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2016 | Book

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Thermodynamik der Kälteanlagen und Wärmepumpen

Grundlagen und Anwendungen der Kältetechnik

Author: Joachim Dohmann

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Table of Contents

About this book

Das vorliegende Buch vermittelt die Grundlagen zur Berechnung von Kälteanlagen und Wärmepumpen. Hierzu zählen- die Bemessung von Kühllasten,- die Auswahl von Verfahren und Kältemitteln und- die Berechnung der erforderlichen Komponenten.Zusammenhänge werden verständlich hergeleitet und anhand eingehender Praxisbeispiele erörtert. Die Gliederung des Buches folgt einer klaren didaktischen Linie. Aus dem Abkühlverhalten verschiedener Stoffe wird auf Kälteverfahren unterschiedlicher Komplexität und schließlich auf das Thema Wärmeübertragung übergeleitet. Der Schwierigkeitsgrad der basierenden thermodynamischen Konzepte wird dabei stufenweise gesteigert. Das Buch eignet sich daher auch zum Selbststudium.Die Zielgruppe dieses Buches sind Studierende der Fachrichtungen Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Versorgungstechnik, Energietechnik und Umwelttechnik. Zudem richtet es sich an Ingenieure in den Bereichen Kälteanlagenbau, Automobilindustrie und Verfahrenstechnik sowie an Hersteller von Wärmepumpen, Lebensmitteltechnik und Raumlufttechnik.

Frontmatter

1. Anwendungsgebiete

Zusammenfassung

Kältetechnische Anwendungen finden sich heute in praktisch allen Wirtschaftsbereichen. Eine stichwortartige Zusammenfassung möglicher Anwendungsbereiche lässt die Vielfalt erahnen:

Luftkonditionierung in der Raumlufttechnik
- Gebäudetechnik: Bürogebäude, Krankenhäuser, Laborräume, Schwimmbäder, Fabrikationsräume
- Mobile Anwendungen: Fahrzeugkabinen (Landwirtschaft, Luftfahrt, …)
- Fabrikation: Textilindustrie, Papierindustrie, Biotechnologie, …
Lebensmitteltechnik
- Erzeugung: Molkereiprodukte, Fleischwaren, Getränke, Schokolade
- Transport: Straße, Schiene, See
- Lagerung: Kühlhäuser, Gefrierhäuser
- Vertrieb
- Haushalt
Verfahrenstechnik
- Chemische und petrochemische Industrie: Reaktorkühlung, Kristallisation, Trennung von Gasen
Mechatronik
Bautechnik
Energieversorgungstechnik: Wärmepumpen, Wärmetransformation, Kraft-Wärme-Kältekopplung

Allen Verfahren und Beispielen gemeinsam ist, dass ein kältetechnisches System stets Wärme aufnimmt. Diese Wärme wird einem Medium entzogen, was meist aber keineswegs immer mit einer Temperatursenkung verbunden ist. Dies führt zu einem einfachen Unterscheidungsmerkmal, je nach Temperaturniveau der zugeführten Wärme. Bei Temperaturen oberhalb von 0 °C spricht man in der Regel von Kühltechnik, unterhalb von 0 °C von Tiefkühltechnik bzw. Gefriertechnik. Ferner werden Prozesse unterhalb von -50 °C der Tiefsttemperaturtechnik zugeordnet, für die auch der Begriff Kryotechnik in Benutzung ist.

Joachim Dohmann

2. Begriffe

Zusammenfassung

Kälteanlagen und Wärmepumpen nehmen stets einen Wärmestrom \(\dot{Q}_{\mathrm{zu}}\) [\(\mathrm{k}\mathrm{W}\)] auf. Dieser Wärmestrom wird bei einer Kälteanlage auch als Kühllast bezeichnet. Dieser Wärmestrom wird gemeinsam mit der eingesetzten Hilfsenergie – es sei stellvertretend angenommen, dass es sich um eine mechanische Leistung P [\(\mathrm{k}\mathrm{W}\)] handelt – auf höherem Temperaturniveau in Form eines Wärmestroms \(\dot{Q}_{\mathrm{ab}}\) [\(\mathrm{k}\mathrm{W}\)] wieder abgegeben. Die Unterscheidung, ob es sich bei der kältetechnischen Anlage um eine Kälteanlage oder eine Wärmepumpe handelt, erfolgt nicht nach technischen Kriterien, sondern lediglich anhand der Temperaturen bei denen die Wärmeströme aufgenommen bzw. abgegeben werden.

