Industrieller Einsatz einer Rotationswärmepumpe
Wärmeströme aus industriellen Prozessen nutzen
Die strenger werdenden Richtlinien hinsichtlich CO2-Emissionen und das Ziel, ein Unternehmen möglichst umweltfreundlich zu betreiben, machen den Einsatz von Wärmepumpen auch in der Industrie immer attraktiver. Als Herausforderung für diese Anlagen ist speziell der Einsatz bei unterschiedlichen und schwankenden Betriebsbedingungen zu nennen. Genau hier liegen die Vorteile einer Rotationswärmepumpe.
Wärmepumpen werden häufig für die Gebäudeheizung verwendet, seit durch größere Heizflächen eine geringere Vorlauftemperatur möglich wurde. In der Industrie wird ebenfalls oft Wärme zum Heizen benötigt, aber anstelle der Raumheizung werden unterschiedliche Prozesse damit betrieben. Bei diesen Prozessen kann oftmals das Temperaturniveau nicht geändert werden. Dieses hohe Temperaturniveau macht es herkömmlichen Wärmepumpen schwer und zum Teil unmöglich diesen Bereich abzudecken. Die von ecop Technologies entwickelte Rotation Heat Pump (RHP) beruht auf einem links laufenden Kreisprozess, der mit einem Joule-Prozess verglichen werden kann. Damit können einerseits Temperaturen bis 150 °C auf der Senkenaustrittsseite geliefert werden. Des weiteren kann ohne Veränderung an der Wärmepumpe, durch die sich kaum verändernden Stoffwerte des Arbeitsgases, sehr gut auf wechselnde Rahmenbedingungen von Senken und Quellentemperatur reagiert werden, ohne dass der COP stark beeinflusst wird. Da es sich in der Praxis bei Quelle und Senke oft um sensible Wärmeströme handelt, besteht mit dem Joule-Prozess die Möglichkeit, sich dem Temperaturverlauf im Wärmeüberträger besser anzupassen – verglichen mit einem Wärmeaustausch, bei dem das Arbeitsmedium einen Phasenwechsel vollzieht. Der Joule-Prozess bietet somit folgende maßgebliche Vorteile:
Hohe Senkenaustrittstemperatur bis 150 °C
Flexibilität des Temperaturniveaus
Höheres nutzbares Ausgangspotential durch gleitende Temperatur bei der Wärmeübertragung
Das Funktionsprinzip wurde bereits in einer anderen Publikation [3] detailliert vorgestellt, findet sich allerdings in einer verkürzten Form in diesem Beitrag wieder.
Da vor allem in der Industrie noch sehr großes Potential hinsichtlich Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung vorhanden ist, werden exemplarisch verschiedene Einbindungsmöglichkeiten einer Rotationswärmepumpe vorgestellt.
Funktionsweise
Der Kreisprozess kann, wie bereits erwähnt, mit einem linksläufigen Joule-Prozess, welcher auch als Brayton-Prozess bezeichnet wird, verglichen werden. Anstelle von vier Prozessschritten gibt es bei der RHP fünf Schritte (1-5) welche im Folgenden erklärt werden. Die Anschlüsse und Kreisläufe der Wärmequelle werden mit ND1-ND4 bezeichnet, die der Wärmesenke mit HD1-HD4.
Prozessabschnitte
Die einzelnen Schritte des Kreisprozesses werden in Abbildung 1 innerhalb des Rotors sowie in Abbildung 2 in unterschiedlichen Diagrammen dargestellt. Der Prozess besteht vereinfacht durch zwei isobare und zwei isentrope Zustandsänderungen sowie einer kleinen Druckerhöhung, die einen isentropen Wirkungsgrad in der Größenordnung von herkömmlichen Turboverdichtern aufweist. Dieser Prozess kann mit jedem beliebigen Gas als Arbeitsmittel umgesetzt werden. Durch die Einphasigkeit kann, im Gegensatz zum herkömmlichen Zweiphasenprozess, der Joule-Prozess unabhängig vom Arbeitsmedium praktisch in allen Temperatur- und Druckbereichen betrieben werden.
