Effizienzsteigerung von Hochtemperaturwärmepumpen: Auswirkung von rekuperativer Sauggasüberhitzung oder Nassdampfkompression auf die Effizienz von Hochtemperaturwärmepumpen in Abhängigkeit des eingesetzten Kältemittels

摘要

In einem nachhaltigen Energiesystem spielen Wärmepumpen eine wichtige Rolle. Während im gebäudetechnischen Bereich diese Technologie bereits breite Anwendung findet, kommt ihr im industriellen Wärmebereitungssektor noch eine untergeordnete Rolle zu, wofür es sowohl technologische als auch wirtschaftliche Gründe gibt. Die vorliegende Arbeit zeigt Optimierungspotenziale auf, mit denen die Effizienz dieser Systeme gesteigert werden kann. Bei der Optimierung der Hochtemperaturwärmepumpensysteme wird nach eingesetztem Kältemittel unterschieden. Diese werden entsprechend ihrem Verhalten während des Verdichtungsvorganges in zwei Gruppen eingeteilt. Die erste Gruppe zeigt ein überhitzendes Verhalten während des Verdichtungsvorganges. Grund dafür ist ein glockenförmiges Zweiphasengebiet. Bei der zweiten Gruppe hingegen ist ein Überhitzen nach dem Verdampfen zwingend nötig, um während des darauffolgenden Verdichtungsvorganges Kondensation zu verhindern. Bei diesen Kältemitteln liegt ein überhängendes Zweiphasengebiet vor. Mittels Prozesssimulation werden die relevanten Prozesse abgebildet und, auf Basis thermodynamischer Stoffdaten, die Effizienzparameter bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit den untersuchten Optimierungsmaßnahmen eine relevante Effizienzsteigerung erzielt werden kann. Kältemittel mit einem überhängenden Zweiphasengebiet profitieren von rekuperativer Sauggasüberhitzung, während bei Einsatz von Wasser (R718) als Arbeitsmittel die Effizienz durch Nassdampfkompression gesteigert werden kann. Je nach Prozessdesign kann mit den vorgeschlagenen Optimierungsmaßnahmen eine Effizienzsteigerung zwischen 13 % und 63 % erzielt werden.