Projekt 27550/01

Entwicklung einer Absorptionskältemaschine für den Betrieb mit einem Arbeitsstoffpaar Wasser-Ionische Flüssigkeit

Projektträger

IPF Beteiligungsgesellschaft Berndt KG
Carl-Benz-Str. 6
68799 Reilingen
Telefon: 06205 / 94 30-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In einem vorangegangenen DBU-Projekt Arbeitsstoffgemische mit ionischen Flüssigkeiten für Absorptionskältemaschinen und Absorptionswärmepumpen konnte der erfolgreiche Betrieb allerdings nur in einer für das Arbeitsmittel LiBr-Wasser konzipierten Kältemaschine nachgewiesen werden. Wegen unterschiedlicher Stoffdaten der ionischen Flüssigkeiten sind für LiBr konzipierte Maschinen jedoch nicht geeignet. Es müssen neue Anlagenkonzepte in diesem Neuprojekt untersucht und verifiziert werden, um ionische Flüssigkeiten anstelle der korrosiven und biologisch aggressiven LiBr-Lösungen einsetzen zu können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDieses Projekt gliedert sich in zwei Abschnitte. In der ersten Phase (10 Monate) soll eine Machbarkeitsstudie durchgeführt werden. Dabei soll eine geeignete Absorberbauart ausgewählt werden und die Benetzung der Wärmeübertragerfläche, Möglichkeiten der Flüssigkeitsverteilung und die 2-Phasen-Strömung im Apparat untersucht werden. Auch die Auslegung der Gesamtanlage soll auf der Basis des Vorprojektes und der durchzuführenden Untersuchungen in dieser Phase erfolgen.
In der zweiten Projektphase (26 Monate) erfolgt die Erprobung der Neukonstruktion mit entsprechenden Langzeitversuchen. Zu Beginn der zweiten Projektphase ist die Fertigung der entworfenen Anlage für den Betrieb mit der ionischen Flüssigkeit vorgesehen. Das Testprogramm umfasst Versuche bei ver-schiedenen Bedingungen, insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturniveaus der Kaltwassererzeugung und der Heißwasserzufuhr.
Im vorangegangenen Projekt wurden erste Erkenntnisse zur Aufarbeitung verschmutzter und verbrauchter ionischer Flüssigkeiten gewonnen. Es sollen Methoden zur Wiederaufarbeitung der Absorptionslösung weiterentwickelt und standardisiert werden.
Die Ergebnisse des geförderten Projektes sollen zur standardmäßigen Auslegung für den Betrieb von Absorptionskältemaschinen mit ionischen Flüssigkeiten und deren Markteinführung führen.


Ergebnisse und Diskussion

Die Versuche mit dem Plattenabsorber haben gezeigt, dass der Plattenabstand bei kommerziell erhältlichen Plattenwärmeübertragern zu niedrig ist. Der Spalt muss ausreichend Platz für jeweils einen Film auf beiden Seiten des Spaltes und den Durchgang des Dampfes bieten. Der notwendige Abstand zwischen den beiden Filmen für den Dampfdurchgang ist abhängig vom Druckverlust im jeweiligen Betriebszustand.
Darüber 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 gewährleisten, dass die Flüssigkeit nicht darunter hindurch fließt.
Es sind geschweißte Wärmeübertrager zu bevorzugen, um die Gefahr der Korrosion durch Kupferlot zu vermindern. Gegen geschraubte Wärmeübertrager spricht an dieser Stelle die Schwierigkeit ein geeignetes Dichtungsmaterial zu finden, das auch bei Verwendung unterschiedlicher Arbeitsstoffpaare geeignet ist.
Bei Spiralrohrabsorbern ist ein größerer Durchmesser der Spiralen als bei dem vorliegenden Versuchsapparat zu bevorzugen. Dies ermöglicht über die größere Fläche bei konstantem Rohrdurchmesser und konstanter Bauhöhe eine größere erzielbare Kälteleistung. Darüber hinaus wird auch der Dampfraum vergrößert und der Druckverlust damit vermindert.
Die erfolgreichen Versuche der Benetzungsverbesserung durch Kapillarnetze zeigen, dass diese in Zukunft immer verwendet werden sollten. Dies schließt die Verwendung von Rohrbündelapparaten aus, da der Fertigungsaufwand hier zu groß ist.
Im Hinblick auf die Gesamtanlage und eine spätere Serienfertigung sind Plattenapparate zu bevorzugen um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen.
Unter den Voraussetzungen, dass eine Anlage mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser-Ionische Flüssigkeit unter Einhaltung von Werkstoffrestriktionen qualitativ hochwertig gebaut wird, sind keine Inhibitoren nötig und dennoch keine Verschmutzungen zu erwarten. Sollte wider Erwarten dennoch eine Regeneration der wässrigen ionischen Flüssigkeit nötig sein, ist diese, und unabhängig vom Rent-an-Ionic-Liquid-Konzept, 53 % günstiger als die Regeneration vom heute üblichen System Wasser-LiBr.
Neben der Regeneration sollten auch die reinen Herstellungskosten für [DEMA] [OMs] betrachtet werden. Hauptkostenfaktor ist hier das Diethylmethylamin, welches heute etwa 100 €/kg kostet. Im großtechnischen Maßstab ist jedoch eine Preisreduktion auf 10 €/kg zu erwarten. Dies würde zu einem Preis von 30-50 €/kg für [DEMA] [OMs] führen. Aktuell liegt der Preis für Lithiumbromid bei 25 €/kg.
Anlagenseitig ist der innovative Charakter der Kapillarnetze hervorzuheben. Auch mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser-LiBr ist die Flüssigkeitsverteilung auf den Wärmeübertragerflächen und der damit verbundene Wärme- und Stofftransport noch immer Gegenstand der Forschung. Die Literatur erwähnt explizit, dass auch in kommerziell erhältlichen Anlagen zum Teil durch einen Bypass der aufgegebene Flüssigkeitsvolumenstrom im Absorber erhöht wird, um die Benetzung der Wärmeübertragerrohre zu verbessern. Die in dieser Arbeit untersuchten Kapillarnetze sollen es ermöglichen, auf eine Bypassschaltung zu verzichten und machen eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung möglich. Diese ist ausschlaggebend für die Ausbildung gleichmäßiger, dünner Filme und einer gleichbleibenden Anzahl von Abtropfstellen. Neben der Verbesserung des Wärme- und Stoffdurchgangs ermöglicht dies auch eine genaue theoretische Betrachtung der Absorption.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen dieses Vorhabens wurden eine Reihe von Publikationen veröffentlich und Vorträge gehalten, die zur Verbreitung der Ergebnisse beitragen sollen.
Vortrag anlässlich 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. Zugehörige Veröffentlichung im Tagungsband: Proceedings of the 23rd IIR International Congress of Refrigeration, Paper 287 (2011), ISBN 978-2-913-149-89-2;
Vortrag anlässlich des Thermodynamik-Kolloquiums am 06.10.2011: Untersuchung des Dampf-Flüssig-Gleichgewichts binärer Gemische aus Wasser und ionischer Flüssigkeit für Absorptionskreisläufe.
Römich, 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.
Darüber hinaus wurden mehrere Abschlussarbeiten von Studenten im Zusammenhang mit dem Projekt angefertigt (Veröffentlichung universitätsintern).