Hauptverdichtung
1 nach 2: In diesem Prozessschritt wird das Arbeitsgas annähernd isentrop (reibungsfrei und adiabat) verdichtet. Durch diese Verdichtung steigen Druck und Temperatur des Arbeitsgases auf ein höheres Niveau (um 30 bis 60 K bei der RHP von ecop). Für diese Verdichtung ist Exergie notwendig, welche über Wellenleistung bewerkstelligt wird. Diese Verdichtungsleistung ist im Vergleich zu einer Kompressionswärmepumpe um den Faktor 5 bis 15 größer als bei herkömmlichen Kompressionswärmepumpen mit gleicher Wärmeabgabe. Es sei an dieser Stelle bereits angemerkt, dass dieser Prozessschritt den größten Teil der Verdichtung ausmacht, aber nicht die gesamte.
Wärmeabgabe
Hauptexpansion
3 nach 4: In diesem Schritt expandiert das Arbeitsgas auf ein niedriges Temperaturniveau und gibt dabei Wellenleistung ab. Die Temperatur, um die sich das Arbeitsgas abkühlt, ist annähernd gleich groß wie die Erhöhung durch die Verdichtung. Abweichungen ergeben sich nur durch unterschiedliche spezifische Wärmekapazitäten bei unterschiedlichen Temperaturen, da das Arbeitsgas nicht als ideal angenommen wird. (Die Druckdifferenz durch die Divergenz der Isobaren sowie die Deckung der Rohrreibungsverluste aufgrund der Zirkulation wird in Schritt 5 erzeugt).
Wärmezufuhr
4 nach 5: In diesem Schritt wird dem Arbeitsgas Wärme zugefügt. Diese Wärmeleistung muss von einer Wärmequelle wie bei anderen Wärmepumpen vorhanden sein. Analog zu Punkt „Wärmeabgabe“ wird der Medienstrom in den Rotor geführt (ND1, ND4), im Gegensatz aber Wärme auf das Arbeitsgas übertragen (ND2, ND3, siehe Abbildung 1).
Nebenverdichtung
5 nach 1: Hauptsächlich durch die Divergenz der Isobaren und zu einem kleinen Teil durch die Reibungsverluste (Druckverluste) muss in diesem Schritt dem Arbeitsmittel durch eine weitere Verdichtung Leistung in Form von Verdichterleistung zugefügt werden. Die Temperaturerhöhung durch diese Verdichtung ist in etwa um den Faktor 10 geringer als bei der Hauptverdichtung von 1 nach 2.
Divergenz der Isobaren
Vorteile der RHP
Die Vorteile, die sich durch den Joule-Prozess als Wärmepumpenprozess ergeben, wurden anfangs bereits angeschnitten und an dieser Stelle genauer erläutert.
Hohe Senkenaustrittstemperaturen bis zu 150 °C
Flexibilität des Temperaturniveaus
Höheres nutzbares Potential durch gleitende Temperatur bei der Wärmeübertragung
Der dritte Vorteil liegt der Tatsache zugrunde, dass die Wärmeübertragung unter gleitender Temperaturänderung erfolgt. Häufig ist in den Prozessen ein Medium eingesetzt (wie z.B. Wasser), welches bei Wärmezu- bzw. -abfuhr eine Temperaturänderung erfährt. Bei gleichen Wärmekapazitätsströmen beider Medien bleibt die Temperaturdifferenz über die Länge des Wärmeüberträgers gleich. Dies führt zu geringeren Exergieverlusten und erhöht somit das Potenzial des zu erreichenden COP.
Um einen Kreisprozess zu optimieren, ist eine Möglichkeit, die auftretenden Exergieverluste der einzelnen Schritte zu betrachten. Der Exergieverlust eines Wärmestromes lässt sich durch (Gleichung 1) Ėv= Ėv1+ Ėv2
errechnen. Die einzelnen Summanden können nach Gleichung 2 berechnet werden.
