Dampfstrahlkälte

Bei der Dampfstrahlkältemaschine handelt es sich um einen konventionellen Kaltdampfprozess, wie bei einer Kompressionskältemaschine. Die Verdichtung wird jedoch nicht mit einem mechanischen Kompressor vorgenommen, sondern in Form einer thermischen Verdichtung. Beim Dampfstrahlverdichter wird mit Hilfe eines geeigneten Treibmediums Kältemitteldampf (meist Wasserdampf) von Verdampferdruck auf Kondensatordruckniveau gefördert. Der Einsatz des Kältemittels Wasser, das gute dynamische Verhalten im Teillastbereich und ein druckunabhängiger COP zeichnen die Dampfstrahlkältemaschine aus [7, 10, 23, 27]. Dieser Prozess wird bisher hauptsächlich in verfahrenstechnischen Prozessen zur Produktkühlung eingesetzt [28, 29]. Die Dampfstrahlkältemaschine ist insbesondere durch ihre Verwendung in den Industriebereichen der Zellstoffindustrie, Lebensmittelindustrie, chemischen Industrie und der Stahlindustrie auch für andere Industriezweige interessant geworden  [29, 30]. Für diese Einsatzzwecke wurden keine Standardbaureihen verwendet, sondern speziell für dieses Aufgabengebiet ausgelegte und entwickelte Kältemaschinen.

Grundprinzip

Der Strahlverdichter besteht aus einer Treibdüse, Saugdüse, dem Mischraum und dem Diffusor. Der Wasserdampf (Treibfluid) wird unter hohem Druck in die Treibdüse (Laval-Düse) geleitet und dort aufgrund der Geometrie der Düse bis auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt (Zustand 1). Die potenzielle Energie des Wasserdampfs (Druck) wird im Bereich des engsten Querschnittes in kinetische Strömungsenergie umgewandelt. Bei der Expansion wird der Wasserdampf auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Der statische Druck sinkt unter den Verdampferdruck, sodass ständig Kältemitteldampf über die Saugdüse angesaugt wird und nachströmen kann (Zustand 2). Die beiden Ströme vermischen sich in der Mischkammer am Einlaufkonus (Zustand 3) und im weiteren Verlauf im Mischrohr (Abbildung 16). Die Geschwindigkeiten beider Ströme passen sich im Verlauf der Mischung an. Der Primärstrahl wird abgebremst und der Sekundärstrahl beschleunigt. Die resultierende Geschwindigkeit des Gemisches ist auch nach dem Mischungsvorgang noch sehr hoch.In dem Überschalldiffusor wird die hohe Strömungsgeschwindigkeit durch Verzögerung zur Druckerhöhung genutzt. Bei dieser Verzögerung tritt eine Kompression des Gemischs ein, bis im Bereich des kleinsten Querschnitts ein senkrechter Verdichtungsstoß eintritt (Abbildung 16). Die Druckerhöhung muss so groß sein, dass der Wasserdampf anschließend im Kondensator wieder verflüssigt werden kann. [7, 10, 23, 24]

Abbildung 15: Strahlverdichter nach [24] (oben) und Qualitative Verläufe von Druck und Geschwindigkeit im Strahlverdichter [10, 24] (unten)

Aufbau und Funktion

Eine einfache Ausführung der Dampfstrahlkälteanlage ist in Abbildung 17 dargestellt.Am Anfang des Kreisprozesses entsteht Dampf im Dampferzeuger (DE), der mittels eines Ventils in die Treibdüse eingeleitet wird. Dort wird der Saugdampf mit dem Treibdampf (Kapitel 3.2.1) vermischt und verdichtet. Anschließend wird der Dampf gekühlt und in den flüssigen Zustand übergeführt (C). Die hierbei abgegebene Kondensationswärme muss über einen angeschlossen Kühlkreislauf (KT) dem Gesamtsystem entzogen werden. Ein Teilstrom des kondensierten Wassers wird dem Kühlwasserkreislauf zugeführt und der andere Teilstromdem Dampferzeuger.

