Projekt 09010/01

Entwicklung einer Transportkälteanlage nach dem Prinzip der trockenen Absorption unter Verwendung der Motorabwärme

Projektträger

FRIGOBLOCK Grosskopf GmbH
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45332 Essen
Telefon: 0201/613010

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Einsparung von Primärenergie bei der Transportkühlung durch die Ausnutzung der verfügbaren Abgasenergie des Zugfahrzeuges. Dazu soll die Realisierbarkeit einer diskontinuierlich arbeitenden Absorptionskälteanlage anstelle der bislang üblichen Kompressionskälteanlagen untersucht werden.
In Anbetracht der steigenden Nachfrage gekühlter sowie insbesondere tiefgekühlter Produkte und der damit verbundenen Zunahme von Kühltransporten könnten dadurch erhebliche Mengen an Treibstoff und damit verbundener Betriebskosten eingespart werden. Da die Energieversorgung von Transportkältemaschinen bislang überwiegend durch integrierte, separate Dieselmotoren erfolgt, die nicht den strengen Abgasvorschriften der Fahrzeugmotoren entsprechen, würde durch die Vermeidung zusätzlicher Abgasemissionen ein weiterer Beitrag zum Umweltschutz geleistet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Realisierung einer diskontinuierlich arbeitenden Absorptionskälteanlage mit dem natürlichen Kältemittel Ammoniak soll zunächst ein geeigneter Arbeitsstoff als Absorbens ermittelt und auf Eignung geprüft werden. Falls erforderlich, werden die für die weiteren Arbeiten benötigten thermophysikalischen Eigenschaften des ausgewählten Arbeitsstoffpaares experimentell bestimmt. Anschließend folgen Untersuchungen zur Langzeitstabilität des ausgewählten Arbeitsstoffpaares bei den zu erwartenden hohen Temperaturen sowie zum Korrosionsverhalten geeigneter Konstruktionswerkstoffe.
Als Grundlage für die Auslegung und Konstruktion der Absorptionskälteanlage soll ein Anforderungsprofil erstellt werden, das neben den energetischen Anforderungen für ein auszuwählendes Einsatzgebiet die geometrischen Randbedingungen am Fahrzeug, wechselnde Umgebungsbedingungen und andere für Kühltransporte spezifische Gegebenheiten berücksichtigt. Auf dieser Basis sollen verschiedene Lösungsvarianten erarbeitet werden, deren technische und wirtschaftliche Umsetzung und Realisierbarkeit zu prüfen sind.
Zur Erstellung eines konstruktiven Gesamtkonzeptes soll zunächst die zur Verfügung stehende Abgasenergie des Zugfahrzeuges bei den unterschiedlichen Fahrbedingungen ermittelt und anschließend mit Hilfe eines Simulationsprogramms Berechnungen zur Unterstützung und Überprüfung bei der Auslegung von Apparaten der Kälteanlage durchgeführt werden.
Nach Abschluss der Konstruktionsarbeiten soll eine Versuchsanlage erstellt, in Betrieb genommen und unter möglichst praxisnahen Bedingungen erprobt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Als Absorbens wurde Manganchlorid mit einer Reaktionstemperatur von 180°C ausgewählt. Für das Arbeitsstoffpaar wurden bei Temperaturen von 40 bis 130°C und Drücken zwischen 1 und 16 bar die Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit, der Wärmeeindring- und der Kontaktkoeffizient an der Heizplatte bestimmt.
Von der DaimlerChrysler AG wurden für dieses Projekt Testfahrten mit einem beladenen LKW-Zug entsprechend einem Fernverkehrseinsatz für Kühltransporte durchgeführt. Für das gewählte Arbeitsstoffpaar war der maximal nutzbare Anteil des Abgases mit 20 kW deutlich geringer als erwartet. Theoretisch lässt sich daraus bei idealer Nutzung einer Absorptionsanlage eine Kälteleistung von maximal 5 kW erzielen, in der Praxis erheblich weniger. Das ursprüngliche Ausgangskonzept des Projektes, das eine Kälteanlage für ein kleines Verteilerfahrzeug mit 3,5 t zulässigem Gesamtgewicht mit 2 bis 4 kW Kälteleistung bei einer Kühlraumtemperatur von -20°C und die Aufheizung des Anlagenreaktors aus dem Leichtbauwerkstoff Aluminium durch ein indirektes System mit einem vom Abgas beheizten Wärmeträger vorsah, musste nach der Ermittlung der geringen Abgasenergie erneut überarbeitet werden. Da mit geringerer Motorleistung auch die nutzbare Abgaswärme sinkt, wurde das Anforderungsprofil auf ein Solofahrzeug großer Motorleistung für den Langstreckenverkehr mit Kälteleistungen von 3 bis 5 kW geändert. Auf Grund der zu erwartenden höheren Übertragungsverluste wurde auch das Konzept der indirekten Beheizung verlassen und eine direkte Be-heizung des Reaktors verfolgt. Die hohen Abgastemperaturen verboten den Einsatz der bereits ausgewählten Aluminiumlegierungen AlMgSi1, AlMgSi0.5, AlMg1 und AlMn1 für den Reaktor wegen der geringen Festigkeit bei hohen Temperaturen, so dass auf geeignete Stahlwerkstoffe ausgewichen werden musste. Trotz einer intensiven Marktrecherche konnten die ausgewählten hochwarmfesten Edelstähle wie z.B. 1.4512, der auf Grund des Gefüges nicht für Druckbehälter zulässig ist, aus technischen Gründen oder wie 1.4021, 1.4120 und 1.4404, die nicht als Bleche zu erhalten waren, für dieses Projekt nicht zur Verfügung gestellt werden, so dass auf die handelsüblichen Qualitäten 1.4301, 1.4541 und 1.4571 mit deutlich geringerer Festigkeit zurückgegriffen werden musste.
Die Zeitstandfestigkeit und Langzeitstabilität der Arbeitsstoffe wurde in einem Modellreaktor mit den verfügbaren Edelstähle wie auch den o.g. Aluminiumlegierungen geprüft. Nach mehr als 1000 Absorptions-/Desorptionszyklen bei Heiztemperaturen zwischen 200 und 225°C konnten weder Funktionsbeeinträchtigungen noch Korrosionserscheinungen beobachtet werden. Höhere Temperaturen, wie sie bei der direkten Beheizung durch Abgas im Reaktor auftreten können, waren mit diesem Versuchsaufbau nicht zu realisieren.
Als mögliche Reaktorbauformen wurden nach Voruntersuchungen ein Rohrbündel- oder ein geschraubter Plattenwärmeübertrager favorisiert. Die Vorteile des Plattenreaktors sind in dem geringen abgasseitigen Druckverlust und der weniger aufwendigen Fertigung zu sehen. Nachteilig ist das hohe Gewicht, das durch die Verwendung der verfügbaren Werkstoffe geringer Festigkeit zusätzlich erhöht wird. Die daraus resultierenden toten Massen müssen bei jedem Absorptions-/Desorptionszyklus erwärmt und wieder abgekühlt werden. Gegenüber dem Plattenreaktor weist der Rohrbündelreaktor eine höhere Kälteleistung auf, besitzt aber den Nachteil der aufwendigeren Fertigung und des problematischen Eintrags des Absorbens.
Zur Auslegung und zur energetischen Bewertung des Reaktors wurde ein Berechnungsprogramm erstellt. Wegen der geringen Abgaswärme war ein zyklisches Umschalten von mindestens zwei Reaktoren zwingend notwendig. Umfangreiche Variationen der geometrischen Parameter wurden durchgeführt, bei denen selbst bei optimaler Nutzung der Abgaswärme Kälteleistungen von nicht mehr als 2,5 kW für den Rohrbündel- und 2 kW für den Plattenreaktor ermittelt wurden. Simulationen mit vier zyklisch umschaltbaren Rohrbündelreaktoren ergaben eine Leistungssteigerung auf 3,5 bis maximal 4 kW. Die Strömungsverluste der aufwendigen Abgas- und Luftführung wurden dabei nicht berücksichtigt. Mit dem apparativen Aufwand nehmen auch das Bauvolumen und Anlagengewicht zu, wodurch der Vorteil des einfachen Aufbaus und der Robustheit der Anlage verloren gehen. Auch unter dem Aspekt, dass durch die Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren mit höheren Wirkungsgraden die Abgasenergie weiter ab-nehmen wird, wurde auf eine praktische Umsetzung verzichtet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten wurden im November 2000 auf der Deutschen Kälte-Klima-Tagung in Bremen vom ITW veröffentlicht.