Exergieänderung Medium rot (Q1< 0, Ėv1+ > 0)
TU TU
Ėv1= (1–
Tm T11+T12
Exergieänderung von Medium blau gilt analog dazu (Q2>0, Ėv2>0). Weiterhin muss für ein adiabates System bei der Wärmeübertragung Gleichung 3
Q1= Q2 gelten, sofern keine chemischen Prozesse ablaufen.
Ėv... Exergieänderung der Wärmeübertragung (Ėv>0 weil T11+T12>T21+T22)
Tu... Umgebungstemperatur (oft mit 293,15K=20°C festgelegt)
Txy... x steht für das Medium (1 ist das rote
Medium im Diagramm, 2 das blaue)
y steht für den Ein(1) bzw. Austritt(2)
des Mediums
Vergleich Joule- und NH3-Prozess
Um einen Joule-Prozess wirtschaftlich umzusetzen, ist eine sehr reibungsarme Verdichtung sowie Expansion notwendig. Diese effiziente Druckänderung der RHP wurden bereits mit über 99 % in funktionsfähigen Maschinen gemessen [2]. Welchen Einfluss der isentrope Wirkungsgrad auf den COP hat, wird in Abbildung 5 dargestellt. Diesem Diagramm liegt jeweils eine Quelle von 65 °C auf 43 °C und einer Senke von 70 °C auf 95 °C zu Grunde. Die Temperaturdifferenz in den Wärmeüberträgern wurde mit 3 K gewählt, bzw. beim NH3-Prozess mit 3 K Differenz beim Pinch Point. Die gesamte Erstellung der Daten berücksichtigt lediglich den thermodynamischen Kreisprozess mit den Stoffdaten aus [1]. Der Verlauf wurde bei weniger als 75 % isentropen Wirkungsgrad abgeschnitten, weil ansonsten die Verluste beim Joule-Prozess die Wärmeleistung in der Senke übersteigen würde. Erst ab einem isentropen Wirkungsgrad von über 97 % stellt sich ein höherer COP gegenüber dem Zweiphasenprozess ein.
Verdichtung durch Rotation
Bei herkömmlichen Radial- oder Axialverdichtern wird das Gas auf eine hohe Geschwindigkeit gebracht und im Anschluss die Geschwindigkeit in Druck umgewandelt. Diese hohe Geschwindigkeit führt zu hohen Reibungsverlusten, weshalb üblicherweise Wirkungsgrade von ca. 80 % realisiert werden können. Das zirkulierende Arbeitsgas hat absolut gesehen ebenfalls sehr hohe Geschwindigkeiten, da aber alle Rohrleitungen mit dem Arbeitsgas mitrotieren, sind die relativen Geschwindigkeiten relativ gering und führen somit nur zu geringen Druckverlusten. Die Hauptverdichtung erfolgt durch die Zentrifugalkraft, welche im Folgenden zur Vereinfachung mit Wasser (inkompressibel) betrachtet wird. Für den ersten Schritt erfolgt die Analogie zu einem hydrostatischen Druckaufbau (siehe Abbildung 6).
Fz=m . r . ω2
FZ... radial wirkende Kraft (Zentrifugalkraft)
auf einen Körper wirkend, wenn dieser
um eine Achse rotiert.
m... Masse des Körpers auf die die Zentrifugalkraft wirkt
r... radialer Abstand zur Drehachse
ω... Winkelgeschwindigkeit der Rotation
Differenzial angeschrieben folgt Gleichung 5
dFz=r . ω2 . dm
Für konstanten Querschnitt folgt Gleichung 6
dp=ρ. r . ω2 . dr
Daraus resultiert der Druckverlauf eines inkompressiblen Mediums wie z.B. Wasser in einem rotierenden System nach Gleichung 7.
