Modelle für drehzahlregelbare Verdichter und gekoppelte Kälteanlagen : Entwicklung, experimentelle Validierung und Anwendung zur energetischen Bewertung
Um die Klimaschutzziele der europäischen Union erreichen zu können, müssen sowohl die Effizienz von technischen Anlagen erhöht als auch der Ausstoß von Treibhausgasen reduziert werden. Zu letzterem trägt die Verwendung natürlicher Kältemittel in Kälteanlagen und Wärmepumpen bei. Für brennbare natürliche Kältemittel, wie Kohlenwasserstoffe, werden allerdings oft Füllmengengrenzen vorgeschrieben, welche die maximale Leistung einer Kälteanlage begrenzen. Durch die sekundärseitige Kopplung mehrerer Kälteanlagen ist es jedoch möglich, die Kälteleistung zu skalieren. Zudem kann die Effizienz von Kälteanlagen u.a. durch die Verwendung drehzahlregelbarer Verdichter erhöht werden.
Somit werden zukünftig häufiger gekoppelte Kälteanlagen mit drehzahlregelbaren Verdichtern eingesetzt, deren Energieverbrauch durch eine Anpassung der Anzahl von Kälteanlagen und der Verdichter-Drehzahlen betriebspunktabhängig optimiert werden kann. Für die Optimierung werden allerdings Modelle für gekoppelte Kälteanlagen mit drehzahlregelbaren Verdichtern benötigt, die auf unterschiedliche Systeme übertragbar sind. Diese sind in aktueller Literatur bisher jedoch nicht verfügbar.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Entwicklung eines stationären Modells für gekoppelte Kälteanlagen mit drehzahlregelbaren Verdichtern, das auf unterschiedliche Systeme und Kältemittel übertragbar ist. Mit dem Modell sollen unterschiedliche Betriebsmodi gekoppelter Kälteanlagen untersucht und verglichen werden, um die optimale Betriebsweise dieser Kältesysteme und die daraus resultierenden Energieeinsparpotentiale gegenüber der konventionellen Betriebsweise bestimmen zu können.
Da semi-empirische Modelle für die Optimierung von Prozessen die meisten Vorteile zeigen, wird ein semi-empirisches übertragbares Modell für einen Kältemittel-Verdichter entwickelt, welches zu einem Modell für gekoppelte Kälteanlagen erweitert wird. Die Zielgrößen des Verdichter-Modells sind der Kältemittelmassenstrom, die Verdichtungsendtemperatur und die elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters. Für das Modell der gekoppelten Kälteanlagen sind die Zielgrößen die Kälteleistung und die Leistungszahl des Gesamtsystems. Eingangsgrößen beider Modelle sind die Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur sowie die Verdichter-Drehzahl. Die Herleitung der Zielgrößen zeigt neben den genannten Eingangsgrößen weitere Abhängigkeiten von Wirkungsgraden und Druckverlusten die empirisch bestimmt werden.
Für die Definition der empirischen Gleichungen und die Bestimmung der Modellkoeffizienten sowie für die Validierung der Modellfunktionen werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an einer Kälteanlage mit einem Scroll-Verdichter und an gekoppelten Kälteanlagen mit dem Kältemittel R-290 durchgeführt. Es kann gezeigt werden, dass sowohl die Wirkungsgrade als auch die Druckverluste empirisch in Abhängigkeit der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur sowie der Verdichter-Drehzahl bestimmt werden können.
Insgesamt zeigen die Modelle für die Zielgrößen in nahezu allen Betriebspunkten maximale Abweichungen gegenüber den experimentellen Untersuchungen in einem Intervall von ±5 %.
Bei der Übertragung des Verdichter-Modells auf einen Hubkolbenverdichter mit dem Kältemittel R‑134a und bei der Nutzung des empirischen Ansatzes für die Weiterentwicklung von Hersteller-Polynomen für unterschiedliche drehzahlregelbare Verdichter-Typen und -größen sowie verschiedene Kältemittel werden maximale Abweichungen zwischen Modell und Herstellerangaben von ±3 % festgestellt. Die Übertragbarkeit des Modells für gekoppelte Kälteanlagen wird erreicht, indem Temperaturdifferenzen innerhalb der Wärmeübertrager geschätzt werden, was nur zu geringen Abweichungen zwischen den Modellergebnissen und den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen führt.
Abschließend wird das Modell für gekoppelte Kälteanlagen verwendet, um in einer Simulation drei Betriebsmodi des Kältesystems (bestehend aus vier baugleichen Kälteanlagen) gegenüberzustellen. Die größten Leistungszahlen in nahezu allen Betriebspunkten werden erreicht, wenn die Kälteanlagen parallel bei homogener Lastverteilung betrieben werden. Gegenüber einer sequentiellen Betriebsweise gekoppelter Kälteanlagen werden mit der zuvor beschriebenen Betriebsweise Energieeinsparpotentiale von 14,5 % prognostiziert. Bei einer zusätzlichen Absenkung der Verflüssigungstemperatur um 3 K werden insgesamt Einsparpotentiale von 23,5 % erwartet.
