Vergleich von Kältemaschinen zur Tieftemperaturerzeugung

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis....................................................................................................................... 0
1.
Einleitung ............................................................................................................................ 2
2.
LNG (Flüssigerdgas) der Treibstoff der Zukunft ................................................................ 3
3.1.
LNG als Erdölsubstitut .................................................................................................... 5
3.1.1.
Vorteile von flüssigem Methan .................................................................................. 6
3.1.2.
(LBM)
Vorteile von flüssigem Methan hergestellt aus erneuerbaren Energieträgern
6
3.1.3.
Potential von LNG im Straßenverkehr ....................................................................... 7
3.2.
Probleme der konventionellen Biogasproduktion ........................................................ 8
3.2.1.
Thermische Verluste ................................................................................................... 8
3.2.2.
Problem Stromherstellung ......................................................................................... 8
3.2.3.
Problem Erdgasnetzeinspeisung ................................................................................ 9
3.3.
Forschungs- und Entwicklungsprojekt „LBM aus Biogas“ ............................................. 9
3.3.1.
4.
Kohlendioxid (CO2) Trockeneis ................................................................................. 11
Grundlagen der Kältetechnik ........................................................................................... 12
4.1.
Leistungsberechnung.................................................................................................... 13
4.1.1.
Minimaler Leistungsaufwand nach Carnot .............................................................. 15
4.1.2.
Minimale Verflüssigungsarbeit (wmin) nach Claude ................................................. 15
4.1.3.
Berechnung der realen Kälteleistung ....................................................................... 16
4.1.4.
Wirkungsgrad (ƞ)....................................................................................................... 17
4.2.
Komponenten der Kältemaschine (Gasexpansionsmaschine).................................... 18
4.2.1.
Kältemittel ................................................................................................................. 18
4.2.2.
Mechanische Teile der Gasexpansionsmaschine..................................................... 20
4.3.
Kälteerzeugung durch den Joule-Thomson-Effekt ...................................................... 22
4.3.1.
Joule-Thomson-Koeffizient....................................................................................... 25
4.4.
Kälteerzeugung durch die arbeitsleistende Entspannung .......................................... 27
4.5.
Der Kältekreislauf ........................................................................................................ 30
5.
Kältebreitstellungsprozesse in der Kryotechnik ............................................................. 31
5.1.1. Gasexpansionsmaschinen mit kontinuierlichen Gasfluss und
Gegenstromwärmetauscher (rekuperative Verfahren) ......................................................... 33
5.1.2.
5.1.2.1.
Joule-Thomson-Kältemaschine (Lindeverfahren).................................................... 35
Verfahrensbeschreibung....................................................................................... 35
5.1.2.2.
Berechnung der Kälteleistung............................................................................... 37
5.1.2.3.
Vor- und Nachteile Joule-Thomson-Kreislauf ...................................................... 38
5.1.3.
Joule-Thomson-Kältemittelgemisch-Verfahren (MRC) ........................................... 38
5.1.4.
Brayton-Kältemaschine ............................................................................................ 40
5.1.4.1.
Verfahrensbeschreibung....................................................................................... 40
5.1.4.2.
Berechnung der Kälteleistung............................................................................... 42
5.1.4.3.
Vor- und Nachteile Brayton-Kreislauf .................................................................. 43
5.1.5.
Zusammenfassung rekuperative Verfahren ............................................................ 44
5.2. Gasexpansionsmaschinen mit zirkulierendem Gasfluss und regenerativem
Wärmetauscher (regenerative Verfahren) ............................................................................. 45
5.2.1.
Stirling-Kältemaschine (Phillipsverfahren) .............................................................. 46
5.2.1.1.
Verfahrensablauf................................................................................................... 48
5.2.1.2.
Temperaturverlauf ................................................................................................ 49
5.2.1.3.
Vor- und Nachteile Phillips-Verfahren.................................................................. 51
5.2.2.
Gifford-Mc-Mahon-Verfahren .................................................................................. 52
5.2.2.1.
5.2.3.
Pulsrohrverfahren ..................................................................................................... 54
5.2.3.1.
5.2.4.
6.
Vor- und Nachteile Gifford-Mc-Mahon-Verfahren .............................................. 53
Vor- und Nachteile Pulsrohrverfahren ................................................................. 55
Zusammenfassung Regenerative Verfahren............................................................ 55
Auswahl eines Kleinkühlers für die Laboranlage ............................................................ 57
6.1.
Morphologischer Kasten der Kleinkühlerangebote .................................................... 59
6.2.
Bewertung..................................................................................................................... 61
6.3.
Auswertung................................................................................................................... 64
6.4.
Fazit ............................................................................................................................... 65
7.
Auswahl einer Kältemaschine für die Pilotanlage .......................................................... 66
7.1.
7.1.1.
Vergleich von kleinen Biogas-Verflüssigungsanlagen ................................................. 66
SPC-4 Kryogenerator der Firma Stirling Cryogenics & Refrigeration BV ................ 68
7.2.
Vergleich von kleinen Methan-Verflüssigungsanlagen............................................... 69
7.3.
Fazit ............................................................................................................................... 70
Literaturverzeichnis.................................................................................................................. 71
Abkürzungsverzeichnis:............................................................................................................ 74
Abbildungsverzeichnis:............................................................................................................. 76
Tabellenverzeichnis: ................................................................................................................. 77
1
Anhang: .................................................................................................................................... 78
1. Einleitung
Energiekonzept:
Die Regierung Deutschlands hat sich mit dem Energiekonzept
anspruchsvolle Ziele gesetzt. Deutsche Unternehmen müssen eine wettbewerbsfähige und
klimaschonende Energieversorgung sicherstellen und somit die Basis für die Energiewende
schaffen. Energie soll auch zukünftig, zu jeder Tageszeit und in jeder Menge, bezahlbar und
für jeden Bürger verfügbar sein. Um diese Ziele erfolgreich umzusetzen bedarf es wichtige
Impulse für Innovationen, die die natürlichen Lebensgrundlage in Deutschland bewahren
und eine nachhaltige Versorgung gewährleisten. Es muss ein Fundament der
Versorgungssicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit geschaffen werden,
welches ermöglicht, den bundesweiten Nettobedarf an Energie, unabhängig von anderen
Ländern, zu decken. (10)
Abbildung 1: Politisches Zieldreieck (eigene Anfertigung nach (10))
Ziel
Wirtschaftlichkeit: „Ein funktionierender und fairer Wettbewerb ist die beste
Voraussetzung für wirtschaftliche - das heißt: effiziente - Energiebereitstellung und -nutzung.
Die konsequente europaweite Liberalisierung der Märkte für Strom und Gas ist
beispielsweise eine Voraussetzung dafür, dass sich auch in diesen, früher von Monopolen
geprägten Wirtschaftszweigen, der Wettbewerb entfaltet und wettbewerbsfähige Preise
entwickeln. Davon profitieren die Verbraucher genauso wie die Industrie, aber auch die
Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandorts Deutschland insgesamt.“ (11)
Ziel
Versorgungssicherheit: „Versorgungssicherheit bedeutet, für die Energienachfrage
jederzeit ein ausreichendes Angebot an Energieträgern sicherzustellen. Als rohstoffarmes
Land ist Deutschland in besonderem Maße auf Importe angewiesen. Je vielfältiger der
Energieträgermix ist und je mehr Bezugsquellen überall auf der Welt genutzt werden, desto
2
sicherer ist die Versorgungslage. Gerade die Energiewende und der damit verbundene
Ausbau der erneuerbaren Energien ist hier die beste Strategie, um auch in Zukunft eine
sichere Energieversorgung zu haben und unabhängiger von Energieimporten zu werden.
Wichtig ist auch die sparsamere und rationellere Energieverwendung, denn auch die
Reduzierung des Energiebedarfs trägt zur Versorgungssicherheit bei.“ (11)
Ziel
Umweltverträglichkeit: „Umweltverträglichkeit bedeutet die möglichst schonende
Nutzung der natürlichen Ressourcen. Im Energiebereich gehört wirksamer Klimaschutz zu
den weltweit größten Herausforderungen. Wir setzen auf eine nachhaltige Energieerzeugung
und einen nachhaltigen Verbrauch, ohne den industriellen Kern unserer Wirtschaft zu
gefährden. Das verbindet das Richtige mit dem Nützlichen. So kann Klimaschutz zum
Fortschrittsmotor werden und den Wohlstand und die Wettbewerbsfähigkeit unseres
Landes stärken. Die Bundesregierung hat zahlreiche Initiativen ergriffen, damit Energie
effizienter eingesetzt wird und erneuerbare Energien einen höheren Anteil an der
Energieerzeugung haben. Deutschland setzt sich innerhalb der Europäischen Union für eine
Reduktion der Treibhausgase um mindestens 40 % bis 2030 als Teil eines Zieltrios aus
Treibhausreduktion, Ausbau der erneuerbaren Energien und Energieeffizienz ein.“ (11)
2. LNG (Flüssigerdgas) der Treibstoff der Zukunft
Der Verkehrssektor hat eine hohe Verantwortung für die sichere Umsetzung der
Energiewende. Rund 30 % des Energieverbrauches und 20 % des CO2-Ausstoßes in
Deutschland kommen aus dem Straßenverkehr. In der Vergangenheit hatte dieser Sektor
eine gewisse Eigenständigkeit. Diese lässt sich durch das neue Energiesystem Deutschlands
in Zukunft nicht mehr aufrechterhalten. Aus diesem Grund ist der Bereich der Mobilität
neben dem Strom- und Wärmesektor ein wichtiges Handlungsfeld in der Energiewende.
Der Wandel der Energie in Deutschland entwickelt sich mit rasender Geschwindigkeit. Vor
allem im mobilen Bereich drängt die Zeit nach neuen alternativen Kraftsoffen. Diese
Umstrukturierung hat mit der Energiewende und dem Energiekonzept sogar noch an
Bedeutung gewonnen. (9)
Heutzutage wird der Verkehr in Deutschland zu 90 % mit Erdöl betrieben. Die weltweite
Nachfrage nach Öl steigt stetig an; gleichzeitig wird das Erschließen neuer Ölvorkommen
immer aufwendiger. Der weltweite durchschnittliche Ölverbrauch, welcher mit der
Ölproduktion nahezu gleich ist, lag im Jahr 2010 bei 83 Millionen Barrel pro Tag und wird bis
zum Jahr 2035 auf fast 100 Millionen Barrel steigen. Die Tagesölproduktion hingegen sinkt
unterhalb von 40 Millionen Barrel und sorgt für ein großes Defizit (Abbildung 2). Somit wird
das Öl für den Endverbraucher immer teurer und auf lange Sicht nicht mehr bezahlbar.
Damit auch in Zukunft eine zuverlässige, umweltschonende und bezahlbare
3
Energieversorgung im mobilen Sektor gewährleistet werden kann, muss in alternative und
erneuerbare Kraftstoffe investiert werden. (9)
Abbildung 2: Ausblick des weltweiten Erdölverbrauchs und Produktion (eigene Anfertigung, nach World Energy
Outlook (26))
4
3.1.
LNG als Erdölsubstitut
Die Abkürzung LNG steht für Liquified Natural Gas. Es handelt sich dabei um verflüssigtes
Methan das entweder aus Bio-, Deponie-, Klär- (erneuerbare Energieträger) oder Erdgas
(fossiler Energieträger) gewonnen wird. Durch die Abscheidung von anderen Bestandteilen
des Biogases, hauptsächlich CO2, entsteht aus dem Gas reines Methan, welches
anschließend, zum Beispiel mittels kryogener Verfahren, oberhalb der Siedelinie
(Flüssigbereich) gebracht und dabei verflüssigt wird (Abbildung 3). Es entsteht LNG, das
einen Brennwert von durchschnittlich 5,8 kWh/l pro Liter hat und dessen Volumen sich um
das 600-fache verkleinert. (33)
Abbildung 3: Phasendiagramm Methan (Eigene Anfertigung nach (7))
LNG ist ein Energieträger der Zukunft! Das Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi)
erwartet, dass im Jahr 2030 rund 50 % des internationalen Gashandels mit flüssigem Methan
abgewickelt wird. Laut ExxonMobil wird im Vergleich zu heute mit einer Verdoppelung der
Nachfrage gerechnet. Aufstrebende Länder, wie zum Beispiel Asien, sehen in dieser
Energiequelle die Möglichkeit, ihren Energiebedarf zu decken. Auch Deutschland und Europa
sehen in dem flüssigen Methan ein großes Potential. In Deutschland wird prognostiziert,
dass die Energiebereitstellung aus LNG zunehmen wird. Gleichzeitig geht die konventionelle
Gasförderung Europas mittelfristig zurück und sorgt somit für einen erhöhten Importbedarf.
(26, 42)
5
3.1.1. Vorteile von flüssigem Methan
Volumen und Energiegehalt:
LNG ist gegenüber gasförmigem CH4 um das 600-fache komprimiert. Aus 600 m3 CH4
kann 1 m3 LNG hergestellt werden. Dieser große Vorteil macht das LNG so attraktiv.
Er erleichtert vor allem den Transport per Schiff oder Lkw, weil das Flüssiggas in
größeren Mengen transportiert werden kann. Gleichzeitig wird durch das
Komprimieren der Energiegehalt pro m3 gesteigert. Somit ist 1 Liter LNG äquivalent
mit 1,6 Liter Dieselkraftstoff. (30)
3.1.2. Vorteile von flüssigem Methan hergestellt aus erneuerbaren Energieträgern (LBM)
Umwelt und Speicher:
LBM (Liquified Bio Gas) wird aus regenerativem Biogas erzeugt und wird deshalb als
klimaneutral1 bezeichnet. Durch den überschüssigen Strom, der im Sommer durch
Windkraftanlagen und Solaranlagen produziert wird, kann LBM produziert werden,
welches sich wegen dem geringen Volumen mittelfristig speichern lässt. Dieser
Kraftstoff kann an stromärmeren Tagen oder als Kraftstoff im Verkehr verbraucht
werden.
Regenerativ:
LBM hat gegenüber von LNG den großen Vorteil, dass es nachhaltig produziert
werden kann und daher zu den regenerativen Energieträgern gehört. Dagegen ist der
fossile Energieträger Erdgas begrenzt! Den heutigen konventionellen
Erdgasförderungen zufolge ist das Erdgas in rund 120 Jahren ausgeschöpft. (26)
Dezentrale Herstellung:
LBM kann dezentral produziert werden und erlaubt es dem Erzeugerland, eine eigene
und unabhängige Gasinfrastruktur zu schaffen. Deutschland würde nicht mehr von
Importgas abhängig sein und würde die Versorgungssicherheit im eigenen Land selbst
unter Kontrolle haben.
1
Gibt nur so viel CO2 an die Umwelt ab, wie es zuvor aufgenommen hat.
6
3.1.3. Potential von LNG im Straßenverkehr
Aufgrund der hohen Energiedichte fahren Lkws schon heute mit LNG über 1.000 Kilometer.
Andere Alternativen, wie zum Beispiel CNG (Compressed Natural Gas), erreichen bei gleicher
Tankgröße nur eine Reichweite von 300 Kilometern. Dadurch ist eine neue Infrastruktur
leicht zu realisieren, weil weniger Tankstellen benötigt werden. Zudem hat LNG im Vergleich
zu CNG eine enorme Gewichtsreduzierung im Bereich der Speichertanks.
