Energetischer Vergleich von Ammoniak - Kälteanlagen
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Energetischer Vergleich von Ammoniak - Kälteanlagen
Energetischer Vergleich von Ammoniak - Kälteanlagen für industrielle Anwendungen Wenn man von speziellen Anwendungsfällen zwecks Nutzung von Abwärme absieht, erlaubt der Kaltdampfprozess mit mechanischer Verdichtung des umlaufenden Kältemittels den geringstmöglichen Energieeinsatz zur Erfüllung seiner Aufgabe. Die jährlichen Betriebsstundenzahlen sind bei Großkälteanlagen für industrielle Anwendungen, insbesondere im Lebensmittelbereich, in der Regel recht hoch. Hier steht der sparsame Umgang mit Energie zur Erfüllung der kältetechnischen Aufgabe im Vordergrund. Unstrittig ist, daß sich das Kältemittel Ammoniak in dieser Hinsicht ganz besonders günstig verhält. eurammon- Information Nr. 9 / 0ktober 1997 1. Höhe des Energieaufwandes zur Kältemittelverdichtung Der spezifische Energieaufwand am Verdichter ist die wichtigste Größe, wenn die Wirtschaftlichkeit zur Erfüllung des Kältebedarfes verglichen werden soll. Die ohne Nullpunkt-Unterdrückung in Bild 1 dargestellten Kurvenverläufe zeigen sehr deutlich den enormen Einfluß, den sinkende Verdampfungsbzw. steigende Verflüssigungstemperaturen auf die Energiekosten haben. Da ist es ziemlich unerheblich, von welchem Hersteller die verwendeten Daten stammen, die hier für mittelgroße Kolbenverdichter zutreffend eingetragen wurden. Die an sich dimensionslose Darstellung wurde absichtlich mit Dimensionen versehen, damit auch Laien zu verdeutlichen ist: Wer auf sparsamen Energieeinsatz vorrangig achten muß, darf sich unnötige Temperaturdifferenzen weder auf der warmen noch auf der kalten Seite der Kälteanlage leisten. Bild 1: Spez. Energieaufwand zur Ammoniak-Verdichtung Vorgenannte Grundsatzforderungen lassen sich mit einem einfachen Anlagenschema verwirklichen, das seit langem bekannt ist und dem in Bild 2 dargestellten Schema entspricht. eurammon- Information Nr. 9 / 0ktober 1997 2. Anlagenschema zur optimalen Nutzung der aufgewendeten Energie 2.1 Auf der warmen Seite können durch den Einsatz von Verdunstungsverflüssigern die jahreszeitlich gegebenen günstigen Voraussetzungen zur Erzielung einer niedrigen Verflüssigungstemperatur genutzt werden. Der Hochdruckschwimmer-Regler als Drosselorgan ermöglicht es, daß diese vorteilhafte Situation auch tatsächlich genutzt wird, denn er ist - im Gegensatz zu Expansionsventilen - nicht auf eine bestimmte Druckdifferenz hin auszulegen. 2.2 Auf der kalten Seite können durch den Einsatz "überflutet arbeitender" Verdampfer ebenfalls minimale Temperaturdifferenzen verwirklicht werden. Die so bezeichneten Wärmetauscher stellen ihre gesamte Oberfläche für den Verdampfungsvorgang zur Verfügung. Im Gegensatz zum Expansionsventilbetrieb wird im Verdampfer weder ein Flächenanteil zur Überhitzung des austretenden Kältemitteldampfes be-nötigt noch muß aus dem gleichen Grunde die Verdampfungstemperatur zusätzlich abgesenkt werden. Bild 2: Ammoniak-Kälteanlage mit überflutet arbeitenden Verdampfern Das flüssige Kältemittel gelangt mittels Schwerkraft oder mit Pumpen-Unterstützung aus dem "Abscheider" genannten ND-Behälter zu den Verdampfern. eurammon- Information Nr. 9 / 0ktober 1997 Wenn der gesamte Kältemittelinhalt in diesem Abscheider Platz findet, sind sonst zu befürchtende Flüssigkeitsschläge für alle Zeiten ausgeschlossen. Aus umweltpolitischen Gründen strebt man in neuzeitlichen Anlagen eine Minimierung des Kältemittelfüllgewichtes an. Viele Komponenten der konventionellen Anlagen-technik waren in dieser Hinsicht verbesserungswürdig. 3. Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieeinsatzes 3.1 Anlagen mit Direktverdampfung des Kältemittels Verdampferbauarten, die mit Kältemittelüberflutung oder -berieselung betrieben werden, haben gute Wärmeübertragungswerte und erfordern daher kleine Temperaturdifferenzen zwischen dem verdampfenden Kältemittel und dem zu kühlenden Produkt, so daß der Verdichter bei höherer Verdampfungstemperatur ansaugen kann. Unerwünscht große Kältemittelfüllmengen lassen sich durch moderne Verdampferkonstruktionen vermeiden. Die zentrale Kälteanlage mit Pumpenbetrieb zur Kältemittelumwälzung ist aus energiewirtschaftlicher Sicht nach wie vor eine optimale Lösung. Direktverdampfung mit Expansionsventilbetrieb erfordert prinzipiell einen höheren Energieeinsatz, wie zuvor unter 2. erklärt. eurammon- Information Nr. 9 / 0ktober 1997 Bild 3: Berieselungsverdampfer 3.2 Bild 4: Vollverschweißter Plattenverdampfer Bild 5: Luftkühler mit obenliegender Einspritzung Indirekte Kühlung Der Einsatz eines Kälteträgers ist eine häufig und gern genutzte Alternative. Der Verzicht, den Kältebedarf durch direkte Kältemittelverdampfung zu decken, ist aber notwendigerweise mit der Überwindung zusätzlicher Temperaturdifferenzen verbunden. Dies erfordert einen höheren Energieeinsatz; hinzu kommt, daß an der Pumpe des Kälteträgers stets mehr aufzuwenden ist, im Vergleich zur Kältemittelpumpe. Unnötige Temperaturdifferenzen vermeiden moderne Bauarten von überflutet arbeitenden Plattenver-dampfern, die auch den speziellen Werkstoffanforderungen von Ammoniak entsprechen. Sie vereinen zudem die Vorzüge hoher Übertragungsleistung mit denen sehr geringer Füllmengen. Neue Kälteträger-Rezepturen ermöglichen auch deren Einsatz bei tiefen Temperaturen. eurammon- Information Nr. 9 / 0ktober 1997 4. Bei Verringerung der Kältemittelfüllmenge den Genehmigungsverfahren für Ammoniak-Kälteanlagen spielt die Kälte- mittelfüllmenge der Anlage eine bedeutende Rolle, so daß die Vorteile der Direktverdampfung bei Apparaten, die größere Kältemittelfüllmengen enthalten (z.B. mantelraumseitig überflutete Rohrbündelapparate oder Kühltaschen von zylinderkonischen Brauerei-Gärtanks), gegenüber den dadurch mitunter bedingten behördlichen Auflagen bei der Bewertung in den Hintergrund geraten können. Gerade dieser Sachverhalt hat in der letzten Zeit dazu geführt, daß trotz energetischer Verschlechterung des Kühlprozesses der indirekten Kühlung der Vorzug gegeben wurde (Kunsteisbahnen, Brauereien). Begünstigt wird diese Tendenz durch den Einsatz von Plattenwärmeübertragern (siehe 3.2), die trotz überfluteter Betriebsweise nur eine minimale Kältemittelfüllmenge benötigen und dabei hohe Wärmeübertragungswerte aufweisen, so daß die Verdampfungstemperaturen gegenüber der Direktverdampfung bei preislich vertretbarer Wärmeübertragerbemessung nur unwesentlich niedriger als bei der Direktverdampfung sein müssen. 5. Verringerung der energetischen Nachteile Wenn die Anwendung der indirekten Kühlung aus Aufstellungsgründen gem. VBG 20 notwendig oder aus den unter Abschnitt 4 genannten Gründen vorteilhaft ist, dann ist zu unterscheiden zwischen: eurammon- Information Nr. 9 / 0ktober 1997 5.1 Anlagen, die ausschließlich mit indirekter Kühlung betrieben werden Bei einer vorgegebenen Ausführung eines Wärmeübertragers sind die Soletemperaturen zur Kühlung grundsätzlich in Grenzen frei wählbar. Bei bekannter Gärungstemperatur, konstruktiv festgelegter Wärmeübertragerfläche und annähernd vergleichbaren Wärmeübergangsbedingungen ist die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz für einen Gärtank technologisch vorgegeben. Sie kann mit kleinen (Beispiel 1) oder großen (Beispiel 2) Soletemperaturdifferenzen (Spreizung) realisiert werden. Die zur Kälteerzeugung erforderliche Verdampfungstemperatur wird bei einem angenommenen überfluteten Betrieb jeweils ca. 4 K unter der Solevorlauftemperatur angesetzt. Die Auswirkung der Temperaturspreizung für eine Brauereianlage mit zylindrokonischen Gärtanks zeigt die nachfolgende Vergleichsrechnung: Abführung der Gärwärme, obergäriges Bier Beispiel 2 Gärtemperatur Soletemperatur-Spreizung Solevorlauf Solerücklauf Verdampfungstemperatur Kälteleistung Sole-Volumenstrom Elektrische Leistungsaufnahme - Verdichter - Solepumpe - Gesamt (°C) (K) (°C) (°C) (°C) (kW) (m3/h) Beispiel 1 +22,0 5,5 +2,0 +7,5 -2,0 300,0 48,5 +22,0 15,0 -3,0 +12,0 -7,0 300,0 17,8 (kW) 62,9 75,1 (kW) 5,8 2,3 (kW) 68,7 77,4 ============================== eurammon- Information Nr. 9 / 0ktober 1997 Der Vergleich beider Rechenbeispiele läßt folgende Schlüsse zu: 1. Die Kälteerzeugung bei hohen Verdampfungstemperaturen im Beispiel 1 erfolgt bei gleicher Kälteleistung mit einer deutlich geringeren 2. Verdichterantriebsleistung. Die höheren Soletemperaturdifferenzen und damit verbunden niedrigen Solevolumenströme im Beispiel 2 führen im Vergleich zu den Leistungsaufnahmen der Verdichter nur zu unbedeutenden Einsparungen. Bei Installation einer Neuanlage sollte über die Wahl der Soletemperaturen die Verdampfungstemperatur möglichst hoch festgelegt werden. Damit wird die Auslegung bezüglich der Betriebskosten optimal. 5.2 Anlagen, die sowohl mit direkter Verdampfung als auch mit indirekter Kühlung bei gemeinsamer Verdampfungstemperatur arbeiten Da in diesem Fall die Verdampfungstemperatur festgelegt und somit die VerdichterLeistungsaufnahme nicht beeinflußt werden kann, läßt sich durch größere Temperaturspreizung des Kälteträgers die Umwälzmenge reduzieren und damit Antriebsleistung einsparen. 5.3 Umstellung einer Anlage mit Ammoniak-Direktverdampfung auf indirekte Kühlung Diese Aufgabenstellung ergibt sich u.a. bei Maßnahmen zur Füllungsreduzierung gem. Absatz 4. Wenn z. B. bezogen auf das in Absatz 5.1 genannte Brauereibeispiel das vorhandene eurammon- Information Nr. 9 / 0ktober 1997 Rohrleitungsnetz für den Solebetrieb genutzt werden soll, dann sind die Nennweiten der NH3-Flüssigkeitsvorlaufleitungen für eine Temperaturspreizung von 5 K zu klein, da sich in diesem Fall zu hohe Solegeschwindigkeiten mit hohen Pumpen-Differenzdrücken und entsprechend hoher Leistungsaufnahme ergeben würden. In diesem Fall muß die Spreizung erhöht werden (im Beispiel 5.1 auf 15 K), um mit der elektrischen Leistungsaufnahme der Pumpe in einer vertretbaren Größenordnung zu bleiben. 5.4 Einsatz von neuentwickelten Solen Neuentwickelte Solen (siehe 3.2) auf Basis organischer Salze haben gegenüber Glycolbzw. Calziumchloridsolen eine wesentlich geringere Viskosität und damit bessere Wärmeübergangszahlen, so daß bei gleicher Wärmeübertragerfläche die mittlere Temperaturdifferenz verkleinert werden kann. Diese Solen eignen sich insbesondere für den Tiefkühlbereich. Die besonderen Einsatzgrenzen und speziellen chemisch-technischen Eigenschaften sind bei der Systemfestlegung und der Material- und Komponentenauswahl zu berücksichtigen. 5.5 Durch Kälteträger mit Phasenumwandlung Einsatz von Wasser/Eis-Mischungen (z.B. FLO-ICE) lassen sich gute Wärmeübergangszahlen und damit bei gleichen Wärmeübertragungsflächen kleine Temperaturdifferenzen erreichen. Ein weiterer Vorteil sind auch wesentlich kleinere erforderliche Rohr-leitungsquerschnitte. Nachteilig ist allerdings der apparative Mehraufwand für die FLO-ICE-Erzeugung, die sich in zahlreichen Fällen nur dann rechnen dürfte, wenn auch Energiespeicherung (z.B. Nutzung preiswerten Nachtstromes) möglich ist. eurammon- Information Nr. 9 / 0ktober 1997 6. Schlußfolgerung Aus den vorstehenden Ausführungen ist zu entnehmen, daß keine allgemeingültige Aussage bei industriellen Kälteanlagen für die Systemwahl möglich ist, und daß oftmals andere Entscheidungskriterien als rein energetische Betrachtungen für die Anlagenausführung bestimmend sein können. ________________________________________________________________________________________________________ Herausgegeben von eurammon w Postfach 71 08 64 w D-60498 Frankfurt Telefon +49 69 6603 1277 w Fax +49 69 6603 2276 e-mail: [email protected] http://www.eurammon.com eurammon- Information Nr. 9 / 0ktober 1997