Projekt 26661/01

Hocheffiziente Wärmepumpe mit Wasser als Arbeitsmittel

Projektträger

Efficient Energy GmbH
Hans-Riedl-Str. 5
85622 Feldkirchen
Telefon: 089 / 693369-500

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel der Efficient Energy GmbH ist die Entwicklung eines hocheffizienten Wärmepumpensystems auf der Basis der Direktverdampfung von Wasser.
Ziel des Teilprojektes 1b des von der DBU geförderten Projekts 26661 ist die Entwicklung der erforderlichen Anlagenkomponenten: Verdampfer, Verflüssiger, Pumpen, Vakuum, Fremdgasabscheidung, Mess-, Steuer- und Regelungstechnik.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurde eine Versuchsanlage bestehend aus Verdampfer, Verdichter und Verflüssiger aufgebaut. Für die Entwicklung der Komponenten Verdampfer und Verflüssiger sowie Fremdgasabscheidung wurden geeignete Sensorik gesucht und kalibriert.
Mit Hilfe der Versuchsanlage konnten das Verhalten und die Leistungsfähigkeit von Verdampfer und Verflüssiger analysiert werden. Aufbauend darauf wurden unterschiedliche Konzepte entwickelt und untersucht. Der Schwerpunkt der Entwicklung lag auf der Bereitstellung einer maximalen Wasseroberfläche, der Mikrovermischung der Wasserströmung und der Minimierung des Druckverlustes für die Dampfströmung.
Es wurde ein getrennter Pumpenteststand aufgebaut. Er dient der Analyse der Vakuumfestigkeit, der Förderleistung als Funktion des NPSH-Wertes und der elektrischen Leistungsaufnahme der Pumpen.
Der Einfluss von Fremdgas (im wesentlichen Luft) auf den Prozess und das Verhalten von Fremdgas in der Anlage wurde in der Versuchsanlage mit geeigneten Versuchen untersucht. Aufbauend auf der Analyse wurden Konzepte entwickelt, um das Fremdgas möglichst konzentriert aus dem Prozess zu entfernen.


Ergebnisse und Diskussion

Verdampfer:
Mit Hilfe geeigneter Strukturen zur Wasserverteilung und Mikroverwirbelung konnte ein Verdampferprototyp ohne bewegliche Einbauten aufgebaut werden, der auf einem zylindrischen Bauraum < 0,4 m * 0,4 m (Durchmesser * Höhe) eine tropfenfreie Verdampfung von 60 kW Wasserdampf erlaubt. Dies entspricht einer flächenbezogenen Verdampferleistung von q > 400 kW/m2.
Der Verdampfer ist so aufgebaut dass kaum Tropfen entstehen. Es konnte zudem ein Tropfenabscheider entwickelt werden, so dass der Bereich oberhalb des Verdampfers im Ansaugbereich des Verdichters absolut tropfenfrei ist.
Das erforderliche treibende Temperaturgefälle liegt bei ?T < 1 °C.
Alle eingesetzten Bauteile sind Kunststoffnormteile oder als Kunststoffspritzgussteile aus günstigen Massenkunststoffen herstellbar. Konzeptstudien zur Überführung der Bauteile in Spritzgussformen wurden in Zusammenarbeit mit Formenbauern und Spritzgiessern erstellt.
Verflüssiger:
Der Einsatz ähnlicher Strukturen wie im Verdampfer erlaubt auch den Aufbau eines Verflüssigers, der auf einem Bauraum < 0,4 m * 0,5 m (Durchmesser * Höhe) ebenfalls die Kondensation von 60 kW überhitztem Dampf leistet. Dies entspricht einer flächenbezogenen Verdampferleistung von q > 400 kW/m2.
Das erforderliche treibende Temperaturgefälle liegt bei ?T < 1 °C.
Alle eingesetzten Bauteile sind ebenfalls Kunststoffnormteile oder als Kunststoffspritzgussteile aus günstigen Massenkunststoffen herstellbar. Konzeptstudien zur Überführung der Bauteile in Spritzgussformen wurden in Zusammenarbeit mit Formenbauern und Spritzgiessern erstellt.
Pumpen:
Es konnten unterschiedliche serienmäßige Pumpen gefunden und qualifiziert werden, die einen kavitationsfreien Betrieb der Anlage im angestrebten Druck- und Temperaturbereich mit der angestrebten Wasserumlaufmenge von 2,6 l/s leisten. Die elektrische Gesamtleistung der Pumpen für eine Anlage mit 45 kW Kälteleistung liegt bei Pel < 600 W.
Vakuumhaltung:
Der Anlagenprototyp weist eine Leckage von ?p/?t < 1 mbar/h auf.
Die eingetragenen Fremdgase werden im Betrieb durch geeignete Strömungsführung an einem Ort in der Anlage gesammelt, angereichert und können dort ausgetragen werden.
Das Vakuum kann durch den intermittierenden Einsatz einer kleinen serienmäßigen Vakuumpumpe aufrechterhalten werden.
Die elektrische Leistungsaufnahme für die Vakuumhaltung liegt bei Pel < 100 W Im zeitgleich bearbeiteten Teilprojekt 1a (finanziert über das bayerische Wirtschaftsministerium konnte ein Verdichter entwickelt werden, der die Leistungsspezifikationen bezüglich Druckverhältnis ?>3, Schluckvermögen m ?>4 ?(g/s) und Wirkungsgrad ?_is>60 % erreicht. Die aus der Integration der in beiden Teilprojekten entwickelten Komponenten entstandenen Prototypanlagen sind derzeit im Laborversuch sowie im Dauerversuch. Die Überführung in die Vorserie hat begonnen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Projektarbeit wurden bei unterschiedlicher Gelegenheit präsentiert, beispielsweise bei der ANSYS Users Conference Deutschland und an der Hochschule Luzern im Fachbereich Verfahrenstechnik und thermische Maschinen (11/2012).


Fazit

Dank der Förderung der DBU konnte die Funktion aller Komponenten für die Entwicklung eines hocheffizienten Wärmepumpensystems auf der Basis der Direktverdampfung von Wasser nachgewiesen werden. Insbesondere war es möglich die tropfenfreie Verdampfung und Verflüssigung von Wasser weit über den bisher bekannten Stand der Technik hinaus anzuheben. Für die weiteren Funktionen Pumpen und Vakuumhaltung konnten marktgängige Produkte europäischer Hersteller gefunden und qualifiziert werden.