5
819.97
702.99
702.99
7
Quelle der Stoffdaten: http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/
2 – Prozess Bsp. 1
T
Argon
sink.out=95°C
Beispiel 1
2
• Senke 70/95
• Quelle 65/43
sink.in=70°C
3
1
source.in=65°C
4
s
source.out=43°C
Ar
1
2
3
4
T [˚C]
62
98
73
39.46
p [bar]
42.165
54.402
54.402
42.165
s [kJ/(kg K)]
3.1422
3.1422
3.1030
3.1030
Quelle der Stoffdaten: http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/
h [kJ/(kg)]
168.10
186.67
172.60
155.41
8
2 – Prozess Bsp. 2
T
Beispiel 2
NH3
sink.out=125°C
2
sink.in=100°C
45
• Senke 100/125
• Quelle 95/73
3
1
6
2
2
source.in=95°C
source.out=73°C
5
1
6.33 s
NH3 T [˚C]
1
70
2 160.08
3
120.5
4
120.5
5
103
6
70
p [bar]
33.135
91.95
91.95
91.95
91.95
33.135
s [kJ/(kg K)]
5.3131
5.3131
4.6326
3.4328
3.0604
3.1187
h [kJ/(kg)]
1627.1
1768.3
1489.9
1017.6
873.98
873.98
9
2 – Prozess Bsp. 2
T
Argon
2
Beispiel 2
sink.out=125°C
• Senke 100/125
• Quelle 95/73
sink.in=100°C
3
1
source.in=95C
COP= 11,24
4
s
source.out=73°C
Ar
1
2
3
4
T [˚C]
92
128
103
69.2
p [bar]
46.135
58.345
58.345
46.135
s [kJ/(kg K)]
3.1699
3.1699
3.1340
3.1340
h [kJ/(kg)]
184.29
202.97
189.03
171.59
10
2 – Prozess
• Vergleich der Prozesse bei Temperaturverschiebung um 30 °C für 1MW gesamte Wärmeabgabe
2‐phasen Prozess – NH3
Senke 70/95
Quelle 65/43
Senke 100/125
Quelle 95/73
Änderung
%
ṁ [kg/s]
0.90
1.13
25%
V.strom.ein.Verd [m3/s]
0.0708
0.0407
42.5%
p.max [bar]
54.402
91.95
69%
Q.WT.Überhitzer [kW]
191.8
304.2
58.6%
Q.WT.Kondensator [kW]
702.4
533.5
24%
Q.WT.Unterkühler [kW]
105.8
162.3
53.4%
Π [‐]
3.31
2.651
19.9%
Joule Prozess – Ar Senke 70/95
Quelle 65/43
Senke 100/125
Quelle 95/73
Änderung
%
ṁ [kg/s]
71.07
71.74
0,9%
V.strom.ein.Verd [m3/s]
1.16
1.175
1,2%
p.max [bar]
54.402
59.141
8,7%
Q.WT [kW]
1000
1000
0 %
Π [‐]
1.290
1.265
1.9%
11
2 – Prozess
• Warum wird der Joule Prozess bisher nicht eingesetzt?
Verdichtung mit 100% Wirkungsgrad
@ 1MW Wärmeabgabe
Joule Prozess – Ar 2‐phasen Prozess – NH3
P.Verdichtung [kW]
1319
165.4
P.Entspannung [kW]
1222
‐
97
165.4
10.3
6.05
Joule Prozess – Ar
2‐phasen Prozess – NH3
P.Verdichtung [kW]
1649
206.75
P.Entspannung [kW]
1222
‐
Nettoleistung
427
206.75
COP
2.34
4.84
Nettoleistung
COP
Verdichtung mit 80% Wirkungsgrad
@ 1MW Wärmeabgabe
Auswirkung der Verluste bei vereinfachter Betrachtung
12
3 – ECOP Technologie
• Hydrostatischer Druckverlauf
• Druckverlauf im rotierendem System
13
3 – ECOP Technologie
Wärmetauscher, paarweise angeordnet
Edelgas in einem geschlossenem Kreislauf, interagiert mit Wärmetauschern
Ein Ventilator treibt den Kreislauf
Bei Rotation wird thermische Energie von den inneren
Wärmetauschern mit niedrigem Temperaturniveau zu den äußeren
Wärmetauschern mit hohem Temperaturniveau gepumpt. Mittels zwei weiteren Kreisläufen wird mittels Wärmeträgermedien über die Welle thermische Energie in das System bzw. aus dem System transportiert
14
3 – ECOP Technologie
T
95°C
3
98°C
2
2
4
70°C
WT ‐ HD
5
1
3
1
5
WT ‐ ND
65°C
Rotationsachse
4
Ventilator
s
43°C
W1, W2, W3 & W4
1 – 2 isentrope Verdichtung 2 – 3 isobare Wärmeabfuhr (WT – HD)
3 – 4 isentrope Entspannung
4 – 5 isobare Wärmezufuhr (WT – ND)
5 – 1 isentrope Verdichtung (Ventilator)
15
3 – Joule Prozess ‐
