Experimentelle Untersuchung des Fluideinflusses auf die Thermodynamik der Wärmepumpe: Kohlenwasserstoffe und deren Gemische

Venzik, Valerius GND

Begründet durch aktuelle meist umweltbedingte politische Vorschriften besteht die Notwendigkeit, die zurzeit etablierten Kältemittel (FKWs, z. B. R134a) in Kompressionswärmepumpen und -kälteanlagen zeitnah durch alternative Substanzen, vor allem mit geringerem Treibhauspotenzial, zu ersetzen. Neben Verbindungen der Fluorolefinwasserstoffe zeigen besonders die natürlichen Kältemittel diesbezüglich ein hohes Potenzial.</br> Auch vorangetrieben durch diese Problematik haben ebenfalls zeotrope Gemische wieder an Aktualität gewonnen, wobei die Grundüberlegungen hierzu bereits lange bekannt sind. Aus thermodynamischer Sicht führt die gezielte Nutzung des Temperaturgleits zeotroper Gemische zu verringerten Exergieverlusten, vor allem in den Wärmeübertragern, und somit zu einer Steigerung der Anlageneffizienz. Entsprechend diesen theoretischen Überlegungen ist dann ein zeotropes Gemisch, bei adäquater Auswahl, stets signifikant effizienter als ein Reinstoff; der Vorteil beispielsweise für Isobutan/Propen beträgt bis zu 25,7 %. Dieser deutliche Vorteil ist in Experimenten zumeist nicht zu beobachten, was bereits einige vorangegangene Studien gezeigt haben. Grundsätzlich werden durch den Einsatz eines zeotropen Gemisches neben den Wärmeübertragern auch alle weiteren Anlagenkomponenten z. T. maßgeblich beeinflusst, wobei deren verändertes Prozessverhalten in Abhängigkeit vom Gemisch nach aktuellem Stand der Forschung bislang nicht vollständig verstanden ist. Hier setzt die vorliegende Arbeit an und verfolgt das Ziel, allgemeine sowie grundlegende physikalische Effekte zeotroper Gemische und deren Wirkung auf einzelne Komponenten sowie den Gesamtprozess zu analysieren.</br> Konkret werden im Rahmen dieser Arbeit vornehmlich natürliche Kältemittel aus der Stoffgruppe der Kohlenwasserstoffe, nämlich Isobutan (R600a), Propan (R290) und Propen (R1270), betrachtet. Diese Fluide sind zum einen als Reinstoffe vielversprechend, um die bisherigen FKWs zu ersetzen, sind aber auch als binäre zeotrope Fluidgemische interessant.</br> Im betrachteten Temperaturbereich existiert hier eine Vielzahl potenzieller Mischungen mit großer Variationsbreite der Stoffeigenschaften, woraus das Potenzial resultiert, auch allgemeingültige Erkenntnisse, gelöst von den konkreten Stoffen, zu gewinnen. Vergleichend werden auch die Reinstoffe DME, R152a und R134a untersucht, nicht jedoch in Gemischen.</br> Die experimentellen Untersuchungen der Reinstoffe und der zeotropen Gemische Isobutan/Propen, Isobutan/Propen, Isobutan/Pentan und n-Butan/Propen erfolgen in einer Wasser/Wasser-Kompressionswärmepumpe, welche eigens für das vorliegende Forschungsvorhaben konzipiert, aufgebaut und in Betrieb genommen wurde. Der betrachtete Temperaturbereich orientiert sich an dem Anwendungsfall der Speisung einer Fußbodenheizung.</br> Durch die Ausstattung mit umfassender Messtechnik können nicht nur gängige Prozess- und Bewertungsgrößen gemessen werden, sondern vor allem kann auch der gesamte Prozess im Detail analysiert werden, insbesondere einzelne Zustände, Temperaturverläufe in den Wärmeübertragern, Verdichterwirkungsgrade, Exergieverluste etc. Grundsätzlich werden sämtliche Gemische, insofern dies möglich ist, über dem gesamten Zusammensetzungsbereich betrachtet.</br> Neben dem Einfluss des Fluids bzw. Fluidgemisches werden auch typische Eingriffs- und Regelmöglichkeiten solcher Anlagen systematisch variiert, wie z. B. die Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen oder die Verdichterdrehzahl, wobei die äußeren Randbedingungen soweit wie möglich konstant gehalten werden. Generell zeigen die hier erzielten Ergebnisse, dass zwischen Mischungen und Reinstoffen ein vergleichbares Anlagenverhalten festzustellen ist. Aus der Analyse der Reinstoffe geht zunächst hervor, dass entsprechend den deutlichen Unterschieden in den thermodynamischen Stoffeigenschaften der verschiedenen Verbindungen auch deutliche Unterschiede im Anlagenverhalten zu finden sind.</br> Hinsichtlich der Leistungszahl, volumetrischen Heizleistung sowie tatsächlich gemessene Heizleistung sind die Fluide Propan und Propen besonders vielversprechend. Weiterhin zeigt diese Analyse bereits auf, dass die fluidspezifische Verdichtereffizienz maßgebend für eine hohe Leistungszahl ist, wobei der jeweilige globale Verdichterwirkungsgrad z. T. auf das spezifische Volumen am Verdichtereintritt sowie das resultierende Druckverhältnis zurückzuführen ist. Bezüglich der Gemische konnte im Vergleich zum effizienteren Reinstoff maximal eine Verbesserung der Leistungszahl um 13 % beobachtet werden, wobei in manchen Gemischsystemen die Leistungszahl im Vergleich zum besseren Reinstoff sogar deutlich abnimmt. Die experimentell beobachteten nur relativ geringen Verbesserungen der Leistungszahlen gegenüber den thermodynamischen Grundüberlegungen sind begründet in der Gemischabhängigkeit der Verdichterwirkungsgrade und Druckverluste in den Wärmeübertragern; dies wird in bisherigen Untersuchungen zumeist nicht berücksichtigt.</br> Die energetischen sowie auch exergetischen Analysen zeigen deutlich, dass die Verluste in den Wärmeübertragern nur zu einem kleinen Teil zu den Gesamtverlusten beitragen und dass die Effizienz der Gesamtanlage durch die Effizienz des Verdichters dominiert wird. Als übergreifendes Ergebnis folgt hieraus, dass selbst bei bestmöglicher Ausnutzung des Temperaturgleits das Potenzial zeotroper Gemische zur Erhöhung der Leistungszahl limitiert ist und nur zum Tragen kommt, wenn die Mischung nicht zu einer stark verringerten Verdichtereffizienz führt.