ρ . r2 . ω2
p(r) =
2
Die Nebenverdichtung welche unter „Nebenverdichtung“ beschrieben wird, ist für das Zirkulieren des Arbeitsgases und das Aufrechthalten des Prozesses notwendig. Aus Gleichung 7 zeigt sich, dass die radiale Erstreckung sowie die Rotationsgeschwindigkeit den gleichen Einfluss auf die Hauptverdichtung haben. Gleichung 7 findet in der RHP bei den inkompressiblen Medien von Senke und Quelle Anwendung. Diese zwei Medien verändern somit die Temperatur bei der Druckänderung praktisch nicht und die Temperaturen der Eintritte der Medien bleiben bis zum Eintritt in den Wärmeüberträger unverändert.
Für das Arbeitsgas gilt die Annahme konstanter Dichte nicht. Die vereinfachte Gleichung 6 kann allgemeiner für das Arbeitsgas in Form von (Gleichung 8)
dp=ρ(p2T) . r . ω2 . dr
angeschrieben werden. Wobei der darin enthaltene Druck wiederum als Funktion des Radius dargestellt werden kann. Für die Berechnung des Kreisprozesses ist es jedenfalls erforderlich reale Stoffdaten zu verwenden und daraus die Temperaturerhöhung der Verdichtung zu ermitteln. Erst durch die reibungsarme Verdichtung des Gases mit Hilfe der Zentrifugalkraft ist es möglich, eine Anwendung beim Joule-Prozess interessant zu machen.
Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie
In der Industrie besteht großes Interesse, bisher nicht genutzte Wärmeströme aus verschiedenen Prozessen direkt zu nutzen und in den Prozess in Form von Wärme bei hoher Temperatur wieder einzuspeisen. In den folgenden Abschnitten sollen verschiedene Einsatzgebiete einer Rotationswärmepumpe, in denen teilweise auch klassische Kondensations-Wärmepumpen bereits Anwendung finden, genauer betrachtet und die Unterschiede zur RHP aufgezeigt werden. Der erste Anwendungsfall beschreibt die aktuelle Einbindung der Pilotanlage in ein Fernwärmenetz, wobei als Quelle die Kondensationswärme eines Dampfturbinenkreislaufes verwendet wird. Weiter wird die mögliche Einbindung über eine Rauchgaskondensation beschrieben, welche für Kraftwerksbetreiber von großem Nutzen sein kann.
Die bereits erwähnte Flexibilität hinsichtlich des Temperaturbereichs, in dem der Joule-Prozess einer RHP stattfindet, ermöglicht eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten, die bisher nicht oder nur schlecht von Wärmepumpen abgedeckt werden konnten. Wesentliche Anwendungsgebiete hierfür sind unter anderem Trocknungsprozesse.
Als drittes Anwendungsbeispiel wird die Ziegeltrocknung in einem Kammertrockner herangezogen, welche sehr großes Potential hinsichtlich der Wärmerückgewinnung bietet. Bereits in den Vorjahren wurde in Beiträgen von DKV-Tagungen die Anwendung von Wärmepumpen und deren Potential für derartige Prozesse vorgestellt.
Anwendungsbeispiel Pilotanlage
Die bereits installierte Pilotanlage (Abbildung 9, rechts), welche sich derzeit in der Inbetriebnahme befindet, nutzt die über einen Kondensator verfügbare Energie eines Dampfturbinen-Prozesses. Im Detail wird die Kondensationswärme genutzt, welche ursprünglich an die Umgebung abgegeben wurde. Diese wird jetzt durch Temperaturanhebung über die RHP wieder direkt in das Fernwärmenetz eingespeist. In Abbildung 8 ist die Einbindung skizziert, die Betriebspunkte können flexibel an den Sommer- und Winterbetrieb angepasst werden.