Joachim Dohmann

3. Kühllasten

Zusammenfassung

Unter dem Begriff Kühllast wird der Wärmestrom bezeichnet, der von einer Kälteanlage oder einer Wärmepumpe aufgenommen wird. Im Fall der Kälteanlagen wird die Kühllast durch die Aufgabe der Kälteanlage vorgegeben. Die Kühllast bestimmt die Größe einer Kälteanlage.

Im vorliegenden Kapitel werden die verschiedenen Arten von Kühllasten beschrieben und die Grundlagen der thermodynamischen Berechnung vorgestellt. Für die Abkühlung von Materialien wird eine Einführung in unterschiedliche Stoffklassen gegeben. Hier wird zwischen einfachen Stoffen und Stoffen mit Phasenumwandlung sowie der Abkühlung feuchter Luft unterschieden. Ferner wird die Berechnung von Wärmequellen behandelt. Hierzu zählen die Atmungswärme von Lebensmitteln, die Personenwärme oder elektrische Wärmequellen.

Bei der Dimensionierung von Wärmepumpen steht zwar die Heizlast im Vordergrund, diese ist aber untrennbar mit der aufgenommenen Kühllast verbunden. Insofern ist auch bei der Dimensionierung von Wärmepumpen die Kenntnis der Kühllast von Bedeutung.

Joachim Dohmann

4. Kaltgasverfahren

Zusammenfassung

Eine Klasse von Kälteanlagen wird unter dem Begriff „Kaltgasverfahren“ zusammengefasst. Es handelt sich um linksläufige thermodynamische Kreisprozesse, bei denen eine Kühllast bei niedriger Temperatur aufgenommen und eine Heizlast bei höherer Temperatur abgegeben wird. Das Arbeitsmedium dieser Kaltgasprozesse sind Gase (Luft, Helium, usw.), die während des Prozesses keine Phasenänderung vollziehen, d. h. stets im gasförmigen Zustand vorliegen. Neben dem technisch weniger bedeutenden Joule-Prozess wird der Stirling-Prozess ausführlich behandelt, der in der Praxis häufiger eingesetzt wird. Das Kapitel ist geeignet, ein fundiertes Grundverständnis der Prozesse zu erwerben. Die vorgestellten Berechnungen geben einen Zugang zur Vorausberechnung dieser und zur Methodik der Zustandsänderungen idealer Gase.

Joachim Dohmann

5. Kaltdampfverfahren

Zusammenfassung

Die meisten Kälteanlagen und Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip des Kaltdampfprozesses. Dabei handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess, bei dem das Kältemittel zyklisch verdampft, komprimiert, kondensiert und entspannt wird. Im vorliegenden Kapitel werden die thermodynamischen Grundlagen des idealen, aber auch des realen Prozesses erläutert. Die Kältemittel werden vorgestellt und die wichtigsten Eigenschaften erläutert. Die für die Dimensionierung derartiger Anlagen erforderlichen Berechnungen der thermodynamischen Zustandsänderungen wird schrittweise erarbeitet. Technisch wichtige Varianten des Prozesses, insbesondere auch die der zweistufigen Verfahren, werden anhand ausführlicher Berechnungen und Darstellungen in Zustandsdiagrammen vorgestellt.

Joachim Dohmann

6. Maschinentechnik

Zusammenfassung

Zum Aufbau von Kaltdampfkälteanlagen werden mechanische Verdichter eingesetzt. Im vorliegenden Kapitel Maschinentechnik werden einige der gängigsten Verdichterbauarten und deren Funktion beschrieben. Zusätzlich werden Verdampfer, Verflüssiger und andere Wärmeübertrager eingesetzt. Die für die Dimensionierung der Wärmeübertrager erforderlichen Zusammenhänge werden anhand von Temperaturschemata und Berechnungsgleichungen erläutert.

Joachim Dohmann

7. Absorptionskälteanlagen

Zusammenfassung

Absorptionskälteanlagen arbeiten mit Arbeitsstoffpaaren aus zwei verschiedenen Komponenten. In diesen Anlagen tritt anstelle des mechanischen Verdichters ein sog. thermischer Verdichter. Als Hilfsenergie kommt in diesem Fall Heizwärme in Betracht. Im vorliegenden Kapitel wird eine Einführung in das Verhalten der Arbeitsstoffpaare gegeben und die Funktion thermischer Verdichter anschaulich erläutert. Die für eine Dimensionierung von Absorptionskälteanlagen erforderlichen Bilanzgleichungen werden vorgestellt und anhand eines Beispiels veranschaulicht.

