Kältemittel Wasser

Im Rahmen der Dekarbonisierung industrieller Prozesse spielt die Dampferzeugung eine wichtige Rolle. Zukünftig wird dabei die Brüdenkompression eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von Dampf aus Ab- oder Umweltwärme spielen. Verschieden Verdichtungsprinzipien werden derzeit bei der Wasserdampfverdichtung eingesetzt, z.B. Roots-Gebläse, Radialverdichter oder auch Schraubenverdichter. Das Arbeitsmedium stellt dabei aufgrund seiner geringen molaren Masse und den hohen benötigten Druckverhältnissen hohe Anforderungen an den Verdichter. In dieser Arbeit sollen neben den bekannten Verdichtungsprinzipien weitere mögliche recherchiert werden und hinsichtlich ihrer Eignung für die Verdichtung von Wasserdampf auf Grundlage einfacher Auslegungsmodelle verglichen werden. Neben dem Einfluss der Geometrie soll dabei auf die Möglichkeit der Kühlung durch das Verdampfen von eingespritzem Wasser untersucht werden.

Konkret ergeben sich die folgenden Teilaufgaben:

• Zusammenstellung verschiedener Verdichtungsprinzipien und Verdichterbauarten
• Ableitung grundlegender Auslegungsgleichungen aus der Literatur
• Vergleich des Einflusses der Eigenschaften des Arbeitsmediums auf die jeweilige Verdichterbauart
• Jeweils Bewertung der Eignung für die Verdichtungsaufgabe
• Untersuchen der Möglichkeiten und Grenzen der Wassereinspritzung

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Im Rahmen der Dekarbonisierung industrieller Prozesse spielt die Dampferzeugung eine wichtige Rolle. Dabei kommen neben dampferzeugenden Hochtemperaturwärmepumpen auch Dampfverdichter zum Einsatz, wie sie bisher vor allem aus der Brüdenverdichtung bekannt sind, z.B. Drehkolben- bzw. Radialturbogebläse. Dabei liegt der Fokus bisher vor allem auf der Entwicklung von Verdichtern für Anwendungen mit hohen Wärmeleistungen (100 kW … 10 MW). Im Rahmen dieser Arbeit soll daher der Verdichtertyp Scroll für Anwendungen im mittleren Leistungsbereich (10 kW bis 100 kW) untersucht werden. Das Ziel der Arbeit ist es, einen ersten Entwurf einer möglichen Geometrie und die maschinentechnischen Besonderheiten eines trockenlaufenden Scrollverdichters für Wasserdampf zu erarbeiten. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Recherche dimensionsloser Auslegungsparameter von Scrollspiralen
• Recherche konkreter industriellen Anwendungen im mittleren Leistungsbereich (10 kW – 100 kW)
• Einarbeitung in die Pythonbibliothek PDSim zur Erzeugung und Nachrechnung von Scroll-Geometrien
• Auslegung geeigneter Scroll-Spiralen für eine konkrete Anwendung
• Erstellung eines ersten Maschinenkonzepts auf Basis existierender Scrollverdichter

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Schrauben-Spindel-Verdichter stellen eine Sonderform von Schraubenverdichtern da. Sie werden typischerweise in der Vakuumtechnik eingesetzt. In vorhergehenden Arbeiten wurde zunächst ein Berechnungstool namens „KVA-Spindel“ erstellt und Messungen mit einer bestehenden Schrauben-Spindel-Vakuumpumpe durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Berechnungstool mithilfe der Messdaten validiert und durch gezielte Anpassung von Parametern optimiert werden. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in bisherige Arbeiten zur Messung und zum Programm „KVA-Spindel“ sowie in Normen zur Verdichterleistungsmessung / -kennfeldern
• Aufbereitung und Auswertung der Messergebnisse
• Durchführung von Berechnungskampagnen mithilfe von „KVA-Spindel“ und den Messergebnissen zugrundeliegenden Betriebsparametern
• Vergleich von Messung und Berechnung und iterative Anpassung ausgewählter Berechnungsparameter
• Erstellung von Verdichterleistungskennfeldern mithilfe von einer Parameterstudie in „KVA-Spindel“

