Modellierung solarbetriebener Dampfstrahlkältemaschinen und Untersuchung des dynamischen Betriebsverhaltens

"Die solare Dampfstrahlkältemaschine stellt eine interessante Alternative der solaren Kühlung zu den derzeit ausschließlich eingesetzten Verfahren auf Basis "sorptiver" Kälteprozesse dar. Das Wärmeverhältnis einer Dampfstrahlkältemaschine ist bei Nennlast geringer als bei konkurrierenden Systemen. Im Teillastbereich kann die Dampfstrahlkältemaschine jedoch sehr gute Wärmeverhältnisse erreichen, so dass bei einem typischen Kältebedarf, der durch eine hohe Betriebsstundenzahlen im Teillast und wenige Betriebstunden bei Nennlast gekennzeichnet ist, das mittlere Wärmeverhältnis einer Dampfstrahlkältemaschine durchaus mit anderen thermischen Kältemaschinen konkurrieren kann. Das Fehlen realisierter Anlagen sowie eines dynamischen Modells einer solaren Dampfstrahlkältemaschine, machte es bislang schwierig bzw. unmöglich das Betriebsverhalten einer solaren Dampfstrahlkältemaschine zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit gibt zunächst einen Überblick über die Möglichkeiten der solaren Kälteerzeugung, wobei die verschiedenen Techniken kurz beschrieben werden. Ferner werden die Funktionsweise von Solarkollektoren und der Dampfstrahlkältemaschine sowie deren typisches Betriebsverhalten beschrieben. Eine Aufzählung bisheriger theoretischer und praktischer Arbeiten zu solarbetriebenen Dampfstrahlkältemaschinen sowie die bisherigen Berechnungsmodelle von Solarkollektoren und Dampfstrahlkältemaschinen stellen den Stand des Wissens auf diesem Forschungsgebiet dar. Anschließend wird ein Modell zur dynamischen Simulation einer solaren Dampfstrahlkältemaschine beschrieben. Als Simulationssoftware wird im Rahmen dieser Arbeit auf ASPEN zurückgegriffen. Das Modell unterteilt sich in Modellkomponenten, die den einzelnen Anlagenkomponenten entsprechen und miteinander zu einer Gesamtanlage kombiniert werden können. Somit lassen sich unterschiedliche Anlagenkonzepte realisieren und untersuchen. Insbesondere wurden die Modellkomponenten Wetter, Kollektor, Dampftrommel, Solarspeicher, Strahlverdichter, Verdampfer, Lüfter, Kondensator, Wärmeübertrager und Kühlturm entwickelt. Das beschriebene Modell wird anhand von Literaturwerten und Messwerten validiert. Dabei erfolgt erst eine Parameteranpassung und Validierung der Modellkomponente Strahlverdichter, danach werden Messwerte einer Versuchsanlage zur Validierung verwendet, wobei mit Hilfe der zuvor beschriebenen Modellkomponenten die Versuchsanlage abgebildet, der Tagesgang der Versuchsfahrt vom 29.08.2005 simuliert und mit den aufgenommenen Messverwerten verglichen wird. Die Validierung zeigt, dass mit dem hier vorgestellten dynamischen Modell das Betriebsverhalten einer solaren Dampfstrahlkältemaschine simuliert werden kann. Abschließend wird das Konzept einer solarbetriebenen DSKM zur Kaltwassererzeugung für die Klimatisierung an dem Standort St. Katrine in Ägypten untersucht. Dafür wird eine solare Kälteerzeugung, basierend auf Parabolrinnenkollektoren mit einer Kollektorfläche von 338 m² und einer zweistufigen Dampfstrahlkältemaschine mit einer Kälteleistung von 100 kW modelliert und ihr Betriebsverhalten simuliert. Zur Analyse werden drei Simulationen durchgeführt: ein typischer Tagesgang der solaren Dampfstrahlkältemaschine, das Anfahren aus dem Ruhezustand und eine Sprungsantwort. Die drei Simulationen zeigen ein funktionstüchtiges Konzept einer solaren Kälteerzeugung. Darüber hinaus dokumentieren sie das schnelle dynamische Betriebsverhalten mit hohen Wirkungsgraden im Teillastbereich."

The rising standard of living and the changing situation in the energy sector have led to the development of solar cooling systems in the last years. Previously only "sorptive" cooling systems, which means absorption chillers, adsorption chillers and Desiccative Evaporative Cooling, have been used for solar cooling. These cooling systems are very complicated and there is still a high demand for research and development. Another interesting alternative to the only "sorptive" cooling systems used is a solar driven steam jet ejector, which has a simple construction design and a high coefficient of performance in part load. However, the concept of a solar driven steam jet ejector chiller has only been investigated theoretically or by small test rigs. Up to now there are no demonstration or pilot plants, so that no operational experiences are available. The few existing models for calculation are used to identify parameters for the nominal load and do not describe the operational behaviour. Because of the lack of systems realised and the respective calculation models, the operational behaviour of solar driven steam jet ejector chillers has not been investigated under changing operational conditions yet. This publication first of all gives an overview of the possibilities of solar cooling systems and describes briefly the different techniques. Furthermore, theoretical and practical works concerning solar collectors and steam jet ejectors are presented. Subsequently, a dynamic model of a solar driven steam jet ejector chiller is presented and described. The model is structured into model components, which correspond to the device components. These model components can be combined in different ways to one cooling plant. Consequently, different plant concepts can be modelled and investigated. The validation of the model is done by values taken from literature and measurement data of a small test rig. The validation proves that the model presented simulates the dynamic operational behaviour of a solar driven steam jet ejector chiller. At the end of the work, a concept of a solar driven steam jet ejector chiller for air conditioning is investigated for the location of St. Katrine in Egypt. The concept consists of parabolic trough collectors and a two stage steam jet ejector chiller with a cold capacity of 100 kW. The cooling plant is modelled and its operational behaviour is simulated and discussed. There are three simulations: normal operation of the plant, a start-up of the stand-by mode and a step responds of the plant. The three simulations prove a functional concept of a solar cooling system with a quick dynamic operational behaviour and a high coefficient of performance in part load.