Joachim Dohmann

8. Kälteträger

Zusammenfassung

Kälteträger werden immer dann eingesetzt, wenn eine örtliche oder zeitliche Trennung zwischen Kälteerzeugung und „Kälteverbrauch“ erforderlich ist. In diesen Fällen kommen Kälteträger zum Einsatz. Die verschiedenen Stoffklassen von Kälteträgern und deren wesentlichen Eigenschaften werden vorgestellt. Hierzu zählt neben den thermodynamischen Eigenschaften z. B. auch das Viskositätsverhalten. Ziel des Abschnittes ist es, ein Kälteträgersystem dimensionieren zu können.

Joachim Dohmann

9. Verdunstungskühlung

Zusammenfassung

Luft verfügt über ein gewisses Aufnahmevermögen für den Stoff Wasser. Im Kontakt zwischen flüssigem Wasser und Luft kann es zu einer Verdampfung von Wasser kommen. Dieser Vorgang wird als Verdunstung bezeichnet, die hierbei häufig auftretende Senkung der Temperatur als Verdunstungskühlung. In der Technik wird diese Art der Kälteerzeugung z. B. in Kühltürmen oder Rückkühlwerken eingesetzt. Im vorliegenden Kapitel werden die thermodynamischen Grundlagen zum Verständnis der beteiligten Vorgänge vorgestellt. Die für die Dimensionierung derartiger Anlagen wichtigen thermodynamischen Bilanzgleichungen werden bereitgestellt.

Joachim Dohmann

10. Speicher

Zusammenfassung

Für die zeitliche Trennung der Kältererzeugung und -verwendung kommen Kältespeicher in Form von „Solespeichern“ oder Eisspeichern zum Einsatz. Im vorliegenden Kapitel werden die wesentlichen Merkmale dieser Speicher vorgestellt. Dabei wird die Dynamik des Ladens von Eisspeichern ebenso behandelt wie die Bewertung unvermeidbarer Speicherverluste. Zusätzlich wird eine Verwendung von Kältespeichern im Zusammenhang mit der Speicherung elektrischer Energie nach dem in Vergessenheit geratenen Lynger-Prozess vorgestellt.

Joachim Dohmann

11. Stoffdaten

Zusammenfassung

Zur Dimensionierung von Kälteanlagen ist die Kenntnis von Stoffdaten von entscheidender Bedeutung. Im vorliegenden Kapitel werden die thermodynamischen Stoffdaten der aktuell verwendbaren Kältemittel in Form von „ Zustandstafeln im Sättigungszustand“, also in Form von Dampftafeln mitgeteilt. Ergänzend hierzu werden maßstäbliche \(\log p,h\)-Diagramme dieser Kältemittel zur Verfügung gestellt. Die frei wählbaren Bezugsnullpunkte für die spezifische Enthalpie h und die spezifische Entropie s wurden einheitlich festgelegt, so dass Dampftafeln und Diagramme parallel zu einander nutzbar sind. Bei der Auswahl der Kältemittel wurden neben dem Kältemittel R134a, das aktuell die größte Verbreitung besitzt, einige der potentiellen Ersatzstoffe (z. B. HFO-1234yf, R717, R744, R290) berücksichtigt. Ferner sind Daten zu Kältemitteln für den Einsatz in Hochtemperaturwärmepumpen (Pentan, Neopentan) in der Zusammenstellung enthalten.

Die Stoffdatensammlung wurde ergänzt durch Tabellen zum Dampfdruckverhalten zahlreicher Stoffe (Antoine-Koeffizienten, Normalsiedepunkte) sowie durch Daten zum Thema der feuchten Luft.

Die Stoffdaten werden in Form übersichlicher Diagramme und Tabellen angegeben. Die Materialien lassen sich beim Erlernen des Stoffs direkt einsetzen oder auch als Hilfsmittel bei der Auslegung von Anlagen.

Joachim Dohmann

Backmatter

Title: Thermodynamik der Kälteanlagen und Wärmepumpen
Author: Joachim Dohmann
Publisher: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-49110-2
Print ISBN: 978-3-662-49109-6
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-49110-2