Die Drehzahl des in Abbildung 9, links, zu sehenden Rotors der Anlage wird über einen Frequenzumrichter gesteuert, wodurch der Temperaturhub des Arbeitsgases beeinflusst wird. Somit kann bei nur geringer Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke die Anlage bei niedrigeren Drehzahlen betrieben werden, wodurch sich die Reibungsverluste diverser Lager und Dichtungen verringern. Des Weiteren sinkt die Leistung des Ventilators, da der Druckunterschied durch die Divergenz der Isobaren abnimmt. Daraus resultiert ein geringerer Stromverbrauch und somit ein höherer COP.
Diese Variationen sind in Abbildung 10 für verschiedene Temperaturniveaus exemplarisch dargestellt. Stellt Prozess 1 den Auslegungspunkt dar, so wird, um Prozess 2 zu erreichen, die Drehzahl des Hauptrotors erhöht. Damit verbunden ist ein Anstieg der Ventilator-Leistung im Gaskreislauf, da die Divergenz der Isobaren einen größeren Druckunterschied hervorruft. Daraus resultiert eine steigende elektrische Leistungsaufnahme des Systems und infolge dessen ein reduzierter COP.
Diese Prozesse können nun, je nach Bedarf, einfach zu einem höheren Temperaturniveau verschoben werden, im Diagramm durch den Prozess 3 (geringere Drehzahl) und 4 (höhere Drehzahl) dargestellt. Somit kann mit der gleichen Anlage ein breites Spektrum an Betriebspunkten abgedeckt werden.
In Tabelle 1 und in Abbildung 11 sind verschiedene Betriebspunkte, wie sie mit Hilfe eines Berechnungsskriptes, das den Kreisprozess abbildet, kalkuliert wurden, aufgelistet. In der Berechnung werden sowohl Druckverluste in den Rohrleitungen als auch Reibungsverluste der Lager und Dichtungen berücksichtigt. Die Wärmeübergangskoeffizienten der Wärmeüberträger sind anhand von CFD-Simulationen ermittelt und in die Berechnung implementiert worden.
Rauchgaskondensation
Eine weitere, für die Kraftwerksbranche und Industrie sehr wichtige Möglichkeit zur Wärmerückgewinnung stellt die Rauchgaskondensation dar. Die bereits weit verbreiteten Rekuperatoren, welche zur Nutzung der Abwärme eingesetzt werden, ermöglichen den Nutzen von Wärme bis zu einem gewissen Temperaturniveau, darunter kann die im Rauchgas enthaltene Wärme ohne Wärmepumpe oft nicht mehr genutzt werden und wird in die Umgebung abgeführt. Auch in diesem Fall wirkt sich die gleitende Temperatur bei der Wärmeübertragung auf den Gesamtprozess positiv aus.
In Abbildung 12 ist die Einbindung der RHP in das Fernwärmenetz über einen Rauchgaskondensator schematisch dargestellt.
Ziegeltrocknung
Eine wirtschaftlich sinnvolle Abwärmenutzung bedingt somit, falls eine Wärmepumpe für die Verwertung der Abwärme dieses Trocknungsprozesses eingesetzt wird, dass dieses System dynamisch über einen bestimmten Temperaturbereich, mit annähernd gleichbleibend gutem COP, betrieben werden kann.
Schlussfolgerungen und Ausblick
Die Abhängigkeit des COP von der Temperaturspreizung zwischen Quelle und Senke ergibt sich durch die Divergenz der Isobaren. Bei steigender Temperaturdifferenz muss die Drehzahl des Hauptrotors erhöht werden, um den notwendigen Temperaturanstieg des Gases durch die Verdichtung zu erreichen. Um den Kreisprozess zu schließen, muss von einem Ventilator die Druckdifferenz, hervorgerufen durch die Divergenz der Isobaren, aufgebaut werden. Die notwendige elektrische Leistung des Ventilators ist unter anderen maßgebend für den erreichbaren COP.
Literatur
[4] Lauermann, M., et. al., Industrielle Trocknung mit Kompressionswärmepumpen – Ein numerischer Vergleich von zwei hydraulischen Einbindungsvarianten an einem konkreten Beispiel, 10. Internationale Energiewirtschaftstagung, 2017, Wien, Austria