Wärme für die industrielle Produktion und Nahwärmenetze / 12.11.2014

Hochtemperatur-Wärmepumpe für die Industrie

Versuchsaufbau der Hochtemperatur-Wärmepumpe in Hannover. © Leibniz-Universität Hannover
Fließschema des Hochtemperatur-Wärmepumpen-Systems. © Leibniz-Universität Hannover

Mit Wärmepumpen kann Niedertemperatur-Abwärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein zur Nutzung interessantes höheres Temperaturniveau gefördert werden. Dafür ist nur ein Bruchteil der elektrischen Energie erforderlich, die für eine elektrische Heizung benötigt würde.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Hochtemperaturwärmepumpe besonders größerer Wärmeleistung im Nutztemperaturbereich von 80-100 °C. Wärme in diesem Temperaturbereich ist für viele Anwendungsbereiche einsetzbar, sowohl in der industriellen Produktion als auch in Nahwärmenetzen. Die Forschungsanlage erreicht eine Wärmeleistung von 40 kW.

Die Anlage wird aus Standardkomponenten aufgebaut, ein Schraubenverdichter wird an die speziellen Anforderungen angepasst. Als Kältemittel wird als natürliches Arbeitsfluid ein Ammoniak -Wasser-System, kombiniert mit einem Schmierstoff, eingesetzt. Die komplette Anlage wird einschließlich Sicherheits-, Mess- und Regelungstechnik nationalen und internationalen Anforderungen entsprechend aufgebaut.

Erprobungsmuster der Wärmepumpenanlage

Die Entwicklungsfirma Steffen Hartmann Recyclingtechnologien entwickelt das Erprobungsmuster der Wärmepumpe sowie das Kältemittel in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Continental AG, dem Institut für Thermodynamik Hannover und dem Forschungszentrum für Kältetechnik Hannover. Hieraus wird ein Fertigungsmuster entwickelt und gebaut. Dieses soll eine thermische Leistung von 100 kW erbringen.
Die Entwickler arbeiten daran, die apparativen Einrichtung und das Kältemittel zu optimieren. Dabei untersuchen sie unter anderem das Schäumungsverhalten und die Alterung des dem Kältemittel zugesetzten Öls.

Ammoniak-Wasser-Gemisch als Kältemittel

Die bisher in Wärmepumpen als Arbeitsfluid eingesetzten halogenierten Kohlenwasserstoffe sollen durch natürliche Kältemittel ersetzt werden. Hier gilt es, insbesondere für Hochtemperaturwärmepumpen, ein natürliches Kältemittel zu entwickeln, das bei Nutztemperaturen von über 80 °C eine geeignete Drucklage besitzt. Der Kondensationsdruck von Ammoniak ist für die marktverfügbaren Kälteanlagenkomponenten zu hoch. Mit 41,4 bar bei 80°C übersteigt er deren Betriebsdrücke von typischerweise unter 25 bar, selten werden auch bis 40 bar erreicht. Durch Zugabe von Wasser in das Ammoniak kann der Kondensationsdruck auf etwa 15 bar gesenkt werden.

Hybridwärmepumpe kombiniert Absorption und Kompression

Durch die Ammoniak-Wasser-Kombination im Kühlkreislauf werden technische Veränderungen erforderlich. Anders als bei einer einfachen Kompressionswärmepumpe ist eine Pumpe zur Förderung des entgasten Wassers notwendig. Damit entsteht eine Hybrid-Wärmepumpe: Sie verbindet die Funktionsweisen von Absorptions- und Kompressionswärmepumpe.
Sie ist komplexer aufgebaut als eine Kompressionswärmepumpe. Den Anforderungen entsprechend wird der Kühlkreislauf mit Wärmeübertragern, Verdampfer und Kondensator von den Entwicklern neu ausgelegt und angepasst.

Durch eine Veränderung des Mischungsverhältnisses von Ammoniak und Wasser lassen sich Betriebstemperatur und Druck des Arbeitsfluids beeinflussen. Die Anlage erreicht dadurch eine hohe Effizienz, dass die gleitende Verdampfungs- und Kondensationstemperatur des Zweistoffgemisches eine geringe Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsfluid und Wärmeträger gewährleistet.

Mehr zum Projekt

Hochtemperatur-Kompressionswärmepumpe für industrielle Anwendungen

Projektbeteiligte:

Steffen Hartmann Recyclingtechnologien GmbH

Leibniz-Universität Hannover, Institut für Thermodynamik

Förderkennzeichen:
03ET1168A

Laufzeit:
2013-2016

Links

BINE Projektinfo 07/2012
Mit Wärme kühlen

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.