Kälte aus Ab Wärme Ammoniak Absorptions Kälteanlagen · mattes engineeringgmbh Kälte aus ( Ab‐) Wärme Ammoniak Absorptions‐Kälteanlagen Helmut Mattes mattes engineering

mattesengineering gmbh

Kälte aus ( Ab‐ ) WärmeAmmoniak Absorptions‐Kälteanlagen

Helmut Mattesmattesengineering gmbh

mattesengineering gmbhmattesengineering gmbh

Einführung

Kälteerzeugung

Vergleich der Verfahren

Kompressions‐Kälteanlagen

mechanischer Kompressor,elektrisch angetrieben

Absorptions‐Kälteanlagen

der Kältemitteldampf wird

• durch eine geeignete Flüssigkeit im Absorber gelöst,

• in der Flüssigphase verdichtet,

• durch Zufuhr von Wärme aus der Lösung ausgetrieben,

• im Kondensator verflüssigt;

in Reihe hintereinander geschaltete Wärmetauscher,

geringe elektrische Leistung

September 2011 Beiersdorf, Hamburg

2AMMONIAK ABSORPTIONS‐

KÄLTEANLAGEN



AMMONIAK ABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEN

3

Standard SystemAK 600

Kälteleistung 800 kWNH3 Verd. Temperatur ‐18°C


Verfügbare Verfahren, Arbeitsmittel

Lithium‐Bromid Absorption Ammoniak‐Wasser Absorption

Kältemittel Wasser Ammoniak

Lösungsmittel Lithium‐Bromid‐Lösung Wasser

giftigbrennbarätzendGeruch

kaumneinneinnein

jakaumjastechend

ArbeitsdruckVerdampferKondensator

8 mbar (Vakuum)40 mbar (Vakuum)

200 mbar bis 3000 mbar10 bar bis 15 bar

Hauptanwendung Kaltwassererzeugung > 4,5°C

Verdampfungstemperaturen bis ‐60°C

Einsatzmöglichkeiten Klimatechnik industrielle Kälteerzeugung

Aufstellung im Gebäude im Freien möglich

Bauweise Kompaktsatz Modul‐ oder Standardanlagen



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Kompressions‐Kälteanlage

Kältemittel‐Kreislauf

• dem verdampfenden Kältemittel wird im Verdampfer bei entsprechendem Druck und entsprechender Temperatur Wärme (Kälte) Qverd zugeführt,

• der Kältemitteldampf wird abgesaugt und durch Energiezufuhr Nk im Verdichter auf höheren Druck verdichtet,

• im Kondensator wird das Kältemittel durch Wärmeabfuhr Qcond an die Umgebung verflüssigt,

• das verflüssigte Kältemittel gelangt über das Entspannungsventil wieder in den Verdampfer



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Kompressions‐Kälteanlage

Lösungsmittel‐Kreislauf

• der Kältemittel‐Kreislauf ist im Prinzip identisch zu anderen Kälteanlagen mit mechanischen Verdichtern.

• Der Lösungsmittel‐Kreislauf, der aus einer Kette hintereinander‐geschalteter Wärmetauscher besteht, lässt sich als „thermischer Verdichter“ bezeichnen.

Saugseite = Absorber

Druckseite = Austreiber



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mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhVergleich mit Kompressions‐Kälteanlagen

Energiebedarf



7

0 1 2 3 4 5 6 7

-50 -40 -30 -20 -10 0NH3 Evaporation Temperature deg.C

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7


COP = Qo/ Qh

Kom pressions- Kälteanlage Q o Kälteleistung N k Antriebsleistung

NkQokkaCOP =)(

Ab so rp tio n s- K ä ltean lage Q o K ä lte le is tung Q h H e iz le is tu ng

QhQoakaCOP =)(

mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhVergleich mit Kompressions‐Kälteanlage

Energiebedarf bei gleichen Verdampfungstemperaturen



8

3

4

5

6

7

8

9


Qh / Nk

( )( ) kh

h

k NQQQNQ

akaCOPkkaCOP /

//

0

0 ==

mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhVergleich mit Kompressions‐Kälteanlagen