Im Vergleich zu Dieselkraftstoff sinken bei LNG der Ausstoß von CO2 um 20 %, die Stickoxide
um 75 %, die Rußpartikel und das Schwefeldioxid auf 0 %. Dazu kommt, dass durch die
höhere Oktanzahl der Wirkungsgrad des Motors verbessert wird (45).
Der geringere CO2 - Ausstoß gegenüber Benzin und Diesel und die niedrigeren
Lärmemissionen um über 50 % sorgen für die Einhaltung der in 2014 beschlossenen Euro VI
Norm. Das führt dazu, dass LNG-Lkws zu jeder Tageszeit durch innerstädtische Umweltzonen
fahren dürfen. Die Lebensmittelindustrie kann von dem innovativen Treibstoff gleich doppelt
profitieren und ihn zur Kühlung der Ware verwenden. (24, 41)
Im Schwerlastverkehr ist der alternative Kraftsoff bereits langzeiterprobt. In Holland, Polen
und Amerika befindet er sich schon erfolgreich im Einsatz. Zu den namhaftesten Herstellern
gehören Mercedes, Scania und Iveco. Mehr als 60 Lkws, sind in Holland mit LNG unterwegs,
in Amerika sind es weit über 1000 Lkws die die Vorteile von LNG nutzen. Allein in den USA
gibt es über 100 Tankstellen, bei denen der Tankvorgang dank standardisierter Kupplung
genauso einfach und schnell wie bei Dieselfahrzeugen funktioniert. Ein regelmäßiger
Tankstellen- und Fahrzeugbetrieb sorgt dafür, dass keine Methanverluste entstehen. (21)
Durch die starke Zunahme von LNG im Langstreckenverkehr und Schwertransportbereich
werden immer effizientere Techniken für die Verflüssigung von Methan bereitgestellt. Das
wirkt sich auf den Preis von flüssigem Methan aus, welcher langfristig immer günstiger wird.
Beispielhaft können die kryogenen Stahltanks das flüssige Gas rund 10 Tage (T) auf einem
Niveau von 111 Kelvin (K) kalt halten.
7
3.2.
Probleme der konventionellen Biogasproduktion
Es gibt über 7.000 Biogasanlagen in Deutschland mit einer Gesamtleistung von mehr als
2.800 MWh (Bild 4). Dazu kommen zusätzlich Deponiegasanlagen und Kläranlagen, welche
auch Biogas produzieren. Die Biogasproduktion bildet zusammen mit der Wind- und
Solarenergie den Grundpfeiler für die Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien.
Jedoch wird diese Bereitstellung der Energie aus Biogas noch nicht sinnvoll und effizient
genutzt. Die folgenden drei Problemstellungen ergeben sich aus dem konventionellen
Verbrauch von Biogas.
3.2.1. Thermische Verluste
Es fehlt an Abnehmern, die neben dem erzeugten Strom die Wärmeenergie der Anlagen
nutzen und somit den Wirkungsgrad der Anlage steigern. Ohne die sinnvolle Nutzung der
Abwärme ist der Betrieb von einem Blockheizkraftwerk (BHKW) nicht effizient genug und
somit unwirtschaftlich. Das BHKW hat einen Wirkungsgrad von 28 - 47 % (elektrisch),
welcher durch die thermische Nutzung auf 85 - 90 % gesteigert werden kann (2). Diese
Wärme kann zum Beispiel in der Industrie zur Trocknung von Klärschlamm oder im Winter
zum Heizen von Gebäuden verwendet werden. Jedoch kann diese Energie nur bedingt
genutzt werden, da die Anbindung an Industrie oder Wohnsiedlungen in vielen Fällen nicht
möglich ist und vor allem im Sommer die Wärme zum Heizen von Gebäuden nicht benötigt
wird.
3.2.2. Problem Stromherstellung
Im Sommer existiert aufgrund von Wind- und Solarenergie ein Überschuss an Strom,
weshalb das Biogas sinnlos verbrannt wird. Es werden Windkraftanlagen und Solarparks vom
Netz genommen, damit es nicht zur Überlastung des Stromnetzes kommt. Allein im Jahre
2011 mussten rund 150 GWh elektrisch abgeriegelt werden und somit der jährliche
Strombedarf für 43.000 Haushalte. Durch die exponentielle Zunahme der erneuerbaren
Energien wird für das Jahr 2030 ein Überschussstrom von 1000 GWh erwartet und im Jahr
2050 könnte man 40 Millionen Haushalte, also halb Deutschland, ein Jahr nur mit
Überschussstrom versorgen. (22)
8
3.2.3. Problem Erdgasnetzeinspeisung
Die Möglichkeit das Gas zu speichern und es einzusetzen wenn es gebraucht wird, ist
aufgrund der geringen volumetrischen Energiedichte nur bedingt gegeben. Die Einspeisung
und Speicherung ins Erdgasnetz ist eine Variante, welche bei 130 Anlagen in Deutschland
schon genutzt wird, jedoch nur sinnvoll ist, wenn die Anlage direkt am Erdgasnetz liegt.
Bisherige Ergebnisse haben gezeigt, dass das Einspeisen ins Erdgasnetz bei einem
Biogasvolumenstrom unter 250 Nm3 Biogas pro Stunde sowohl aus wirtschaftlicher als auch
umwelttechnischer Sicht nicht realisierbar ist. Somit gibt es fast 6.000 Biogasanlagen, die mit
einer Leistung unter 500 kWel als potentielle Einspeiser von regenerativ erzeugtem Biogas
nicht geeignet sind (Bild 4). (13)
Abbildung 4: Biogasanlagen in Deutschland (28)
3.3. Forschungs- und Entwicklungsprojekt „LBM aus Biogas“
Link: (http://www.hswt.de/forschung/forschungsprojekte/land-und-ernaehrungswirtschaft/fluessiges-biomethan.html)
Das Projekt „LBM aus Biogas“ soll zeigen, dass Biogasanlagen mit einer Leistung von weniger
als 500 kWel (Biogasvolumenstrom weniger als 250 Nm3Biogas /h) das Biogas in Zukunft
effizient und intelligent einsetzen können. Durch die Kombination aus der Bereitstellung von
Treibstoff und der Vermarktung von Trockeneis sollen wirtschaftliche Anreize für
Anlagenbetreiber, unabhängig von der politischen Fördersituation, geschaffen werden.
9
Durch die Abtrennung von Störstoffen sowie eine kryogene Verflüssigungseinheit entsteht
aus dem Rohgas der Biogasanlagen flüssiges Biomethan sowie industriell einsetzbares
Trockeneis (Bild 5). (1)
Abbildung 5: Biogasverflüssigungsanlage (5)
Es wurde bereits im Vorfeld theoretisch bewiesen, dass die Herstellung und die Vermarktung
von flüssigem Methan zusammen mit dem Kohlenstoffdioxid Trockeneis gegenüber den
konventionellen Verfahren wirtschaftlich günstiger ist. Dazu zählen Anlagen, die nicht direkt
am Erdgasnetz angeschlossen sind, die ihre Wärme nicht ausreichend nutzten oder Anlagen,
die einen Biogasvolumenstrom kleiner als 250 Nm3Biogas /h haben. Neben dem richtigen
Einsatz der technischen Komponenten ist vor allem die Abscheidung des CO2 in Form von
Trockeneis das entscheidende wirtschaftliche Argument. Das Ausfrieren des CO2 brachte in
der Vergangenheit erhebliche Probleme mit sich, weshalb es bisher zu keinem marktreifen
Verfahren in dieser Größe gekommen ist. Dafür hat die Hochschule Landshut eine mögliche
Lösung gefunden, die das gewünschte Ergebnis erzielen soll. Momentan laufen die
Vorbereitungen für den Bau der ersten Testanlage. (31)
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit sollen die verschiedenen Kältebereitstellungsanlagen für
die Laboranlage und Pilotanlage verglichen werden. Das Ziel ist, sowohl die technischen als
auch die wirtschaftlichen Aspekte gegenüberzustellen und zu bewerten. Im Ergebnis soll
diese Analyse ermöglichen, die Auswahl einer geeigneten Kältebereitstellungsanlage für das
Projekt „LBM aus Biogas“ zu treffen.
10
3.3.1. Kohlendioxid (CO2) Trockeneis
Kohlendioxid hat bei Normaldruck die Eigenschaft ab einer Temperatur von 195 K sofort von
der Gas- zur Festphase überzugehen, ohne dabei zu verflüssigen (Bild 6). Es entsteht ein
festes Trockeneis, welches beim Erwärmen ohne Rückstände verdampft. Erst bei einem
Druck von 5,19 bar ist es möglich, CO2 in die flüssige Form zu bringen. Dies ist aufgrund des
erhöhten Drucks energieaufwendiger und somit wirtschaftlich unattraktiv.
Abbildung 6: Kohlenstoffdioxid Phasendiagramm (eigene Anfertigung nach (6))
Das Trockeneis erreicht bei einer Temperaturänderung von 195 K auf 273 K (0°C) eine
Kälteleistung von 178 Wh/kg und hat damit die dreifache Kühlleistung als herkömmliches,
aus Wasser hergestelltes Eis. Daraus ergibt sich, dass rund ein Drittel weniger Platz benötigt
wird, um die gleiche Kühlleistung zu erzielen. Alternativ muss das Kohlendioxid bei gleichem
Volumen dreimal so lang gekühlt werden. (4)
CO2 - Trockeneis ist geruchs- und geschmacksfrei, ungiftig, nicht brennbar und zudem
bakterienhemmend. Es gibt heutzutage zahlreiche Branchen, welche das Trockeneis
einsetzen. Zu den Wichtigsten gehört die Lebensmittelindustrie (Produktkühlung), die
Chemieindustrie (Herstellung von Kältebädern), die Kunststoffindustrie (Entgratung) und die
Metallindustrie (Härtung und Reinigung).
11
Das Besondere am Trockeneis ist, dass es von seiner festen Form direkt in den gasförmigen
Zustand übergeht ohne dabei zu verflüssigen. Dies führt dazu, dass es vielseitig eingesetzt
werden kann. In der Lebensmittelindustrie kommt es zum Beispiel zu keiner
Tauwasserbildung, welche zu Vereisungen führt. Auch beim Reinigen von Stellen, welche
schwer zu erreichen sind, ist das Trockeneis sehr nützlich. Beispielhaft wird dies bei der
Reinigung eines Motorinnenraumes angewendet. Das Verbleiben von Restwasser könnte
erhebliche Schäden verursachen. Fette, Trennmittel und Öle lassen sich zudem leicht lösen!
Sie werden durch die Kälte hart und spröde und platzen schließlich von den Oberflächen ab.
(3)
Trockeneis bringt somit reichlich positive Anwendungsmöglichkeiten, welche bereits
zahlreich in der Praxis genutzt werden. Diese Vielfältigkeit und die im Biogas enthaltenen
großen Mengen an CO2 (bis zu 50 %) sind ein großer Anreiz und Voraussetzung für die
Umsetzung des Projektes „Flüssiges Biomethan“.
4. Grundlagen der Kältetechnik
Die Kälte ist ein Begriff, unter dem sich jeder etwas vorstellen kann. Wir spüren wenn etwas
kalt ist und dieses Gefühl begleitet uns schon unser ganzes Leben. Wie können wir aber
diese Kälte verständlich erklären?
Technisch gesehen ist Kälte weder ein Stoff noch in strengem Sinne eine Energieform. Kälte
beschreibt einen Zustand bei dem die Temperatur niedriger ist als in der Umgebung. Um
diesen Zustand zu erreichen, muss ein Objekt von seiner Umgebungstemperatur abgekühlt
werden. Dies kann zum Beispiel in einem Wasserglas durch Zugabe von Eiswürfeln passieren.
Dabei entsteht ein Kontakt von zwei Objekten mit unterschiedlichen Temperaturen, welcher
die Grundvoraussetzung für das Abkühlen ist. Aus Sicht der Thermodynamik (Wärmelehre)
fließt Wärme von der höheren zur niedrigeren Temperatur, also vom Wasser mit
Umgebungstemperatur in den Eiswürfel; dabei schmilzt das Eis und das Wasser kühlt ab.
Die Thermodynamik ist die Wissenschaft, die sich mit den Zustandsgrößen wie Temperatur,
Druck, Dichte und mit der Energieumwandlung beschäftigt. Die Kälte ist in der Wärmelehre
ein Ungleichgewichtszustand. Um diesen Zustand zu erreichen, muss von dem Ort, an dem
Kälte entsteht, Wärme entzogen werden.
12
4.1. Leistungsberechnung
Kälte muss für die tägliche Anwendung künstlich erzeugt werden. Vor allem für das
Erreichen von tiefen Temperaturen, die in der Natur nicht vorkommen, müssen spezielle
Kältemaschinen angewendet werden. Um eine Kältemaschine zu betreiben, muss Wärme
von einem kälteren zu einem wärmeren Objekt fließen. Der zweite Hauptsatz der
Thermodynamik besagt, dass dies nur möglich ist, wenn mechanische Energie zugeführt
wird.
In der folgenden Abbildung (Bild 7) werden die Energieströme eines thermodynamischen
Kälteprozesses aufgezeigt. Durch die Zugabe von Arbeit (WA) entzieht die Kältemaschine
dem zu kühlenden System Energie (Qzu). Gleichzeitig werden die hineinfließenden
Energieströme in die Umgebung abgeführt (Qab).
Abbildung 7: Energieflussbild Kältemaschine (eigene Anfertigung)
Energie kann nicht vernichtet werden. Energie kann man transportieren oder in andere
Energieformen umwandeln. Dieses Gesetz der Energie ist die Grunderkenntnis der
Thermodynamik und wird als erster Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet. Im
stationären Zustand ist die Summe aller Energien, die in ein System hineinfließen, gleich der
Summe, die das System verlassen. (17)
Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich folgende Gleichung (Gl.1) für eine
Kältemaschine (Bild 7):
WA + Qzu = Qab
(Gl. 1)
Um diese Energieströme WA, Qzu und Qab zu übertragen, bedarf es folgender drei
Schnittstellen, die charakteristisch für jede Kältemaschine sind: (17)
13
Tabelle 1: Schnittstellen der Kältemaschine (17)
-
Der Kontakt zwischen der gekühlten Stelle an der Kältemaschine und dem zu
kühlenden Objekt zur Wärmeübertragung Qzu.
Der Kontakt an die Umgebung zur Abgabe der Abwärme Qab.
Schnittstelle zur Aufnahme der zugeführten Energie WA.
Es wurde gezeigt, dass zur Herstellung von künstlicher Kälte bestimmte Schnittstellen
erforderlich sind, um mit Hilfe von mechanischer Energie Kälte zu erzeugen. Als nächstes
wird dargestellt, wieviel Energie eine Kältemaschine mindestens benötigt, um eine
bestimmte Kälteleistung zu erzielen.
