mattes engineering gmbh Kälte aus ( Ab‐ ) Wärme Ammoniak Absorptions‐Kälteanlagen Helmut Mattes mattes engineering gmbh
mattesengineering gmbh
Kälte aus ( Ab‐ ) WärmeAmmoniak Absorptions‐Kälteanlagen
Helmut Mattesmattesengineering gmbh
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Einführung
Kälteerzeugung
Vergleich der Verfahren
Kompressions‐Kälteanlagen
mechanischer Kompressor,elektrisch angetrieben
Absorptions‐Kälteanlagen
der Kältemitteldampf wird
• durch eine geeignete Flüssigkeit im Absorber gelöst,
• in der Flüssigphase verdichtet,
• durch Zufuhr von Wärme aus der Lösung ausgetrieben,
• im Kondensator verflüssigt;
in Reihe hintereinander geschaltete Wärmetauscher,
geringe elektrische Leistung
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
2AMMONIAK ABSORPTIONS‐
KÄLTEANLAGEN
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
3
Standard SystemAK 600
Kälteleistung 800 kWNH3 Verd. Temperatur ‐18°C
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Verfügbare Verfahren, Arbeitsmittel
Lithium‐Bromid Absorption Ammoniak‐Wasser Absorption
Kältemittel Wasser Ammoniak
Lösungsmittel Lithium‐Bromid‐Lösung Wasser
giftigbrennbarätzendGeruch
kaumneinneinnein
jakaumjastechend
ArbeitsdruckVerdampferKondensator
8 mbar (Vakuum)40 mbar (Vakuum)
200 mbar bis 3000 mbar10 bar bis 15 bar
Hauptanwendung Kaltwassererzeugung > 4,5°C
Verdampfungstemperaturen bis ‐60°C
Einsatzmöglichkeiten Klimatechnik industrielle Kälteerzeugung
Aufstellung im Gebäude im Freien möglich
Bauweise Kompaktsatz Modul‐ oder Standardanlagen
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
4
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Kompressions‐Kälteanlage
Kältemittel‐Kreislauf
• dem verdampfenden Kältemittel wird im Verdampfer bei entsprechendem Druck und entsprechender Temperatur Wärme (Kälte) Qverd zugeführt,
• der Kältemitteldampf wird abgesaugt und durch Energiezufuhr Nk im Verdichter auf höheren Druck verdichtet,
• im Kondensator wird das Kältemittel durch Wärmeabfuhr Qcond an die Umgebung verflüssigt,
• das verflüssigte Kältemittel gelangt über das Entspannungsventil wieder in den Verdampfer
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
5
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Kompressions‐Kälteanlage
Lösungsmittel‐Kreislauf
• der Kältemittel‐Kreislauf ist im Prinzip identisch zu anderen Kälteanlagen mit mechanischen Verdichtern.
• Der Lösungsmittel‐Kreislauf, der aus einer Kette hintereinander‐geschalteter Wärmetauscher besteht, lässt sich als „thermischer Verdichter“ bezeichnen.
Saugseite = Absorber
Druckseite = Austreiber
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
6
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhVergleich mit Kompressions‐Kälteanlagen
Energiebedarf
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
7
0 1 2 3 4 5 6 7
-50 -40 -30 -20 -10 0NH3 Evaporation Temperature deg.C
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
-50 -40 -30 -20 -10 0NH3 Evaporation Temperature deg.C
COP = Qo/ Qh
Kom pressions- Kälteanlage Q o Kälteleistung N k Antriebsleistung
NkQokkaCOP =)(
Ab so rp tio n s- K ä ltean lage Q o K ä lte le is tung Q h H e iz le is tu ng
QhQoakaCOP =)(
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhVergleich mit Kompressions‐Kälteanlage
Energiebedarf bei gleichen Verdampfungstemperaturen
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
8
3
4
5
6
7
8
9
-50 -40 -30 -20 -10 0NH3 Evaporation Temperature deg.C
Qh / Nk
( )( ) kh
h
k NQQQNQ
akaCOPkkaCOP /
//
0
0 ==
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhVergleich mit Kompressions‐Kälteanlagen
Vorteile/ Nachteile
Absorptions‐Kälteanlage Kompressions‐Kälteanlage
treibende Energie thermisch mechanisch
Kältemittel‐verunreinigung
(Wasser) sehr sauber
Kältemaschinenölhäufige Wartung nötig
Heissgas gesättigt überhitzt
Geräuschpegel gering Schallschutzmaßnahmen notwendig
Aufstellung im Freien Standard Gebäude notwendig
Wartung jährlich häufig
Anfangsinvestition hoch mäßig
Platzbedarf groß klein
Energiebedarf hoch mäßig