Abbildung 17: Fließbild einer Dampfstrahlkälteanlage(Rainer Sielker) (einsehbar auf Wikipedia.de)

Der gesamte Prozess wird auf einen Auslegungsdruck (Abbildung 18) ausgelegt, welcher geringer als der zugehörige Grenzdruck des jeweiligen Strahlverdichters sein muss. Solange sich die Dampfstrahlkältemaschine in diesem Betriebsbereich bewegt, wird diese unter optimalen Bedingungen betrieben. Der Grenzgegendruck wird maßgeblich vom Treibdampfdruck bestimmt. Steigt der Druck am Diffusor des Verdichters (Abbildung 15 oben) bezogen auf den Auslegungspunkt, dann sinkt die Fördermenge des Saugdampfs drastisch (Abbildung 18, Überschreiten der rechten Grenzkurve) [7, 28]. Sinkt der Gegendruck in der Anlage, bleibt die Saugdampfmenge (entlang der Horizontalen vom Auslegungspunkt aus nach links) weiterhin konstant. Die Treibdampfmenge ist in gewissen Grenzen, ebenso wie die Kühlwassermenge,gut regulierbar, sodass ein Auslegungspunkt knapp links der rechten Grenzkurve ideal ist (gestrichelte Linie) [32].

Abbildung 18: Saugmassenstrom eines Strahlverdichters in Abh. vom Saugdruck [ 30, 31]

Bei stark schwankenden Kältelasten wird ein wirtschaftlicher Betrieb einer einstufigen Dampfstrahlkälteanlage unwahrscheinlich. Dafür wird eine modulare Leistungsanpassung mit regelbaren Dampfstrahlverdichtern benötigt. Beim dauerhaften Betrieb müssen sowohl die Leistung als auch der Treibdampfdruck geregelt werden [Je nach Anlage müssen weitere Größen im dauerhaften Betrieb geprüft und geregelt werden.].

Im Allgemeinen werden vier Konzepte zur Leistungsanpassung angeboten:

• Hinzu- und Abschalten weiterer Strahlverdichter, unterschiedliche Leistungsverteilungen möglich, abhängig von der Anzahl der Stufen insgesamt
• Bypassregelung
• Leistungsanpassung
• über sich ändernde Verdampfertemperatur, Selbstregulierung / Saugdampfdrosselung
• Düsennadelregelung

Weitere Möglichkeiten der Leistungsanpassung werden in [33] ausführlich hinsichtlich Ihrer Effizient verglichen.

Vorteile:

• Dampfstrahlkältemaschinen sind sehr robuste und betriebssichere Anlagen
• Einfache Konstruktion und die Möglichkeit, günstige Materialien zu verwenden
• Insgesamt kaum bewegliche Teile und somit reduzierter Wartungsaufwand
• Wasser kann als Kältemittel eingesetzt werden
• Keine hydraulische Entkopplung notwendig (bei Verwendung von Wasser)
• Betriebsparameter können auf der Kaltwasser-, Kühlwasser-sowie auf der Antriebswärmeseite in weiten Bereichen frei gewählt werden
• Verfahrens- und regelungstechnisch einfach zu beherrschen
• Neue Möglichkeitenzur Nutzung solarer Dampferzeugung
• Gutes dynamisches Betriebsverhalten, schnelle Lastwechsel möglichKeine Kristallisation oder Zersetzung des Kältemittels
• Geringe Betriebskosten, ohne Berücksichtigung der Dampferzeugungs-kosten

• Nachteile:
• Hoher Treibdampfverbrauch
• Hoher Kühlwasserverbrauch, da das Kühlwasser nur geringfügig erwärmt werden darf
• Nur schmaler Temperaturbereich für den Einsatz als Kältemaschine (bei Wasser nicht geringer als 0 °C)