Fazit

Generell hat sich im Projektverlauf gezeigt, dass höchste Anforderungen an die Genauigkeit und Qualität der Fertigung gestellt werden müssen. Die Werkstoffrestriktionen müssen unbedingt eingehalten werden, um Korrosion oder eine Zersetzung der Lösung zu verhindern. Dies war bei dem Bau der Versuchsanlage aufgrund mangelnder Verfügbarkeit passender Komponenten am Markt nicht immer möglich.
Für den Fall, dass es zu einer Verschmutzung der Lösung und damit zu einem Abfall der Leistungsfähigkeit des Systems kommt, konnte gezeigt werden, dass eine Regeneration der im Absorptionsprozess eingesetzten ionischen Flüssigkeit grundsätzlich mit vertretbarem technischem Aufwand möglich ist. Hierzu wurden bei IOLITEC diverse Verfahren unter Einsatz verschiedener Absorptionsmittel und Kombinationen dieser getestet. Mit dem derzeit besten zur Verfügung stehenden Verfahren gelang es, eine stark verunreinigte Probe der in der Sorptionsanlage getesteten ionischen Flüssigkeiten erfolgreich zu regenerieren und die zuvor gelieferte Qualität wieder herzustellen.
Eine erste Kostenabschätzung zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wurde durchgeführt und mit der Regeneration der Pilotmenge verglichen. Die Abschätzung deutete bereits darauf hin, dass das Recycling der ionischen Flüssigkeit wirtschaftlich vertretbar ist.
Anhand der systematischen Untersuchung der neu konzipierten und gebauten Versuchsanlage konnte die prinzipielle Funktionsfähigkeit anhand von Messungen mit Wasser-[DEMA][OMs] nachgewiesen werden.
Messergebnisse für den Plattenabsorber zeigen, dass in geringem Maße Absorption stattfindet. Jedoch weist die geringe Kälteleistung auch auf einen zu geringen Plattenabstand hin. Es lässt sich folgern, dass die derzeit kommerziell erhältlichen Plattenwärmeübertrager für den Einsatz als Absorber ungeeignet sind.
Mit dem im Rahmen dieses Projekts entwickelten Spiralrohrabsorber konnten wesentlich geringere Kalt-wasseraustrittstemperaturen realisiert werden. Die vielfach erwähnten Verschmutzungsprobleme führten jedoch dazu, dass die angestrebte Kälteleistung nicht realisiert werden konnte.
Zusammenfassend wurden im Laufe dieses Projekts wertvolle Erfahrungen gesammelt, die aufzeigen wie man mit Wasser-Ionischer Flüssigkeit die angestrebte Kälteleistung bereitstellen kann und konventionelle Absorptionskälteanlagen mit Rohrbündelapparaten ersetzen kann.