Teilprojekt 8

Verbesserung der Konstruktion und des Betriebs von Rückkühlern

Probleme und Motivation

Energieeinsparungen durch Effizienzsteigerung liefern einen wesentlichen Beitrag zum Erreichen der Klimaschutzziele. Hierbei stellen Rückkühler, die die Abwärme von Kältemaschinen an die Umgebung abführen, eine häufig unterbewertete Stellschraube für die Effizienz der gesamten Kälteanlage dar. Bei einem luftgekühlten System ist es wichtig, dass ein guter Wärmeübergang vom Kältemittel zur Luft gewährleistet wird.

Abhängig von den Umgebungsbedingungen kann sich mit der Zeit auf den Lamellen ein Schmutzfilm aufbauen. Dadurch verschlechtert sich die Wärmeübertragung und die Kühlleistung sinkt, was zur Erhöhung des Energieverbrauchs und der Betriebskosten führt.

Ansatz und Aufgaben

Aus der oben dargestellten Motivation ergeben sich die folgenden Themenbereiche, die innerhalb von Arbeitspaketen betrachtet werden:

Analyse und Bewertung verschmutzungsresistenter Bauformen für Rückkühler

Zur Untersuchung von Verschmutzungseffekten im Labormaßstab wird ein Rückkühler-Demonstrator aufgebaut, welcher den Wechsel von Wärmeübertragern ermöglicht. Damit lassen sich verschiedene Bauformen von Rückkühlern nachbilden. Über den Zeitraum des Projektes hinaus soll der Demonstrator für Schulungs- bzw. Ausbildungszwecke genutzt werden.

Monitoring von Rückkühlern und Rückkühlsystemen

Im Rahmen eines Monitorings von Rückkühlanlagen ist die Ermittlung von effizienzrelevanten Faktoren und Kenngrößen geplant. Dazu werden spezielle mobile Messsysteme entwickelt und in verschiedenen Bestandsanlagen in Deutschland eingesetzt, um über einen Zeitraum von einigen Wochen Messdaten aufzunehmen. Weiterhin kommen diese Messsysteme bei zwei Rückkühlern, welche Bestandteil der technischen Plattform im Teilprojekt 2 sind, zum Einsatz. Dabei bietet die Plattform bessere Bedingungen hinsichtlich eines umfangreicheren und genaueren Monitorings. Deswegen werden die zwei Rückkühler als Referenzanlagen und die entsprechenden Messwerte als Referenz für die mobilen Messsysteme genutzt.

Entwicklung von Verschmutzungsdetektion

Die Verwendung zusätzlicher Daten zum Standort und zum Betrieb ermöglicht die Entwicklung von Algorithmen zur KI-gestützten automatisierten Detektion von Verschmutzungen und Ableitung von Reinigungsanforderungen. Zur Validierung der Verschmutzungsdetektion sind zusätzlich Tests und Untersuchungen mit verschiedenen Wärmeübertragergeometrien im Labor vorgesehen.

Entwicklung optimierter Betriebsführungsansätze

Die Daten und Erkenntnisse werden auch für die Optimierung der Betriebsführung verwendet. Das heißt, die neuen Betriebsweisen sollen energetisch effizienter werden und geringere Betriebskosten aufweisen.

Praxistest

Um die entwickelten Methoden und Ansätze hinsichtlich ihrer praktischen Einsatzfähigkeit zu überprüfen, sollen Tests im Labormaßstab unter Nutzung des Rückkühler-Demonstrators durchgeführt werden. Zur praxisnahen Validierung kommt aber auch die Plattform mit den vielfältigen Test- und Messmöglichkeiten zum Einsatz.

Ergebnisse

Arbeitspaket 1: Gemeinsam mit der im Vogtland ansässigen Firma Thermofin GmbH hat das Fraunhofer ISE ein Konzept für einen Rückkühler-Demonstrator erarbeitet und umgesetzt. Im Ergebnis steht ein multifunktionaler Demonstrator zur Verfügung, der über den Zeitraum des Projektes hinaus für Schulungs- bzw. Ausbildungszwecke auf der Plattform in Reichenbach im Vogtland genutzt werden soll. Der spezielle Aufbau des Rückkühlers erlaubt bauformspezifische Untersuchungen, sowohl die eines Tischkühlers, eines ein- und doppelreihigen V-Kühlers sowie zusätzlich die Nutzung von Verdunstungskühlung als sog. Hybridkühler. Der Demonstrator erfüllt hierbei höchste Qualitätsansprüche und erlaubt zahlreiche wissenschaftliche Versuche, die einem realen Rückkühler im Punkt Praxisrelevanz in nichts nachstehen.
Im April 2023 ging der Teststand sowie der daran angeschlossene Rückkühler-Demonstrator am Fraunhofer ISE in Betrieb, seither haben die Wissenschaftler zahlreiche Testreihen durchgeführt. Dabei wurden die Eigenschaften des Rückkühlers im unverschmutzten Auslieferungszustand sowie mit emulierten Verschmutzungen detailliert und unter unterschiedlichsten Betriebsbedingungen erfasst. Die Messdaten dienen als Grundlage für die Parametrierung und Validierung einer modellbasierten Verschmutzungsdetektion.

