Projekt 20461/01

Expansionsmaschine für CO2 mit Schlitzsteuerung

Projektträger

Forschungszentrum für Kältetechnik undWärmepumpen GmbH
Weidendamm 12-14
30167 Hannover
Telefon: 0511/167475-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Forschungsvorhabens war es, eine effiziente, praktikabel in den Kreisprozess einbindbare Expansionsmaschine für das Kältemittel Kohlendioxid zu entwickeln. Anlass dieser Entwicklung war, dass der Energieverbrauch in einem überkritischen CO2-Prozeß größer als in normalen Kaltdampfprozessen sein kann, und hier mit arbeitsleistenden Expansionsmaschinen eine verbesserte Effizienz erzielt werden kann. Theoretisch wurden Steigerungen für Kältemaschinenprozesse von ?COP von 43% berechnet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBei der Entwicklung der CO2-Expansionsmaschine wurde für den Expansionszylinder auf das Grundprinzip einer Zweitaktmaschine mit Schlitzteuerung von Doll und Eder zurückgegriffen und dieser mit einem Verdichtungszylinder auf dem gegebenen Triebwerk der Firma Bock kombiniert. Diese einfache Art des Ladungswechsels in der Maschine kommt ohne mechanische Steuerbauteile aus. Eine Patentanmeldung durch das FKW für eine kombinierte Kompressions-Expansionsmaschine liegt vor. Die Arbeiten an die-sem Grundkonzept sollten zur Minimierung der Leckagen, des Wärmeflusses und der Steigerung der Gütegrade der Expansionseinheit dieser Maschine dienen.
Die Schwerpunkte der in diesem Vorhaben durchzuführenden Arbeiten waren:
§ Theoretische Untersuchungen zu Wärmeübertragung zwischen Fluid und Zylinder/Kolben, Arbeitsraumleckage und Gaswechsel
§ Konstruktion der Expansionsmaschine und Bau des Prototypen
§ Experimentelle Untersuchungen und Effizienzanalyse.


Ergebnisse und Diskussion

Die entwickelte Maschine wurde bei Expansion im Gasgebiet und bei transkritischer Prozessführung mit Expansion in das Nassdampfgebiet experimentell untersucht. Zur Effizienzanalyse wurde der indizierte Gütegrad aus dem Zylinderdruckverlauf des Expanders ermittelt.
Bei der Expansion im Gasgebiet ist der bestimmende Einfluss auf den Gütegrad nach den gesammelten Erkenntnissen im Verhältnis von durchgesetztem Massenstrom zu dem Leckagemassenstrom des Expanders im Zusammenwirken mit der Wärmeübertragung an das Gas zu sehen. Dieses Verhältnis ist vom Betriebspunkt der Anlage und dem Expansionsverhältnis des Expanders abhängig. Der im Gasgebiet in der zweiten Messreihe ermittelte, relativ hohe indizierte Gütegrad von hind=49% ist auf die günstige Wahl des Expansionsverhältnisses für diesen Betriebspunkt mit einem hohen Arbeitsmassenstrom zurückzuführen.
Bei der transkritischen Expansion in das Nassdampfgebiet zeigt der Zylinderdruckverlauf Unregelmäßigkeiten, welche die an den Kolben übertragene Arbeit deutlich herabsetzen. Ursache dafür kann ein thermodynamisches Ungleichgewicht bei der schnellen Expansion der Flüssigkeit nach Eintritt in das Nassdampfgebiet sein. Der höchste im transkritischen Betrieb gemessene indizierte Gütegrad lag bei hind=15%.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der Prototyp der CO2-Expansionsmaschine wurde 2004 auf der Internationalen Fachmesse Kälte-Klima-Lüftung in Nürnberg der Öffentlichkeit präsentiert.
Im November 2005 wird über diese Entwicklung auf der Jahrestagung der Deutschen Kälte-Klima Vereins (DKV) in Würzburg berichtet werden.


Fazit

Um das Potential des untersuchten Konzeptes abschließend zu bewerten, wäre es notwendig mit einer geänderten Versuchsanordnung einen optimalen Versuchspunkt im Nassdampfgebiet einzustellen. Ein ausreichend hoher Gütegrad, der den wirtschaftlichen Einsatz der Maschine für transkritische Prozesse ermöglicht, ist nicht zu erwarten, da die Expansion nach Doll und Eder wegen der durch die Rückverdichtung schmalen Arbeitsschleife besonders anfällig gegen Unregelmäßigkeiten des Zylinderdruckverlaufes ist.
Bei einer Expansion ausschließlich im Gasgebiet rechts vom kritischen Punkt konnte ein Expandergütegrad von annähernd 50% erreicht werden, der erwarten lässt, dass eine solche ventillose Maschine für die Gasexpansion wesentlich geeigneter wäre.