14
4.1.1. Minimaler Leistungsaufwand nach Carnot
Der wichtigste Kreisprozess in der Thermodynamik ist der Carnot-Prozess. Er zeigt wie in der
Kältetechnik Arbeit in Kälte umgewandelt wird. Im Carnot-Prozess wird der höchst mögliche
Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Energie erzielt. Der
Franzose Nicolas Leonard Sadi Carnot befasste sich unter anderem mit der Entwicklung der
Dampfmaschine, welche eine große Ähnlichkeit mit der Kältemaschine hat. Seine
Erkenntnisse wurden später auf die Kältemaschine projiziert. Dabei entstand folgende
Gleichung (Gl. 2).
Pmin =
zu(
Pmin = 200 W (
)
(Gl. 2)
) = 358,56 W
Eine Kältemaschine die 200 Watt (W) auf einem Temperaturniveau 111 K bereitstellt muss
eine Antriebsleistung von mindestens 358,56 W haben (Mindestleistung der Laboranlage).
Diese Gleichung gibt die minimale Arbeitsleistung Pmin an, um eine bestimmte Kälteleistung
zu zu erzielen. Je tiefer die zu erreichende Temperatur (To) ist, desto mehr Energie (Pmin)
muss der Kältemaschine zugeführt werden, um die geforderte Kälteleistung ( zu)
bereitzustellen. (27, 44)
Wieviel Kälteleistung ( zu) benötigt wird hängt von dem jeweiligen Nutzen der Kälteanlage
ab. Für das Verflüssigen von Biogas kann die minimale Verflüssigungsarbeit nach Claude
berechnet werden um die benötigte Kälteleistung pro Volumeneinheit zu ermitteln. (17)
4.1.2. Minimale Verflüssigungsarbeit (wmin) nach Claude
Die minimale Verflüssigungsarbeit nach Claude gibt die Wärmemenge an, welche von der
Umgebungstemperatur (Tu) bis hin zur Siedetemperatur (To) von einer bestimmten
Gasmenge eines bestimmten Gases entzogen werden muss. Bei den folgenden Gleichungen
wird vorausgesetzt, dass die Abkühlung isobar bei Umgebungsdruck durchgeführt wird! (30)
Berechnung der minimalen Verflüssigungsarbeit am Beispiel der Methanverflüssigung:
Im ersten Schritt wird die abzuführende Kühlwärme (qk), welche im Zustand zwischen Gas
und Flüssigstoff entsteht, nach Claude berechnet.
15
(Gl. 3)
qk = hs - hu
qk, CH4 = -911,98
-25,88
= -936,86
Bedingungen: Tu = 310 K, p = 1 Bar und To = 111 K
Die Verflüssigungsarbeit (wmin) wird nun unter Berücksichtigung des idealen Kreisprozesses
zwischen Umgebungstemperatur und Siedetemperatur berechnet:
(Gl. 4)
wmin = qzu – qab = T u (ss – su) - qk
wmin, CH4 = 310 ( -6,68
– 0,05
) – – 936,86
= 1149,44
= 320 Wh/Nm3CH4
Berechnet man die Verflüssigungsarbeit (wmin) für einen Normkubikmeter Biogas, mit einem
Anteil von 60 % CH4 und 40 % CO2, so ergibt sich eine Kälteleistung von 230 Wh/Nm3Biogas
(31). Der Biogasvolumenstrom ( Biogas ) der Laboranlage beträgt 12 l/h. Für die Verflüssigung
der 12 l Biogas wird eine Kälteleistung von 27.6 W benötigt (Gl. 5).
Qmin = wmin *
Biogas
(Gl. 5)
Qmin = 230 Wh/Nm3 * 0,12 Nm3/h = 27,6 W
4.1.3. Berechnung der realen Kälteleistung
Die im Kapitel 4.1.2. berechnete minimale Verflüssigungsarbeit setzt voraus, dass die
Verflüssigung reversibel2 abläuft. Diese Voraussetzungen sind in der Realität nicht gegeben,
deswegen wird ein Sicherheitsfaktor (z) verwendet, der die benötigte Kälteleistung erhöhen
soll. In diesem Faktor werden die Verluste (Kapitel 4.1.3.1.), welche bei der
Kältebereitstellung entstehen berücksichtigt. Zudem dient eine Steigerung der Kälteleistung
nicht nur als Reserve für die Verluste, sondern auch zu Erhöhung der Lebensdauer und der
Zuverlässigkeit einer Kälteanlage. (27)
2
verlustfrei
16
Reale mindesterforderliche Kälteleistung (Qzu), für die Laboranlage:
Qzu = Qmin * z
(Gl. 6)
Qzu = 27,6 W * 7,25 = 200 W
4.1.3.1.
Verluste eines realen Prozesses zur Kältebereitstellung
Tabelle 2: Verluste bei der Kälteherstellung (23, 44)
-
Reibungsverluste
Wärmetauscherverluste
Verdichterverluste
Gasströmungsverluste
Wärmeleitfähigkeitsverluste
Umgebungstemperaturabhängige Verluste (Wasser-, Luftkühlung)
Sonstige Verluste
4.1.4. Wirkungsgrad (ƞ)
Die nach Carnot berechnete Mindestleistung (Pmin) ist der Richtwert für die minimale
Antriebsleistung, die benötigt wird, um eine bestimmte Kälteleistung bereitzustellen. Der
Carnot-Prozess eignet sich hervorragend, um Anlagen miteinander zu vergleichen, welche
die gleiche Kälteleistung erbringen. (44)
(Gl. 7)
ƞ=
ƞ=
,
,
=5%
17
4.1.4.1.
Leistungszahl ( )
Die Leistungszahl (COP) zeigt die Effizienz einer Maschine und ist ein wichtiges Kriterium für
die Qualität einer Kältemaschine. Es wird der Leistungsabfall zwischen eingegangener
Leistung (PAufwand, Pmin) und Kälteleistung ( zu) dargestellt.
=
"=
#
.&
$
= 0,03
$
max =
" max =
(GL. 7)
!
#
(,
'
'
= 0,56
Nach der äußerlichen Betrachtung einer Kältemaschine werden im weiteren Schritt die
Grundlagen der Kälteherstellung näher erläutert. Dabei wird auf den Effekt des Abkühlens
und auf den Kältekreislauf eingegangen. (17)
4.2. Komponenten der Kältemaschine (Gasexpansionsmaschine)
Für die Erzeugung von Temperaturen unterhalb von 120 K (kryogener Bereich) hat sich die
Gasexpansionsmaschine auf dem Kryomarkt etabliert. Es gibt verschieden Arten solcher
Maschinen, welche sich durch ihre einzelnen Komponenten, wie zum Beispiel Kältemittel,
Expansionsmethode oder Verdichter voneinander unterscheiden. Die Funktionsweise dieser
Anlagen ist prinzipiell bei allen gleich und soll in diesem Kapitel verdeutlicht werden. (17)
4.2.1. Kältemittel
Die Fähigkeit tiefe Temperaturen bereitzustellen, beruht darauf, dass ein Medium Wärme in
der Umgebung aufnimmt, sie transportiert und an eine andere Umgebung wieder abgibt.
Das Medium wird zu diesem Zweck in der Tieftemperaturerzeugung einem Kreislauf
unterzogen, welcher aus Verdampfung, Verdichtung, Kondensation und Expansion besteht.
Dabei wird das Volumen und der Wärmeinhalt angepasst, damit das Kältemittel am Ende des
Kreislaufes wieder in seinen Ausgangszustand kommt.
In der Kryotechnik werden Kältemittel benutzt, deren Siedetemperatur unterhalb von 120 K
liegt. Sie werden nach folgenden Eigenschaften bewertet und eingestuft:
18
Tabelle 3: Eigenschaften Kältemittel (46)
-
hohe spezifische Verdampfungsenthalpie
hohe volumetrische Kälteleistung
hohe Wärmeleitfähigkeit
hohe kritische Temperatur
niedrige Viskosität
nicht brennbar
nicht explosiv
kein Ozonabbaupotential
kein Treibhauseffekt
nicht giftig
bei Austritt durch Geruch wahrnehmbar
nicht korrosiv
sollten mit dem Schmiermittel kompatibel sein
Teilt man die Kältemittel nach ihrer Bedeutung in der Kryotechnik ein, so ist Helium mit
Abstand am Häufigsten verbreitet. Danach folgen Stickstoff und an dritter Stelle Wasserstoff.
Die wichtigsten Daten dieser Kältemittel stehen in der folgenden Tabelle.
Tabelle 4: Stoffdaten Kältemittel (15)
Kältemittel
Molmasse
Siedepunkt (Ts) bei
1,013 bar
Spezifische
Verflüssigungsenergie
Verdampfungsenthalpie
Kritischer Punkt
Temperatur
Druck
Dichte
Flüssigdichte bei Ts
Gasdichte bei Ts
Gasdichte bei 0° C; Ts
Umrechnung
Gasvolumen bei 288 K;
Flüssigkeitsvolumen bei
Ts
Masse (m)
N2
28
77,3
He
4
4,23
H2
2
20,4
Grad Celsius
(°C)
kWh/l
-195,9
-268.92
-252,8
0,4
0,91
0,95
MJ/kmol
5,55
0,083
0,92
K
Bar
kg/m3
kg/m3
kg/m3
kg/m3
126,1
33,94
311
804
4,59
1,251
5,2
2,291
69
125
17,2
0,178
32,98
12,93
31
71
13,3
0,090
m3
0,691
0,749
0,842
Liter
1
1
1
kg
0,805
0,125
0,0708
Kg/mol
K
19
Bei den Gaskältemaschinen wird hauptsächlich Helium als Arbeitsgas verwendet. Dieses
Arbeitsgas wird deutlich über dem Zweiphasengebiet gehalten, damit es nicht siedet und
gasförmig bleibt. Dadurch wird nur ein gleitendes Temperaturniveau erzeugt, welches für
die Verflüssigung von Biomethan ausreichend ist. (15)
Das Kältemittel ist für den Enthalpietransport zuständig. Es entzieht dem zu kühlenden
Objekt Wärme und transportiert es in die Umgebung. Die Wahl des Kältemittels ist nicht nur
von dessen spezifischen Eigenschaften bei bestimmten Temperaturen abhängig, sondern
auch vom Kälteprozess und deren Komponenten. Dies soll im folgenden Beispiel verdeutlicht
werden:
Zur
Verflüssigung
von
Wasserstoff
wird
oft
der
Brayton-Kreislauf
(Tieftemperaturbereitstellungsverfahren) verwendet. Als Kältemittel wird dabei Helium
(geschlossener Kreislauf) oder Wasserstoff (offener Kreislauf) benutzt. In der
Leistungsberechnung hängt der Wirkungsgrad des idealen Brayton-Prozesses nicht von
der Wahl des Kältemittels ab. Doch die Realität zeigte, dass bei dem Austausch des
Kompressors gegen einen leistungsstärkeren Turbokompressor die Kälteleistung abfiel.
Obwohl der Turbokompressor gegenüber dem normalen Kompressor den besseren
Wirkungsgrad hat, lässt sich Wasserstoff oder Helium damit nicht wirtschaftlich
verdichten. (35)
Für die Kälteerzeugung ist das Zusammenspiel zwischen dem Kältemittel und Maschine von
Bedeutung. Ein Kältebereitstellungsprozess ist umso effizienter, je besser die verwendeten
Komponenten Kondensator, Verdampfer, Verdichter und Expander mit dem Kältemittel
harmonieren.
4.2.2. Mechanische Teile der Gasexpansionsmaschine
Innerhalb der Kältemaschine übernimmt die Wärmeaufnahme und deren Transport ein
Kältemittel, das sich in einem geschlossenen Kreislauf bewegt und nacheinander
verschiedene Zustandsänderungen erfährt. Der Kreislauf besteht im Wesentlichen aus
folgenden vier Bausteinen: (27)
Verdichter (Kompressor oder Kolben mit einem thermischen oder mechanischen
Antrieb):
Der Verdichter ist die Hauptkomponente jeder Kältemaschine und ist dafür
verantwortlich, dass das Kältemittel vom geringen Verdampfungsdruckniveau
auf ein höheres Verflüssigungsniveau komprimiert wird. Er muss gleichzeitig den
Kältemittelmassenstrom für den Erhalt der Kälteleistung sicherstellen.
20
Der Verdichter ist die teuerste Komponente einer Kälteanlage. Um einen
wirtschaftlichen Überblick zu bekommen, reicht es oft in erster Linie aus, die
Preise der jeweiligen Verdichter zu vergleichen.
Wärmetauscher (Nachkühler, Regenerator, Gegenstromwärmetauscher):
Der Wärmetauscher ist für die (Vor)-kühlung des Gasflusses zuständig. Dabei
fließt die Wärme entweder vom Wärmetauscher ins Kältemittel oder vom
Kältemittel in den Wärmetauscher. Damit ein Wärmetausch zustande kommt,
muss der Tauscher an ein höheres oder niedrigeres Temperaturniveau gekoppelt
sein.
Expander (Drossel, Ventil, Turbine):
Dieser Mechanismus entspannt das Fluid von einem hohen auf einen niedrigeren
Druck. Die Saugwirkung des Verdichters und die Verengung im Expansionsraum
dienen als Regelwerk zur Einstellung der gewünschten Temperatur.
Verbraucher (Verdampfer, Verflüssiger):
Je nach Anwendung der Anlage wird ein Verdampfer oder ein Verflüssiger
eingesetzt. Der Verflüssiger wird zum Verflüssigen des Kältemittels im Kreislauf
eingesetzt und der Verdampfer wird zur Abkühlung einer externen Quelle
genutzt.
Verflüssiger (Kryostat):
Der Verflüssiger sammelt das verflüssigte Kältemittel, welches durch die
Expansion entstanden ist, in einem Becken. Gleichzeitig muss das verflüssigte
Fluid in Gasform wieder nachgefüllt werden, um einen stetigen Gasfluss zu
gewährleisten.
Verdampfer (Wärmetauscher):
Der Verdampfer ist für die Kälteabfuhr (Wärmeaufnahme des Kältemittels) im
Kreislauf zuständig. Entweder gelangt das Kältemittel flüssig in den
Verdampfer und wird durch die Wärmeaufnahme wieder gasförmig oder es
strömt gasförmig rein und raus. Damit ein Wärmetransport zustande kommt,
muss der Verdampfer an ein wärmeres Temperaturniveau gekoppelt sein. (27)
21
4.3.
Kälteerzeugung durch den Joule-Thomson-Effekt
Durch die Joule-Thomson-Entspannung erfährt ein komprimiertes Fluid eine Drucksenkung
und kühlt ab. Dieser Effekt entsteht, wenn ein reales Gas zum Beispiel durch eine Drossel,
ein Ventil oder eine Membran expandiert. Im folgenden Beispiel (Abbildung 8) wird
Stickstoff mit einem Kolben von 1 bar (p0) auf 200 bar (pa) komprimiert und dann wieder auf
ein bar (pb), über eine Drossel entspannt. Die Temperatur des Gases wird durch die
Kompression von 280 K (T0) auf 300 K (Ta) erhöht und erfährt durch die Entspannung eine
Absenkung auf 270 K (Tb).
Abbildung 8: Joule-Thomson-Effekt (eigene Anfertigung)
Für das bessere Verständnis wird in der Abbildung 11 (Temperatur, Enthalpie-Diagramm)
und in der Abbildung 9 (Temperatur, Entropie-Diagramm) die Drucksenkung von 200 auf 1
bar (a nach b, c auf d und e auf f) bei verschiedenen Anfangstemperaturen (Ta, Tc und Te)
dargestellt und in der Tabelle 5 ausgewertet.