Based on the actual political and environmental regulations, there is a great need to replace the currently established refrigerants (HFCs, e. g. R134a) in vapour compression heat pumps and refrigeration systems with alternative substances with lower global warming potentials in a timely manner. Besides hydrofluoroolefins, particularly natural refrigerants have a high propensity to replace HFCs in the near future. Due to the environmental problems of current refrigerants and regulations forcing the phase-out of these refrigerants there is renewed interest in zeotropic mixtures.</br> Although the basic considerations in favour of them have been known for a long time, from a thermodynamic point of view, the temperature glide of zeotropic mixtures leads to a reduced exergy loss in the heat exchangers, and hence to an increase in the coefficient of performance (COP). According to these theoretical considerations, a zeotropic mixture should always be more efficient than a pure fluid. Particularly, when the mixture is adequately selected, it leads to a significant improvement of the COP, up to 25.7% in the case of the mixture Isobutane/Propene. However, such significant improvements are not observed in experiments as shown in some previous studies. Zeotropic mixtures do not only influence the heat exchangers but also all other system components. The mixture dependencies of the different components are not well understood in the literature and are seldom addressed. Thus, the present thesis analyses zeotropic mixture dependencies of individual components as well as their impact on the entire process. This work focuses on experimental investigation of the hydrocarbons isobutane (R600a), propane (R290)) and propene (R1270) as refrigerants. While natural fluids are promising alternatives as pure substances to replace the previously used HFCs, they are also interesting components for designing binary zeotropic mixtures.</br> In the investigated temperature range, the fluid properties can be varied widely by systematically varying the mixture composition. These mixtures are used to gain some general insight in the fluid-cycle interaction, independent of the specific pure fluids. Also, for comparison reasons the pure fluids DME, R152a, and R134a are investigated. The experimental investigations of pure fluids and zeotropic mixtures isobutane/propane, isobutane/propene, isobutane/pentane, and n-butane/propene are carried out in a water/water vapour compression heat pump which was specially designed, built, and commissioned for this work. The considered temperature range is comparable to feeding an underfloor heating system.</br> In order to measure not only the common process and evaluation variables but also analyse the entire process in detail (individual states, temperature profiles in the heat exchangers, compressor efficiencies, exergy losses, etc.), the setup is equipped with comprehensive measurement equipment. A broad composition range is investigated. In addition to the influence of the fluid or zeotropic mixture, the usual operating and control possibilities of such plants, like the evaporation and condensation temperatures or compressor speed, are also varied systematically, whereas the external boundary conditions are kept constant as far as possible. In general, mixtures and pure substances behave similarly in heat pumps. Already from the analysis of pure fluids significant differences in plant performance characteristics are found, which are caused by the significant differences in the thermodynamic properties of the various investigated fluids.</br> With respect to the COP the fluids propane and propene are particularly promising. Furthermore, this analysis already shows that the fluid-specific compressor efficiency is decisive for a high COP, whereas the respective global compressor efficiency depends partially on the specific volume at the compressor inlet as well as on the resulting pressure ratio. While the usage of some zeotropic mixtures in comparison with the better performing pure fluids improved the COP by up to 13%, a significant decrease in the COP was observed with other zeotropic mixtures. Compared to the basic thermodynamic considerations, the experimentally observed small improvements in COPs are a result of the composition dependence of the compressor efficiency and pressure losses in the heat exchangers, which counteract the heat exchanger improvements; both aspects are commonly neglected in theoretical investigations.</br>The energetic and exergetic analyses show clearly that the losses in the heat exchangers only account for a small proportion of the total losses and that the efficiency of the overall system is mainly dominated by the compressor efficiency (global compressor efficiency). Summarizing, even with the best possible use of the temperature glide, the potential of zeotropic mixtures to increase efficiency is severely limited and can only be exploited if compressor efficiency is not negatively affected by the composition variation at the same time.

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Venzik, V., 2019. Experimentelle Untersuchung des Fluideinflusses auf die Thermodynamik der Wärmepumpe: Kohlenwasserstoffe und deren Gemische. https://doi.org/10.17185/duepublico/70689
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