Kurzbeschreibung
Der Einsatz von Wärmepumpen in industriellen Hochtemperaturprozessen hat im Hinblick auf Energieeinsparung und Reduzierung der Treibhausgasemissionen ein hohes Potenzial (laut Statistik Austria, die Industrie ist für rund ein Drittel Endenergieverbrauchs in Österreich verantwortlich). Der Wärmepumpenbetrieb in industriellen Prozessen ist typischerweise mit hohen Kältemitteldrücken verbunden (da sie zum Erreichen so hoher Prozesstemperaturen benötigt werden), denen typischerweise ein hoher Anteil der Expansionsarbeiten im Kältemittelkreislauf folgt. In der Standardkonfiguration der Wärmepumpe erfolgt dieser Expansionsprozess in Form der irreversiblen Energieverluste. Um die Effizienz dieser Maschinen zu erhöhen, wird daher versucht, diese Expansionsenergie (zumindest teilweise) zurückzugewinnen (wodurch der Gesamtleistungskoeffizient erhöht wird). Im Mittelpunkt dieses Sondierungsprojektes stehen zwei Komponenten zur Energierückgewinnung aus dem Expansionsprozess: der Ejektor und das Wirbelrohr. Diese beiden Komponenten (die derzeit an verschiedenen TRLs für industrielle Anwendungen erforscht werden) sind mit einer COP-Verbesserung von bis zu 27% (nach verfügbarer Literatur) besonders innovativ. Im Ejektor wird der Enddruck des Ausflussstroms auf ein mittleres Niveau angehoben (durch die Mischung zwischen Hoch- und Niederdruckstrom), wodurch der Arbeitsaufwand für den Kompressor reduziert wird. Die Wirbelrohrfunktion ist die Trennung des ankommenden Hochdruckstroms in einen kalten und einen heißen Strom auf dem niedrigeren Druckniveau (Ranque-Hilsch Effekt), wobei diese beiden Auslaufströme jeweils zur Unterkühlung und Überhitzung des Kältemittels genutzt werden können. Trotz der Vorteile, die Ejektoren und Wirbelrohre für die Gesamtleistung der industriellen Wärmepumpen mit sich bringen können, sind sie immer noch nicht weit verbreitet (die Ejektoren werden meist in Verbindung mit dem CO2 als Kältemittel eingesetzt, während die Wirbelrohre in sehr engen Anwendungsbereichen zu finden sind). Der Grund dafür ist ein mangelndes praktisches Verständnis der zugrunde liegenden Strömungsprozesse im Ejektor bzw. im Wirbelrohr. Nämlich die in der Literatur verfügbaren experimentellen Untersuchungen, die die Systemleistung mit Ejektoren oder Wirbelrohren betrachten, sind bei der Behandlung der kritischen, fehlerhaften Elemente ihrer Funktionalität weitgehend nicht schlüssig. Um dieses Hindernis zu überwinden und gleichzeitig den Einsatz dieser Energieverbesserungsmaßnahmen in industriellen Wärmepumpen zu erweitern, werden die besten verfügbaren Simulationswerkzeuge eingesetzt, um eine Reihe detaillierter numerischer Untersuchungen durchzuführen. Ziel ist es, ein klares Bild über den Einfluss der genauen Geometriespezifikationen, die Anwendbarkeit verschiedener Kältemittel und die Teillastperformance zu erhalten. Zu diesem Zweck werden am Ende dieses Projekts drei Ergebnisgruppen (zur Verbesserung der Arbeitsabläufe, die innerhalb des Projekts als einzelne Arbeitspakete strukturiert sind) vorgelegt: 1) durch eine Reihe detaillierter numerischer Untersuchungen, um ein ausreichendes Verständnis der Strömungsvorgänge innerhalb des Ejektors und des Wirbelrohres zu erreichen (letztendlich, um erste Entwürfe der Konstruktionszeichnungen sowohl des Ejektors als auch des Wirbelrohres erstellen zu können); 2) auf der Grundlage des entwickelten Verständnisses, um realistisch lieferbare Wärmepumpenkonfigurationen zu modellieren und zu analysieren, die zu den Leistungsverbesserungen und Einsparpotenzialen führen, die durch den Ejektor und die Wirbelrohranwendung ausgelöst werden; 3) mit einem grundlegenden Design- und Konstruktionsvorschlag vom ersten Punkt an und der Abschätzung der Einsparungen und Verbesserungen vom zweiten Punkt an, ist das Endergebnis, dass die vorläufige Kosten-Nutzen-Bewertung sowohl für den Ejektor als auch für das Wirbelrohr in einer industriellen Hochtemperatur-Wärmepumpe erreicht wird.