Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
| Wärme (T > 100°C) | Kälte (T<25°C) | Wärme (T<100°C) |
Kurzbeschreibung
„Bei der Dampfstrahlkältemaschine wird ebenfalls wie bei den Sorptionskältemaschinen über thermische Verdichtung Kälte erzeugt. Die thermische Verdichtung erfolgt jedoch nicht über einen Sorptionsprozess, sondern es kommt ein Dampfstrahlverdichter zum Einsatz. Der Prozess erfolgt in zwei Kreisläufen, dem Treibmittelkreislauf (heißer Dampf) und dem Kältemittelkreislauf (Wasser). Der Dampfstrahlverdichter besteht aus Treibdüse, Mischkammer und Diffusor. Die Druckenergie des Treibdampfes wird in der Treibdüse in Strömungsenergie umgewandelt. Dadurch wird in der Mischkammer Kältemitteldampf aus dem Verdampfer angesaugt. Durch das Verdampfen wird dem Rücklaufwasser des Kaltwassernetzes Energie entzogen und somit das Wasser heruntergekühlt. Die Strömungsenergie des Mischdampfes wird im Diffusor wieder in Druckenergie umgesetzt. Der Dampf kondensiert im Kondensator. Die dabei entstehende Kondensationswärme wird im Rückkühlkreislauf abgeführt. Das Kondensat fließt in den Verdampfer zurück. Eine Trennung von Treibdampf- und Kaltwasserkreislauf ist nicht notwendig, da in beiden Fällen Wasser zum Einsatz kommt.“ (trima-kwkk.de)
Altbekanntes Prinzip: 1884 Patentanmeldung, erste brauchbare Maschine wurde 1910 von Leblanc konstruiert.
Funktionsskizze
Rainer Sielker, Dampfstrahlkälteanlage, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons
Strömungsverlauf eines Strahlverdichters
Rainer Sielker, Strahldüse, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons
Schnitt durch einen Dampfstrahlverdichter
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
„Das Wärmeverhältnis einer Dampfstrahlkältemaschine ist bei Nennlast geringer als bei konkurrierenden Systemen. Im Teillastbereich kann die Dampfstrahlkältemaschine jedoch sehr gute Wärmeverhältnisse erreichen, so dass bei einem typischen Kältebedarf, der durch eine hohe Betriebsstundenzahlen im Teillast und wenige Betriebstunden bei Nennlast gekennzeichnet ist, das mittlere Wärmeverhältnis einer Dampfstrahlkältemaschine durchaus mit anderen thermischen Kältemaschinen konkurrieren kann.“ (Pollerberg 2007)
Betriebs-Charakteristika
| Regelbarkeit | Dynamisches Teillastverhalten
Modellierung solarbetriebener Dampfstrahlkältemaschinen und Untersuchung des dynamischen Betriebsverhaltens: (Pollerberg 2007) |
Energetische Kennwerte
| Verfügbare Leistungsstufen/
-klassen |
|
| Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung | Das gute dynamische Verhalten im Teillastbereich und ein druckunabhängiger COP zeichnen die Dampfstrahlkältemaschine aus (absorptionsmaschine.de), (bine.info 2009), (Jungnickel; Agsten; Kraus 1981), (Jähnih; Pollerberg 2010), (Kimmel 1996) |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
| Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
| Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
| Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
| Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
| Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Best Available Technology
Nein – Dampfstrahlkältemaschinen benötigen keinen Strom, weshalb erst eine zweite elektrisch betriebene Anlage installiert werden müsste, damit Energieflexibilität bereitgestellt werden könnte. Zudem ist der Verbreitungsgrad der Technologie eher gering.
