Mit WaÈ rme KaÈ lte erzeugenA steam jet cooling plant

Thilo Dietzmann

Zusammenfassung

Eine hervorragende MoÈ glichkeit, mitdem KaÈ ltemittel Wasser auf Temperatu-ren im Bereich bis 0 8C und darunter zukuÈ hlen, sind Dampfstrahl-KuÈ hlanlagen.Da in den meisten IndustriebetriebenDampf- und KuÈ hlwassernetze vorhan-den sind, lassen sich hier Dampfstrahl-KuÈ hlanlagen besonders einfach instal-lieren. Sie zeichnen sich aus durch± niedrige Investitionskosten,± einfache, robuste Bauweise,± unmittelbare Anpassung an AÈ nderun-

gen des KaÈ ltebedarfs,± minimalen Aufwand an Wartung und

Instandhaltung (wenige bewegteTeile, daher auch kaum Verschleiû).Unter bestimmten Voraussetzungen

ist auch Heiûwasser oder Abdampf(Niederdruck-, Vakuum- oder nasserDampf) als Antriebsmedium moÈ glich.Ein im Sommer anfallender UÈ berschuûan Dampf kann u. U. sehr guÈ nstig zuKuÈ hlzwecken verwendet werden. Nach-folgend wird eine Dampfstrahl-KuÈ hlanla-ge fuÈ r die FernkaÈ lteversorgung vorge-stellt, die bei der EnergieversorgungGera GmbH installiert und erfolgreichin Betrieb genommen worden ist undeine KaÈ lteleistung von bis zu 600 kW(12 8C/6 8C) erbringt.

Summary

Steam jet cooling plants with water as amedium to be cooled are preferablyused to chill down to 0 8C andbelow.

Since most industrial enterprises havesteam and cooling water supply nets al-ready, steam jet cooling plants can beinstalled there quite easily. They arecharacterised by± low investment costs,± robust and simple construction,± immediate response to changes of the

required cooling capacity,± very low maintenance and spare parts

costs.Under certain conditions even hot

water or waste steam (low-pressure, va-cuum or wet steam) can be used as amotive medium. A surplus of steam, per-haps, which occurs during the summermay be used for cooling purposes, ea-sily. Below a steam jet cooling plantfor a district cooling system is de-scribed which has been installed withthe company Energieversorgung GeraGmbH (Gera, Germany). Since then, ithas been worked successfully. The max-imum chilling capacity is 600 kW (12 8C/6 8C).

1 Einleitung

Klimatisierung spielt eine zunehmendeRolle, der Energiebedarf wird laut einerStudie in den kommenden Jahren umetwa ein Drittel ansteigen [1]. In moder-nen KuÈ hlanlagen werden seit einigenJahren FCKW-/FKW-freie KaÈ ltemitteleingesetzt. Zu diesen KaÈ ltemitteln ge-hoÈ rt Wasser. Wegen seiner groûen Ver-dampfungsenthalpie laÈ sst es sich sehrgut zur EntspannungskuÈ hlung einset-zen. KuÈ hlung ist Teil optimaler Raumkli-matisierung und ebenso wichtig fuÈ r viele

technologische Prozesse. OptimaleTemperaturen sind haÈ ufig ein wichtigesQualitaÈ tskriterium. KuÈ hlung durch Ver-dampfung ist eine der wichtigsten ver-fahrenstechnischen Methoden hierfuÈ r.

In den letzten Jahrzehnten wurde eineVielzahl von KaÈ ltemitteln entwickelt underprobt. Die Anforderungen an KaÈ ltemit-tel veraÈ ndern sich im Laufe der Jahre.Man ist immer weniger dazu bereit,Nachteile fuÈ r Gesundheit und Umwelt,hohe Herstellungskosten, aufwendigeHandhabung etc. in Kauf zu nehmen.Deshalb ruÈ ckt das KaÈ ltemittel Wasserwieder staÈ rker in den Mittelpunkt des In-teresses.

2 Der KuÈ hlprozess

Abb. 1 zeigt Kompressions-KaÈ ltema-schinen und Dampfstrahl-KuÈ hlanlagenim Vergleich. Dampfstrahl-KuÈ hlanlagensind Apparate, mit denen ohne groÈ ûerebewegte Teile durch Entspannungsver-dampfung Wasser oder andere fluÈ ssigeSubstanzen gekuÈ hlt werden koÈ nnen.

