Vergleich alternativer Ersatzkältemittel für R22 - Propan, Propylen, CO 2 und 407C - in Wärmepumpensystemenmit unterschiedlicher Wärmenutzung

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In der Arbeit werden die Kältemittel R290, R1270, R407C und R744 hinsichtlich ihrer Eigenschaften bei verschiedenen Kreisprozeßparametern näher untersucht. Ziel ist es, unter Berücksichtigung der verschiedenen Randbedingungen ein „Vorzugskältemittel“ zu benennen und durch Ausnutzung der besonderen Stoffeigenschaften bestimmter Kältemittel sowie einer angepaßten Kreisprozeßgestaltung eine Deckung von differenzierten Bedarfsansprüchen bei gleichzeitiger Steigerung der Jahresarbeitszahl zu gewährleisten. Die Untersuchungen führen zu dem Ergebnis, daß R1270 unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen, das zu bevorzugende Kältemittel ist. R1270 hat im Vergleich zu R22 annähernd die gleichen thermodynamischen Eigenschaften. In einer Bewertungsmatrix wurden alle Kriterien, u.a. die globalen und lokalen Bewertungskriterien, mit einem Faktor gemäß einer Skala von 1 bis 5 bewertet. R1270 hat mit 1,75 den besten Wert erreicht. R290 und R744 sind mit einem Wert von 2,0 bei dieser Art der Bewertung gleichwertig und R407C erreicht den schlechtesten Wert mit 3. Es wurde versucht aus der Vielzahl der möglichen Entscheidungsfaktoren für oder gegen ein Alternativkältemittel, eine vereinfachte Bewertungsmethode zu entwickeln. Die Anzahl der Bewertungskriterien ist beliebig erweiterbar. Die Veränderung der Bedarfsverhältnisse sowie die Tatsache, daß für die Warmwasserbereitung und Raumheizung unterschiedliche Temperaturniveaus erforderlich sind, müssen im Bereich der Erzeugeranlagen, insbesondere in der Wärmepumpentechnologie trotz stetiger Verbesserung der Gütegrade der Anlagen, Berücksichtigung finden. Die Prozesse sind an diese Forderungen anzupassen, d. h. die traditionelle Schaltung der Wärmepumpe, die nur eine isotherme Wärmeabgabe ermöglicht, muß so verändert werden, daß eine nichtisotherme Wärmeauskopplung mit gleichzeitiger Verbesserung der Leistungszahl möglich ist. Unter Berücksichtigung der sich veränderten Bedarfswerte (Raumheizung und Warmwasserbereitung) wurden in der Arbeit Möglichkeiten von systemoptimierten Kreisprozeßgestaltungen u.a. durch eine angepaßte Systemkonfiguration oder unter Ausnutzung bestimmter Stoffeigenschaften von Kältemitteln z.B. einer transkritischen Kreisprozeßführung mittels CO2 als Kältemittel untersucht. Die in der Arbeit betrachteten systemoptimierte Kreisprozesse unterscheidet sich von traditionellen Wärmepumpenprozessen dadurch, daß die im Kondensator auf unterschiedlichen Temperaturniveaus ablaufenden Prozesse - Enthitzung, Kondensation und Kondensatunterkühlung - in drei separaten Wärmeübertragern stattfinden (Enthitzer, Kondensator und Kondensatunterkühler). Durch diese nichtisotherme Wärmeauskopplung können die Exergieverluste in den Wärmeübertragern minimiert und eine kombinierte Bereitstellung von Wärme für Raumheizung und Warmwasserbereitung realisiert werden. Der Enthitzer und der Kondensatkühler dienen der Warmwasserbereitung, und der Kondensator liefert die Wärme für die Raumheizung. Die Verbesserung der Leistungszahl soll zum einen durch die Absenkung der Kondensationstemperatur und zum anderen durch die Vergrößerung des Nutzwärmeanteils durch die Kondensatunterkühlung erreicht werden. In Abhängigkeit von den Veränderungen der Bedarfswerte für die Raumheizung und Warmwasserbereitung erfolgte die Bewertung der verschiedenen Anlagenkonzepte mit Wärmepumpen, dazu zählen die z.Z. üblichen Versorgungsvarianten mittels Wärmepumpe zur Raumheizung und einer separaten Warmwasserbereitung ebenfalls mit einer Wärmepumpe, mit einem Elektrodurchlauferhitzer oder einer elektrischen Heizpatrone. Alternativ wurde eine angepaßte Systemkonfiguration einer Wärmepumpe untersucht, wo die Warmwasserbereitung und die Wärme für Raumheizzwecke in einer Anlage erfolgen kann. Die Variante mit der systemoptimierten Kreisprozeßgestaltung bietet in den theoretischen Betrachtungen gegenüber den anderen Versorgungsvarianten große energetische Vorteile. Ob die theoretisch möglichen Ergebnisse dieser Systemanpassung praktisch erreichbar sind, haben Untersuchungen an einer Modellwärmepumpe gezeigt. Die theoretisch möglichen Leistungszahlen konnten nicht nachgewiesen werden. Die Auswertung der Meßergebnisse hat gezeigt, daß speziell im Teillastfall die theoretisch möglichen Werte nicht erreicht werden. Mögliche Lösungsvorschläge wurden aufgezeigt, die allerdings zu einen enormen Regelungsaufwand bei diesem Anlagenkonzept führen, so daß der Variante mit jeweils einer Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung und zur Raumheizung der Vorrang gegeben wurde. Abschließend kann folgendes Versorgungskonzept empfohlen werden: jeweils eine Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung und zur Raumheizung mit dem Kältemittel R1270. Die Vorteile dieses Anlagenkonzeptes sind: die Technik steht serienmäßig zur Verfügung, die Wärmepumpen sind individuell, je nach Bedarf regelbar und somit auch nicht bezüglich nicht vorhandener Gleichzeitigkeit voneinander abhängig.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 670 Industrielle Fertigung
Stichwörter:
Wärmepumpen, Kältemittel, Jahresgesamtarbeitszahl, Gesamtkostenvergleich, Jahresbedarfswert
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
02.08.2004
Dokument erstellt am:
02.08.2004
Promotionsantrag am:
25.08.2004
Dateien geändert am:
20.12.2012
Medientyp:
Text