Arbeitspaket 3: Ein modellbasierter Ansatz zur Detektion von im Realbetrieb auftretenden Verschmutzungen wurde mit den am Rückkühler-Demonstrator erfassten Messdaten entwickelt und ausgiebig getestet. Die unter Laborbedingungen emulierten Verschmutzungen konnten durch das Modell erkannt und Leistungsreduktionen bis zu 9% ermittelt werden.

Arbeitspaket 2: Das bereits seit über einem Jahr laufende Monitoring von real betriebenen Rückkühlern an bisher zwei Standorten in Freiburg wird auch weiterhin fortgeführt. Die bisherigen Erfahrungen aus dem Langzeitbetrieb zeigen, dass die eingesetzte kostengünstige clamp-on Messtechnik zur Erfassung der Wärmemenge die Erwartungen grundsätzlich erfüllen. Jedoch liegt die Herausforderung bei der Installation externer Messtechnik an bestehenden Anlagen in der Zugänglichkeit im laufenden Betrieb. Eine ausreichend genaue Messung der elektrischen Leistung mit günstiger Sensorik hat sich als nicht möglich herausgestellt. Ein alternativer Ansatz zur Erfassung des Ventilatorbetriebs durch Messung des luftseitigen Druckverlusts wurde daher umgesetzt.

Mit den gewonnen Messdaten lässt sich der Rückkühlerbetrieb überwachen und der in AP3 entwickelte Ansatz zur Verschmutzungsdetektion anwenden.

Abbildung 2: Verschmutzungen des Wärmeübertragers eines Rückkühlers

Arbeitspaket 4: Das Zusammenspiel von Kälteanlagen und Trockenrückkühlern wurde durch Simulationen unter verschiedenen Randbedingungen analysiert. Dafür wurden für Verdichter, Kühlwasserpumpe und Rückkühlerventilator sowohl Betriebsstrategien nach Stand der Technik als auch fortgeschrittene Regelungsmethoden in einem Simulationsframework umgesetzt und unter verschiedenen Betriebsbedingungen getestet. Als Benchmark dient dabei eine modellbasierte Optimalsteuerung, die für die jeweiligen Randbedingungen den Betriebszustand berechnet, bei dem das System die geforderte Kältelast mit minimaler elektrischer Leistungsaufnahme deckt. Diese Methode ist in der Praxis nur schwerlich umzusetzen, da sie detaillierten Komponentemodelle erfordert. Daher wurde ein weiterer Ansatz bewertet, bei dem die drei elektrischen Verbraucher proportional zueinander in Abhängigkeit des Kältebedarfs geregelt werden. Im Ergebnis verbraucht dieser Ansatz rund 5% mehr Strom als die optimale Regelung. Dennoch können damit bis zu 25% Stromeinsparungen gegenüber den Referenzbetriebsweisen, bei denen die Komponenten unabhängig voneinander geregelt werden.

Arbeitspaket 5: Das simulationsbasiert ermittelte Potenzial (Arbeitspaket 4) zur Effizienzsteigerung von Kältesystemen wurde auch in einem Praxistest nachgewiesen. Dazu wurde der Testaufbau mit dem Rückkühler-Demonstrator im Frühjahr um eine Kälteanlage mit dem natürlichen Kältemittel R290 (Propan) ergänzt, welche in das Kältenetz des Laborstandorts einspeist. In den nachfolgenden Sommermonaten wurde diese dann unter den jeweils vorliegenden Umgebungs- und Lastbedingungen mit den unterschiedlichen Regelungsstrategien betrieben. So konnten die innovativen Regelungsansätze ihr Potenzial zur Effizienzsteigerung bzw. Stromeinsparung nachweisen.