Untersuchung einstufiger Wasser-LiBr Absorptionskältemaschinen zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

In den letzen Jahren kann ein zunehmender Bedarf an Klimakälte für die Komfortkühlung festgestellt werden. Insbesondere die steigende innere Wärmelast, die oftmals leichte Bauweise und die damit verbundenen Problemen des sommerlichen Wärmeschutzes sowie ein gesteigertes Komfortbedürfnis sind Gründe für diese Entwicklung. Die Kälteerzeugung erfolgt meistens mit Kompressionskältemaschinen. Daneben besteht auch die Möglichkeit, über einstufige Wasser-LiBr Absorptionskältemaschinen Kälte unter geringem Primärenergieeinsatz zu erzeugen. Als Konzept bietet sich dabei die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) an. Hierunter wird die Erzeugung von Kälte mit Hilfe von thermischen Kälteprozessen verstanden, wobei die zur Kälteerzeugung benötigte Energie aus einem Prozeß zur gekoppelten Kraft- und Wärmeerzeugung oder aus sonstigen Abwärmequellen bereitgestellt wird. In der vorliegenden Arbeit werden die Optimierungsmöglichkeiten von einstufigen Wasser-LiBr-Absorptionskältemaschinen (Wasser-LiBr-AKMs) zur Kälteerzeugung im Rahmen der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung untersucht. Hierbei werden insbesondere die verfahrenstechnischen und die betriebstechnischen Belange bei der Umsetzung berücksichtigt. Zum Stand der Technik wird ein Überblick über die thermischen Kälteverfahren und ihre Einsatzfelder gegeben. Als Schwerpunkt der Arbeit wird der einstufige Absorptionskälteprozeß mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser-LiBr gewählt. Der betrachtete Prozeß ist bisher aufgrund des Entwicklungsstandes und den gegebenen Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Kaltwassererzeugung mit thermischen Kälteprozessen am häufigsten anzutreffen. Für den einstufigen Wasser-LiBr Absorptionskälteprozeß wird ein stationäres physikalisches Modell abgeleitet, mit dessen Hilfe die Möglichkeiten zur Weiterentwicklung durch konstruktive Maßnahmen sowie der Einfluß der Betriebsparameter auf das Betriebsverhalten untersucht wird. Anhand dieses Modells wird der Einfluß von Kaltwasser-, Kühlwasser-, Heißwassertemperatur sowie des internen Lösungsmittelumlaufs auf die Kälteleistung und das Wärmeverhältnis untersucht. Für den Generator werden drei verschiedene Anlagenkonzepte zur Gewährleistung eines möglichst hohen Leistungsvermögens bei niedrigen Antriebstemperaturen betrachtet, das Konzept mit geflutetem Rippenrohrbündelverdampfer (Standardkonzept), das Konzept mit Plattenwärmeübertrager und anschließendem Brüdenabscheider sowie ein Verfahren mit horizontalem Rieselfilmverdampfer. Für die verschiedenen Anlagenkonzepte wird eine Optimierung des Anlagendesigns für verschiedene Prozeßbedingungen durchgeführt. Wegen des komplizierten dynamischen Betriebsverhaltens von einstufigen Wasser-LiBr-AKMs wird eine dynamische Modellierung vorgenommen und das dynamische Verhalten analysiert. Aufbauend auf dieser Untersuchung werden neue Regelkonzepte vorgeschlagen, sowie Möglichkeiten zum Erreichen eines günstigeren Betriebsverhaltens aufgezeigt. Weiterhin wird auch der Einfluß der gewählten Anfangskonzentrationen und Anfangsbefüllungen auf das Leistungsverhalten untersucht. Abschließend werden die Ergebnisse mit dem Verhalten eines einstufigen Absorptionskältemoduls des Betriebstechnischen Zentrums der Universität Dortmund.

In this work the optimisation possibilities of single-effect water LiBr absorption chillers for the chilled water supply by combined heat, cold, and power supply are examined. Within the examinations both technical and economic interests are taken into account. A summary of the different thermal refrigeration processes and their fields of application is given. As main emphasis in this work, however, the single-effect absorption chiller with the working pair water-LiBr is chosen. Corresponding to the available techniques and the wide area of application this process is used most frequently till now in the area of chilled water production. For the single-effect water LiBr absorption chiller process a physical model to describe steady-state process-behaviour is developed. Furthermore, the possibilities to develop optimised system components as well as the influence of operation and design parameters are examined. The influence of chilled water, re-cooling water, hot water temperature and mass flow of internal solution to chiller capacity and COP are examined by use of this model. Concerning the generator design three different concepts to guarantee of a possible high level capacity for low driving heat temperatures are considered, a flooded ripped-tube-evaporator (standard solution), a concept with plate heat exchanger and separated steam drum and a concept with a horizontal spray film evaporator. An optimisation of the process design for different operation conditions is included. Due to the dynamically unfavourable operating behaviour of single-effect water LiBr absorption chiller a dynamic model of the absorption process is developed and the dynamic operation characteristics are studied. Additional to this analysis new control concepts are discussed and new solutions to guarantee a better operational behaviour are suggested. Furthermore, the influence of initial concentration and initial hold-up of the different main components to the performance characteristics of the chiller are studied. Finally, the analysis of results are compared to the behaviour of a single stage absorption chiller unit of the chiller plant of the University of Dortmund.