2.1 EntspannungskuÈ hlung

Das zu kuÈ hlende Medium flieût in einengeschlossenen BehaÈ lter (� Entspanner)und wird dort einem Druck ausgesetzt,bei dem es verdampft. Verdampfungentzieht der uÈ brigen, nicht verdampfen-den FluÈ ssigkeit einen Dampf-Massen-strom, den BruÈ den, sowie WaÈ rme (Ver-dampfungsenthalpie). Dieser WaÈ rme-entzug ist der KuÈ hleffekt. Der entzoge-ne Massenstrom muss dem Systemwieder zugefuÈ hrt werden. Der Verdamp-

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fungsdruck ist von dem zu kuÈ hlendenMedium sowie von der TemperaturabhaÈ ngig, auf die das Medium gekuÈ hltwerden soll. Bei dem Medium Wasser

und Temperaturen unter 100 8C handel-tes sich um Vakuum-KuÈ hlanlagen(Abb. 2).

Soll auf sehr niedrige TemperaturengekuÈ hlt werden, die nur mit WaÈ rmeuÈ ber-tragern und dem zur VerfuÈ gung stehen-den KuÈ hlwasser nicht erreicht werden,dann muss der bei der Verdampfungentstehende BruÈ den verdichtet unddann auf einem hoÈ herem Druck- undTemperaturniveau kondensiert werden(Abb. 3). In Dampfstrahl-KuÈ hlanlagenwird mit Dampfstrahlverdichtern (� BruÈ -denverdichtern) verdichtet. Nach demDampfstrahlverdichter wird der Ge-mischstrom kondensiert:

2.2 Kondensation

Der Gemischstrom gelangt nach demDampfstrahlverdichter in einen Konden-sator und trifft hier auf Temperaturen, beidenen Kondensation einsetzt. Das soentstandene Treibdampf- und BruÈ den-kondensat kann dem Prozess wieder zu-geleitet werden. Die Kondensations-waÈ rme wird± entweder mit Hilfe eines KuÈ hlmedi-

ums abgefuÈ hrt oder

± einem anderen geeigneten Teilpro-zess wieder zugefuÈ hrt.Kondensation ist nur moÈ glich, wenn

sie nicht durch die in die Dampfstrahl-KuÈ hlanlage gelangten Inertgase (Lecka-ge, geloÈ ste Gase) behindert wird. Des-halb muÈ ssen sie mit einer EntluÈ ftungs-Vakuumpumpe abgezogen werden:

2.3 EntluÈ ftungs-Vakuumpumpe

Die EntluÈ ftungs-Vakuumpumpe bestehti. d. R. aus zwei bis drei kleinen Dampf-strahlverdichtern mit Zwischenkonden-satoren. Sie haben vergleichsweisekleine Abmessungen und ihr Treib-dampf- bzw. KuÈ hlwasserbedarf betraÈ gthoÈ chstens etwa 4 % des Gesamtbe-darfs. Anstelle der Kombination Dampf-strahlverdichter und Kondensator istauch eine FluÈ ssigkeitsring-Vakuumpum-pe moÈ glich.

2.4 Direkte oder indirekteWaÈ rmeuÈ bertragung

Sowohl bei der Verdampfung als auch beider Kondensation kann WaÈ rme direktoder indirekt uÈ bertragen werden: DirekteWaÈ rmuÈ bertragung ist schon bei sehr klei-nen Temperaturdifferenzen moÈ glich. BeiVerdampfung durch direkte WaÈ rmeuÈ ber-tragung wird der BruÈ den dem zu kuÈ hlen-den Medium direkt entzogen. Bei Kon-densation durch direkte WaÈ rmeuÈ bertra-gung vermischen sich Kondensat undKuÈ hlmedium miteinander.

Ist direkte WaÈ rmeuÈ bertragung bzw.eine Vermischung der Medien nicht er-wuÈ nscht, muss indirekte UÈ bertragunggewaÈ hlt werden: Hier sind WaÈ rme abge-bendes und WaÈ rme aufnehmendes Me-dium immer durch WaÈ nde getrennt. DasTemperaturgefaÈ lle muss groÈ ûer sein, umden zusaÈ tzlichen WaÈ rmeuÈ bertragungs-widerstand ¹Wandª zu uÈ berwinden. Da-durch ist auch der Energiebedarf einersolchen KuÈ hlanlage hoÈ her.

2.5 Leistungsregelung, Treibdampf-sparregelung

Die Leistung einer Dampfstrahl-KuÈ hlan-lage kann durch Zu- bzw. Abschalteneinzelner Dampfstrahlverdichter geaÈ n-dert werden (Abb. 4). Dampfstrahl-KuÈ hl-anlagen werden immer fuÈ r den ¹un-guÈ nstigsten Fallª, also fuÈ r maximaleKuÈ hlwassertemperatur (Sommer), aus-gelegt und brauchen dann auch denmeisten Treibdampf.