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
9
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Wärmebilanz
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
10
ENTSPANNUNGSVENTILPRESS. REDUCING DEVICE
ABSORBER
ENTSPANNUNGSVENTILPRESS. REDUCING DEVICE
LÖSUNGSPUMPESOLUTION PUMP
Q aVERDAMPFEREVAPORATOR
Q o
AUSTREIBERDESORBER
TEMPERATURWECHSLERSOL. HEAT EXCHANGER
Q h
KONDENSATORCONDENSER
Q c
QhQoQin +=QcQaQout +=
COPQoQh
=
Heizleistung (Qh)
• Dampf, andere Dämpfe ausreichender Temperatur
• Direkte Beheizung mit Gas oder Heizöl
• Heisswasser, heisseFlüssigkeiten
Wärmeabfuhr (Qa + Qc)
• Wasser (Kühlturmwasser, Flusswasser, Kaltwasser)
• Luftkühlung
• Verdunstungskühlung
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Wärmeverhältnis
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
11
0°C‐10°C‐20°C‐30°C‐40°C‐50°C‐60°CVerdampfungstemperatur to
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
Qo/Qh(COP)
th = 180°C
th = 160°C
th = 100°C
th = 80°C
th = 120°C
th = 200°C
th = 140°C
AMMONIAKABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEWÄRMEVERHÄLTNIS (COP) Qo/Qh = f ( to )
Qo KÄLTELEISTUNGQh ERF.HEIZLEISTUNG th HEIZMITTELTEMPERATUR (Sattdampf)tw KÜHLWASSERTEMPERATUR
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Anlagenkomponenten
Benennung Ausführung Bemerkung
Austreiber überfluteter Röhrenkessel Wärmetauscher beheizt mit Sattdampf
Lösungs‐Wärmetauscher Flüssigkeitswärmetauscher vollverschweißter Platten‐Wärmetauscher
Trennsäule vertikaler Druckbehälter mit Trennböden innerer Wärme‐ und Stoffaustausch
Absorber horizontaler Rohrbündel Wärmetauscher wassergekühlt
Nachkühler Gas/ Flüssigkeitswärmetauscher optionalvollverschweißter Platten‐Wärmetauscher
PumpenLösungspumpe
RefluxpumpeAmmoniak Pumpen
angepasste mehrstufige Kreiselpumpen mit Gleitringdichtungen
Spaltrohr Motorpumpe
zwei installierte PumpenBetriebspumpeReservepumpezwei installierte PumpenBetriebspumpeReservepumpe
Lösungssammler horizontaler Druckbehälter mit Einbauten
Entlüftungseinrichtung Strahlpumpe mit nachgeschaltetemAbscheider
Erforderlich bei Verdampfungstemperaturen< ‐30°C (‐22°F)
Rohrleitungen, Armaturen, Zubehör
Technische Regeln Rohrleitungen (TRR)PN 25Flansche Feder/ Nut
Geschweißte Verbindungen bevorzugt,Flanschverbindungen möglichst vermeiden
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
12
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Regelkonzept
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
13
PIC TIC
LIC
PIC
TIC
ABSORBER
LIC
AMMONIAKFLÜSSIG
AMMONIAKDAMPF
WÄRME-ABFUHR
LÖSUNGS-SAMMLER
VERDAMPFER
LÖSUNGSPUMPE
AUSTREIBER
KONDENSATOR
WÄRME-ABFUHR
AMMONIAKSAMMLER
HEISSWASSER
REFLUXPUMPE
TRENNSÄULE
WÄRMETAUSCHERLÖSUNGS-
Benennung Ausführung Bemerkung
Regelkreise Industrie Standard, pneumatische Ventilantriebe
speicherprogrammierbare Steuerung
Sicherheitseinrichtungen bauteilgeprüfte Geräte NOT AUS Systeme
„hart verdrahtet“
Sicherheitsventile „problematisch“
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhAmmoniak Absorptions‐Kälteanlagen
Angepasste Anlagen
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
14
Verdampfungstemperaturgrd. C
KälteleistungkW
Bemerkung
0 bis ‐60 (‐65) Praktisch unbegrenzt,aufgeteilt in parallele Einzelstränge je 10 MW
mehrstufige Anlagen,Luftkühlung möglich,Sondervorschriften
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Vordefinierte Ammoniak Absorptions‐Kälteanlagen
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
15
BenennungNennkälte‐leistung
Ammoniak Verdampfungs‐temperatur
Einsatz‐bereiche
Typ AK 100
Typ AK 180
± 0 bis ‐30 (‐40)°C
± 0 bis ‐30 (‐40)°C
80 – 150 kW
150 – 250 kW
anschluss‐fertiganschluss‐fertig
Typ AK 250
Typ AK 400
Typ AK 600
± 0 bis ‐30 (‐40)°C
± 0 bis ‐30 (‐40)°C
± 0 bis ‐30 (‐40)°C
200 – 400 kW
350 – 500 kW
400 – 800 kW
anschluss‐fertiganschluss‐fertiganschluss‐fertig
Typ AK 900 ± 0 bis ‐30 (‐40)°C 700 – 1000 kW anschluss‐fertig2 Module
Die Nennkälteleistung bezieht sich auf NH3‐Verdampfungstemperatur ‐30°C, Sattdampf 5 bar(ü) (ts 160°C), Kühlwasser Vorlauf 25°C.
