Kennfeld und Leistungsanalyse einer zweistufigen Turbokompressor-Brüdenverdichtung

Abstract

Die mechanische Brüdenverdichtung ist eine Spezialform der Wärmepumpentechnologie. Überschüssiger Dampf aus industriellen Prozessen (R718) wird verdichtet und die Kondensationswärme genutzt um den Prozess zu hei-zen. Aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften des Wasserdampfes sind solche Anlagen derzeit nur mit relativ großen Kapazitäten von mehreren Megawatt industriell rentabel. Die große Überhitzung des Brüdens während der Verdichtung stellt hohe technische Herausforderungen an Kompressor und Schmiermittel. Turbokompressoren sind eine schmiermittelfreie Alternative zu herkömmlichen Stempel- oder Schraubenver-dichtern und können besonders bei kleinen Anlagengrößen (< 1000 kWthermisch) zur Brüdenkompression einge-setzt werden. Potentiell kann diese Technologie in Hochtemperatur-Wärmepumpen mit Wärmesenken von über 100 °C zum Einsatz kommen, sowohl in offenen als auch in geschlossenen Systemen. Hierdurch kann die Ener-gieeffizienz des Kernprozesses deutlich verbessert werden. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein zweistufiges Turbokompressor-System zur Brüdenverdichtung aufgebaut und analysiert. Die verwendeten, baugleichen Turbokompressoren basieren auf seriengefertigten Fahrzeugkompo-nenten aus der Zulieferindustrie und konnten mit einer Drehzahl von bis zu 81.000 min-1 getestet werden. Hierbei erzielte die erste Stufe ein Druckverhältnis von 1,95 und die zweite Stufe ein Druckverhältnis von 1,7. Die Kondensationstemperatur des Brüdens nach der zweiten Stufe betrug 133 °C. Dies entspricht einem Tempe-ratursprung von 33 Kelvin, wenn das System bei atmosphärischen Dampftrockner, Destillations- oder Eindamp-fungsanlagen zum Einsatz kommt. Der Massenstrom des Brüdens betrug circa 500 kg/h, da das System für eine relativ geringe Kapazität ausgelegt wurde. Der isentrope Wirkungsgrad der Turbokompressoren war deutlich über 70 %, abhängig von den Betriebszuständen der Anlage. Die Leistungszahl des Systems war hierbei 5,9 und entspricht 48,8 % des theoretischen Maximums. Die Kennfelder der zweistufigen Turbokompressoren wurden ermittelt und zeigen, dass speziell der Betriebszustand der zweiten Stufe mehreren Begrenzungen unterworfen ist. Die durchgeführten Versuche zeigen, dass schmiermittelfreie Verdichtungsanlagen hohes Potential für Wärme-pumpenanwendungen haben. Potentiell können Turbokompressoren damit eine kostengünstige Alternative zur herkömmlichen Brüdenkompression darstellen, da serienproduzierte und damit kostengünstige Komponenten aus der Fahrzeugindustrie verwendet werden können.