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Abb. 1: Analogie zwischen Dampf-strahlverdichter und mechanischemKompressora) Dampfstrahl-KuÈ hlanlage mitMischkondensation1 Treibdampf; 2 zu kuÈ hlendes Wasser;3 gekuÈ hltes Wasser; 4 KuÈ hlwasser;5 erwaÈ rmtes KuÈ hlwasser; A Entspan-ner; B Dampfstrahl-Verdichter; CMischkondensatorb) Kompressions-KaÈ ltemaschine mitOberflaÈ chenkondensator1 elektrische Energie; 2 zu kuÈ hlendesMedium; 3 gekuÈ hltes Medium; 4 KaÈ l-temittel; 5 KuÈ hlmittel (Wasser, Luft);6 erwaÈ rmtes KuÈ hlmittel; A Verdamp-fer; B Kolbenverdichter; C OberflaÈ -chenkondensator

Abb. 2: KaÈ lteerzeugung und Konden-sation1 zu kuÈ hlende FluÈ ssigkeit; 2 gekuÈ hlteFluÈ ssigkeit; 3 Entspannungsdampf;4 KuÈ hlwasser Eintritt; 5 erwaÈ rmtesKuÈ hlwasser; 6 Inertgas-Absaugung

Abb. 3: Einstufige Dampfstrahl-KuÈ hl-anlage mit Mischkondensation (baro-metrische Aufstellung)

Bei groÈ ûeren Dampfstrahl-KuÈ hlanla-gen kann es sich lohnen, durch Installa-tion einer Treibdampfsparregelung denmittleren jaÈ hrliche Treibdampfbedarfauf bis zu ca. 70 % des Auslegungswer-tes zu senken: Bei KuÈ hlwassertempera-turen unterhalb der Auslegungs-KuÈ hl-wassertemperatur ist der Kondensator-druck niedriger und daher kann dannder erforderliche Treibdampfmassen-strom auf Werte unterhalb des Ausle-gungswertes reduziert werden.

3 Anordnung der Komponen-ten einer Dampfstrahl-KuÈ hl-anlage

Die Anzahl der Dampfstrahlverdichter ei-ner Dampfstrahl-KuÈ hlanlage richtet sichnach deren Stufenzahl und eventueller

Leistungsteilung. Eine hoÈ here Stufen-zahl bedeutet niedrigeren Betriebsmit-telverbrauch, aber groÈ ûeren Platzbe-darf und hoÈ here Investitionskosten.Man unterscheidet im wesentlichendrei Bauarten:

3.1 Turmbauweise (Abb. 5)

Mischkondensator und Entspanner sindhier i. d. R. senkrechte zylindrische Ap-parate und sind uÈ bereinander angeord-net. Die Dampfstrahlverdichter sind au-ûen montiert. Dampfstrahl-KuÈ hlanlagenin Turmbauweise kommen mit relativkleinen GrundflaÈ chen und ohne Stahl-struktur aus, sind aber relativ hoch.

3.2 BruÈ ckenbauweise

Der/die Entspanner sind meist liegendeoder stehende zylindrische BehaÈ lter. Der

Mischkondensator steht in wenigen Me-tern Abstand daneben. Der/die Dampf-strahlverdichter werden waagerecht da-zwischen montiert. Im Vergleich zurTurmbauweise braucht diese AusfuÈ h-rung mehr GrundflaÈ che und u. U. eineStahlstruktur. Man kommt aber mit we-niger BauhoÈ he aus.

3.3 Kompaktbauweise (Abb. 6)

Der/die Entspanner/Mischkondensato-ren sind kombinierte, liegende zylindri-sche BehaÈ lter. Der/die Dampfstrahlver-dichter werden entweder im oderauf dem Entspanner/Mischkondensa-tor montiert. Diese AusfuÈ hrung brauchtrelativ wenig GrundflaÈ che und HoÈ he,ist aber mit relativ hohen Investitions-kosten verbunden.

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Abb. 4: Vierstufige Dampfstrahl-KuÈ hlanlage mit Mischkondensation mit autom. Regelung derKaÈ lteleistung und des DampfverbrauchesA KaÈ lteverbraucher; B Dampfstrahl-KuÈ hlanlage; C RuÈ ckkuÈ hlturm; D KuÈ hlwasserpumpen; E Kalt-wasserpumpe zu den Verbrauchern; F KaltwasserumwaÈ lzpumpe; G Temperaturregler; H Treib-dampfregler

4 EinsatzmoÈ glichkeiten

4.1 Traditionelle Einsatzgebiete

Seit vielen Jahrzehnten schon werdenDampfstrahl-KuÈ hlanlagen in der Indus-trie eingesetzt. Besonders geeignetsind Betriebe, in denen± Dampf- und KuÈ hlwassernetze vorhan-

den sind± Heiûwasser oder Dampf (Abdampf:

Niederdruck-, Vakuum- oder nasserDampf) kostenguÈ nstig zur VerfuÈ gungsteht (insbesondere in Zeiten erhoÈ h-ten KuÈ hlbedarfs, Sommer).

Typische Einsatzgebiete sind± Papierindustrie± ProzesskaÈ lte± Leimproduktion± Lagerhallen± etc.

