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Reduzierung der Expansionsverluste von Kälteanlagen

BMWi Euronorm Innokom Ost (Vorlaufforschung)

02/2017-06/2019

Karl Steinjan

+49-351-4081-690

abgeschlossen

Untersuchung von Expansionsmachinen

Zielstellung

In den letzten Jahren wurden die Verluste durch Wärmeübertrager und Verdichter in Kompressionskälteanlagen kontinuierlich reduziert. Das notwendige Expansionsorgan erzeugt je nach Auslegungsparametern, Prozess und Kältemittel immer noch erhebliche Verluste. Insbesondere bei CO2 Anlagen ist das Potential relativ groß. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden deshalb folgende Aspekte untersucht:

  • Nutzung der Expansionsarbeit im Kälteprozess
  • Konstruktion und Bau einer ersten Expansionsturbine
  • Bestimmen der Potentiale und Herausforderungen einer solchen Expansionsturbine

Theoretische Vorüberlegungen

Die in der Expansionsmaschine anfallende Arbeit kann an verschiedenen Stellen im Kälteprozess genutzt werden. Dazu wurden mehrere Konzepte untersucht.

  • Eine sehr einfache Lösung ist der Anschluss eines Generators und die Nutzung der elektrischen Energie. Mittels Frequenzumrichter lässt sich auch die Drehzahl bzw. Lastabnahme relativ einfach regulieren.
  • Lösungen die direkt einen weiteren Verdichter antreiben haben je nach Schaltung einen geringfügig besseren Wirkungsgrad und sind bauteilmäßig teilweise preisgünstiger.  Allerdings lassen sie sich schwieriger regeln und haben einen deutlich höheren Entwicklungsaufwand. Denn neben der Expansionsmaschine muss der dazu passende Verdichter entwickelt werden (siehe Abbildung 1).

Als Expansionsmaschinen können  verschiedene Typen zum Einsatz kommen:

  • Der Ejektor ist eine einfache, kostengünstige und im Markt bereits etablierte Lösung. Er erfordert eine spezielle Schaltung und hat ein begrenztes Potential beim Wirkungsgrad.
  • Kolbenmaschinen bzw. modifizierte Verdichter sind fertigungs- und entwicklungstechnisch gut verfügbar, haben aber einen sehr hohen Preis. Sie müssten für den Expansionsbetrieb entwickelt und qualifiziert werden.
  • Strömungsmaschinen bzw. Turbinen sind halbwegs einfach zu fertigen. Sie haben je nach Konstruktion ein hohes Potential für den Wirkungsgrad, benötigen dafür aber hohe Drehzahlen und aufwendig gefertigte Strömungsführungen und Laufräder.

In diesem Projekt wurde sich für die Expansionsturbine entschieden, da diese am wenigsten untersucht ist und die größten Potentiale bietet.

Konstruktion und Erprobung Versuchsmuster

Im ILK wurde ein erstes Versuchsmuster konstruiert und gefertigt (Abbildung 2). Dabei wurden folgende Lösungen gefunden bzw. gewählt:

  • Schnelldrehende (~20000 U/min) einstufige Turbine mit Generator
  • Auslegung auf eine Kälteleistung von ca. Q0 = 45 kW
  • Halbhermetische Konstruktion
  • Keine Abnahme nach Druckgeräterichtlinie erforderlich
  • Stehende Konstruktion um Abfluss des 2-Phasengemisches zu vereinfachten
  • Schauglas im Boden zur optischen Untersuchung
  • CNC gefräste bzw. 3D gedruckte Laufräder für die Turbine
  • Für erstes Versuchsmuster nicht verstellbare Leitgitter
  • Bypassventil parallel zur Turbine im Prüfstand zur Regelung der Durchflussmenge
  • Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung und Hochfahren der Turbine
  • Fertigung der Turbine in der Werkstatt des ILKs
  • Aufbau am CO2 Prüfstand des ILKs
  • Erste Versuche zur Bestimmung des erreichbaren Wirkungsgrades wurden durchegführt
  • Im Rahmen der Versuche wurden verschiedene Turbinenräder, Drehzahlen und Massenströme erprobt

Zusammenfassung der Ergebnisse

  • Es konnte gezeigt werden, dass mittels Entspannungsturbine die Expansionsverluste reduziert werden können.
  • Es zeigte sich, dass Lösungen mit Generator einfacher zu bauen, aber vermutlich teuer in der Fertigung sind. Lösungen die einen Verdichter antreiben sind hingegen aufwendig in der Entwicklung.
  • Die Konstruktion einer solchen Maschine ist bedingt durch die Druckgeräte-Richtlinie (Druckbehälter) herausfordernd.
  • Die Strömungsführung innerhalb der Turbine bedarf noch weitere Untersuchungen und Optimierungen
  • Bis zum fertigen Produkt sind noch diverse Arbeiten insbesondere hinsichtlich der Langlebigkeit und Kosten zu erledigen.

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