22
Abbildung 9: Joule-Thomson-Entspannung, T, h - Diagramm, N2 (17)
Abbildung 10: Joule-Thomson-Entspannung, T, s Diagramm, N2 (17)
23
Tabelle 5: Auswertung Tabelle 9 und 10
Entspannung
von:
Punkt:
Eigenschaften:
Druck in Bar:
Temperatur in
K:
Enthalpie in
kj/mol:
Entropie in kj/kg
a nach b
c nach d
e nach f
a
b
c
d
e
f
200
300
1
270
200
200
1
133
200
133
1
77,2
19,2
19,2
15
15
10,6
10,6
5,16
6,79
4,25
6
3,75
4,4
Die Temperaturänderung bei der Joule-Thomson-Entspannung hängt von den molekularen
Eigenschaften des Kältemittels, der Druckänderung und der Anfangstemperatur ab. Wird
zum Beispiel Stickstoff auf 200 K vorgekühlt und von 200 auf 1 bar entspannt (Abbildung 9,
10; c nach d), so erfährt das Gas eine Temperaturänderung von 70 K. Im Vergleich zur
Abkühlung von 300 K (a nach b) ist dies um 60 % effektiver. Umso näher ein Gas seinem
Zweiphasengebiet kommt (Bild 11), desto größer ist seine Temperaturänderung durch den
Joule-Thomson-Effekt. Dies gilt aber nur, solange bei der Entspannung die Siedelinie
(Zweiphasengebiet in Abbildung 11) nicht durchquert wird, danach sinkt wieder der
Temperaturabfall durch diesen Effekt (Abbildung 9, 10; e nach f). Die maximale
Temperaturdifferenz bei einer Entspannung von 200 bar auf 1 bar erfährt Stickstoff bei einer
Ausgangstemperatur von 170 K. Dabei entsteht eine Temperaturdifferenz von 100 K und das
Gas wird verflüssigt. (Abbildung 9, 10). (47)
Abbildung 11: Phasendiagramm Stickstoff (eigene Anfertigung)
24
Durch die adiabatische Expansion passiert Folgendes:
Das Volumen des Gases wird vergrößert und der mittlere Abstand der Teilchen
nimmt zu. Die Gasteilchen arbeiten bei der Vergrößerung gegen die
Wechselwirkungskräfte des Atoms und dadurch steigt die potenzielle Energie des
Systems. Gleichzeitig sinkt die kinetische Energie der Teilchen, weil kein
Energieaustausch mit der Umgebung zustande kommt und das Gas kühlt ab. (40)
Eine Druckerhöhung oberhalb von 200 bar führt beim Joule-Thomson-Effekt zu keinem
effektiven Ergebnis, weil der wirtschaftliche Aufwand verglichen mit der niedrigen
Temperaturänderung (Bild 9, 10) viel zu hoch ist.
4.3.1. Joule-Thomson-Koeffizient
Der Joule-Thomson-Koeffizient (μ) steht für den Zusammenhang zwischen Druck- und
Temperaturänderung eines realen Gases bei adiabatischer Entspannung und konstanter
Enthalpie. Das Vorzeichen des Koeffizienten sagt aus, wie ein bestimmtes Fluid bei der JouleThomson-Entspannung reagiert. Je größer der Koeffizient, umso effektiver ist der JouleThomson-Effekt. Ist der Koeffizient negativ, so erwärmt sich das Gas. Im nachfolgenden
Diagramm ist der Koeffizient, in Abhängigkeit der Temperatur bei Umgebungsdruck für
Helium, Stickstoff, Wasserstoff, Argon und Kohlenstoffdioxid dargestellt.
Abbildung 12: Joule-Thomson-Koeffizient Kurve (48)
25
Die Kältebereitstellung durch das Joule-Thomson-Verfahren funktioniert aber nur bei Gasen,
welche bei gegebenem Druck und Temperatur unterhalb ihrer Inversionskurve3 liegen.
(Bild 13). Für Wasserstoff und Helium ist daher eine Vorkühlung oder eine Druckerhöhung
nötig, da ihre Inversionstemperaturen bei Umgebungsdruck oberhalb der Kurve liegen. (17)
Abbildung 13: Inversionskurven (29)
3
Umkehrpunkt der Temperatur, bei der beim Joule-Thomson-Prozess die Abkühlung in eine
Erwärmung umschlägt.
26
4.4.
Kälteerzeugung durch die arbeitsleistende Entspannung
Bei dieser Methode erzeugt das Fluid beim Druckabfall mechanische Arbeit. Diese Arbeit
wird beim Entspannen durch eine Turbine, einen Kolbenexpander oder eine ähnliche
Vorrichtung erzeugt. Dieser Vorgang ist sehr effektiv, da eine hohe Temperaturabsenkung
erfolgt. In den Abbildungen 14 und 15 wird die arbeitsleistende Entspannung mit
unterschiedlichen Druckänderungen und Anfangstemperaturen dargestellt und in der
Tabelle 6 ausgewertet. Dabei wird eine Turbine zur Entspannung und Stickstoff als
Kältemittel verwendet.
Abbildung 14: Entspannung Turbine T, h-Diagramm, N2 (18)
27
Abbildung 15: Entspannung Turbine T, s-Diagramm, N2 (18)
Tabelle 6: Auswertung Abbildung 14 und 15
Entspannung
von:
Punkt:
Eigenschaften:
Druck in bar:
Temperatur in K:
Enthalpie in
kj/mol:
Entropie in kj/kg
a nach b
a nach b´
c nach d
a
b
a
b
c
d
200
300
19,2
20
155
15,2
200
200
19,2
1
77,2
13,3
200
200
15
20
118
13,3
5,25
5,25
5,25
5,25
4,55
4,55
Bei der arbeitsleistenden Entspannung gilt, je höher die Anfangstemperatur, desto höher ist
die Temperaturänderung bei einem Druckabfall des Fluides (Tabelle 6). Am Beispiel (a nach
b´) wird gezeigt, dass nach einmaliger Abkühlung Temperauren unterhalb der Siedelinie
erreicht werden. Durch die arbeitsleistende Entspannung ändert sich die Enthalpie vom
Fluid. Diese Änderung wird durch die mechanische Arbeit der Turbine erzeugt. Die Leistung
(P) der Turbine ist die Änderung der Enthalpie in Abhängigkeit von der Masse (m) des
Kältemittels.
H1 – H2 = m (h1 – h2) = P
(Gl. 8)
Berücksichtigt man, dass eine Turbine einen Wirkungsgrad (ƞT) von 70 – 90 % hat, kann die
Turbinenleistung wie folgt berechnet werden:
28
m (h1 – h2) x ƞTurbine = PTurbine
(Gl. 9)
Die arbeitsleistende Entspannung funktioniert bei allen Gassen und ist effizienter als die
Joule-Thomson-Entspannung. Da eine Anschaffung einer Turbine im Vergleich zu einem
Ventil höhere Kosten mit sich bringt, sollte zuvor eine wirtschaftliche Berechnung darüber
entscheiden, welches Verfahren besser für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. (17)
29
4.5. Der Kältekreislauf
Der Kreislauf des Kältemittels in einer Kältemaschine ist ein Kreisprozess bei dem das
Kältemittel verdampft, verdichtet, verflüssigt, entspannt und in seinen Ausgangszustand
zurückkehrt. Die einzelnen Komponenten dieser Maschine sind für die Zustandsänderungen
verantwortlich. Dessen Zusammenspiel wird anhand der folgenden Skizze erklärt. (37)
Abbildung 16: Kältemittelkreislauf (eigene Anfertigung)
Verfahrensbeschreibung Abbildung (16):
1 – 2: Der Verdichter komprimiert das Gas unter Zugabe von Energie (WA) auf einen
höheren Verflüssigungsdruck. Dabei steigt die Temperatur des Gases.
2 – 3: Das Kältemittel fließt durch den Wärmetauscher und gibt dabei seine
Kompressionswärme (Qab ) ab.
3 – 4: Der Gasexpansionsmechanismus entspannt das Fluid. Dabei findet ein
Druckabfall statt und das Gas kühlt wegen des Joule-Thomson-Effektes ab.
4 – 1: Das Kältemittel entzieht dem Verbraucher Wärme (Qzu). Aufgrund des
niedrigen Druckes wird das Kältemittel vom Verdichter angesaugt und der Kreislauf
beginnt von vorne.
30
5. Kältebreitstellungsprozesse in der Kryotechnik
Für die Labor- und Pilotanlage des Projekts LBM wird eine Kältemaschine zur
Kältebereitstellung benötigt. Zu diesem Zweck werden in diesem Kapitel die einzelnen
Systeme zur Bereitstellung tiefer Temperaturen beschrieben, welche für die zwei
unterschiedlichen Anlagengrößen in Betracht kommen.
Die Leistung und die Verlässlichkeit der Kryokältemaschinen verbessert sich kontinuierlich.
Dies hat zur Folge, dass der Nutzen solcher Maschinen im kommerziellen Gebrauch, in
technischen Laboren oder in der Astronomie immer mehr zunimmt. Zu den fünf Typen von
Kältemaschinen, die für verschiedene Anwendungen am Häufigsten im Umlauf sind, zählen
der Joule-Thomson-, Brayton-, Gifford-McMahon-, Stirling- und Pulsröhrenprozess. In den
Vergangenen 20 Jahren haben sich diese Verfahren durchgesetzt und weiterentwickelt
deshalb können sie für verschiedene Einsatzmöglichkeiten genutzt werden. (36)
Mit einer Vielzahl an Verbesserungen hat sich die Kryotechnik in den letzten 20 Jahren
enorm gesteigert. Die dadurch entstandene große Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten
sorgte dafür, dass sich diese Branche auf dem Markt etabliert hat. Jedoch haben die Kühler
noch viele Attribute, die ihren Erfolg schmälern und ihre Anwendungsmöglichkeiten
begrenzen. Obwohl die Kryotechnik viele Vorteile aufweist, wie aus der Tabelle 7 zu
entnehmen ist, ist die erfolgreiche Anwendung der Kältemaschine davon abhängig, dass die
positiven Eigenschaften die Negativen überwiegen. Die Nachteile sind in der Tabelle 8
aufgelistet. Das Hauptziel der Forschung über Kryokältemaschinen ist, diese Fehler zu
reduzieren oder gar zu vermeiden. Zum Beispiel würde heute die Kryotechnik in der
Astronomie gar nicht existieren, hätte man die Lebensdauer dieser Maschinen nicht auf über
zehn Jahre verbessert.
Die Kosten solcher Kältemaschinen sind einer der Faktoren, weshalb sich die Anwendungen,
im Tieftemperaturbereich noch nicht weiter verbreitet haben. Weitere Problemfelder sind
die hörbaren Geräusche, Vibrationen oder elektromagnetische Interferenzen (EMI), welche
auch dafür verantwortlich sind, dass die Kühler nicht überall eingesetzt werden. (16, 36)
Es gibt fünf gängige Typen von Kryokühlern. Jeder davon hat unterschiedliche operative
Prinzipien aber alle produzieren die Kälte auf gleicher Basis. Ein Gas wird komprimiert und
danach expandiert und verändert dadurch seine Temperatur. Um explizite
Problemstellungen zu lösen, bedarf es einer präzisen Auswahl des richtigen Verfahrens,
welches aber gleichzeitig, ein anderes Problem mit sich bringt. Somit gibt es für jede
Anwendung ein oder zwei verschiedene Kryotypenkühler, die genau diese Anforderungen
erfüllen. (36)
31
Tabelle 7: Vorteile kryogener Temperaturen (16, 36)
-
Verdichtung (durch Verflüssigung und Trennung)
Veränderung der Eigenschaften (dauerhaft oder vorübergehend)
Schutz von Lebensmitteln und biologischen materialeren
Geringer Dampfdruck (Kryopumpen)
Leise Wärmegeräusche (Beispiel: Geräusche in Heizungsanlagen)
Gewebeabtragung (Kryochirurgie)
Quantumeffekt (Supraleitung und Superflüssigkeiten)
Tabelle 8: Potentielle Probleme mit Kryokältemaschinen (16, 36)
-
Leistung
Zuverlässigkeit
Gewicht
Größe
Abkühlzeit
Vibrationen
Kosten
Elektromagnetische Interferenz (EMI)
Hitzereaktion
32
5.1.1. Gasexpansionsmaschinen mit kontinuierlichen Gasfluss und
Gegenstromwärmetauscher (rekuperative Verfahren)
Bei den rekuperativen Gasexpansionsmaschinen wird entweder das Joule-ThomsonVerfahren oder der Brayton-Prozess verwendet. Der Gegenstromwärmetauscher ist
charakteristisch für alle rekuperativen Verfahren und gewährleistet eine kontinuierliche
Abkühlung je Durchlauf. (17)
Gegenstromwärmetauscher (Heat exchanger):
Abbildung 17: Kältekreislauf für Temperaturen bis hin zu null K mit einem Gegenstromwärmetauscher (eigene
Anfertigung nach (18))
Verfahrensbeschreibung:
1.
Durchlauf:
Das Fluid wird zuerst durch den Verdichter von Umgebungstemperatur (300 K) auf T11
erhitzt. Als nächstes wird die Wärme im Gegenstromwärmetauscher abgegeben und
die Temperatur sinkt auf T12. Im weiteren Schritt wird das Kältemittel durch die
Entspannung auf T13 abgekühlt und zum Schluss wird das Fluid durch den
Wärmetauscher (Umgebungstemperatur 300 K) auf T14 erhitzt.
33
2.
Durchlauf:
Das Fluid wird durch den Verdichter von T14 auf T21 erhitzt. Der auf T14 vorgekühlte
Gegenstromwärmetauscher kühlt das Gas auf T22. Danach wird durch die
Entspannung die Temperatur des Kältemittels auf T23 gesenkt. Diese Kälte T23 entzieht
im nächsten Schritt dem Wärmetauscher Wärme und erwärmt das Medium auf T24.
Und so beginnt der neue Durchlauf.
34
5.1.2. Joule-Thomson-Kältemaschine (Lindeverfahren)
Das Joule-Thomson-Verfahren wurde erstmals von C. Linde 1895 für die Verflüssigung von
Luft eingesetzt. Dieser einfache Kreisprozess (Abbildung 18) besteht aus den folgenden
Komponenten: Verdichter, Nachkühler, Gegenstromwärmetauscher, Joule-Thomson-Ventil
und einem Verbraucher. Durch diese Komponenten fließt ein Kältemittel (im Beispiel
Stickstoff), welches durch die Änderung seines Druckes abgekühlt wird, bis es verflüssigt.
(44)
Abbildung 18: Joule-Thomson-Kreislauf (eigene Anfertigung nach (18))
5.1.2.1.
Verfahrensbeschreibung
Das Kältemittel durchläuft pro Durchlauf folgende Bereiche (Abbildung 18):
Umgebungstemperaturbereich:
Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel (Stickstoff) an und verdichtet es auf
einen Kompressionsdruck von 200 bar. Die dabei entstehende Kompressionswärme
wird an den Nachkühler abgegeben und das Gas kühlt auf die Umgebungstemperatur
ab.
