Experimenteller Vergleich von R1224yd(Z) und R1233zd(E) in einer HTWP

摘要

Hochtemperatur-Wärmepumpen (HTWP) mit Vorlauftemperaturen von 100 bis 160 °C werden in den kommenden Jahren zunehmend auf den Markt kommen, insbesondere für Trocknungs-, Sterilisations- und Verdampfungsprozesse in der Lebensmittel- und Chemieindustrie. Es gibt umfangreiche Forschungsarbeiten zur Prüfung neuer umweltfreundlicher Kältemittel mit niedrigem GWP für den Einsatz in HTWP. Neben natürlichen Kältemitteln sind die synthetischen Hydrochlorfluorolefine (HCFO) R1224yd(Z) und R1233zd(E) (GWP < 1) geeignete Ersatzstoffe für die Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) R245fa und R365mfc. Diese Studie untersucht die experimentelle Leistungsfähigkeit von R1224yd(Z) und R1233zd(E) als Drop-In-Test in einer Labor-HTWP mit 5 bis 10 kW Heizleistung. Die entwickelte Wärmepumpe ist einstufig aufgebaut, arbeitet mit einem drehzahlgeregelten Kolbenverdichter und enthält einen stufenlos einstellbaren internen Wärmeübertrager (IHX) zur Überhitzungsregelung. Die Leistungsdaten wurden bei 30, 50 und 70 K Temperaturhub (40 bis 80 °C Wärmequelle, 80 bis 150 °C Wärmesenke) gemessen. Die Integration eines IHX in den Wärmepumpenzyklus steigerte den Wirkungsgrad und die Heizleistung über das gesamte ßetriebskennfeld deutlich. Die experimentellen Ergebnisse mit R1224yd(Z) bei W60/W110 zeigen einen COP von 2,8 (Basiszyklus) und 3,2 bei IHX-Integration (+14%). Die gemessenen COP-Daten von R1224yd(Z) waren mit R1233zd(E) vergleichbar. Die Abweichungen lagen innerhalb der Messunsicherheit von ± 0,2 COP. Der Drop-In-Test zeigte, dass die Heizleistung von R1224yd(Z) im Durchschnitt 9% höher war als mit R1233zd(E). Darüber hinaus hat ein größerer Temperaturgleit auf der Wärmesenke von S auf 25 K den COP um +9% weiter erhöht, was bei Prozessen mit niedrigen Rücklauftemperaturen vorteilhaft ist. Wie erwartet, nahmen die COP-Werte mit zunehmendem Temperaturhub ab und entsprachen einem durchschnittlichen Carnot-Wirkungsgrad von 37% für R1224yd(Z) und 39% für R1233zd(E) mit dem IHX-Zyklus. Insgesamt sind die experimentellen Ergebnisse von R1224yd(Z) und R1233zd(E) vielversprechend für den Einsatz in HTWP. Die entwickelte Labor-HTWP ermöglicht es in Zukunft weitere alternative HFO- und HCFO-Kältemittel zu testen.