Vorteile/ Nachteile

Absorptions‐Kälteanlage Kompressions‐Kälteanlage

treibende Energie thermisch mechanisch

Kältemittel‐verunreinigung

(Wasser) sehr sauber

Kältemaschinenölhäufige Wartung nötig

Heissgas gesättigt überhitzt

Geräuschpegel gering Schallschutzmaßnahmen notwendig

Aufstellung im Freien Standard Gebäude notwendig

Wartung jährlich häufig

Anfangsinvestition hoch mäßig

Platzbedarf groß klein

Energiebedarf hoch mäßig



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Wärmebilanz



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ENTSPANNUNGSVENTILPRESS. REDUCING DEVICE

ABSORBER

ENTSPANNUNGSVENTILPRESS. REDUCING DEVICE

LÖSUNGSPUMPESOLUTION PUMP

Q aVERDAMPFEREVAPORATOR

Q o

AUSTREIBERDESORBER

TEMPERATURWECHSLERSOL. HEAT EXCHANGER

Q h

KONDENSATORCONDENSER

Q c

QhQoQin +=QcQaQout +=

COPQoQh

=

Heizleistung (Qh)

• Dampf, andere Dämpfe ausreichender Temperatur

• Direkte Beheizung mit Gas oder Heizöl

• Heisswasser, heisseFlüssigkeiten

Wärmeabfuhr (Qa + Qc)

• Wasser (Kühlturmwasser, Flusswasser, Kaltwasser)

• Luftkühlung

• Verdunstungskühlung


Wärmeverhältnis



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0°C‐10°C‐20°C‐30°C‐40°C‐50°C‐60°CVerdampfungstemperatur to

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

Qo/Qh(COP)

th = 180°C

th = 160°C

th = 100°C

th = 80°C

th = 120°C

th = 200°C

th = 140°C

AMMONIAKABSORPTIONS‐KÄLTEANLAGEWÄRMEVERHÄLTNIS (COP) Qo/Qh = f ( to )

Qo KÄLTELEISTUNGQh ERF.HEIZLEISTUNG th HEIZMITTELTEMPERATUR (Sattdampf)tw KÜHLWASSERTEMPERATUR


Anlagenkomponenten

Benennung Ausführung Bemerkung

Austreiber überfluteter Röhrenkessel Wärmetauscher beheizt mit Sattdampf

Lösungs‐Wärmetauscher Flüssigkeitswärmetauscher vollverschweißter Platten‐Wärmetauscher

Trennsäule vertikaler Druckbehälter mit Trennböden innerer Wärme‐ und Stoffaustausch

Absorber horizontaler Rohrbündel Wärmetauscher wassergekühlt

Nachkühler Gas/ Flüssigkeitswärmetauscher optionalvollverschweißter Platten‐Wärmetauscher

PumpenLösungspumpe

RefluxpumpeAmmoniak Pumpen

angepasste mehrstufige Kreiselpumpen mit Gleitringdichtungen

Spaltrohr Motorpumpe

zwei installierte PumpenBetriebspumpeReservepumpezwei installierte PumpenBetriebspumpeReservepumpe

Lösungssammler horizontaler Druckbehälter mit Einbauten

Entlüftungseinrichtung Strahlpumpe mit nachgeschaltetemAbscheider

Erforderlich bei Verdampfungstemperaturen< ‐30°C (‐22°F)

Rohrleitungen, Armaturen, Zubehör

Technische Regeln Rohrleitungen (TRR)PN 25Flansche Feder/ Nut

Geschweißte Verbindungen bevorzugt,Flanschverbindungen möglichst vermeiden



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Regelkonzept



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PIC TIC

LIC

PIC

TIC

ABSORBER

LIC

AMMONIAKFLÜSSIG

AMMONIAKDAMPF

WÄRME-ABFUHR

LÖSUNGS-SAMMLER

VERDAMPFER

LÖSUNGSPUMPE

AUSTREIBER

KONDENSATOR

WÄRME-ABFUHR

AMMONIAKSAMMLER

HEISSWASSER

REFLUXPUMPE

TRENNSÄULE

WÄRMETAUSCHERLÖSUNGS-

Benennung Ausführung Bemerkung

Regelkreise Industrie Standard, pneumatische Ventilantriebe

speicherprogrammierbare Steuerung

Sicherheitseinrichtungen bauteilgeprüfte Geräte NOT AUS Systeme

„hart verdrahtet“

Sicherheitsventile „problematisch“

mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhAmmoniak Absorptions‐Kälteanlagen

Angepasste Anlagen



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Verdampfungstemperaturgrd. C