35
Kaltbereich:
Das Kältemittel wird im Gegenstromwärmetauscher vorgekühlt (1 nach 2) und
anschließend (2 nach 3) durch das Ventil entspannt. Beim Unterschreiten der
Siedelinie verflüssigt das Gas und wird im Verflüssiger abgeschieden (3 nach 4). Der
Kompressor saugt das Gas an und leitet es zur Vorkühlung in den
Gegenstromwärmetauscher (4 nach 5). Somit wiederholt sich der Kreislauf.
Abbildung 19: Joule Thomson, T, s-Diagramm (18)
Anhand des Temperatur-Entropie-Diagramms (Abbildung 19) wird der Kältemittelkreislauf
(Abbildung 18) je Durchlauf verdeutlicht.
1. Durchlauf (a):
Der gasförmige Stickstoff wird vom Kompressor angesaugt, auf einen Druck von 200
bar komprimiert und erhitzt. Anschließend wird das Fluid, durch den Nachkühler auf
die Umgebungstemperatur (Tu) abgekühlt. Im ersten Durchlauf erfährt das Medium
durch den Gegenstromwärmetauscher keine Temperaturänderung (1). Durch die
Ventile entspannt das Fluid auf ein bar und kühlt dabei ab (1 - 3a). Der Verflüssiger
am Kühlobjekt kommt erst zum Einsatz, wenn die Siedelinie unterschritten ist. Somit
fließt das leicht abgekühlte Fluid wieder in den Gegenstromwärmetauscher und kühlt
ihn für den zweiten Durchlauf vor.
36
2. Durchlauf (b):
Im zweiten Durchlauf wird das Fluid nach dem Verdichten durch den
Gegenstromwärmetauscher auf die Temperatur 2b vorgekühlt und durch die
Druckänderung auf 3c abgekühlt. Nun wird der Gegenstromwärmetauscher für den
nächsten Durchlauf vorgekühlt und der Vorgang beginnt von vorne.
Dieser Vorgang wiederholt sich noch zweimal (3. (c) und 4. Durchlauf (d)) bis der
Gegenstromwärmetauscher das Kältemittel auf 163 K abkühlt.
5. Durchlauf (ohne Indizes):
Das Kältemittel wird im Gegenstromwärmetauscher auf 163 K vorgekühlt (1 nach 2).
Anschließend wird es durch das Ventil entspannt und unterschreitet dabei die
Siedelinie von Stickstoff (2 nach 3). Somit verflüssigt ein Teil des Stickstoffes (3 nach
4). Das restliche gasförmige Kältemittel wird durch den Gegenstromwärmetauscher
gezogen und kühlt ihn für den nächsten Durchlauf vor (4 nach 5).
Um die verflüssigte Menge an Stickstoff wieder auszugleichen, muss dem Kreislauf
gasförmiger Stickstoff zugeführt werden. In diesem Fall spricht man von einem Verflüssiger.
Wird das verflüssigte Kältemittel sofort wieder verdampft (Verdampfer), sodass kein
zusätzliches Kältemittel zugeführt werden muss spricht man von einer Kältemaschine. (17)
5.1.2.2.
Berechnung der Kälteleistung
Qzu = H5 – H1 = m (h5 – h1)
(Gl. 10)
Die Energiebilanz zwischen den Punkten eins bis fünf im Kaltbereich ergibt die Kälteleistung
welche bei einer bestimmten Kältemittelmenge (m) erzeugt wird. (17)
In diesem Beispiel wurde Stickstoff als Kältemittel verwendet. Die Temperatur des
Stickstoffes sinkt beim dritten Durchlauf auf eine Temperatur unterhalb von 70 K und das
Kältemittel verflüssigt dabei. Würde der Stickstoff zum Verflüssigen von Biomethan genutzt
werden, so bräuchte man über ein Kilogramm flüssigen Stickstoff um ein Kilogramm
Biomethan zu verflüssigen. (43)
37
5.1.2.3.
Vor- und Nachteile Joule-Thomson-Kreislauf
Tabelle 9: Vorteile Joule-Thomson-Verfahren (17, 18, 27, 44)
-
Sehr einfaches Verfahren
Keine beweglichen Teile im Tieftemperaturbereich
Kompakte Bauweise
Tabelle 10: Nachteile Joule-Thomson-Verfahren (17, 18, 27, 44)
-
Hoher Wärmetauscherwirkungsgrad erforderlich
Hohe Drücke werden benötigt (hohe Energiekosten)
Geringer Wirkungsgrad
Wartungsintensiv
Absorber oder ölfreier Verdichter wird benötigt
keine Flexibilität hinsichtlich Temperatur und Leistung der Kälteerzeugung
5.1.3. Joule-Thomson-Kältemittelgemisch-Verfahren (MRC)
Beim Mischkältekreislauf werden verschiedene Stickstoff- und Methangemische verwendet
dabei durchläuft jedes Gemisch einen geschlossenen Joule-Thomson-Kreislauf und erreicht
ein bestimmtes Temperaturniveau (T1 < T2 < T3) (Bild 20). Der im Kapitel 4.3. erklärte
Zweiphaseneffekt wird durch das Mischen der Kältemittel bei der Entspannung angestrebt.
Dadurch sinkt die Anzahl der Durchläufe zum Erreichen tiefer Temperaturen und der
Wirkungsgrad steigt an. (14)
Abbildung 20: Beispiel Gemischter Kältemittelkreislauf (eigene Anfertigung nach (18))
38
Verfahrensbeschreibung Abbildung 20:
1. Kreislauf:
Das Stickstoff-Methangemisch aus dem 1. Kreislauf wird durch den Kompressor
verdichtet und erwärmt. Anschließend kühlt das Kältemittel im Nachkühler auf
Umgebungstemperatur (T3) ab. Als nächstes entspannt das Ventil das Arbeitsgas.
Dadurch wird es durch den Joule-Thomson-Effekt abgekühlt. Als letztes wird dem
Gegenstromwärmetauscher die Wärme entzogen und der Kreislauf beginnt von
vorne.
2. Kreislauf:
Das Stickstoff-Methangemisch aus dem 2. Kreislauf wird durch den Kompressor
verdichtet
und
erwärmt.
Anschließend
wird
das
Kältemittel
im
Gegenstromwärmetauscher auf die Temperatur T2 vorgekühlt. Diese Kälte wurde im
1. Kreislauf aus dem Joule-Thomson-Effekt gewonnen und an den
Gegenstromwärmetauscher abgegeben. Als nächstes entspannt das Ventil das
Arbeitsgas, dadurch wird es auf die Temperatur T3 abgekühlt. Zuletzt wird dem
Verdampfer die Wärme entzogen und der 2. Kreislauf beginnt von vorne.
Die Auswahl der Anzahl an Kreisläufen ist davon abhängig, wie tief die zu erreichenden
Temperaturen sein sollen. Das Kältemittelgemisch-Verfahren hat die gleichen Vor- und
Nachteile wie das Joule-Thomson-Verfahren (Kapitel 5.1.2.3.). Zudem kommt das durch das
MRC-Verfahren die Effizienz gesteigert wird und eine komplexe Bauweise entseht. (14)
39
5.1.4. Brayton-Kältemaschine
Die Brayton-Kältemaschine ist bis auf den Gasexpansionsmechanismus identisch mit dem
Joule-Thomson-Verfahren, welches im Kapitel 5.1.2. erklärt wurde. Die Gasexpansion erfolgt
anstatt mit einem Ventil durch eine Turbine und dabei verrichtet das Fluid Arbeit. (17)
Abbildung 21: Brayton-Kreislauf (eigene Anfertigung nach (18))
5.1.4.1.
Verfahrensbeschreibung
Das Kältemittel durchläuft pro Durchlauf folgende Bereiche (Abbildung 21):
Umgebungstemperaturbereich:
Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel (Stickstoff) an und verdichtet es auf
einen Kompressionsdruck von 200 bar. Die dabei entstehende Kompressionswärme
wird an den Nachkühler abgegeben und das Gas kühlt auf Umgebungstemperatur ab.
40
Kaltbereich:
Das Kältemittel wird im Gegenstromwärmetauscher vorgekühlt (1 nach 2) und
anschließend (2 nach 3) durch eine Turbine arbeitsleistend entspannt. Das Kältemittel
entzieht dem Verdampfer Wärme und erwärmt sich (3 nach 4). Der Kompressor saugt
das Gas an und leitet es zur Vorkühlung in den Gegenstromwärmetauscher (4 nach 5).
Somit wiederholt sich der Kreislauf.
Abbildung 22: Brayton-Verfahren, T, s-Diagramm (18)
Anhand des Temperatur-Entropie-Diagramms (Abbildung 22) wird der Kältemittelkreislauf
(Abbildung 21) je Durchlauf verdeutlicht.
1. Durchlauf:
Das Kältemittel (Stickstoff) startet, mit der Umgebungstemperatur Tu, wenn der
Kompressor eingeschaltet wird. Der Kompressor komprimiert das Gas, welches
anschließend durch den Nachkühler auf Tu abgekühlt wird. Beim ersten Durchlauf erfährt
das Medium im Gegenstromwärmetauscher keine Temperaturänderung. Durch die
Turbine entspannt das Fluid, verrichtet gleichzeitig Arbeit (Pturb) und kühlt dabei ab. Der
Verdampfer entzieht dem zu kühlenden Objekt Wärme und das Kältemittel wird
erwärmt. Das Fluid fließt wieder in den Gegenstromwärmetauscher und kühlt ihn für den
zweiten Durchlauf.
41
2. Durchlauf:
Das Kältemittel wird vom Kompressor angesaugt und auf einen Druck von 10 bar
komprimiert und erhitzt. Anschließend wird es durch den Nachkühler auf Tu abgekühlt
(1). Nun wird das Fluid im Gegenstromwärmetauscher vorgekühlt (2). Anschließend
erfolgt die arbeitsleistende Entspannung auf 1 bar und das Gas wird auf 77 K abgekühlt
(3). Jetzt wird der verflüssigte Stickstoff im Verdampfer zum Kühlen von Objekten
genutzt und verdampft dabei (4). Der Kompressor saugt das Gas ein und zieht ihn durch
den Gegenstromwärmetauscher, wo er seine restliche Wärme zum Vorkühlen wieder
abgibt (5). Der Kreislauf beginnt von vorne. (17)
5.1.4.2.
Berechnung der Kälteleistung
zu =
Pturb + H5 – H1 = Pturb + m (h5 – h1)
(Gl. 11)
Die Energiebilanz zwischen den Punkten 1 und 5 im Kaltbereich ergibt die Kälteleistung
welche bei einer bestimmten Kältemittelmenge (m) erzeugt wird. Aus dem T, s-Diagramm
(Abbildung 22) ist zu erkennen, dass die Enthalpiedifferenz zwischen den Punkten 1 und 5
nahezu null ist. (17)
H5 – H1 << Pturb
(Gl. 12)
Daraus lässt sich die Gleichung (Gl.12) vereinfacht darstellen:
zu ≈
Pturb = (h1 – h2) x ƞT
(Gl.13)
Die Energiebilanz zwischen den Punkten 1 und 5 ergibt im Umgebungstemperaturbereich
folgende Gleichung zur Berechnung der Verdichtungsleistung:
PVerdichter =
ab -
(H5 – H1 )
(Gl. 14)
Wegen der geringen Enthalpiedifferenz kann die Gleichung vereinfacht dargestellt werden
und damit auch die Leistung des Verdichters: (17)
PVerdichter ≈
ab
(Gl. 15)
42
5.1.4.3.
Vor- und Nachteile Brayton-Kreislauf
Tabelle 11: Vorteile Brayton-Verfahren (17, 27, 43, 44)
-
Effizienter als Joule-Thomson-Verfahren
Hoher Wirkungsgrad von über 30 % bei großem Durchsatz
Tabelle 12: Nachteile Brayton-Verfahren (17, 27, 43, 44)
-
Absorber oder ölfreier Verdichter wird benötigt
500 W ist die minimale Kälteleistungsgrenze
Turbine verträgt keine Flüssigkeit
Kühltemperatur kann mit Stickstoff schlecht konstant gehalten werden wenn
ein Verdampfer eingesetzt wird
effiziente Wärmetauscher benötigt
keine Flexibilität hinsichtlich Temperatur und Leistung der Kälteerzeugung
Wartungsintensiv
43
5.1.5. Zusammenfassung rekuperative Verfahren
Das Joule-Thomson- und Brayton-Verfahren zählen zu den rekuperativen Verfahren. Diese
Prozesse sind charakterisiert durch einen stetig umlaufenden Gasfluss, einen stetigen
niedrigen und hohen Druck und dessen Gegenstromwärmeüberträger. Das Gas wird bei
Umgebungstemperatur (To) komprimiert, dabei wird die entstandene Wärme an die
Umgebung freigegeben. Durch die darauffolgende Expansion entsteht am kalten Ende die
Temperatur Tu mit einem Wärmestrom Qzu dessen Netto-Kälteleistung absorbiert wird. Der
stetige Druck und Durchfluss bei diesen zwei rekuperativen Prozessen sorgt dafür, dass die
Temperaturschwankung und die Vibrationen sehr gering werden. Insbesondere bei dem
Gebrauch von Rotationsverdichter4 oder bei der Verwendung von Gasturbinen zur
Ausdehnung des Gases in Verbindung mit dem Brayton-Verfahren sind diese Vorteile von
großer Bedeutung.
Möglichst kleine Kältemaschinen zu bauen, ist mit dem Joule-Thomson-Verfahren leicht
möglich, da keine beweglichen kalten Teile zum Einsatz kommen. Jedoch hat sich dieses
Verfahren aufgrund der geringen Effizienz am Kleinkühlermarkt nicht durchgesetzt. Durch
das Kältemittelgemisch-Verfahren (MRC) wird die Effizienz zwar deutlich gesteigert. Die
komplexe Bauweise erschwert den Einsatz im Kleinkühlerbereich nicht sinnvoll.
Bei den rekuperativen Verfahren werden hocheffiziente Wärmetauscher benötigt um
kryogene Temperaturen zu erreichen. Um also tiefe Temperaturen zu erreichen, liegt der
Wirkungsgrad solcher Wärmetauscher üblicherweise über 95 %. Die hohen Drücke in den
Kältemaschinen werden mit handelsüblichen Kompressoren erzeugt. Die große
Herausforderung bei diesen Verfahren ist, eine hohe Effizienz mit möglichst kompakten
rekuperativen Wärmetauschern zu erreichen. Der permanent hohe Druck bei den
rekuperativen Prozessen sorgt dafür, dass ein ölfreier Kompressor oder ein Absorber
benötigt wird. Der Absorber wird in den, unter Druck stehenden, Gasstrom positioniert, um
die Ölreste des Kompressors zu absorbieren, bevor das Gas in den Bereich der kryogenen
Temperaturen gelangt. Ansonsten würde das gefrorene Öl das System beschädigen.
4
Kompressor der durch einen rotierenden Kolben das ihm zugeführte Gas verdichtet.
44
5.2.