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Diverse Industrieprozesse in der Lebensmittel-, Papier- und Chemieindustrie verwenden Heißdampf als Energieträger und Prozessmedium. Die jeweiligen Prozesse und deren Temperaturbereiche sind bereits in diversen Veröffentlichung aufgeführt. Im Rahmen dieser Recherchearbeit sollen für diverse Industrieprozesse der konkrete Dampfbedarf (Temperatur, Druck, Massenstrom), das Dampfsystem (Dampferzeuger, Verteiler, Wärmerückgewinnung) und alternative Dampferzeuger (z.B. Wärmepumpen, erneuerbare Energien) erarbeitet werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Für die Milchindustrie wird derzeit eine Hochtemperaturwärmepumpe auf Basis eines R718- Kompressionskältemaschine erstellt. Als Verdichter werden zwei sogenannte Brüdenverdichter eingesetzt. Im Rahmen der studentischen Arbeit sollen diese Brüdenverdichter zunächst auf einem bereits konzipierten und aufgebauten Verdichterleistungsprüfstand vermessen werden. Die Messdaten sollen anschließend ausgewertet und daraus Verdichterkennfelder abgeleitet werden. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in einschlägige Normen zur Verdichterleistungsmessung, in das Steuerungs-/ Regelungs- / Messkonzept des Verdichterleistungsprüfstands und in die Datenblätter / die Literatur zu den ausgewählten Brüdenverdichtern
• Erstellung einer Checkliste zum Anfahren, Betreiben und Herunterfahren der Versuchsanlage
• Erste Inbetriebnahme der Versuchsanlage
• Vorbereitung / Planung der Messkampagne der beiden Prüfverdichter auf Grundlage des späteren Betriebsbereichs der Hochtemperaturwärmepumpe
• Durchführung der Messung und Auswertung der Messergebnisse
• Erstellung von Verdichterleistungskennfeldern für beide Brüdenverdichter

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Das Kältemittel R718 (Wasser) eignet sich aufgrund seiner Umweltverträglichkeit (nicht toxisch, nicht brennbar), seiner Klimaverträglichkeit (ODP = 0, GWP ≈ 1) und seiner thermodynamischen Eigenschaften hervorragend für Kältekompressionsmaschinen, insb. für Wärmepumpenanlagen mit Verdampfungstemperaturen > 0 °C und stellt damit eine nachhaltige Alternative zu gängigen Kältemitteln dar. Aufgrund der der niedrigen Dampfdrücke und -dichten (z.B. 23 mbar abs. und 17 g/m³ bei 20 °C) müssen aufgrund der Rohrleitungsdimensionen Anlagen kompakter geplant werden, um die Wirtschaftlichkeit der Anlage darstellen zu können und die Druckverluste gering zu halten. Daher kommen bei R718-Anlagen u.a. Direkt-Kontakt-Wärmeübertrager als Verdampfer bzw. als Verflüssiger zum Einsatz.  Im Rahmen dieser Arbeit soll ein transparenter Tischversuchsstand erstellt werden, in dem die Vorgänge innerhalb dieser Direkt-Kontakt-Wärmeübertrager sichtbar gemacht werden soll. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in das Thema Direkt-Kontakt-Wärmeübertrager und etwaige Wärmeübertragungs-Korrelationen
• Definition der relevanten Versuchsparameter
• Erstellung eines R&I Schaltbildes zur Gesamtanlage
• Auslegung und Auswahl der Einzelkomponenten (insb. Verdichter, Behälter, Sensoren)
• Erstellung einer CAD Zeichnung (3D) und Ableitung der technischen Zeichnungen (2D) mithilfe von SolidWorks
• Unterstützung beim Aufbau der Gesamtanlage

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch