Entwicklung eines Kälteprozesses zur Nutzung der Exzessenthalpie beim Lösen von Salzen in Wasser

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen

2.1 Das chemische Potential

2.1.1 Fugazität

2.1.2 Aktivität

2.2 Beschreibung von Mischungen mittels Exzessgrößen

2.3 Bestimmung der Enthalpie wässriger Salzlösungen

2.4 Löslichkeit von Salzen

3 Prozessbeschreibung

4 Modellierung

4.1 Löser

4.2 Verdampfer

4.3 Kondensator

4.4 Kristallisator

4.5 Mischer

5 Ergebnisse und Verbesserung des ersten Entwurfs

5.1 Vorgehen bei der Lösung der stationären Bilanzgleichungen

5.2 Annahmen, Vorgaben und Ergebnisse

5.2.1 Löser

5.2.2 Verdampfer

5.2.3 Kondensator

5.2.4 Kristallisator

5.2.5 Mischer

5.2.6 Energiebilanz des Gesamtprozesses

5.3 Verbesserung des ersten Entwurfs

5.3.1 Verwendung interner Wärmeübertrager

5.3.2 Prozessmodifikation zur Rückgewinnung eines Teils der Kondensationsenergie des Wasserdampfes

Prinzip der Mehrfach - Entspannungsverdampfung mit Rekuperation der Kondensationsenergie

Annahmen, Vorgaben und Ergebnisse für den Mehrfach - Entspannungsverdampfer

6 Fazit und Ausblick

7 Anhang

7.1 Clausius-Clapeyron Beziehung

7.2 Umformung der Clausius-Clapeyron-Gleichung

7.3 Bestimmung der Enthalpie der Ammoniumnitrat-Wasser-Lösung

7.4 Digitalisierung der Zustandsdaten der Ammoniumnitrat-Wasser-Lösung

Zielsetzung & Themen

Die vorliegende Diplomarbeit entwickelt und analysiert einen neuartigen, thermisch angetriebenen Kälteprozess, der die Exzessenthalpie beim Lösen von Salzen (speziell Ammoniumnitrat) in Wasser zur Kälteerzeugung nutzt, um die Energieeffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zu bewerten und durch Prozessmodifikationen zu steigern.

• Thermodynamische Grundlagen der Mehrstoffsysteme und deren Modellierung
• Entwicklung und stationäre Bilanzierung eines kontinuierlichen Lösungskälteprozesses
• Energieeffizienzanalyse und Bestimmung der Leistungszahl (COP)
• Verbesserung des Prozesses durch interne Wärmeübertrager und Mehrfach-Entspannungsverdampfung
• Algebraische Modellierung und computergestützte Simulation in Matlab

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Motivation für thermisch angetriebene Kälteprozesse aufgrund von Klimaschutz und Energieeffizienz sowie Vorstellung des neuartigen Lösungsansatzes.

2 Grundlagen: Theoretische Herleitung der thermodynamischen Stoffdaten und der mathematischen Beschreibung des Stoffsystems Ammoniumnitrat-Wasser.

3 Prozessbeschreibung: Schematische Darstellung und Erläuterung des einstufigen Lösungskälteprozesses und der physikalischen Vorgänge beim Lösen und Kristallisieren.

4 Modellierung: Aufstellung der mathematischen Massen-, Komponenten- und Energiebilanzgleichungen für alle Anlagenkomponenten.

5 Ergebnisse und Verbesserung des ersten Entwurfs: Durchführung der Berechnungen, Analyse der Ergebnisse und Implementierung von Optimierungen wie Wärmerückgewinnung und Mehrstufentechnik.

6 Fazit und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der erreichten Leistungszahlen und Vorschläge für zukünftige Entwicklungen zur Steigerung der Effizienz.

7 Anhang: Detaillierte Herleitungen, Stoffdatenkonstanten und mathematische Approximationen zur computergestützten Berechnung.

Schlüsselwörter

Lösungskälteprozess, Ammoniumnitrat, Exzessenthalpie, Energieeffizienz, Thermodynamik, Mehrstoffsysteme, Massenbilanz, Energiebilanz, Wärmerückgewinnung, Entspannungsverdampfer, Leistungszahl, Stoffwerte, Kristallisator, Siedepunktserhöhung, Prozessmodellierung

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in der Arbeit grundlegend?

Die Arbeit untersucht einen neuartigen, thermisch angetriebenen Kälteprozess, der die Exzessenthalpie nutzt, die beim Lösen von Salzen (hier Ammoniumnitrat) in Wasser entsteht, um Kälte bereitzustellen.

Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?

Die Themenfelder umfassen die Thermodynamik von Mehrstoffsystemen, die mathematische Modellierung von Kälteprozessen, die numerische Simulation mit Matlab und die Optimierung verfahrenstechnischer Anlagenkonfigurationen.

Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?

Das primäre Ziel ist die Bestimmung der Energieeffizienz (Leistungszahl) dieses neuen Prozesses und dessen Vergleich mit bestehenden thermischen Kälteanlagen.

Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?

Es wird eine stationäre Bilanzierung der Massen-, Komponenten- und Energieströme durchgeführt. Die thermodynamischen Zustandsdaten werden mathematisch modelliert und mittels numerischer Nullstellensuche (fzero in Matlab) gelöst.

Was steht im Hauptteil im Fokus?

Der Hauptteil konzentriert sich auf die detaillierte Modellierung der Einzelkomponenten (Löser, Verdampfer, Kondensator, Kristallisator, Mischer) und die sukzessive Verbesserung des Prozessentwurfs.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Die Arbeit wird durch Begriffe wie Lösungskälteprozess, Ammoniumnitrat-Wasser-System, Wärmerückgewinnung, Entspannungsverdampfung und COP-Optimierung charakterisiert.

Warum wird Ammoniumnitrat als Salz gewählt?

Ammoniumnitrat eignet sich aufgrund seiner nennenswerten endothermen Lösungsenthalpie und seiner hervorragenden Löslichkeit in Wasser besonders gut zur Bereitstellung von Nutzkälte unter Umgebungstemperatur.

Welche Rolle spielt die Mehrstufigkeit im Prozess?

Die Mehrstufigkeit (zehnstufiger Entspannungsverdampfer) dient dazu, die im Prozess anfallende Kondensationsenergie zurückzugewinnen und somit die erforderliche Heizleistung des Gesamtprozesses zu senken.

Welche Herausforderung ergibt sich bei der Optimierung?

Die Optimierung zeigt einen Zielkonflikt: Während eine geringere Eintrittskonzentration im Verdampfer die Heizleistung reduziert, mindert sie gleichzeitig die spezifische Kälteleistung des Gesamtprozesses.

Wie schneidet der Prozess im Vergleich ab?

Im ersten Entwurf ist das Wärmeverhältnis (COP) mit 0,04 sehr niedrig. Durch die implementierten Optimierungen (interne Wärmeübertrager und Mehrstufentechnik) konnte der Wert auf 0,244 gesteigert werden, bleibt jedoch hinter klassischen Systemen zurück.