Gasexpansionsmaschinen mit zirkulierendem
Wärmetauscher (regenerative Verfahren)
Gasfluss
und
regenerativem
Zu den regenerativen Verfahren gehört der Stirling-, Gifford-Mc-Mahon- und Pulsrohrkühler,
wobei alle Verfahren nach dem Stirlingprinzip abgeleitet wurden und durch den Regenerator
ihre Kälte erzeugen. Der Regenerator ist also charakteristisch für alle regenerativen
Verfahren und gewährleistet eine kontinuierliche Abkühlung des zirkulierenden Gasflusses.
Der Regenerator ist vereinfacht ausgedrückt ein Kurzzeit-Wärmespeicher. Er besteht aus
einem Rohr in dem Metallnetze aus Kupfer oder Blei gestapelt sind. Aus diesem Grund lässt
er sich kostengünstig und kompakt herstellen und sorgt zudem für eine hohe
Wärmekapazität und für eine geringe Wärmeleitung in Strömungsrichtung weshalb er sehr
effizient ist. Diese Vorteile machen ihn vor allem in der Verwendung von
Kleinkühlerkältemaschinen so interessant, wo er auch verstärkt eingesetzt wird. Nutzt man
die zeitliche Versetzung der Entspannungs- und Verdichtungsvorgänge, genügt ein
Regenerator zur Kühlung des Arbeitsgases. Dadurch werden kein zusätzlichen Regenerator
und keine Umschaltvorrichtung benötigt. (34)
Abbildung 23: Regenerator (eigene Anfertigung nach (34))
45
Verfahrensbeschreibung:
Der Regenerator wird beidseitig in unterschiedlichen Zeitabständen durchströmt
(oszillierend). In der Warmphase fließt das warme gasförmige Fluid durch den
Regenerator von oben nach unten und gibt seine Wärme an ihn ab. Dadurch kühlt
das Kältemittel ab. Im nächsten Schritt, der Kaltphase, fließt das kalte Kältemittel von
unten nach oben durch den Regenerator. Dabei entzieht es ihm Wärme und kühlt die
Netze ab. Das Kältemittel wird dabei erwärmt. Durch das Wiederholen des
oszillierenden Prozesses kühlt das Gas an der kalten Seite nach und nach ab, dabei
können Temperaturen bis zu 1,5 K erreicht werden. (17)
5.2.1. Stirling-Kältemaschine (Phillipsverfahren)
Abbildung 24: Regenerator Optionen (34)
Der Regenerator kann entweder ortsfest oder als Verdränger in einer Stirlingkältemaschine
eingesetzt werden. Sitzt der Verdrängerkolben an der Kurbelwelle, entspricht er der
Bauweise einer Stirlingkältemaschine in der Beta-Konfiguration. Diese Bauweise wurde von
der Firma Philips Cryogenics (heute Stirling Cryogenics BV) entwickelt und hat den großen
Vorteil, dass nur ein Zylinder nötig ist um eine Stirlingmaschine zu betreiben. Vor allem in
der Kryotechnik hat sich der Einsatz dieses Systems bewährt, weil es Dichtungsprobleme und
Schmierprobleme, welche bei tiefen Temperaturen kostspielig sind, erheblich reduziert.
46
Zudem ist eine kompaktere Bauweise möglich, was wiederum im Kleinkühlermarkt ein
großer Vorteil ist. (8)
Der Stirling-Prozess komprimiert und expandiert in kurzen Abständen eine bestimmte
Menge an nahezu idealem Gas in einem geschlossenen System. Die Phillips-Version des
Stirling-Prozesses ist dabei die effizienteste Methode, um tiefe Temperaturen bereitzustellen
und wird in diesem Kapitel beschrieben.
Der Zylinder wird durch das Komprimieren erwärmt und gleichzeitig durch seine Kopplung
an die Umgebung wieder abgekühlt (Nachkühler). (39)
Abbildung 25: Phillips-Stirling Kolbenbewegung (39)
Der Arbeitsraum im Zylinder wird aufgeteilt in die die Räume D und E, in welchen sich das
Arbeitsgas befindet und dem Verdrängerkolben C. Die Außenschale besteht aus der
Zylinderwand A und dem Ringkanal F, welcher mit dem Raum D und E über drei
Wärmetauscher (Nachkühler H, Regenerator G und Verdampfer J) verbunden ist. Die Zahlen
((1), (2), (3) und (4)) oberhalb des Zylinders beschreiben die Reihenfolge der Abläufe,
beginnend mit eins und der Bewegung des Arbeitskolben B.
47
5.2.1.1.
Verfahrensablauf
1. Durchlauf:
(1) Das Gas befindet sich im Kompressionsraum D bei Umgebungstemperatur. Das
Zylinderstück A wird durch den Arbeitskolben B unter Zufuhr von Arbeit WA
geschlossen und das Kältemittel komprimiert dabei.
(2) Der Verdrängerkolben C drückt das komprimierte Gas durch den Ringkanal und
gelangt in den Expansionsraum. Dabei wird im Nachkühler H die Kompressionswärme
Qab abgeführt.
(3) Das Gas entspannt im Expansionsraum mit der Kälteleistung Qzu. Dabei verrichtet es
Arbeit WKolben, welche an der warmen Seite der Kolben abgeführt wird.
(4) Der Verdrängerkolben schiebt sich nach oben in die Ausgangssituation dabei wird das
Gas über den Ringkanal in den Raum D gedrückt. Nun startet der Kreislauf von vorne
und der 2. Durchlauf beginnt.
Der Kältemittelkreislauf beginnt im Raum D mit der Kompression, führt über den Nachkühler
H den Regenerator G zum Expansionsraum E und wieder zurück. Dabei erfährt er
verschiedene Temperaturänderungen, welche hier verdeutlicht werden. (39)
48
5.2.1.2.
Temperaturverlauf
Abbildung 26: Temperaturverlauf (39)
1. Durchlauf:
(1) Das Kältemittel wird, bei Umgebungstemperatur, im Raum D komprimiert und
erwärmt sich dabei.
(2) Das Gas fließt durch den Nachkühler H, der dem Kältemittel Wärme Qab entzieht, und
wird wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Anschließend wird der
Regenerator G durchströmt. Das Gas und der Regenerator haben das gleiche
Temperaturniveau. Somit kommt es zu keinem Wärmeaustausch.
(3) Durch die arbeitsleistende Entspannung kühlt das Gas im Expansionsraum E auf die
Temperatur T1 ab und der Verdampfer J erreicht die Kälteleistung Qzu.
(4) Durch das Zurückströmen des Gases in den Raum D findet ein Wärmeaustausch mit
dem Regenerator statt. Dieser wird für den nächsten Durchlauf vorgekühlt und das
Gas erwärmt sich wieder auf Umgebungstemperatur.
49
2. Durchlauf
Das Gas wird beim zweiten Durchlauf durch den Regenerator G vorgekühlt und
erreicht im Expansionsraum eine tiefere Temperatur T2 als im Durchlauf zuvor.
Dieser Prozess wiederholt sich anschließend und das Gas kühlt immer weiter ab bis der
Gleichgewichtszustand erreicht ist. Der Regenerator hat in diesem Zustand seinen größten
Temperaturgradient5 erreicht. Um eine weitere Abkühlung zu erzielen, muss ein weiterer
Regenerator zugeschaltet werden. Dieser macht es möglich, Temperaturen von 1,5 K zu
erreichen. (39)
Die Philips-Stirlingmaschine zeichnet sich durch ihren sehr guten Wirkungsgrad aus. Die
Maschine ist einfach in der Bedienung und unempfindlich gegen äußere Verschmutzung. Das
Kältemittel ist völlig frei von Öl und die Temperatur am Verdampfer lässt sich durch
Änderung des Arbeitsdrucks von zehn bis dreißig bar frei einstellen (38).
5
größte Temperaturänderungsrate
50
5.2.1.3.
Vor- und Nachteile Phillips-Verfahren
Tabelle 13: Vorteile Phillips-Stirling-Verfahren (8, 38)
-
Hoher Wirkungsgrad (Arbeitsleistende Entspannung)
Wartungsarm
Hohe Lebensdauer
Einsatz beliebiger Brennstoffe
Schadstoffarme Verbrennung
Temperatur- und Leistungseinstellung
Geschlossener Kreislauf
Tabelle 14: Nachteile Phillips-Stirling-Verfahren (8, 38)
-
Hohe Drücke (Kostenfaktor)
Geringe Leistungsdichte
Träges Lastwechselverhalten
Nicht als Turbine realisierbar
Kompressionsvibrationen
51
5.2.2. Gifford-Mc-Mahon-Verfahren
Diese Maschine funktioniert ähnlich wie die Stirling-Kältemaschine. Der Unterschied ist der
Antrieb, welcher über einen ventilbehafteten Kompressor erfolgt. Dieser wird über ein Ventil
so gesteuert, dass das Gas oszillierend den ortsfesten Regenerator durchströmen kann.
Abbildung 27: Gifford-Mc-Mahon-Verfahren (eigene Anfertigung)
Das Arbeitsgas wird, wie beim Stirling-Prozess, durch den Verdrängerkolben im Regenerator
hin und her geschoben. Der Phasenverschieber sorgt für eine geeignete Phasenlage
zwischen Druckwelle und Massenstrom. Dies geschieht beim Stirlingprozess durch die
Bewegung des Verdrängerkolbens. Der Phasenverschieber wird fest eingestellt und muss im
Betrieb nicht verändert werden. (20)
Die Kompression erfolgt bei diesem Verfahren nicht im Kältekreislauf, sondern außerhalb in
einem getrennten System. Dieser Prozess erzeugt keine arbeitsleistende Entspannung und
hat daher im Vergleich zum Philips Verfahren einen geringeren Wirkungsgrad.
Verdränger, Verdampfer und Regenerator ergeben zusammen ein Bauteil, den sogenannten
Kaltkopf, welcher räumlich vom Kompressor getrennt ist und über Rohrleitungen mit ihm
verbunden wird. Die Abtrennung der Bereiche führt dazu, dass außer dem VerdrängerKolben keine beweglichen Teile im Kaltbereich sind. Aus diesem Grund ist die Maschine sehr
52
vibrationsarm. Das Gifford-Mc-Mahon-Verfahren hat zusätzlich zwei Steuerventile weshalb
ölgeschmierte Kompressoren verwendet werden dürfen. Gleichzeitig sinkt dadurch aber der
Wirkungsgrad. (34)
5.2.2.1.
Vor- und Nachteile Gifford-Mc-Mahon-Verfahren
Tabelle 15: Vorteile Gifford-Mc-Mahon-Verfahren (8, 27, 34)
-
geringe Vibrationen
Wartungsarmer Kaltkopf (fast keine Beweglichen Teile im Kaltbereich)
freie Kompressor Wahl
Lärmdämmung durch Trennung des Systems
Tabelle 16:Nachteile Gifford-Mc-Mahon-Verfahren (8, 27, 34)
-
Wirkungsgradeinbußen (Verlustbehaftet, Keine arbeitsleistende Entspannung)
Keine Temperaturregelung möglich
Hohe Drücke
Durch Kompressor ist kompakte Bauweise beschränkt
53
5.2.3. Pulsrohrverfahren
Bei diesem Verfahren werden alle beweglichen Teile im Kältebereich ersetzt, wodurch nur
noch das Kältemittel oszillierend durch den Kaltkopf strömt. Über den Regenerator wird die
Kälte erzeugt. Der Verdrängerkolben wird durch ein Pulsrohr (Gassäule) ersetzt, in dem das
Gas phasenverschoben hin und her bewegt wird. Damit wird ein vibrationsarmer und nahezu
wartungsfreier Kältebereich geschaffen, der für kryotechnische Anwendungen, wie zum
Beispiel die Supraleitung oder medizinische Diagnostik, neue Einsatzmöglichkeiten bietet.
(34)
Abbildung 28: Pulsrohrverfahren (34)
Der Antrieb des ortsfesten Regenerators erfolgt entweder nach dem Gifford-Mc-MahonPrinzip (Kompressor, Ventile) oder durch eine Stirling-Maschine (Kolben). Das Hilfsvolumen
ersetzt die Arbeit des Phasenverschiebers und sorgt für die Phasenänderung. Die Steuerung
der Phasenlage erfolgt über ein Ventil, welches fest eingestellt ist und im Betrieb nicht
verändert werden muss. Aus thermodynamischer Sicht sind alle drei Varianten zur
Phasenverschiebung (Verdrängerkolben, Phasenverschieber oder Hilfsvolumen) absolut
gleichwertig. (19, 29)
54
5.2.3.1.
Vor- und Nachteile Pulsrohrverfahren
Die Vor-und Nachteile vom Pulsrohrverfahren (PT) sind abhängig von dessen Antrieb. Dieser
erfolgt entweder nach dem Gifford-Mc-Mahon-Prinzip (GMPT) mit einem Kompressor (Vorund Nachteile: Kapitel 5.2.2.1.) oder durch eine Stirling-Maschine (STPT) mit Zylinder und
Kolben (Vor- und Nachteile: Kapitel 5.2.1.3.). Zu den Spezifischen Vor- und Nachteilen
gehören: (29, 34)
Tabelle 17: Vorteile Pulsrohrverfahren (29, 34)
-
Wartungsarmer Kaltkopf
Vibrationsarm
Lärmarm
Tabelle 18: Nachteile Pulsrohrverfahren (29, 34)
-
niedriger Wirkungsgrad (Keine Arbeit wird beim Entspannen verrichtet)
5.2.4. Zusammenfassung Regenerative Verfahren
Die drei regenerativen Prozesse charakterisieren sich durch oszillierende Gasströmungen
und Drücke, welche analog zu einem Wechselstromverlauf ihre Vorzeichen wechseln und
immer mit Helium als Arbeitsgas betrieben werden. Bei den regenerativen
Kryokältemaschinen entsteht Wärme bei der Erhöhung des Druckes und Kälte bei dessen
Senkung. Der Verdrängungskörper (Displacer) ist in der Stirling- und GM-Kältemaschine für
den Austausch des Arbeitsgases zuständig, da sich das meiste Gas am warmen Ende des
Regenerators ansammelt, welches vom Kompressionsprozess zugeführt wird. Auf der
gegenüberliegenden kalten Seite des Regenerators wird das Helium entspannt und dadurch
abgekühlt. Im Pulsröhrenverfahren fliest das oszillierende Gas in den warmen Eingang des
Gaskolbens mit einer ähnlichen Phasenbewegung wie beim Einsatz eines VerdrängerKolbens aber mit dem Vorteil, dass kein bewegliches Teil im Einsatz ist. Somit arbeitet der
Pulsröhrenkühler im Vergleich zum GM- und Stirlingkühler zuverlässiger, da geringere
Vibrationen auftreten.
Der Gebrauch von Dichtungen reduziert die Effizienz dieser Maschinen im Vergleich zu
dichtungslosen Kältemaschinen. Zu den dichtungslosen zählen die Stirling- und die STPTKältemaschine. Die Verwendung von Dichtungen beim Kompressionsprozess verursacht
einen stetigen hohen Druck. Dieser muss durch einen ölbetriebenen Kompressor abgesaugt
werden, damit eine hohe Zuverlässigkeit und geringe Kosten erreicht werden können. Die
regenerativen Wärmetauscher, die für diese Prozesse angewendet werden, haben die
Eigenschaft, dass das durchströmende Medium nur durch einen bestimmten Kanal strömen
kann. Dieser ist mit einer porösen Matrize gefüllt, die eine sehr hohe Oberflächengüte und
55
spezifische Wärmekapazität hat. Die Wärme wird in der Matrize vom warmen zum kalten
Bereich transportiert und wird dort für die Zeit eines halben Zyklus gespeichert. Solche
Wärmetauscher sind leicht herzustellen und sind deshalb billiger im Vergleich zu den
rekuperativen Wärmetauschern. Bei beiden regenerativen Wärmetauschern ist eine
Effektivität von über 95 % erforderlich. Die Regeneratoren verlieren unterhalb von 10 K ihre
Effizienz, da die Wärmeleitfähigkeit dieser Matrix stark nachlässt.