Das Modell für gekoppelte Kälteanlagen kann somit gut für die betriebspunktabhängige Bestimmung der energieoptimalen Anzahl von Kälteanlagen und der jeweiligen Verdichter-Drehzahlen in den aktiven Kälteanlagen verwendet werden, um die erheblichen Energieeinsparpotentiale bei einer sekundärseitigen Kopplung von Kälteanlagen mit drehzahlregelbaren Verdichtern auszuschöpfen. Da drehzahlregelbare Verdichter zukünftig immer häufiger eingesetzt werden und mit dem empirischen Ansatz dieser Arbeit Kennzahlen drehzahlregelbarer Verdichter mit einer Genauigkeit von ±3 % bestimmt werden können, wäre eine Übernahme dieses Ansatzes in die Normung wünschenswert. Zudem wird die Nutzung des Modells für gekoppelte Kälteanlagen für die Regelung solcher Systeme angestrebt. Hierzu werden allerdings Korrelationen für Nusselt-Zahlen in zweiphasigen Strömungen mit höherer Prognosegenauigkeit benötigt. Jüngste Veröffentlichungen zeigen durch die Nutzung von KI in diesem Bereich vielversprechende Fortschritte.
In order to achieve the European Union's climate protection targets, both the efficiency of technical systems must be increased and greenhouse gas emissions must be reduced. The use of natural refrigerants in refrigeration systems and heat pumps contributes to the latter. But for flammable natural refrigerants charge limits are often prescribed which restrict the maximum capacity of a refrigeration system. By coupling several refrigeration systems on the secondary side, however, it is possible to scale up the refrigeration capacity. In addition, the efficiency of refrigeration systems can be increased by using variable-speed compressors, for example.
As a result, coupled refrigeration systems with variable-speed compressors will be used more frequently in future and their energy consumption can be optimised by adjusting the number of refrigeration systems and the compressor speeds depending on the operating point. However, optimisation requires models for coupled refrigeration systems with variable-speed compressors that can be transferred to different systems. Nevertheless, these are not yet available in current literature.
The aim of this thesis is therefore to develop a stationary model for coupled refrigeration systems with variable-speed compressors that can be transferred to different systems and refrigerants. The model will be used to analyse and compare different operating modes of coupled refrigeration systems in order to determine the optimum operating mode of these refrigeration systems and the resulting energy saving potentials compared to the conventional operating mode.
Since semi-empirical models show the most advantages for the optimisation of processes, a semi-empirical transferable model for a refrigerant compressor will be developed, which will be extended to a model for coupled refrigeration systems. The target values of the compressor model are the refrigerant mass flow, the discharge temperature and the electrical power consumption of the compressor. For the coupled refrigeration system model, the target values are the cooling capacity and the coefficient of performance of the overall system. The input values for both models are the evaporation and condensation temperature as well as the compressor speed. In addition to the input values mentioned, the derivation of the target values shows further dependencies on efficiency and pressure losses, which are determined empirically.
For the definition of the empirical equations and the determination of the model coefficients as well as for the validation of the model functions, extensive experimental investigations are carried out on a refrigeration system with a variable-speed scroll compressor and on coupled refrigeration systems with the refrigerant R-290. It can be shown that both the efficiencies and the pressure losses can be determined empirically as a function of the evaporation and condensation temperature and the compressor speed.
Overall, the models for the target values show maximum deviations from the experimental investigations in an interval of ±5 % at almost all operating points.
When transferring the compressor model to a reciprocating compressor with the refrigerant R-134a and when using the empirical approach for the further development of manufacturer polynomials for different variable-speed compressor types and sizes as well as different refrigerants, maximum deviations between the model and manufacturer specifications of ±3 % are determined. The transferability of the model for coupled refrigeration systems is achieved by estimating temperature differences within the heat exchangers, which leads to only minor deviations between the model results and the results of the experimental investigations.
Finally, the model for coupled refrigeration systems is used to compare three operating modes of the refrigeration system (consisting of four identical refrigeration systems) in a simulation. The highest Coefficients of Performance in almost all operating points are achieved when the refrigeration systems are operated in parallel with homogeneous load distribution. Compared to sequential operation of coupled refrigeration systems, energy saving potentials of 14.5 % are forecast with the operating mode described above. With an additional reduction of the condensation temperature by 3 K, a total saving potential of 23.5 % is expected.
The model for coupled refrigeration systems can therefore be used to determine the energy-optimised number of refrigeration systems and the respective compressor speeds in the active refrigeration systems, depending on the operating point, in order to exploit the considerable energy saving potential when coupling refrigeration systems with variable-speed compressors on the secondary side. As variable-speed compressors will be used more and more frequently in the future and the empirical approach of this work can be used to determine the characteristic maps of variable-speed compressors with an accuracy of ±3 %, it would be desirable to adopt this approach in standardisation. In addition, the use of the model for coupled refrigeration systems for the control of such systems is being sought. However, this requires correlations for Nusselt numbers in two-phase flows with higher prediction accuracy. Recent publications show promising progress in this area through the use of AI.