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Thermodynamische Analyse von Hochtemperaturwärmepumpen unter Verwendung von HFO und HCFO Kältemitteln

  • Da konventionelle Kältemittel im Vergleich zu CO2 ein großes Treibhauspotential (GWP) aufweisen, gewinnen neue, alternative Kältemittel, sogenannte low-GWP Kältemittel, stärker an Bedeutung. Zu diesen low-GWP Kältemitteln gehören u.a. die Fluide der HFO und HCFO Kältemittel. Durch ihre thermophysikalischen Eigenschaften eignen sie sich insbesondere für die Anwendung in industriellen Hochtemperaturwärmepumpen (HTWP), die im Temperaturbereich von 100 °C bis 160 °C ein großes Potenzial in der Nahrungsmittel-, Papier- und Chemieindustrie zur Prozesswärmebereitstellung aufweisen. In dieser Masterarbeit werden die Kältemittel R1336mzz(Z), R1233zd(E), R1224yd(Z), R1234ze(Z) und R514A auf ihre Anwendbarkeit in drei verschiedenen Kältekreiskonfigurationen untersucht. Dabei soll herausgefunden werden, welches Kältemittel sich unter Berücksichtigung des COPs, der volumetrischen Heizleistung, der Verdichtungsverhältnisse und Verdichtungsendtemperaturen am besten eignet. Der Kreislauf mit internem Wärmeübertrager (IHX) findet bereits Anwendung in HTWP und dient zum grundlegenden Vergleich der Kältemittel. Die beiden neuen Kreisläufe eignen sich u.a. für große Spreizungen an der Senke. Eine in dieser Arbeit betrachteten Kältekreiskonfiguration besteht aus zwei parallel angeordneten IHX Kreisläufen (2KP) und die andere aus einer zweistufigen Kreislaufkonfiguration (2SE). Mithilfe des Programms EES wird für die Kreisläufe ein Modell erstellt, mithilfe dessen der Senkentemperaturbereich von 100 °C bis 160 °C und der Quellentemperaturbereich von 40 °C bis 80 °C untersucht werden kann. Die Auswertung der Simulationen kam zu dem Ergebnis, dass R514A bis zu einer Senkentemperatur von 130 °C und R1336mzz(Z) ab dieser Senkentemperaturen im IHX und 2SE Kreislauf die besten COP Werte aufweist. Zudem sind die Verdichtungsendtemperaturen und das Verdichtungsverhältnis günstig, die volumetrische Heizleistung hingegen am geringsten. Im 2KP Kreislauf besitzt die Kältemittelkombination R1336mzz(Z)/R514A die besten COP Werte. Der 2KP Kreislauf weist die besten COP Werte der betrachteten Kältekreiskonfigurationen auf. Im Betriebspunkt bei einer Senkentemperatur von 130 °C (ΔT Senke 60 K) und einer Quellentemperatur von 60 °C (ΔT Quelle 10 K) liegt der COP des IHX bei 3,95, der des 2SE bei 4,05 und der des 2KP bei 4,26. R1233zd(E) überzeugt im IHX und 2SE Kreislauf mit einer deutlich höheren VHC im Vergleich zu R1336mzz(Z), bei etwas geringeren COP Werten. Die Untersuchung zeigt auch, dass die Auswahl einer Kältekreiskonfiguration und eines Kältemittels stark von den Betriebstemperaturen abhängt.
  • Since conventional refrigerants have a large global warming potential (GWP) compared to CO2, new, alternative refrigerants, so-called low-GWP refrigerants, are gaining in importance. These low-GWP refrigerants include the fluids of HFO and HCFO refrigerants. Due to their thermophysical properties, they are particularly suitable for use in industrial high-temperature heat pumps, which have great potential for supplying process heat in the food, paper and chemical industries in the temperature range from 100 °C to 160 °C. This master thesis examines the refrigerants R1336mzz(Z), R1233zd(E), R1224yd(Z), R1234ze(Z) and R514A for their applicability in three different refrigerant circuit configurations. The aim is to find out which refrigerant is best suited considering the COP, volumetric heating capacity, compression ratios and final compression temperatures. The circuit with an internal heat exchanger (IHX) is already used in high temperature heat pumps up to sink temperatures of 130 °C and is used for the basic comparison of refrigerants. The two new circuits are suitable, for example, for large temperature differences at the sink. One circuit consists of two parallel IHX circuits (2KP) and the other one of a two-stage circuit configuration (2SE). The EES program is used to create a model of the circuits that can be used to study the sink temperature range from 100 °C to 160 °C and the source temperature range from 40 °C to 80 °C. The evaluation of the simulations concluded that R514A had the best COP values in the IHX and 2SE circuit up to sink temperatures of 130°C. For a sink temperature of 130 °C and higher R1336mzz(Z) has the best COP values in these circuits. In addition, the discharge temperatures and the compression ratio are favorable, while the volumetric heating capacity is the lowest. In the 2KP circuit, the refrigerant combination R1336mzz(Z)/R514A has the best COP values. The 2KP circuit has the best COP values of the considered refrigerant circuit configurations. At the operating point at a sink temperature of 130 °C (ΔT sink 60 K) and a source temperature of 60 °C (ΔT source 10 K), the COP value of the IHX is 3.95, the 2SE is 4.05 and the 2KP is 4.26. R1233zd(E) convinces in the IHX and 2SE circuit with a significantly higher VHC compared to R1336mzz(Z) at slightly lower COP values. The investigation also shows that the selection of a refrigerant circuit configuration and a refrigerant depends strongly on the operating temperatures.

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Metadaten
Verfasserangaben:Kevin Diewald
DOI:https://doi.org/10.25924/opus-3145
Verlag:FH Vorarlberg
Betreuer:Babette Hebenstreit, Cordin Arpagaus
Dokumentart:Masterarbeit
Sprache:Deutsch
Erscheinungsjahr:2019
Titel verleihende Institution:FH Vorarlberg
Datum der Freischaltung:18.11.2019
Freies Schlagwort / Tag:HCFO; HFO; Hochtemperaturwärmepumpen; Kältemittel
Seitenanzahl:XII, 81
Open Access?:ja
Studiengänge:Energietechnik und Energiewirtschaft
Lizenz (Deutsch):License LogoUrhG - The Austrian Copyright Act applies - Es gilt das österr. Urheberrechtsgesetz