Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
In einem vorangegangenen DBU-Projekt Arbeitsstoffgemische mit ionischen Fl\u00fcssigkeiten f\u00fcr Absorptionsk\u00e4ltemaschinen und Absorptionsw\u00e4rmepumpen konnte der erfolgreiche Betrieb allerdings nur in einer f\u00fcr das Arbeitsmittel LiBr-Wasser konzipierten K\u00e4ltemaschine nachgewiesen werden. Wegen unterschiedlicher Stoffdaten der ionischen Fl\u00fcssigkeiten sind f\u00fcr LiBr konzipierte Maschinen jedoch nicht geeignet. Es m\u00fcssen neue Anlagenkonzepte in diesem Neuprojekt untersucht und verifiziert werden, um ionische Fl\u00fcssigkeiten anstelle der korrosiven und biologisch aggressiven LiBr-L\u00f6sungen einsetzen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDieses Projekt gliedert sich in zwei Abschnitte. In der ersten Phase (10 Monate) soll eine Machbarkeitsstudie durchgef\u00fchrt werden. Dabei soll eine geeignete Absorberbauart ausgew\u00e4hlt werden und die Benetzung der W\u00e4rme\u00fcbertragerfl\u00e4che, M\u00f6glichkeiten der Fl\u00fcssigkeitsverteilung und die 2-Phasen-Str\u00f6mung im Apparat untersucht werden. Auch die Auslegung der Gesamtanlage soll auf der Basis des Vorprojektes und der durchzuf\u00fchrenden Untersuchungen in dieser Phase erfolgen.
\nIn der zweiten Projektphase (26 Monate) erfolgt die Erprobung der Neukonstruktion mit entsprechenden Langzeitversuchen. Zu Beginn der zweiten Projektphase ist die Fertigung der entworfenen Anlage f\u00fcr den Betrieb mit der ionischen Fl\u00fcssigkeit vorgesehen. Das Testprogramm umfasst Versuche bei ver-schiedenen Bedingungen, insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturniveaus der Kaltwassererzeugung und der Hei\u00dfwasserzufuhr.
\nIm vorangegangenen Projekt wurden erste Erkenntnisse zur Aufarbeitung verschmutzter und verbrauchter ionischer Fl\u00fcssigkeiten gewonnen. Es sollen Methoden zur Wiederaufarbeitung der Absorptionsl\u00f6sung weiterentwickelt und standardisiert werden.
\nDie Ergebnisse des gef\u00f6rderten Projektes sollen zur standardm\u00e4\u00dfigen Auslegung f\u00fcr den Betrieb von Absorptionsk\u00e4ltemaschinen mit ionischen Fl\u00fcssigkeiten und deren Markteinf\u00fchrung f\u00fchren.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Versuche mit dem Plattenabsorber haben gezeigt, dass der Plattenabstand bei kommerziell erh\u00e4ltlichen Plattenw\u00e4rme\u00fcbertragern zu niedrig ist. Der Spalt muss ausreichend Platz f\u00fcr jeweils einen Film auf beiden Seiten des Spaltes und den Durchgang des Dampfes bieten. Der notwendige Abstand zwischen den beiden Filmen f\u00fcr den Dampfdurchgang ist abh\u00e4ngig vom Druckverlust im jeweiligen Betriebszustand.
\nDar\u00fcber hinaus sollten die in Projektphase 1 getesteten Kapillarnetze auf die Platten aufgebracht werden. Es ist darauf zu achten, dass die Netze in jedem Punkt anliegen, um zu gew\u00e4hrleisten, dass die Fl\u00fcssigkeit nicht darunter hindurch flie\u00dft.
\nEs sind geschwei\u00dfte W\u00e4rme\u00fcbertrager zu bevorzugen, um die Gefahr der Korrosion durch Kupferlot zu vermindern. Gegen geschraubte W\u00e4rme\u00fcbertrager spricht an dieser Stelle die Schwierigkeit ein geeignetes Dichtungsmaterial zu finden, das auch bei Verwendung unterschiedlicher Arbeitsstoffpaare geeignet ist.
\nBei Spiralrohrabsorbern ist ein gr\u00f6\u00dferer Durchmesser der Spiralen als bei dem vorliegenden Versuchsapparat zu bevorzugen. Dies erm\u00f6glicht \u00fcber die gr\u00f6\u00dfere Fl\u00e4che bei konstantem Rohrdurchmesser und konstanter Bauh\u00f6he eine gr\u00f6\u00dfere erzielbare K\u00e4lteleistung. Dar\u00fcber hinaus wird auch der Dampfraum vergr\u00f6\u00dfert und der Druckverlust damit vermindert.
\nDie erfolgreichen Versuche der Benetzungsverbesserung durch Kapillarnetze zeigen, dass diese in Zukunft immer verwendet werden sollten. Dies schlie\u00dft die Verwendung von Rohrb\u00fcndelapparaten aus, da der Fertigungsaufwand hier zu gro\u00df ist.
\nIm Hinblick auf die Gesamtanlage und eine sp\u00e4tere Serienfertigung sind Plattenapparate zu bevorzugen um eine kompakte Bauweise zu erm\u00f6glichen.
\nUnter den Voraussetzungen, dass eine Anlage mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser-Ionische Fl\u00fcssigkeit unter Einhaltung von Werkstoffrestriktionen qualitativ hochwertig gebaut wird, sind keine Inhibitoren n\u00f6tig und dennoch keine Verschmutzungen zu erwarten. Sollte wider Erwarten dennoch eine Regeneration der w\u00e4ssrigen ionischen Fl\u00fcssigkeit n\u00f6tig sein, ist diese, und unabh\u00e4ngig vom Rent-an-Ionic-Liquid-Konzept, 53 % g\u00fcnstiger als die Regeneration vom heute \u00fcblichen System Wasser-LiBr.
\nNeben der Regeneration sollten auch die reinen Herstellungskosten f\u00fcr [DEMA] [OMs] betrachtet werden. Hauptkostenfaktor ist hier das Diethylmethylamin, welches heute etwa 100 \u0080\/kg kostet. Im gro\u00dftechnischen Ma\u00dfstab ist jedoch eine Preisreduktion auf 10 \u0080\/kg zu erwarten. Dies w\u00fcrde zu einem Preis von 30-50 \u0080\/kg f\u00fcr [DEMA] [OMs] f\u00fchren. Aktuell liegt der Preis f\u00fcr Lithiumbromid bei 25 \u0080\/kg.
\nAnlagenseitig ist der innovative Charakter der Kapillarnetze hervorzuheben. Auch mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser-LiBr ist die Fl\u00fcssigkeitsverteilung auf den W\u00e4rme\u00fcbertragerfl\u00e4chen und der damit verbundene W\u00e4rme- und Stofftransport noch immer Gegenstand der Forschung. Die Literatur erw\u00e4hnt explizit, dass auch in kommerziell erh\u00e4ltlichen Anlagen zum Teil durch einen Bypass der aufgegebene Fl\u00fcssigkeitsvolumenstrom im Absorber erh\u00f6ht wird, um die Benetzung der W\u00e4rme\u00fcbertragerrohre zu verbessern. Die in dieser Arbeit untersuchten Kapillarnetze sollen es erm\u00f6glichen, auf eine Bypassschaltung zu verzichten und machen eine gleichm\u00e4\u00dfige Fl\u00fcssigkeitsverteilung m\u00f6glich. Diese ist ausschlaggebend f\u00fcr die Ausbildung gleichm\u00e4\u00dfiger, d\u00fcnner Filme und einer gleichbleibenden Anzahl von Abtropfstellen. Neben der Verbesserung des W\u00e4rme- und Stoffdurchgangs erm\u00f6glicht dies auch eine genaue theoretische Betrachtung der Absorption.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Im Rahmen dieses Vorhabens wurden eine Reihe von Publikationen ver\u00f6ffentlich und Vortr\u00e4ge gehalten, die zur Verbreitung der Ergebnisse beitragen sollen.
\nVortrag anl\u00e4sslich des 23rd International Congress of Refrigeration am 25.08.2011: A Comparison Between Lithiumbromide – Water and Ionic Liquid – Water as Working Solution for Absorption Refrigeration Cycles. Zugeh\u00f6rige Ver\u00f6ffentlichung im Tagungsband: Proceedings of the 23rd IIR International Congress of Refrigeration, Paper 287 (2011), ISBN 978-2-913-149-89-2;
\nVortrag anl\u00e4sslich des Thermodynamik-Kolloquiums am 06.10.2011: Untersuchung des Dampf-Fl\u00fcssig-Gleichgewichts bin\u00e4rer Gemische aus Wasser und ionischer Fl\u00fcssigkeit f\u00fcr Absorptionskreisl\u00e4ufe.
\nR\u00f6mich, Ch.; Merkel, N. C.; Valbonesi, A.; Schaber, K.; Sauer, S.; Schubert, T. J. S., Thermodynamic Properties of Binary Mixtures of Water and Room-Temperature Ionic Liquids: Vapor Pressures, Heat Capacities, Densities and Viscosities of Water + 1 Ethyl-3-methylimidazolium Acetate and Water + Diethyl-methylammonium Methanesulfonat; Journal of Chemical and Engineering Data 57, (2012), pp. 2258-2264.
\nDar\u00fcber hinaus wurden mehrere Abschlussarbeiten von Studenten im Zusammenhang mit dem Projekt angefertigt (Ver\u00f6ffentlichung universit\u00e4tsintern).<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Generell hat sich im Projektverlauf gezeigt, dass h\u00f6chste Anforderungen an die Genauigkeit und Qualit\u00e4t der Fertigung gestellt werden m\u00fcssen. Die Werkstoffrestriktionen m\u00fcssen unbedingt eingehalten werden, um Korrosion oder eine Zersetzung der L\u00f6sung zu verhindern. Dies war bei dem Bau der Versuchsanlage aufgrund mangelnder Verf\u00fcgbarkeit passender Komponenten am Markt nicht immer m\u00f6glich.
\nF\u00fcr den Fall, dass es zu einer Verschmutzung der L\u00f6sung und damit zu einem Abfall der Leistungsf\u00e4higkeit des Systems kommt, konnte gezeigt werden, dass eine Regeneration der im Absorptionsprozess eingesetzten ionischen Fl\u00fcssigkeit grunds\u00e4tzlich mit vertretbarem technischem Aufwand m\u00f6glich ist. Hierzu wurden bei IOLITEC diverse Verfahren unter Einsatz verschiedener Absorptionsmittel und Kombinationen dieser getestet. Mit dem derzeit besten zur Verf\u00fcgung stehenden Verfahren gelang es, eine stark verunreinigte Probe der in der Sorptionsanlage getesteten ionischen Fl\u00fcssigkeiten erfolgreich zu regenerieren und die zuvor gelieferte Qualit\u00e4t wieder herzustellen.
\nEine erste Kostenabsch\u00e4tzung zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wurde durchgef\u00fchrt und mit der Regeneration der Pilotmenge verglichen. Die Absch\u00e4tzung deutete bereits darauf hin, dass das Recycling der ionischen Fl\u00fcssigkeit wirtschaftlich vertretbar ist.
\nAnhand der systematischen Untersuchung der neu konzipierten und gebauten Versuchsanlage konnte die prinzipielle Funktionsf\u00e4higkeit anhand von Messungen mit Wasser-[DEMA][OMs] nachgewiesen werden.
\nMessergebnisse f\u00fcr den Plattenabsorber zeigen, dass in geringem Ma\u00dfe Absorption stattfindet. Jedoch weist die geringe K\u00e4lteleistung auch auf einen zu geringen Plattenabstand hin. Es l\u00e4sst sich folgern, dass die derzeit kommerziell erh\u00e4ltlichen Plattenw\u00e4rme\u00fcbertrager f\u00fcr den Einsatz als Absorber ungeeignet sind.
\nMit dem im Rahmen dieses Projekts entwickelten Spiralrohrabsorber konnten wesentlich geringere Kalt-wasseraustrittstemperaturen realisiert werden. Die vielfach erw\u00e4hnten Verschmutzungsprobleme f\u00fchrten jedoch dazu, dass die angestrebte K\u00e4lteleistung nicht realisiert werden konnte.
\nZusammenfassend wurden im Laufe dieses Projekts wertvolle Erfahrungen gesammelt, die aufzeigen wie man mit Wasser-Ionischer Fl\u00fcssigkeit die angestrebte K\u00e4lteleistung bereitstellen kann und konventionelle Absorptionsk\u00e4lteanlagen mit Rohrb\u00fcndelapparaten ersetzen kann.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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