umgesetzt mittels ECOP Technologie Darstellungen
T‐s
T
p‐h
p
2
3
3
1
5
p‐v
p
2
3
2
1
4
5
1
4
5
4
s
h
v
16
3 – ECOP Technologie
• Umsetzung des Joule Prozesses mittels ECOP Technologie
Verdichtung
mit 100% Wirkungsgrad
ECOP Joule Prozess – Ar 2‐phasen Prozess – NH3
P.Verdichtung [kW]
1222
165.4
P.Entspannung [kW]
1222
‐
P.Ventilator [kW]
97
‐
Nettoleistung [kW]
97
165.4
10.3
6.05
ECOP Joule Prozess – Ar 2‐phasen Prozess – NH3
P.Verdichtung [kW]
1222
206.75
P.Entspannung [kW]
1222
‐
P.Ventilator [kW]
121.25
‐
Nettoleistung [kW]
121.25
206.75
8.24
4.84
COP
Verdichtung
mit 80% Wirkungsgrad
COP
Auswirkung der Verluste bei vereinfachter Betrachtung
17
3 – ECOP Technologie
• Verdichtungseffizienzberechnung ‐ Versuchsdaten
4
3
2
∆pVentilator = 3.46bar
1
15:36:00
15:34:34
15:33:07
15:31:41
15:30:14
15:28:48
15:27:22
15:25:55
15:24:29
0
15:23:02
ΔpVentilator [bar]
Es wurde die Druckdifferenz am Ventilator gemessen
Diese entspricht der Summe aus:
‐ Divergenz der Isobaren (Exergieanteil)
‐ Druckverluste von 2 Wärmetauschern (WT ND und WT HD)
‐ Druckverluste der Verdichtung und der Entspannung
quasistationäre Messung über 11 min:
Messwert: ∆pVentilator = 3,46 bar (64.04bar auf 67.5bar)  ΠVentilator = 1.054
Divergenz der Isobaren (p1 – p5) entspricht 1.136bar (dies sind keine Verluste!)
Von den übrigen 2.324bar fallen aufgrund von Simulationen 14,2% auf die Verdichtung  dies entspricht 0.33bar
Wie wirken sich nun diese 0.33bar auf den Wirkungsgrad der Verdichtung aus?
18
3 – ECOP Technologie
• Verdichtungseffizienzberechnung ‐ Versuchsdaten
T
42°
1
2s
70° 2
Isentrope
1
67.5
2
1
1
2
∙
83.5
1
1
s
19
3 – ECOP Technologie
• Verdichtungseffizienzberechnung ‐ Versuchsdaten
T
2
2
∆
83.17
2s
2
2
1
2 .
2s.red
1
2
∙
69.45° 1
2
1
12 .
12 .
1
1
∙
∙
∙
1
2
∙
1 1
59.904
12 .
1
s
ΔpVerd = 0.33bar Druckabfall für die Verdichtung
wegen h=konst. und h ~ T wird Δp bei T=konst. aufgetragen
12
12 .
1
∙
∙
∙
12.
12 .
12.
1
∙
2
1 1
61.089
98.06% 20
4 – Produkt
Bild der CCT100
21
4 – Produkt
Quelle Rauchgaskondensation 60/30
Senke Fernwärme 60/100
100°C
Senke:
Fernwärmeinbindung
TT
TT
60°C
ECOP
Wärmepumpe
TT
TT
~30°C
Quelle:
Rauchgaskondensation
60°C
22
4.1 – Vorteile
• Temperaturen zwischen ‐20°C und +150°C mit einer Maschine
realisierbar (‐100°C bis +200°C in Zukunft)
• Flexibel einsetzbar (wie ein Wärmetauscher)
• Umweltfreundliches (GWP = 0), nicht brennbares und nicht
toxisches Arbeitsmittel
• Schmiermittelfreie, flexible Verdichtung und Entspannung
• Wärmeleistungen bis zu 2 MW (6MW in Zukunft)
• ECOP Wärmepumpe als Schwungradspeicher verwendbar
4.2 – weitere Schritte
• Screening Vertriebspartner
• Interesse an Pilotprojekten
23
Ein Demo‐Video kann online abgerufen werden: http://ecop‐technologies.com/en/innovation/
24
5 – Credits
Vielen Dank unseren Unterstützern:
Die Entwicklung der ECOP Wärmepumpe wurde gefördert aus Mitteln der Stadt Wien durch die ZIT – Die Technologieagentur der Stadt Wien GmbH.
Kontaktinformation:
ECOP Technologies GmbH
Perfektastraße 73, Top A1, 1230 Wien
Office: +43‐(0) 1 ‐ 86 510 62
[email protected]
Technische Universität Wien
Institut für Energietechnik und Thermodynamik
www.ecop.at
25

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