VWE Validierung von Wirbelrohr und Ejektor im Hinblick auf die Systemverbesserung industrielle Wärmepumpe

In VWE werden zwei Lösungen zur Effizienzsteigerung von Kompressionswärmepumpen untersucht: der Ejektor und das Wirbelrohr (vortex tube). Derzeit findet man die Ejektoren meist in Verbindung mit dem CO2 als Kältemittel, und die Wirbelröhren sind als Einzelkühlgeräte in sehr eingeschränkten Anwendungsbereichen zu finden.
Trotz des mit der Technologie antizipierten Wirkungsgradsteigerung von 7-10% für das Wirbelrohr und bis zu 27% für die Ejektoren werden diese aktuell in Industriellen Anwendungen nicht genutzt. Dies begründet sich in
– mangeldem praktischen Verständnis für die Strömungsvorgänge sowie Auslegungen dieser Komponenten,
– engem optimalen Betriebsbereich der Technologie und damit einhergehend hohen Anforderung in der Auslegung,
– mangeldem Wissen im kostenoptimalen Design, und
– Unsicherheit bei der Wirtschaftlichkeit der Technologie.

Diese Herausforderung lässt sich am besten in einem systemischen Ansatz lösen in welchem numerische Strömungssimulation mit Systemsimulation sowie Designentwicklung verknüpft und ein wirtschaftliches Gesamtsystem entwickelt wird.

Ausgangssituation

Die Industrie, insbesondere die produzierende Industrie, ist für rund ein Drittel Endenergieverbrauchs in Österreich verantwortlich, aber gleichzeitig einer der wichtigsten Arbeitgeber. Deshalb sind die Entwicklungen für die Energieeffizienz in der Industrie von besonderer Bedeutung. Wärmepumpen für industrielle Anwendungen werden als ein zentrales Element in der zukünftigen Energieinfrastruktur gesehen da sie, effizient und klimaneutral Wärme bereitstellen können. Besonders relevante zu nennende Industrien sind die Ziegelindustrie, hier die Ziegeltrocknung, sowie Lebensmittelindustrie, zum Erwärmen.
Um Wärmepumpen für die industriellen Anwendungen einzusetzen, werden hohe Wärmenutzungs-temperaturen benötigt (z.B. für Dampferzeugung, bis zu 160°C). Diese werden vor allem durch die Wahl des Kältemittels begrenzt (aus der Liste der natürlichen Kältemittel, nur wenige können für industrielle Zwecke betrachtet werden – z.B. N-Butan hat eine kritische Temperatur von 152°C und ist daher auch für Anwendungen bis ca. 140°C geeignet, und Pentan wurde bereits 1986 als Kältemittel in einem Wärmepumpen-Prototypen verwendet, mit Wärmenutzungstemperatur von 135°C). Darüber hinaus, der Einsatz von Wärmepumpen in industriellen Prozessen ist in der Regel mit einem hohen Kältemitteldruck verbunden (da sie zum Erreichen so hoher Prozesstemperaturen benötigt werden), dem typischerweise ein entsprechend hoch Expansionsarbeit im Kältemittelkreislauf folgt. In der Standardkonfiguration der Kompressionswärmepumpe erfolgt dieser Expansionsprozess in Form der irreversiblen Energiedissipation. Um die Effizienz solcher Maschinen zu erhöhen, wird daher versucht, diese Expansionsenergie (teilweise) zurückzugewinnen – und damit den gesamt Leistungskoeffizienten (coefficient of performance – COP) zu erhöhen.