The growing air conditioning demand coupled with the mostly common political will for reduction of greenhouse gases leads to new considerations according to energy effciency.
On the one hand the efficiency of the particular cooling process has to be improved and on the other hand the synergetic implementation of this process in existing energy systems has to be pushed.
Thermal driven cooling processes provide an excellent opportunity to increase the efficiency of the overall energy system by generating valuable cooling power using waste or solar heat. Beside the several well-known thermal driven cooling processes like Absorption, Adsorption Chillers and Desiccant Cooling Systems, this study introduces a new cooling process.
This novel process uses the endothermal enthalpy of solution while dissolving the respective salt in water. Using the example of ammonium nitrate dissolved in water, algebraic functions for the vapor pressure and the enthalpy of this solution are formulated. Several equipment variations are proposed, stationary balanced and calculated. Starting with a Coefficient of Performance (COP) of 0.04 heat recovery installations and the use of a ten stage flash evaporator improve the COP up to 0.24.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Das chemische Potential
2.1.1 Fugazität
2.1.2 Aktivität
2.2 Beschreibung von Mischungen mittels Exzessgrößen
2.3 Bestimmung der Enthalpie wässriger Salzlösungen
2.4 Löslichkeit von Salzen
3 Prozessbeschreibung
4 Modellierung
4.1 Löser
4.2 Verdampfer
4.3 Kondensator
4.4 Kristallisator
4.5 Mischer
5 Ergebnisse und Verbesserung des ersten Entwurfs
5.1 Vorgehen bei der Lösung der stationären Bilanzgleichungen
5.2 Annahmen, Vorgaben und Ergebnisse
5.2.1 Löser
5.2.2 Verdampfer
5.2.3 Kondensator
5.2.4 Kristallisator
5.2.5 Mischer
5.2.6 Energiebilanz des Gesamtprozesses
5.3 Verbesserung des ersten Entwurfs
5.3.1 Verwendung interner Wärmeübertrager
5.3.2 Prozessmodifikation zur Rückgewinnung eines Teils der Kondensationsenergie des Wasserdampfes
Prinzip der Mehrfach - Entspannungsverdampfung mit Rekuperation der Kondensationsenergie
Annahmen, Vorgaben und Ergebnisse für den Mehrfach - Entspannungsverdampfer
6 Fazit und Ausblick
7 Anhang
7.1 Clausius-Clapeyron Beziehung
7.2 Umformung der Clausius-Clapeyron-Gleichung
7.3 Bestimmung der Enthalpie der Ammoniumnitrat-Wasser-Lösung
7.4 Digitalisierung der Zustandsdaten der Ammoniumnitrat-Wasser-Lösung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Diplomarbeit entwickelt und analysiert einen neuartigen, thermisch angetriebenen Kälteprozess, der die Exzessenthalpie beim Lösen von Salzen (speziell Ammoniumnitrat) in Wasser zur Kälteerzeugung nutzt, um die Energieeffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zu bewerten und durch Prozessmodifikationen zu steigern.
- Thermodynamische Grundlagen der Mehrstoffsysteme und deren Modellierung
- Entwicklung und stationäre Bilanzierung eines kontinuierlichen Lösungskälteprozesses
- Energieeffizienzanalyse und Bestimmung der Leistungszahl (COP)
- Verbesserung des Prozesses durch interne Wärmeübertrager und Mehrfach-Entspannungsverdampfung
- Algebraische Modellierung und computergestützte Simulation in Matlab
Auszug aus dem Buch
4.1 Löser
In diesem Prozessschritt findet die eigentliche Kältebereitstellung statt. Wie in Abbildung 4.1 ersichtlich, werden dem Löser kontinuierlich der Strom 1 aus dem Kondensator und Strom 2 aus dem Kristallisator zugeführt. Den Löser verlässt entsprechend eine Mischung aus Strom 1 und Strom 2, der als Strom 3 bezeichnet wird. Die Gesamtmassenbilanz stellt sich nach Gleichung 4.1 dar.
0 = M˙ 1 + M˙ 2 − M˙ 3 (4.1)
Die Komponentenbilanz des gelösten Stoffes ist in Gleichung 4.2 für den Löser formuliert.
0 = M˙ 1 · ξ1,2 + M˙ 2 · ξ2,2 − M˙ 3 · ξ3,2 (4.2)
ξk,i beschreibt die Massenkonzentration des Stoffes i im k-ten Strom, welche in Gleichung 4.3 definiert wird.
ξk,i = Mk,i / Mk,ges = M˙ k,i / M˙ k,ges (4.3)
Analog kann diese Komponentenbilanzierung auch für das Lösungsmittel Wasser durchgeführt werden. Da diese jedoch in dem vorliegenden Fall eines binären Systems auf Grund der Summenbeziehung keine weitere Information enthält, sei hier lediglich darauf verwiesen.
Eine entscheidende Bedeutung kommt der Bilanzierung der Energie innerhalb des Lösers zu. Rein formal lassen sich entlang der Systemgrenze des Lösers die für die Energiebilanz relevanten Enthalpieströme identifizieren. Die Energiebilanzgleichung lautet wie in Gleichung 4.4 zusammengefasst.