56
6. Auswahl eines Kleinkühlers für die Laboranlage
Für die Laboranlage werden folgende Anforderungen an die Kältebereitstellungmaschine
gestellt:
Tabelle 19: Anforderungsliste Kleinkühler (Eigene Anfertigung)
Anforderungsliste
Kleinkühler:
min. Verflüssigungsarbeit
wmin (Gl.5):
Minimale Kälteleistung
für 120 Liter Biogas wmin:
Reale Kälteleistung für
120 Liter Biogas Qzu:
Minimaler
Leistungsaufwand
Pmin (Gl. 6):
Wirkungsgrad ƞ (Gl. 7):
Sicherheitsfaktor z:
(Kapitel 5.2.3.):
Optimale Leistungszahl
εmax (Gl. 8):
Reale Leistungszahl ε
(Gl. 8):
CH4 Volumenstrom/h:
Wunsch/
Forderung
Bemerkung:
Daten:
Einheit:
F
Rechnung mit tu = 35°C
230
Wh/m3
F
wmin * Biogas
Volumenstrom/h
wmin * Biogas
Volumenstrom/h * z
27,6
W
200
W
358,55
W
-
-
F
7,25
-
F
0,56
F
W
W
W
so hoch wie möglich
soll so nahe wie möglich
an εmax kommen
-
-
F
0,072
m3/h
C02 Volumenstrom/h:
F
0,048
m3/h
Biogas Volumenstrom/h:
F
120 Liter
0,12
m3/h
CH4 flüssig
Volumenstrom/h:
C02 Anteil Biogas:
F
F
0,00012 m3/h
Wenn keine
Methanverluste auftreten
60%
0,6
-
CH4 Anteil Biogas:
F
40%
0,4
-
Raumtemperatur Tu:
F
Maximale Raumtemperatur
Labor: 35°C
310
K
CH4 Kondensationstemp.:
F
-162°C
111
K
CO2 Resublimationstemp.:
F
-78,5°C
194,5
K
Dichte CH4:
F
bei 294K
0,665
kg/m3
Dichte CO2:
F
bei 294K
1,83
kg/m3
57
Dichte Biogas:
F
Lebensdauer:
W
Wartungsintravall:
W
Vibrationen:
F
Gewicht:
W
Stromverbrauch:
W
Lärmemissionen:
W
Temperaturregelung:
W
Leistungsregelung:
W
Druck:
W
Kompaktheit:
F
Preis:
F
1,131
kg/m3
5
Jahre
große Zeitabstände
-
-
Vibrationen geringer als
bei Vakuumpumpe
Gewichtseinsparung
wenn möglich
so gering wie möglich
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
bei 294K
Im Labor möglichst gering
halten
wenn möglich ohne
zusätzliche Instrumente
wenn möglich ohne
zusätzliche Instrumente
so niedrig wie nötig
muss in die Laboranlage
passen
Preis/Leistungsverhältnis
muss passen
Für den Vergleich der Kleinkühler wurden verschiedene Verfahrensprinzipien von
unterschiedlichen Herstellern untersucht, die eine Mindestkälteleistung von 200 Watt bei
einem Temperaturniveau 111 K (Tabelle 19) zur Verfügung stellen. Dabei soll ein Überblick
über den Stand der Technik entstehen.
Das Brayton- und das Joule-Thomson-Verfahren werden in der Bewertung nicht
berücksichtigt, da sie aufgrund ihrer komplexen Bauweise und geringem Wirkungsgrad bei
kleinen Durchsätzen am Kleinkühlermarkt nicht angeboten werden (Kapitel 4.3. und 4.4.).
Die Gifford-Mc-Mahon-Pulsrohr-Kühler (GMPT) und die Phillips-Stirlingkühler sind anhand
der Anforderungsliste aussortiert worden, weil sie die nötige Kälteleistung nicht erbracht
haben. Die Firma Cryomech bietet momentan den leistungsstärksten GMPT-Kühler auf dem
Markt an. Der Kaltkopf PT-90 hat eine Leistung von neunzig Watt bei 80 K und erreicht den
Gleichgewichtszustand bei 32 K. Er hat eine lange Lebensdauer und geringe Vibrationen im
Kaltkopf. (12)
Für das Laborprojekt sind keine Phillips-Stirlingverfahren zur Auswahl, da die gewünschte
Kälteleistung nicht angeboten wurde. Die Firma Ricor, vertreten von der Firma Jc Müller,
verkauft eine Stirling-Kältemaschine (luft- oder wassergekühlt) mit einer für StirlingKleinkühler typischen Leistung von 7 W bei 65 K und einem maximalen
Gleichgewichtszustand von zirka 40 K. Bei dieser Kältemaschine lässt sich der
Gleichgewichtzustand und somit die Temperatur einstellen. (25)
58
6.1. Morphologischer Kasten der Kleinkühlerangebote
Tabelle 20: Morphologischer Kasten Kleinkühler (eigene Anfertigung)
Verfahren:
Firma:
Kaltkopfname:
Kältemittel:
Kälteleistung (Qzu) bei 111
K in Watt:
Kälteleistung bei 80 K in
Watt:
Gleichgewichtszustand in K:
Abkühlzeit in Minuten:
Gewicht in kg:
Wartungsintervall in
Stunden:
zulässige
Betriebstemperatur in °C:
Betriebsdruck in Bar:
Temperatur-,
Leistungskontrolle intern:
Temperatur-,
Leistungskontrolle
extern**:
Antrieb:
Name:
Gifford-McMahon
Gifford-McMahon
Gifford-McMahon
Stirling-Pulsrohr
Örlikon
leybold
vakuum
SHI
Cryogenic
Group
ARS
Q Drive
Coolpower
MD 250
CH-110
DE110
Cryocooler
2s226K
Helium
235
Helium
215
Helium
260
Helium
250
200
175
200
150
25
20
9.000
20
35
13,7
13.000
25
10
14
12.000
35
-
80
37
15- 20
21
keine Wartung
erforderlich
0 - 32
35
nein
nein
nein
35
ja
ja
ja
ja
nein
Kompressor
Coolpak 6200
H MD
Kompressor
F - 70
Kompressor
ARS-10HW
Stirling
Generator
2S226W
59
Kühlung:
benötigte Wassermenge in
l/min:
Gewicht in kg:
Schalldruckpegel in dB(A):
Durchschnittlicher
Stromverbrauch in Watt:
Wartungsintervall in
Stunden:
Lebensdauer:
Preis mit Anschlüsse:
Preis
Jahresstromverbrauch* :
Preis
Wasserjahresverbrauch* :
Jahresbetriebskosten*:
Pmin bei 111 K in Watt (Gl .2)
Leistungszahl (COP) εmax
(Gl. 8):
Leistungszahl (COP) ε (Gl.
8):
Wirkungsgrad ƞ (Gl. 7):
wassergekühlt
wasser
gekühlt
5,7
wassergekühlt
7,5
wasser
gekühlt
7,5
104
60
7.250
100
6.900
105
60
7.700
60
2.475
18.000
30.000
12.000
-
-
-
-
125.000 h (mit
Wartung)
22.000 €
778 €
15.950 €
740 €
20.550 €
826 €
54.000 €
266 €
324 €
324 €
246 €
432 €
1.102 €
421,31
0,56
1.064 €
385,45
0,56
1.072 €
466,13
0,56
698 €
448,2
0,56
0,03
0,03
0,03
0,10
5%
5%
5%
18%
10
*Verbrauchsmittelwert bei: täglich 3 Betriebsstunden, 5 Tage in der Woche, 4 Wochen im Monat, 12 Monate lang, 0,149 Cent je kWh
und 1 € je m3 Wasser.
**Die Temperatur wird durch das Heizen eines Heizers reguliert und durch Sensoren überwacht. Am Kaltkopf werden Kupferdrähte
(-litzen) angebracht, welche anhand ihrer Menge die Kälteleistung steuern.
Durch den Einsatz der externen Temperatur- und Leistungsregulierung verliert das System
an Kälteleistung. Dieser Verlust wurde bereits in der Anforderungsliste mit einem
Sicherheitsfaktor (z) berücksichtigt. Die betroffenen Systeme haben genügend Leistung um
diesen Verlust zu kompensieren.
Die Abkühlzeit ist kein entscheidendes Kriterium für die Bewertung, weil alle Anlagen in
einem akzeptablen Bereich liegen.
Die Gifford-Mc-Mahon-Maschinen sind im Vergleich zu der Stirling-Maschine, aufgrund der
Aufteilung der Komponenten, flexibler einsetzbar. Der Wasserzulauf kann durch die
Platzierung des Kompressors beliebig gewählt werden. Dadurch lassen sich die
Lärmemissionen vom Labor trennen.
60
6.2. Bewertung
Für die technische und wirtschaftliche Bewertung werden folgende Kriterien betrachtet,
welche nach ihrer Priorität einen Verteilerschlüssel (von 0 – 20) erhalten. Dabei ist 20 sehr
wichtig und 0 unwichtig:
Tabelle 21: Verteilerschlüssel (eigene Anfertigung)
Verteilerschlüssel:
Technische Kriterien:
Verteilerschlüssel:
Wirtschaftliche
Kriterien:
Wirkungsgrad:
9
Leistungszahl:
Wartungsintervall
Kaltkopf:
Vibrationen am
Kaltkopf:
Gewicht:
Lärmemission im Labor:
Temperaturregelung:
Leistungsregelung:
Flexibilität beim Einbau
des Kaltkopfs:
Zulässige
Betriebstemp.:
9
4
Jahresbetriebs
Kosten:
Preis:
4
19
3
2
9
9
9
5
5
Als nächstes werden die einzelnen Herstellerprodukte nach diesen Kriterien untereinander
bewertet. Der am besten abgeschnittene Kleinkühler bekommt 10 Punkte und die anderen
werden nach ihm bemessen.
61
Tabelle 22: Vergleich Untereinander (eigene Anfertigung)
Firma:
Örlikon
SHI
ARS
Q
Drive
Wirkungsgrad:
Leistungszahl:
Wartungsintervall:
3
3
5
3
3
8
3
3
7
10
10
10
Vibrationen Kaltkopf:
8
8
8
10
Gewicht Kaltkopf:
9
10
10
9
Lärmemission im Labor:
10
10
10
1
Temperaturregelung:
6
6
6
10
Leistungsregelung:
6
6
6
10
Flexibilität Einbau des
Kaltkopfs:
Zulässige
Betriebstemperatur:
10
10
10
1
10
10
10
1
Jahresbetriebskosten:
Preis:
4
7
3
10
3
8
10
2
Bemerkung:
Für die Testanlage sind alle
Intervalle vorkommend
ausreichend
Der Anspruch an die
Laboranlage ist bei allen vier
Herstellerprodukten gegeben.
Alle Produkte sind im
Einsatzfähig
Kompressoren können in einen
separaten Raum gelagert
werden, aber verlieren nicht
an Lautstärke! Der
Stirlingantrieb muss im Labor
sein.
Muss bei den Gifford-McMahon-Maschinen extern
geregelt werden.
Muss bei den Gifford-McMahon-Maschinen extern
geregelt werden.
Pulsröhrenkopf ist an Antrieb
gebunden
STPT-Verfahren muss bei über
305 K abgeschaltet werden! Im
Labor sind im Hochsommer
Temperaturen bis 308 K!
Die Verteilerschlüssel werden mit den vergebenen Punkten multipliziert und zu einem
Gesamtergebnis zusammenaddiert. Zum Beispiel werden die Punkte beim Wirkungsgrad (3,
3, 3 und 10) in der Tabelle 23 mit ihrem Verteilerschlüssel (9) in der Tabelle 22 multipliziert.
62
Tabelle 23: Gesamtergebnis (eigene Anfertigung)
Firma:
Örlikon
SHI
ARS
Q Drive
Wirkungsgrad:
27
27
27
90
Leistungszahl:
27
27
27
90
Wartungsintervall Kaltkopf:
20
32
28
40
Vibrationen Kaltkopf:
24
24
24
30
Gewicht:
18
20
20
18
Lärmemission im Labor:
90
90
90
9
Temperaturregelung:
54
54
54
90
Leistungsregelung:
54
54
54
90
Flexibilität beim Einbau des Kaltkopfs:
50
50
50
5
Zulässige Betriebstemperatur:
50
50
50
5
Technisch Gesamt:
364
378
374
462
Technisch Gesamt in %:
78%
81%
81%
100%
Jahresbetriebskosten:
16
12
12
40
Preis:
133
190
152
38
Wirtschaftlich gesamt:
149
202
164
78
Wirtschaftlich gesamt in %:
74%
100%
81%
39%
Die technisch und wirtschaftlich beste Lösung wird mit 100 % dotiert. Diese 100 % sind
wiederum der Richtwert für die prozentuale Einteilung der anderen Anlagen.
63
6.3. Auswertung
Die Ergebnisse werden in einem Diagramm dargestellt, um einen Überblick zu bekommen
wie die Kältemaschinen abgeschnitten haben.
Abbildung 29: Auswertung Kälteanlage für Labor (eigene Anfertigung)
Tabelle 24: Auswertung der Bewertung
Firma:
Technisch Gesamt in %:
Wirtschaftlich gesamt in %:
Platz:
Örlikon
78%
74%
4
SHI
81%
100%
1
ARS
81%
81%
2
Q Drive
100%
39%
4
Der Auswertung ist zu entnehmen, dass der Kühler von der Firma SHI Cryogenics Group
unter den gestellten Bedingungen am besten abschneidet. Anhand der Anforderungsliste
kann die Firma ARS technisch dagegenhalten, verliert aber in der wirtschaftlichen Bewertung
und wird Zweiter. Die Kühler der Firma Örlikon und Q Drive kommen anhand der
Auswertung nicht für die Auswahl der Laboranlage in Frage.
64
6.4.
Fazit
Den ersten Rang dieser Bewertung nimmt die Anlage von SHI Cryogenics ein, da sie aus
wirtschaftlicher und technischer Sicht am besten geeignet ist. Der Weltmarktführer
überzeugt nicht nur preismäßig, sondern bietet zudem eine gute bis sehr gute technische
Leistung.
Durch die hohen Fertigungsstandards schneiden die Produkte von SHI bei einer Six-SigmaAnalyse sehr gut ab. Dabei treten je Million Fehlermöglichkeiten nicht mehr als drei Fehler
auf. Dieses Qualitätsmerkmal und der sehr gute globale Vertrieb, welcher in Deutschland
durch die Firma Jc Müller erfolgt, bekräftigen zudem die Ergebnisse der Auswertung.
Die Firma ARS bietet gute bis sehr gute technische Leistungen und einen sehr guten Service.
