624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
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Wärmepumpen werden als vielversprechende Lösung zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors angesehen. Konventionelle Kältemittel, die als direkte Emissionen aus Wärmepumpensystemen austreten, stellen insbesondere vor dem Hintergrund steigender Installationszahlen ein relevantes Treibhauspotenzial dar. Natürliche Kältemittel verfügen über ein geringes Treibhauspotenzial und können daher zur Substitution konventioneller Kältemittel verwendet werden. Dennoch werden sie bislang nicht im großen Maßstab eingesetzt. Es bedarf weiterer Studien und Anreize, um den Einsatz natürlicher Kältemittel voranzubringen. In dieser Fallstudie erfolgt anhand eines Referenzprojektes ein simulativer Vergleich zweier reversibler Luft-Wasser-Wärmepumpen. Im Referenzfall wird das konventionelle Kältemittel R32 verwendet, als Alternative dient das natürliche Kältemittel R290. Die beiden Systeme werden hinsichtlich ihrer Effizienz, Klimawirksamkeit und Wirtschaftlichkeit verglichen. Die notwendigen Berechnungen basieren auf einem kalibrierten Simulationsmodell des Gebäudes und der Anlage. Die Ergebnisse zeigen einen energetischen und ökologischen Vorteil für R290. Im Heizbetrieb, der den Hauptteil des thermischen Energiebedarfs im Referenzprojekt ausmacht, erreicht die Wärmepumpe mit R290 eine um 9% höhere Jahresarbeitszahl. Im Gegensatz dazu erzielt die R32-Wärmepumpe eine um 12% höhere Jahresarbeitszahl im Kühlbetrieb. Durch die höhere Effizienz im Heizbetrieb und das niedrigere Treibhauspotenzial des Kältemittels liegen die Emissionen durch den Betrieb der R290-Wärmepumpe um 17% unter denen der R32-Wärmepumpe. Der wirtschaftliche Vergleich der beiden Systeme fällt aufgrund höherer Investitionskosten zum Nachteil der R290-Wärmepumpe aus.
Bubble columns are recently used for the humidification of air in water treatment systems and fuel cells. They are well applicable due to their excellent heat and mass transfer and their low technical complexity. To design and operate such devices with high efficiency, the humidification process and the impact of the operating parameters need to be understood to a sufficient degree. To extend this knowledge, we use a refined and novel method to determine the volumetric air–liquid heat and mass transfer coefficients and the humidifier efficiency for various parametric settings. The volumetric transfer coefficients increase with both of the superficial air velocity and the liquid temperature. It is further shown that the decrease of vapor pressure with an increase of the salinity results in a corresponding decrease in the outlet humidity ratio. In contrast to previous studies, liquid heights smaller than 0.1 m are investigated and significant changes in the humidifier efficiency are seen in this range. We present the expected humidifier efficiency with respect to the superficial air velocity and the liquid height in an efficiency chart, such that optimal operating conditions can be determined. Based on this efficiency chart, recommendations for industrial applications as well as future scientific challenges are drawn.
Bubble column humidifiers (BCHs) are frequently used for the humidification of air in various water treatment applications. A potential but not yet profoundly investigated application of such devices is the treatment of oily wastewater. To evaluate this application, the accumulation of an oil-water emulsion using a BCH is experimentally analyzed. The amount of evaporating water vapor can be evaluated by measuring the humidity ratio of the outlet air. However, humidity measurements are difficult in close to saturated conditions, as the formation of liquid droplets on the sensor impacts the measurement accuracy. We use a heating section after the humidifier, such that no liquid droplets are formed on the sensor. This enables us a more accurate humidity measurement. Two batch measurement runs are conducted with (1) tap water and (2) an oil-water emulsion as the respective liquid phase. The humidity measurement in high humidity conditions is highly accurate with an error margin of below 3 % and can be used to predict the oil concentration of the remaining liquid during operation. The measured humidity ratio corresponds with the removed amount of water vapor for both tap water and the accumulation of an oil-water emulsion. Our measurements show that the residual water content
in the oil-water emulsion is below 4 %.