Hochtemperatur Wärmepumpe mit Ejektor

摘要

Thermische Prozesse in der Industrie arbeiten oft in einem Temperaturbereich von 100 °C bis 130 °C. Gleichzeitig steht Prozessabwärme im Temperarturbereich von 40 °C bis 80 °C zur Verfügung, z.B. bei Trocknung, Sterilisation und Pasteurisation. Prozesswärme wird oftmals mit fossilen Energiequellen bereitgestellt. Die Nutzung einer Hochtemperatur Wärmepumpe ermöglicht die effiziente Nutzung der Prozessabwärme und hat damit hohes Marktpotential, gerade auch vor dem Hintergrund des Parisers Klimavertrags und der steigenden CO_2 Zertifikatpreise. In dieser Arbeit wurde eine Butan Wärmepumpe in einer industriellen Umgebung experimentell untersucht, bei der Wärmequelle Prozessabwärme in der Form von Wasser auf eine Temperatur von 48 °C abgekühlt wird und an der Wärmesenke Heißwasser bis 125 °C aufwärmt, um einen Latentwärmespeicher zu beladen. Hierfür wurde bewusst das natürliche Kältemittel n-Butan (R600) eingesetzt, um zukünftige Beschränkungen und Herausforderungen mit synthetischen Kältemitteln vorzubeugen. Die Neuheit der Anlage ist ein Butanejektor, der die Leistungszahl der Anlage steigert. In dieser Arbeit wird der Ejektor im Detail betrachtet. Basierend auf den genannten Anforderungen wurde eine 50 kW Demonstrationsanlage projektiert, gebaut und getestet. Es wurde ein handelsüblicher, leicht modifizierter, Kompressor eingesetzt, dessen Schmieröl and die zu erwartenden Betriebsbedingungen angepasst wurde. Beim 2-Phasenejektor handelt es sich um einen Prototyp. In den durchgeführten Experimenten wurde die Leistungszahl der Wärmepumpe im Ejektorbetrieb mit 2,2 ermittelt. Der Einsatz des Ejektors führt zu einem Sauggasdruckanstieg um 1,54 bar auf 5,85 bar, bei einem Masseaufnahmeverhältnis von 0,46 und einem Ejektorwirkungsgrad von 0,35, was gut mit der Auslegung des Ejektors übereinstimmt. Folglich reduziert sich das Kompressionsdruckverhältnisses von 5,0 auf 3,7 führt. Der Vergleich der Ejektormessungen und Modellierung zeigt hinreichend genaue Übereinstimmungen. Größere Abweichung sind meist instationären Betriebszuständen geschuldet. Folglich wurde der Einfluss von nicht vollständig unter-kühlter Flüssigkeit in die Treibdüse untersucht, um die Auswirkung auf den Treibdüsenmassenstrom und die Ejektoreffizienz zu verdeutlichen. Die Annahme von 2,7%Masse Gas im Treibdüsenmassestrom reduziert selben um ca. 30% und ergibt hinreichend gute Übereinstimmung zwischen Messungen und dem lD-Modell. Der Saug-gasmassenstrom wird um ca. 14% zu gering berechnet, was in einem berechneten Ejektor Wirkungsgrad von 0,30 resultiert, 5% Punkte unter dem gemessenen Wert. Die entwickelte Wärmepumpenlösung kann dazu genutzt werden derzeit ungenutzte Wärmequellen effektiv zu erschließen, CO_2 Emissionen und Energie kosten zu reduzieren.