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- Dampfstrahlkältemaschinen sind sehr robuste und betriebssichere Anlagen
- Einfache Konstruktion und die Möglichkeit, günstige Materialien zu verwenden
- Insgesamt kaum bewegliche Teile und somit reduzierter Wartungsaufwand
- Wasser kann als Kältemittel eingesetzt werden
- Keine hydraulische Entkopplung notwendig (bei Verwendung von Wasser)
- Betriebsparameter können auf der Kaltwasser-, Kühlwasser- sowie auf der Antriebswärmeseite in weiten Bereichen frei gewählt werden
- Verfahrens- und regelungstechnisch einfach zu beherrschen
- Neue Möglichkeiten zur Nutzung solarer Dampferzeugung
- Gutes dynamisches Betriebsverhalten, schnelle Lastwechsel möglich
- Keine Kristallisation oder Zersetzung des Kältemittels
- Geringe Betriebskosten, ohne Berücksichtigung der Dampferzeugungskosten
Nachteile
- Hoher Treibdampfverbrauch
- Hoher Kühlwasserverbrauch, da das Kühlwasser nur geringfügig erwärmt werden darf
- Nur schmaler Temperaturbereich für den Einsatz als Kältemaschine (bei Wasser nicht geringer als 0 °C)
(absorptionsmaschine.de)
Anwendungsbeispiele
- Dampfstrahlkälteanlagen werden derzeit fast ausschließlich in verfahrenstechnischen Prozessen zur Produktkühlung und Vakuumerzeugung eingesetzt (z.B. Zellstoffindustrie, Lebensmittelindustrie, chemische und Stahlindustrie) Grundsätzlich findet die DSKM ihre Anwendung überall dort, wo günstig Heizdampf zur Verfügung steht und auch die Rückkühlung kein Problem darstellt (Noeres 2006)
- Beispielanlagen sind das Fernkältenetz Gera (600 kW) und die Papierfabrik August Köhler AG, Werk Oberkirch (800 kW) (trima-kwkk.de)
- An der Hochschule Karlsruhe wurde erstmals eine durch Solarkollektoren angetriebene Dampfstrahlkältemaschine zur Gebäudeklimatisierung umgesetzt (Pollerberg), (hs-karlsruhe.de). Herstellerfirma der dort eingesetzten DSKM ist GEA Wiegand [13]
(Noeres 2006)
| Kältezentrale Brückenstraße Gera | Kältezentrale Werk Oberkirch, Papierfabrik August Köhler GmbH |
|
| Kälteleitsung | 600 kWth | 1000 kWth |
| Saugdampfstrom | 900 kg/h | 1400 kg/h |
| Rückkühlleistung | 1760 kWth | 3150kWth |
| Antriebsleistung Dampf | 1160 kWth | 2150kWth |
| Dampfmassenstrom | 1650 kg/h | 2945 kg/h |
| Dampfdruck/ Dampftemperatur |
3–5 bar (ü), 143 °C | 2,2 bar (ü), 124 °C |
| Auslegedruck | 180 °C; 3 bar (ü), Sattdampf | 2,2 bar (ü), Stattdampf |
| Kaltwassertemperatur | 6/12 °C | 9/15 °C |
| Verdampferdruck | 9 mbar/11,4 mbar (abs) | 11,4 mbar/13,1 mbar (abs) |
| Kühlwassertemperatur | 25/30 °C | 28/35 °C |
| Kondensatordruck | 46/52 mbar (abs) | 42,4/62 mbar (abs) |
| Feuchtkugeltemperatur für Nennfall |
21 °C | 24 °C |
| Konzept | zweistufige Abkühlung des Kaltwassers, offene Bauweise zum KW-Netz und Dampfnetz, Entkopplung vom RKW-Kreis über Platten-WT | zweistufige Abkühlung des Kaltwassers, offene Bauweise zum KW-Netz und Dampfnetz, Entkopplung vom RKW-Kreis über Platten-WT |
| COPn | 0,55 | 0,48 |
| im Jahresmittel | 0,8–0,9 | |
| Betriebsgewicht | 8 t | ca. 31 t |
| Maße in m (H x L x T) |
4,2 x 8,5 x 1,2 | 7,5 x 8,0 x 3,0 |
| Konzept | Leistungsteilung auf 6 Strahler mit 9 Leistungsstufen, redundantes Anlegenkonzept für 50% der Leistung | Leistungsteilung auf 6 Strahler mit 3 Leistungsstufen, Kaltwasservorlaufregelung über Beimischregelung |
Literaturverzeichnis
- absorptionsmaschine.de: Dampfstrahlkälte, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- bine.info (2009): Kühlen und Klimatisieren mit Wärme, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- bine.info: Neue Anwendungen der Dampfstrahlkältemaschine, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- hs-karlsruhe.de: Mit Sonnenenergie im Winter heizen und im Sommer kühlen, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- Jähnih, D.; Pollerberg, C. (2010): Solarthermische Kälteerzeugung mit Parabolrinnen-Kollektorsystem und Dampfstrahlkältemaschine, zuletzt geprüft am 01.08.2019 (PDF-Download)
- Jungnickel, Heinz; Agsten, Rainer; Kraus, Wolf Eberhard (1981): Grundlagen der Kältetechnik, Verlag Rudolf Müller Köln
- Kimmel R. (1996): Auslegungsberechnung sowie Konstruktionsvorschlag eines ZweiphasenStrahlverdichters,
Diplomarbeit, IKE, Universität Stuttgart - Noeres, Peter (2006): Thermische Kälteerzeugung mit Dampfstrahlkältemaschinen, Fraunhofer UMSICHT, zuletzt geprüft am 01.08.2019 (PDF-Download)
- Pollerberg, Clemens (2007): Modellierung solarbetriebener Dampfstrahlkältemaschinen und Untersuchung des dynamischen Betriebsverhaltens, Fraunhofer UMSICHT
- trima-kwkk.de: Dampfstrahlkältemaschine, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- Dampfstrahl-Verdichter (Brüdenverdichter)
- Vortrag Clemens Pollerberg (PDF-Download)
- BMWi-Verbundprojekt Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mit Dampfstrahlkältetechnik, Abschlussbericht zum Verbundvorhaben