Neben diesen Gebieten mit einemuÈ bers Jahr eher annaÈ hernd konstantenKaÈ ltebedarf werden Dampfstrahl-KuÈ hl-anlagen zunehmend eingesetzt, wennschwankende KaÈ lteleistungen erforder-lich sind oder saisonaler Bedarf besteht:

4.2 Neue Einsatzgebiete

Dampfstrahl-KuÈ hlanlagen sind fuÈ r das inKlimaanlagen uÈ bliche Temperaturniveauvon 12 8C/6 8C bestens geeignet. Sie

koÈ nnen unmittelbar auf AÈ nderungendes KaÈ ltebedarfs reagieren und lassensich auch fuÈ r viele diskontinuierlicheProzesse sehr gut einsetzen. Mit ihnenkann sogar Eis produziert werden.

Der erforderliche Treibdampf kann ausBiogas, MotorenabwaÈ rme und anderenQuellen erzeugt werden.

5 Beispiel: Dampfstrahl-KuÈ hl-anlagen in der FernwaÈ rme-/-kaÈ lteversorgung

Seit 1998 betreibt die Energieversor-gung Gera GmbH eine Energiezentrale,in der mit Hilfe einer Dampfstrahl-KuÈ hl-anlage 600 kW KaÈ lte erzeugt werden[2; 3; 4].

Angetrieben wird diese KuÈ hlanlage(Abb. 6 und 7) in der Hauptsache mit

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Abb. 5: Dampfstrahl-KuÈ hlanlage inTurmbauweise (KaÈ lteleistung 3721kW)

Abb. 6: Dampfstrahl-KuÈ hlanlage in Kompaktbauweise

Abb. 7: Verfahrensflieûbild der KaÈ ltezentrale (Energieversorgung Gera GmbH)

Wasserdampf (FernwaÈ rmedampf, ca. 4bar abs.). Sie erzeugt in zwei Stufenbis zu 89 m3/h Kaltwasser von 6 8C. Eswird uÈ ber ein Rohrleitungssystem (Fern-waÈ rme/-kaÈ lte) zu innerstaÈ dtischen KaÈ l-teabnehmern transportiert. GekuÈ hltwird uÈ ber einen Zwischenkreislauf mitKuÈ hlturm (25 8C/30 8C) und PlattenwaÈ r-meuÈ bertrager (27 8C/32 8C).

Die Hauptabmessungen dieser Anla-ge betragen H � B � L ca. 4,5 m �1,5 m � 8,5 m.

Besonderer Wert wurde auf flexiblesTeillastverhalten gelegt: Je Stufe derDampfstrahl-KuÈ hlanlage gibt es dreizuschaltbare Dampfstrahlverdichter,die 1/7, 2/7 bzw. 4/7 der Gesamtlei-stung der jeweiligen Stufe erbringen.

Eine Treibdampfsparregelung passtden Treibdampfbedarf an die jeweiligeKuÈ hlwassertemperatur an und sorgt fuÈ rbesonders niedrigen Energiebedarf imJahresmittel. Der COP-Wert (Coeffici-

ent of Performance � VerhaÈ ltnis vonKaÈ lteleistung zu Antriebsleistung) einersolchen Anlage liegt im Bereich von0,4 bis uÈ ber 0,7 und betraÈ gt im Mittel 0,6.

Die Betriebserfahrungen sind bereitsin den ersten beiden Jahren sehr positiv:

Im Gegensatz zu den z. T. recht traÈ genanderen thermischen KaÈ ltemaschinenreagiert die Dampfstrahl-KuÈ hlanlagesehr schnell auf LastaÈ nderungen.

Literatur

[1] prognos AG: ¹Energieprognose bis2010ª. Moderne Industrie, 1990

[2] D. HoÈ lder et al.: FernkaÈ lteversorgungmit DampfstrahlkaÈ ltetechnik bei derEnergieversorgung Gera. Euroheat& Power ± FernwaÈ rme Internatio-nal 9/1998, S. 34±42.

[3] Wirtschaftliche KuÈ hlung mit Fern-waÈ rme. Frankfurter Allgemeine Zei-tung, 09.03.1999, Nr. 57.

[4] Dampfstrahlkompressor fuÈ r Fern-kaÈ lte. Energie & Management 11/99, 01.06.1999.

Kurzbiografie

Dipl.-Ing. Thilo Dietzmann, Jahrgang1961, studierte an der TU Dresden Ener-gieanlagentechnik, 1985±1988 taÈ tig beiWaÈ rmeanlagenbau Berlin seit 1989 alsProjektingenieur fuÈ r Vakuumsystemebei GEA Wiegand GmbH/GEA JetPumps GmbHEinsteinstr. 9-15D-76725 EttlingenE-mail: info@geajet.de

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