Diese Anlage kann bei Temperaturen bis zu 353 K (80° C) eingesetzt werden und hat die
kürzeste Abkühlzeit. Damit hat sie die besten Ergebnisse in den Bereichen Abkühlzeit und
zulässige Betriebstemperatur erzielt.
Zu erwähnen ist noch die Q Drive STPT-Anlage, welche durch ihre sehr guten technischen
Leistungen überzeugt. Vor allem die lange Lebensdauer und die Einstellung von Temperatur
und Leistung sind ein großes Plus. Mit steigender Anzahl der Betriebsstunden würden sich
der geringe Stromverbrauch und die lange Lebensdauer positiv auf das Ergebnis auswirken.
Solide dagegen hat die Anlage von Örlikon abgeschnitten, welche auf ein gutes Preis/Leistungsverhältnis kommt, aber sowohl technisch als auch wirtschaftlich mit der
Konkurrenz nicht mithalten kann.
65
7. Auswahl einer Kältemaschine für die Pilotanlage
Die Pilotanlage wird mit einem Biogasvolumenstrom von weniger als 250 Nm3/h betrieben.
Für diese Anlagengröße gibt es wenige Kältebereitstellungsanlagen die in Frage kommen,
weil noch keine lukrative Lösung gefunden wurde, welche einen Anreiz schafft, solche
Kleinanlagen wirtschaftlich sinnvoll zu betreiben.
Es gibt verschiedene Anlagen die Biogas verflüssigen können. Einige davon sind bekannt und
öffentlich vorgestellt worden, andere befinden sich noch in der Erprobungsphase. Die
Weltmarktführer im Verflüssigen von Erdgas ist die Linde AG und Air Liquide, welche keine
Auskunft über ihre Leistungsdaten geben. Diese Firmen verflüssigen Gas in sehr großen
Mengen und sind daher für den Vergleich nicht relevant. Für die Verflüssigung von Gas (Bio-,
Erdgas) sind vier Verfahren bekannt, welche zur Kältebereitstellung, bei einem
Biogasvolumenstrom zwischen zehn bis 300 Nm3 pro Stunde, verwendet werden. (32)
Tabelle 25: Kälteverfahren zur Biogasverflüssigung (32)
Geschlossenes Brayton-Verfahren mit Stickstoff als Kältemittel (closed
refrigenerate cycle)
Offenes Brayton-Verfahren! Methan durchströmt als Kältemittel den
Kältekreislauf und wird dabei verflüssigt (open refrigenerate cycle)
- Joule-Thomson-Verfahren mit einem Gaskältegemisch (mixed refrigarant cycle)
- Phillips-Stirlingverfahren
7.1. Vergleich von kleinen Biogas-Verflüssigungsanlagen
Bekannt sind weiterhin drei Anbieter, welche ihren Stromverbrauch für die Verarbeitung
von Biogas zu LBM bereitgestellt haben und für den Vergleich herangezogen werden. Die
genauen Verfahren zur Tieftemperaturerzeugung sind nicht bekannt, weshalb ein Vergleich
nur über den Stromverbrauch geschieht.
Tabelle 26: Biogasverflüssigungsanlagen (32)
Firma:
Stromverbrauch Biogasvolumenstrom
(kWh/Nm3Biogas)
(Nm3/h)
Scandinavia Gts
0,8
50 - 2400
Acrion
1,42
230, 465, 930
Prometheus-Energy
1,54
90 - 930
Stirling Cryogenics & Refrigeration BV*
1,35
ab 27
*theoretische Berechnung
Die Firma Scandinavia Gts hatte erhebliche Probleme gehabt ihre Anlage zu betreiben und
musste sie daher schließen. Deshalb wird diese Firma nicht weiter berücksichtig! (32)
66
In der Abschlussarbeit des Herrn Korbinian Nachtmann wurde zum Bewerten des
Biogasverflüssigungsprozesses der SPC-3 Kryogenerator der Firma Sitirling Cryogenics &
Refrigeration BV herangezogen. Dabei wurde der theoretisch benötigte Stromverbrauch (i)
für den realen Fall berechnet. Die Rechnung ergab einen Stromverbrauch von 140 kWh bei
einem Biogasvolumenstrom von 104 Nm3. Dies ergibt einen Stromverbrauch pro Nm3 Biogas
von: (30)
i = WA /
Biogas
(Gl. 16)
i = 140 kWh /104 Nm3 Biogas = 1,35 kWh/Nm3Biogas
Bei dieser theoretischen Berechnung werden für die Bereitstellung kryogener Temperaturen
vier Phillips-Stirling Kältemaschinen (SPC-4 Kryogenerator) der Firma Stirling Cryogenics &
Refrigeration BV verwendet. Von den 140 kW benötigen die Stirling-Maschinen rund 118 kW
und sind damit zu 85 % am Stromverbrauch beteiligt. Daraus lässt sich schließen, dass bei
Biogasverflüssigungsanlagen der Hauptenergieverbrauch in der Kältebereitstellung liegt.
Den ersten Rang dieses Vergleichs nimmt die Firma Stirling Cryogenics & Refrigeration BV
ein, da sie bei der Biogasverflüssigung den geringsten Stromverbrauch vorweist.
67
7.1.1. SPC-4 Kryogenerator der Firma Stirling Cryogenics & Refrigeration BV
Der größte auf dem Markt verfügbare Stirling-Kryogenerator ist das Model SPC-4 von
Stirling Cryogenics & Refrigeration BV. Diese Maschine erreicht bei einem Temperaturniveau
von 111 K eine Kälteleistung von 6 kWth bei einem Verbrauch von 29,7 kW. Die Anlage ist
extra für das Verflüssigen von Methan ausgelegt und hat im oberen Teil eine integrierte
Methanverflüssigungsanlage welche stündlich 16 Nm3 Methan zu LBM, also einen
Biogasvolumenstrom von 27 Nm3/h (60 % Methan), verflüssigen kann.
Abbildung 30: SPC-4 Kryogenerator der Firma Stirling Cryogenics & Refrigeration BV
Der regelmäßige Wartungsintervall findet nach 6.000 Betriebsstunden statt und die
Lautstärke dieser Maschine beträgt 70 dB(A). Die Stirlingmaschine ist innerhalb von zehn
Minuten betriebsbereit und auf dem benötigten Temperaturniveau. Der Preis der Anlage
liegt bei 300.000 €. (30)
68
7.2. Vergleich von kleinen Methan-Verflüssigungsanlagen
Für die Verflüssigung von Erdgas werden von der Firma Cryostar und Hamworthy
Gasverflüssigungsanlagen angeboten. Diese werden mit der Stirlingmaschine verglichen und
bewertet.
Tabelle 27: Methan Verflüssigungsanlagen (32)
Firma:
Firma Stirling
Cryogenics &
Refrigeration BV
Cryostar
Hamworthy
Kälteverfahren:
Phillips-Stirlingprozess
Geschlossenes Stickstoff
Brayton-Verfahren
Geschlossenes
KältemittelgemischVerfahren
Stromverbrauch Methanvolumen(kWh/Nm3Methan)
strom (Nm3/h)
1,1*
ab 27
0,63**
ab 300
0,43
300 - 2900
* Verbrauch von 29,7 kW und einen Methanvolumenstrom von 27 Nm3/h (Gl.16)
**kalkulatorische Berechnung
Den ersten Rang dieses Vergleichs nimmt die Firma Hamworthy ein, da sie mit dem
geschlossenen Kältemittelgemisch-Verfahren den geringsten Stromverbrauch vorweist.
69
7.3. Fazit
Obwohl die Stirling-Kältemaschine im Vergleich mit dem geschlossenen-Stickstoff-Braytonund dem Kältemittelgemisch-Verfahren den größeren Stromverbrauch pro Kubikmeter
aufweist, erzielt sie den ersten Rang bei dem Vergleich der Kälteanlagen zur
Tieftemperaturerzeugung. Sie ist im Stromverbrauch pro Normkubikmeter bei den
Biogasverflüssigungsanlagen (Kapitel 6.1.), die kostengünstigste Anlage. Zudem ist sie die
einzige Anlage, die beim Vergleich der Verflüssigungsanlagen (Kapitel 6.2.) für solch kleine
Biogasvolumenströme in Frage kommt.
Die SPC-4 Maschine hat einen Stromverbrauch von 1,1 kWh/Nm3Methan bei
Methanvolumenstrom von 27 Nm3Methan/h. Das ist um den Faktor fünfzehn weniger als bei
der anderen Verflüssigungsanlage (Tabelle 28). Mit der Abnahme des
Methanvolumenstroms steigt gleichzeitig der Stromverbrauch pro Normkubikmeter (Gl. 16).
Daraus lässt sich schließen, dass der Stromverbrauch mit der Abnahme des
Biogasvolumenstroms für die Vergleichsanlagen ansteigen wird.
Es kann gleichzeitig davon ausgegangen werden, dass sobald die Einnahmen die Ausgaben
übersteigen, ein wirtschaftlicher Anreiz entsteht, welcher es erlaubt Anlagen unterhalb eines
Methanvolumenstrom von 250 Nm3Biogas /h zu bauen.
Für kleine Biogasanlagen und Kläranlagen ist ein Biogasvolumenstrom von mindestens
20 Nm3Biogas /h typisch. Dafür würde sich der SPC-4 Kryogenerator bestens eignen. Diese
Kältemaschine kann mit der Variation ihrer Stückzahl auf die Biogasvolumenströme der
Kleinanlagen (unter 250 Nm3Biogas /h) angepasst und für die Erzeugung von flüssigem Methan
und Kohlenstoffdioxidtrockeneis bestens eingesetzt werden. (30)
70
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rg%2Fwiki%2FJoule%25E2%2580%2593Thomson_effect&h=707&w=1022&tbnid=azY_vLfzZ_NgM%3A&zoom=1&docid=eZHDaU9QjZhlM&ei=ehUDVOyQGaXb0QWwzYHgAg&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=25&page=1&
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rg%2Fwiki%2FJoule%25E2%2580%2593Thomson_effect&h=707&w=1022&tbnid=azY_vLfzZ_NgM%3A&zoom=1&docid=eZHDaU9QjZhlM&ei=vwEDVNG9AeOC4gTtuoHoAw&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=3663&page=1
&start=0&ndsp=18&ved=0CDoQrQMwCA [22 Sep. 2014].
73
Abkürzungsverzeichnis:
ab
BMWi
BHKW
c
CNG
CH4
CO2
el
dB(A)
GM
GWh
h
He
H2
h
i
K
kj
kWh
kW
kg
LNG
LBM
l
m3
MWh
min
max
m
N2
Nm3
p
Pmin
P
PT
s
ST
th
To
Tu
T
w
WA
W
Qzu
Abgeführt
Bundesministerium für Wirtschaft
Blockheitskraftwerk
spezifische Wärmekapazität
Komprimiertes Erdgas
Methan
Kohlenstoffdioxid
Elektrisch
Dezibel A-Bewertung
Gifford-Mc-Mahon
Gigawattstunde
Enthalpie
Helium
Wasserstoff
Stunde
Stromverbrauch
Kelvin
Kilojoule
Kilowattstunde
Kilowatt
Kilogramm
Flüssigerdgas
Flüssigbiogas
Liter
Kubikmeter
Megawattstunde
Minimal
Maximal
Masse
Stickstoff
Normkubikmeter
Druck
Minimalerleistungsaufwand
Leistung
Pulsrohr
Entropie
Stirling
Thermisch
Zieltemperatur
Umgebungstemperatur
Temperatur
Volumenstrom
spezifische Arbeit
Zugeführte Arbeit
Watt
zugeführte Wärmeenergie
74
Qab
z
zu
ƞ
"
%
°C
μ
€
abgeführte Wärmeenergie
Sicherheitsfaktor
zugeführt
Wirkungsgrad
Leistungszahl
Prozent
Grad Celsius
Kälteleistung
Joule-Thomson-Koeffizient
Euro
75
Abbildungsverzeichnis:
Abbildung 1: Politisches Zieldreieck (eigene Anfertigung nach (10)) ................................................. 2
Abbildung 2: Ausblick des weltweiten Erdölverbrauchs und Produktion (eigene Anfertigung, nach
World Energy Outlook (26)) ........................................................................................................... 4
Abbildung 3: Phasendiagramm Methan (Eigene Anfertigung nach (7)) ............................................. 5
Abbildung 4: Biogasanlagen in Deutschland (28) ............................................................................. 9
Abbildung 5: Biogasverflüssigungsanlage (5)..................................................................................10
Abbildung 6: Kohlenstoffdioxid Phasendiagramm (eigene Anfertigung nach (6)) ..............................11
Abbildung 7: Energieflussbild Kältemaschine (eigene Anfertigung)..................................................13
Abbildung 8: Joule-Thomson-Effekt (eigene Anfertigung) ...............................................................22
Abbildung 9: Joule-Thomson-Entspannung, T, h - Diagramm, N2 (17) ..............................................23
Abbildung 10: Joule-Thomson-Entspannung, T, s Diagramm, N2 (17) ...............................................23
Abbildung 11: Phasendiagramm Stickstoff (eigene Anfertigung) .....................................................24
Abbildung 12: Joule-Thomson-Koeffizient Kurve (48) .....................................................................25
Abbildung 13: Inversionskurven (29) .............................................................................................26
Abbildung 14: Entspannung Turbine T, h-Diagramm, N2 (18) ..........................................................27
Abbildung 15: Entspannung Turbine T, s-Diagramm, N2 (18) ..........................................................28
Abbildung 16: Kältemittelkreislauf (eigene Anfertigung) ................................................................30
Abbildung 17: Kältekreislauf für Temperaturen bis hin zu null K mit einem
Gegenstromwärmetauscher (eigene Anfertigung nach (18)) ...........................................................33
Abbildung 18: Joule-Thomson-Kreislauf (eigene Anfertigung nach (18)) ..........................................35
Abbildung 19: Joule Thomson, T, s-Diagramm (18) .........................................................................36
Abbildung 20: Beispiel Gemischter Kältemittelkreislauf (eigene Anfertigung nach (18))....................38
Abbildung 21: Brayton-Kreislauf (eigene Anfertigung nach (18)) .....................................................40
Abbildung 22: Brayton-Verfahren, T, s-Diagramm (18) ...................................................................41
Abbildung 23: Regenerator (eigene Anfertigung nach (34)).............................................................45
Abbildung 24: Regenerator Optionen (34) .....................................................................................46
Abbildung 25: Phillips-Stirling Kolbenbewegung (39) ......................................................................47
Abbildung 26: Temperaturverlauf (39) ..........................................................................................49
Abbildung 27: Gifford-Mc-Mahon-Verfahren (eigene Anfertigung)..................................................52
Abbildung 28: Pulsrohrverfahren (34)............................................................................................54
Abbildung 29: Auswertung Kälteanlage für Labor (eigene Anfertigung) ...........................................64
Abbildung 30: SPC-4 Kryogenerator der Firma Stirling Cryogenics & Refrigeration BV......................68
76
Tabellenverzeichnis:
77
Anhang:
78
ARS:
79
80
81
82
Anhang Örlikon:
83
84
85
Anhang Q Drive:
86
87
Anhang SHI (Jc Müller):
88
89
90
91
92