0 = H˙ 1 + H˙ 2 − H˙ 3 + (H˙ 8 − H˙ 9) (4.4)
Die Enthalpieströme können als Produkt des jeweiligen Massenstromes mit dem thermodynamischen Zustand, d.h. der spezifischen Enthalpie des Stromes gebildet werden. Wird von isobaren Verhältnissen im Löser ausgegangen und handelt es sich bei Strom 8 und 9 um reines Wasser, dessen Massenstrom während der Durchströmung konstant bleibt, lässt sich die Energiebilanz für den Löser wie in Gleichung 4.5 verfeinert darstellen.
0 = M˙ 1 · h(T1, ξ1,2) + M˙ 2 · h(T2, ξ2,2) − M˙ 3 · h(T3, ξ3,2) + M˙ 8 · (h(T8) − h(T9)) (4.5)
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Motivation für thermisch angetriebene Kälteprozesse aufgrund von Klimaschutz und Energieeffizienz sowie Vorstellung des neuartigen Lösungsansatzes.
2 Grundlagen: Theoretische Herleitung der thermodynamischen Stoffdaten und der mathematischen Beschreibung des Stoffsystems Ammoniumnitrat-Wasser.
3 Prozessbeschreibung: Schematische Darstellung und Erläuterung des einstufigen Lösungskälteprozesses und der physikalischen Vorgänge beim Lösen und Kristallisieren.
4 Modellierung: Aufstellung der mathematischen Massen-, Komponenten- und Energiebilanzgleichungen für alle Anlagenkomponenten.
5 Ergebnisse und Verbesserung des ersten Entwurfs: Durchführung der Berechnungen, Analyse der Ergebnisse und Implementierung von Optimierungen wie Wärmerückgewinnung und Mehrstufentechnik.
6 Fazit und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der erreichten Leistungszahlen und Vorschläge für zukünftige Entwicklungen zur Steigerung der Effizienz.
7 Anhang: Detaillierte Herleitungen, Stoffdatenkonstanten und mathematische Approximationen zur computergestützten Berechnung.
Schlüsselwörter
Lösungskälteprozess, Ammoniumnitrat, Exzessenthalpie, Energieeffizienz, Thermodynamik, Mehrstoffsysteme, Massenbilanz, Energiebilanz, Wärmerückgewinnung, Entspannungsverdampfer, Leistungszahl, Stoffwerte, Kristallisator, Siedepunktserhöhung, Prozessmodellierung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht einen neuartigen, thermisch angetriebenen Kälteprozess, der die Exzessenthalpie nutzt, die beim Lösen von Salzen (hier Ammoniumnitrat) in Wasser entsteht, um Kälte bereitzustellen.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Themenfelder umfassen die Thermodynamik von Mehrstoffsystemen, die mathematische Modellierung von Kälteprozessen, die numerische Simulation mit Matlab und die Optimierung verfahrenstechnischer Anlagenkonfigurationen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist die Bestimmung der Energieeffizienz (Leistungszahl) dieses neuen Prozesses und dessen Vergleich mit bestehenden thermischen Kälteanlagen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird eine stationäre Bilanzierung der Massen-, Komponenten- und Energieströme durchgeführt. Die thermodynamischen Zustandsdaten werden mathematisch modelliert und mittels numerischer Nullstellensuche (fzero in Matlab) gelöst.
Was steht im Hauptteil im Fokus?
Der Hauptteil konzentriert sich auf die detaillierte Modellierung der Einzelkomponenten (Löser, Verdampfer, Kondensator, Kristallisator, Mischer) und die sukzessive Verbesserung des Prozessentwurfs.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Lösungskälteprozess, Ammoniumnitrat-Wasser-System, Wärmerückgewinnung, Entspannungsverdampfung und COP-Optimierung charakterisiert.
Warum wird Ammoniumnitrat als Salz gewählt?
Ammoniumnitrat eignet sich aufgrund seiner nennenswerten endothermen Lösungsenthalpie und seiner hervorragenden Löslichkeit in Wasser besonders gut zur Bereitstellung von Nutzkälte unter Umgebungstemperatur.
Welche Rolle spielt die Mehrstufigkeit im Prozess?
Die Mehrstufigkeit (zehnstufiger Entspannungsverdampfer) dient dazu, die im Prozess anfallende Kondensationsenergie zurückzugewinnen und somit die erforderliche Heizleistung des Gesamtprozesses zu senken.
Welche Herausforderung ergibt sich bei der Optimierung?
Die Optimierung zeigt einen Zielkonflikt: Während eine geringere Eintrittskonzentration im Verdampfer die Heizleistung reduziert, mindert sie gleichzeitig die spezifische Kälteleistung des Gesamtprozesses.
Wie schneidet der Prozess im Vergleich ab?
Im ersten Entwurf ist das Wärmeverhältnis (COP) mit 0,04 sehr niedrig. Durch die implementierten Optimierungen (interne Wärmeübertrager und Mehrstufentechnik) konnte der Wert auf 0,244 gesteigert werden, bleibt jedoch hinter klassischen Systemen zurück.
- Arbeit zitieren
- Thomas Meyer (Autor:in), 2009, Entwicklung eines Kälteprozesses zur Nutzung der Exzessenthalpie beim Lösen von Salzen in Wasser, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/165946