Fazit

Die durchgeführten Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass der nutzbare Wärmestrom des Abgases eines LKWs bei der Überlandfahrt mit nur 20 kW deutlich geringer ist als ursprünglich angenommen. Daraus lassen sich mit Hilfe einer Absorptionskälteanlage die gesetzlichen Mindestanforderungen an einen Fernverkehrslastzug mit 5 bis 8 kW Kälteleistung selbst theoretisch nicht realisieren. Bei Stadt- und Kurzstreckenfahrten im Verteilerverkehr ist die zu erzielende Kälteleistung aufgrund der geringeren Abgasenergie noch niedriger. Nach den hier gewonnenen Erkenntnissen ist der Einsatz trockener Absorptionsanlagen nur sinnvoll, wenn Abwärme in ausreichender Menge auf nahezu gleichbleibendem Niveau zur Verfügung steht. Dies ist zum Beispiel derzeit bei Schiffen und zum Teil auch im Eisenbahnbetrieb der Fall. Bei zukünftigen, neuartigen Antriebskonzepten wie z. B. der Brennstoffzelle, bei der abhängig vom Zellentyp neben der elektrischen Energie auch Abwärme entsprechender Temperatur erzeugt wird, könnte die trockene Absorptionskälteanlage auch im Kraftfahrzeugbereich unter energetischen und Umweltaspekten vorteilhaft zum Einsatz kommen.