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: Seit April 2023 sind der Teststand sowie der daran angeschlossene Rückkühler-Demonstrator am Fraunhofer ISE in Betrieb und die Wissenschaftler führten bereits erste Testreihen durch. Die Planung und der grundlegende Designentwurf des Rückkühlers wurden gemeinsam zwischen dem Fraunhofer ISE und der im Vogtland ansässigen Firma Thermofin GmbH erarbeitet. 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.
Aktuell laufen verschiedene Testreihen, um die Eigenschaften des Rückkühlers im Auslieferungszustand mit nachfolgenden Untersuchungen vergleichen zu können. Die Messdaten dienen als Grundlage für die Anpassung und Validierung eines entsprechenden Simulationsmodells. Das Betriebsverhalten von Rückkühlern lässt sich dann viel realisischer simulieren.
Arbeitspaket 3: Zur Nachbildung von im Realbetrieb auftretenden Verschmutzungen wird am Rückkühler-Demonstrator der Druckverlust über dem Wärmeübertrager variiert und das resultierende Verhalten analysiert. Die so gewonnenen Messdaten liefern die Betriebswerte mit Verschmutzungen für das Simulationsmodell. Mit Hilfe des Simulationsmodells lassen sich dann verschmutzungsbedingte Abweichungen gegenüber dem Auslieferungszustand im Betriebsverhalten erkennen.
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 meisten der eingesetzten kostengünstigen clamp-on Messtechnikkomponenten die Erwartungen erfüllen und sich daraus bereits Aussagen zum Betrieb der Rückkühler ableiten lassen. Die Herausforderung bei der Installation externer Messtechnik an bestehenden Anlagen liegt darin, nicht bzw. nicht ohne Weiteres in die Stromkreise etc. eingreifen zu können.
Veröffentlichungen
Publikationen folgen nach Abschluss der entsprechenden Arbeiten.
