Projekt 22979/01

Arbeitsstoffgemische mit ionischen Flüssigkeiten für Absorptionswärmepumpen und Absorptionskältemaschinen

Projektdurchführung

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)Institut für Technische Thermodynamikund Kältetechnik
Engler-Bunte-Ring 21
76131 Karlsruhe

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die umweltfreundliche Erzeugung von Wärme zum Heizen und Kälte zur Klimatisierung ist weltweit eine wichtige Zukunftsaufgabe. Zu diesem Zweck bietet sich die Absorptionstechnik an, die sich jedoch aus Mangel an effizienten und ungefährlichen Arbeitsstoffpaaren noch nicht in großem Umfang durchsetzen konnte. Deshalb sollte das bisher verwendete Arbeitsstoffpaar Wasser-Lithiumbromid durch ein umweltfreundliches und ungefährliches Arbeitsstoffpaar Wasser-Ionische Flüssigkeit ersetzt werden.
Ziel des vorliegenden Projekts war es den Funktionsnachweis für einen Absorptionsprozess mit ionischen Flüssigkeiten als Absorptionsmittel zu erbringen. Darüber hinaus sollte die Leistungsfähigkeit eines Arbeitsstoffpaars Wasser-Ionische Flüssigkeit im Falle einer Klimatisierungsanwendung (Temperaturbereich um 10 °C) ermittelt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der ersten Projektphase wurden Phasengleichgewichtsmessungen durchgeführt und anhand dieser und anderer Stoffdaten in Frage kommende Arbeitsstoffpaare ausgewählt, mit denen eine Versuchsanlage betrieben werden sollte.
Die Leistungsfähigkeit dieser Arbeitsstoffpaare wurde zunächst in einem eigens entwickelten Simulationsprogramm theoretisch untersucht.
Parallel dazu wurde eine Kooperation mit der Firma SK Sonnenklima, Berlin, initiiert und erste Messungen an der solargetriebenen Laboranlage der Firma durchgeführt. Mit Hilfe dieser Messdaten konnten die Ergebnisse des Simulationsprogramms validiert werden.
Im Anschluss an die ersten Messungen in Berlin wurde eine Absorptionskälteanlage mit einer Kälteleistung von 10 kW mit geringen Modifikationen gegenüber der Standardbaureihe bei dieser Firma bestellt. Diese wurde an eine am ITTK aufgebaute Peripherie mit entsprechender Messtechnik angeschlossen.
Die Inbetriebnahme erfolgte am 07.07.2008. Nach Änderungen an der Anlage, einigen kleinen Reparaturen und einer Aufarbeitung der Lösung durch den Projektpartner IoLiTec erfolgt seit Mitte November 2008 der Versuchsbetrieb.


Ergebnisse und Diskussion

Es konnte sowohl theoretisch, als auch experimentell bewiesen werden, dass ionische Flüssigkeiten für den Einsatz als Absorptionsmittel in Kältemaschinen und Wärmepumpen geeignet sind.
Die Kriterien für die Eignung des Arbeitsstoffpaares Wasser-Diethylmethylammoniummethansulfonat in Absorptionskältemaschinen und -wärmepumpen
- nicht toxisch,
- nicht explosiv,
- chemische Beständigkeit bis 150 °C,
- hohe Verdampfungsenthalpie des Kältemittels Wasser,
- hohe Löslichkeit des Kältemittels im Absorptionsmittel (Absorbens),
- deutliche Dampfdruckerniedrigung des Arbeitsmittels beim Lösen im Absorbens,
- verschwindend geringer Dampfdruck des Absorbens,
- völlige Mischbarkeit beider Stoffe innerhalb des vorgesehenen Arbeitstemperaturbereichs,
sind zweifelsfrei erfüllt.
Die theoretischen Untersuchungen ergaben, dass das genannte Arbeitsstoffpaar die Leistungsfähigkeit von Wasser-Lithiumbromid erreicht.
Im Experiment wurde bei Kaltwasseraustrittstemperaturen von minimal 11,0 °C ein Wärmeverhältnis (Nutzen/Aufwand) von durchschnittlich 0,48 erreicht. Dabei lag die Kälteleistung durchschnittlich bei 1,51 kW und die Temperaturdifferenz von Kaltwasservor- und rücklauf betrug 5,3 K.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Publikation zu den Phasengleichgewichtsmessungen (Constantinescu D.; Viscosities, Vapor
Pressures and Excess Enthalpies of Choline Lactate + Water, Choline Glycolate + Water, and
Choline Methanesulfonate + Water Systems; J. Chem. Eng. Data, 52(4), pp. 1280-1285; 2007
- Vortrag anlässlich der 26. Osnabrücker Umweltgespräche am 18.01.2007:Arbeitsstoffgemische
mit ionischen Flüssigkeiten für Absorptionskältemaschinen
- Vortrag anlässlich der 27. Osnabrücker Umweltgespräche am 25.06.2008:Arbeitsstoffgemische
mit ionischen Flüssigkeiten für Absorptionswärmepumpen und Absorptionskältemaschinen
- Vortrag anlässlich des Thermodynamik Kolloquiums am 26.09.2008:Arbeitsstoffgemische mit
ionischen Flüssigkeiten für Absorptionskältemaschinen und Absorptionswärmepumpen
- Vortrag vorgesehen anlässlich der 29. ACHEMA am 13.05.2009:Absorption refrigeration cycles
using mixtures of water and ionic liquids as new working solutions


Fazit

Das Ziel des Vorhabens, ionische Flüssigkeiten als Absorptionsmittel in Wärmepumpen und Kältemaschinen einzusetzen, konnte wie vorgesehen näherungsweise realisiert und am Beispiel einer Absorptionskältemaschine demonstriert werden.
Gegenüber Wasser-LiBr als Arbeitsstoffpaar hat das eingesetzte Arbeitsmittel Wasser-IL ungünstigere Eigenschaften beim Wärmeübergang. Diese Nachteile könnten jedoch durch leistungsfähigere Apparate, mit an die Eigenschaften der ionischen Flüssigkeiten angepassten Geometrien, ausgeglichen werden.
In Versuchen mit einer für Wasser-Lithiumbromid ausgelegten Kälteanlage wurde gezeigt, dass sowohl für die Klimatisierung ausreichende Vorlauftemperaturen erzeugt werden können als auch eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf gewährleistet werden kann.
Die Verwendung der derzeit verwendeten Rohrbündelwärmeübertrager für den Betrieb mit ionischen Flüssigkeiten als Absorptionsmittel ist problematisch. Die Kälteleistung hängt sehr stark von der Benetzung der Wärmeübertragerrohre ab. Dadurch ist insbesondere das Design des Absorbers ausschlaggebend für die Erzeugung höherer Kälteleistungen.
Um die Benetzung der Wärmeübertragerrohre zu verbessern, wäre es beispielsweise möglich, deren Oberfläche zu strukturieren. Andererseits sollten auch andere Wärmeübertragertypen in Erwägung gezogen werden. Dabei wäre es sinnvoll, kommerziell erhältliche Standardkomponenten zu verwenden, die an den Betrieb mit ionischen Flüssigkeiten angepasst werden könnten.
Bei der Verwendung von ionischen Flüssigkeiten als Absorptionsmittel können außerdem Werkstoffe eingesetzt werden, die wegen der Korrosivität der Lithiumbromid-Lösung nicht geeignet sind.