KälteleistungkW

Bemerkung

0 bis ‐60 (‐65) Praktisch unbegrenzt,aufgeteilt in parallele Einzelstränge je 10 MW

mehrstufige Anlagen,Luftkühlung möglich,Sondervorschriften


Vordefinierte Ammoniak Absorptions‐Kälteanlagen



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BenennungNennkälte‐leistung

Ammoniak Verdampfungs‐temperatur

Einsatz‐bereiche

Typ AK 100

Typ AK 180

± 0 bis ‐30 (‐40)°C

± 0 bis ‐30 (‐40)°C

80 – 150 kW

150 – 250 kW

anschluss‐fertiganschluss‐fertig

Typ AK 250

Typ AK 400

Typ AK 600

± 0 bis ‐30 (‐40)°C

± 0 bis ‐30 (‐40)°C

± 0 bis ‐30 (‐40)°C

200 – 400 kW

350 – 500 kW

400 – 800 kW

anschluss‐fertiganschluss‐fertiganschluss‐fertig

Typ AK 900 ± 0 bis ‐30 (‐40)°C 700 – 1000 kW anschluss‐fertig2 Module

Die Nennkälteleistung bezieht sich auf NH3‐Verdampfungstemperatur ‐30°C, Sattdampf 5 bar(ü) (ts 160°C), Kühlwasser Vorlauf 25°C.


Vordefinierte Ammoniak Absorptions‐Kälteanlagen



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BenennungNennkälte‐leistung

Ammoniak Verdampfungs‐temperatur

Einsatz‐bereiche

Typ AK 1200

Typ AK 1500

Typ AK 2000

± 0 bis ‐50 (‐60)°C

± 0 bis ‐50 (‐60)°C

± 0 bis ‐50 (‐60)°C

800 – 1400 kW

1200 – 2000 kW

1800 – 3000 kW

vier Module

vier Module

vier Module

Die Nennkälteleistung bezieht sich auf NH3‐Verdampfungstemperatur ‐30°C, Sattdampf 5 bar(ü) (ts 160°C), Kühlwasser Vorlauf 25°C.

mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhParallelschaltung Ammoniak

Absorptions‐Kälteanlage (AKA)/ Kompressions‐Kälteanlage (KKA)



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ARPTEMPERATUR-

WECHSLERSOL. HEAT EXCHANGER

ARPLÖSUNGS PUMPESOLUTION PUMP

ABS_02E

KASKADEN-WÄRMETAUSCHERCASCADEHEAT EXCHANGER

ARPTRENNSÄULE

RECTIFYING COLUMN

ARPAUSTREIBER

DESORBER

Qd arp

Qr arp

ARPAMMONIAK KONDENSATORAMMONIA CONDENSER

Qc arp

CRPMECH. VERDICHTERMECH. COMPRESSOR

CRPVERDAMPFEREVAPORATOR

Qo crp

Qc crp

CRPKONDENSATORCONDENSERNk crp

ARPABSORBER

Qa arp

Qo arp

Die Parallelschaltung der Anlagen bietet sich an, wenn

⇒ ein vorhandenes Kompressions‐Kältesystem durch eine Absorptions‐Kälteanlage erweitert oder ersetzt werden soll,

⇒ die Absorptions‐Kälteanlage zeitweilig stillgesetzt und nur eine kleine Kälteleistung für die Stillstandszeit (z.B. Wochenende) benötigt wird.


Betriebseigenschaften

• Antrieb durch „billige“ (Ab‐) Wärme

• geringer Bedarf an elektrischer Energie

• kleine elektrische Anschlussleistungen

• einfacher Aufbau, einfache Bedienung und Unterhaltung

• Zuverlässigkeit, überlegene Verfügbarkeit,

• günstiges Teillastverhalten bei proportionaler Abnahme der erforderlichen Wärmezufuhr,

• Anspruchslosigkeit im Hinblick auf Ersatzteilbedarf, außer Pumpen keine beweglichen, verschleißbehafteten Maschinen,

• umweltfreundliche Arbeitsstoffe,

• das Kältemittel ist ölfrei,

• geringer Geräuschpegel, keine Vibrationen,

• problemlose Aufstellung im Freien (gilt für Ammoniak Absorptions‐Kälteanlagen),

• lange Lebensdauer



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mattesengineering gmbhmattesengineering gmbhAnwendungsbeispiele von Ammoniak

Absorptions‐Kälteanlagen

• Nahrungsmittelindustrie

– Brauereien

– Molkereien

– Schlachtereien, Fleischverarbeitung

– Gefriertrocknung, Erzeugung von Temperaturen bis ‐60°C

– andere

• Chemie, Petrochemie, Raffinerien

• Abgasnutzung bei thermischer Nachverbrennung, Pyrolyse‐Prozessen

• Eigenstromwerzeugung

• Fernwärmenutzung



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Schlussbetrachtung

attraktiv durch Energie‐ und Betriebskosten

die eingesetzten Arbeitsstoffe sind ökologisch unbedenklich,CO2‐Emissionen werden reduziert

einfache Bedienung und Wartung

lange Lebensdauer

ABER

höhere Erstinvestitionen

größerer Platzbedarf



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