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Vordefinierte Ammoniak Absorptions‐Kälteanlagen
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
16
BenennungNennkälte‐leistung
Ammoniak Verdampfungs‐temperatur
Einsatz‐bereiche
Typ AK 1200
Typ AK 1500
Typ AK 2000
± 0 bis ‐50 (‐60)°C
± 0 bis ‐50 (‐60)°C
± 0 bis ‐50 (‐60)°C
800 – 1400 kW
1200 – 2000 kW
1800 – 3000 kW
vier Module
vier Module
vier Module
Die Nennkälteleistung bezieht sich auf NH3‐Verdampfungstemperatur ‐30°C, Sattdampf 5 bar(ü) (ts 160°C), Kühlwasser Vorlauf 25°C.
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhParallelschaltung Ammoniak
Absorptions‐Kälteanlage (AKA)/ Kompressions‐Kälteanlage (KKA)
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
17
ARPTEMPERATUR-
WECHSLERSOL. HEAT EXCHANGER
ARPLÖSUNGS PUMPESOLUTION PUMP
ABS_02E
KASKADEN-WÄRMETAUSCHERCASCADEHEAT EXCHANGER
ARPTRENNSÄULE
RECTIFYING COLUMN
ARPAUSTREIBER
DESORBER
Qd arp
Qr arp
ARPAMMONIAK KONDENSATORAMMONIA CONDENSER
Qc arp
CRPMECH. VERDICHTERMECH. COMPRESSOR
CRPVERDAMPFEREVAPORATOR
Qo crp
Qc crp
CRPKONDENSATORCONDENSERNk crp
ARPABSORBER
Qa arp
Qo arp
Die Parallelschaltung der Anlagen bietet sich an, wenn
⇒ ein vorhandenes Kompressions‐Kältesystem durch eine Absorptions‐Kälteanlage erweitert oder ersetzt werden soll,
⇒ die Absorptions‐Kälteanlage zeitweilig stillgesetzt und nur eine kleine Kälteleistung für die Stillstandszeit (z.B. Wochenende) benötigt wird.
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Betriebseigenschaften
• Antrieb durch „billige“ (Ab‐) Wärme
• geringer Bedarf an elektrischer Energie
• kleine elektrische Anschlussleistungen
• einfacher Aufbau, einfache Bedienung und Unterhaltung
• Zuverlässigkeit, überlegene Verfügbarkeit,
• günstiges Teillastverhalten bei proportionaler Abnahme der erforderlichen Wärmezufuhr,
• Anspruchslosigkeit im Hinblick auf Ersatzteilbedarf, außer Pumpen keine beweglichen, verschleißbehafteten Maschinen,
• umweltfreundliche Arbeitsstoffe,
• das Kältemittel ist ölfrei,
• geringer Geräuschpegel, keine Vibrationen,
• problemlose Aufstellung im Freien (gilt für Ammoniak Absorptions‐Kälteanlagen),
• lange Lebensdauer
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
18
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhAnwendungsbeispiele von Ammoniak
Absorptions‐Kälteanlagen
• Nahrungsmittelindustrie
– Brauereien
– Molkereien
– Schlachtereien, Fleischverarbeitung
– Gefriertrocknung, Erzeugung von Temperaturen bis ‐60°C
– andere
• Chemie, Petrochemie, Raffinerien
• Abgasnutzung bei thermischer Nachverbrennung, Pyrolyse‐Prozessen
• Eigenstromwerzeugung
• Fernwärmenutzung
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
19
mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh
Schlussbetrachtung
attraktiv durch Energie‐ und Betriebskosten
die eingesetzten Arbeitsstoffe sind ökologisch unbedenklich,CO2‐Emissionen werden reduziert
einfache Bedienung und Wartung
lange Lebensdauer
ABER
höhere Erstinvestitionen
größerer Platzbedarf
September 2011 Beiersdorf, Hamburg
AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN
20