Simulationen zur Analyse von Hochtemperatur-Wärmepumpen

Das AIT Austrian Institute of Technology sieht sich als Brücke zwischen Forschung und Industrie, mit der die Hemmschwellen zu neuen Technologien abgebaut werden sollen. Ein aktuelles Projektbeispiel ist die Optimierung von Hochtemperatur-Wärmepumpen für den Einsatz in industriellen Prozessen. Ziel ist es, durch die direkte Nutzung der Abwärme aus bestehenden Prozessen den Carbon-Footprint der Industriebetriebe signifikant zu reduzieren. Für das AIT spielen dabei Simulationen eine große Rolle, sowohl bei der Auslegung des Kältekreises der Wärmepumpe als auch für die Optimierung des verwendeten Ejektors.

Carbon-Footprint von Industriebetrieben reduzieren

Haushaltswärmepumpen sind schon allgegenwärtig und weiter auf dem Vormarsch. Dagegen wird in der Industrie die Prozesswärme oft noch mit Erdgas erzeugt. Um dies zu ändern, setzt sich das AIT dafür ein, Hochtemperatur-Wärmepumpen für diese industriellen Prozesse zu optimieren. So kann zusätzlich zum Erdgas die Abwärme aus bestehenden Prozessen direkt für das Heizen genutzt werden. Denn die Abwärme lässt sich auf ein höheres Energieniveau bringen und dann wieder in die Prozesse einbinden: Das spart Energie.

Vor allem im Hochtemperatur-Bereich ist dies noch eine relativ neue Technologie mit der Folge, dass kaum ein Industriebetrieb den ersten Schritt in diese Richtung wagt. Deshalb sind überzeugende Beispielprojekte notwendig, die mit Demonstratoranlagen aufzeigen, dass es funktioniert.

Funktionsweise des Ejektors mit Simulationen verstehen

Dazu hat das AIT einen klassischen forschungsorientierten Ansatz gewählt, bei dem es das System zuerst vollständig verstehen will, bevor es ein Konzept zu dessen Verbesserung entwickelt. Die erforderlichen detaillierten Analysen erfolgten mit Simulationsunterstützung, um ein tieferes Verständnis über die Funktionsweise des Ejektors zu erhalten.

Funktionsweise des Ejektors | © AIT Austrian Institute of Technology GmbH

Robuste und genaue Simulationsmodelle analysieren Mehrphasigkeit

Dabei traten zeitgleich mehrere komplexe physikalische Phänomene auf: Einerseits Überschallgeschwindigkeit und damit einhergehend hohe Turbulenzen, andererseits auch eine Verdampfung. Um die Auslegung solcher Ejektoren effizient zu gestalten, mussten möglichst robuste und genaue Simulationsmodelle zur Untersuchung der Mehrphasigkeit entwickelt werden.

Das AIT beschäftigte sich sowohl mit der Berechnung des Kältekreises der Wärmepumpe als auch mit der detaillierten Auslegung des Ejektors. Dabei wird das flüssige Kältemittel im Primäreinlass auf Überschall beschleunigt und das gasförmige Medium über den Sekundäreinlass angesaugt. Nach der Vermischung beider Ströme erfolgt eine Druckerhöhung im Diffusor.

Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden mit Ansys Fluent umfangreiche strömungstechnische Analysen durchgeführt. So konnte das Verhalten des Ejektors untersucht werden, um ihn anschließend entsprechend den gewonnenen Erkenntnissen optimal zu gestalten.

Einbindung von Materialdaten ist bei Simulationen entscheidend

Dabei traten in der Anfangsphase Stabilitätsprobleme in der Simulation auf, woraufhin die Ingenieure des AIT sowohl mit Experten von CADFEM als auch mit Vertretern der Industrie intensive Gespräche über ihre bisherigen Ergebnisse führten. Dieser Meinungsaustausch war für die AIT-Ingenieure sehr wichtig und hat ihnen auch den Impuls dazu gegeben, sich nicht nur auf den Simulationsworkflow zu fokussieren, sondern auch die Einbindung der Materialdaten umfassend zu verbessern.

In der Anfangsphase wurden zunächst vereinfachte externe Materialdatenbanken mit sogenannten Lookup-Tables verwendet und diese ins Simulationsprogramm eingebunden. Das hat aufgrund der nur begrenzten Auflösung bei den Materialmodellen für das Kältemittel im Ejektor zu den Stabilitätsproblemen geführt, da zwei Phasen, eine flüssige und eine dampfförmige, zu berücksichtigen waren.

Geschwindigkeitsbetrachtungen mit verbesserter Datenbank-Anbindung | © AIT Austrian Institute of Technology GmbH

„User Defined Real Gas Models“ lösen Stabilitätsproblem

Anschließend wurden die Materialdatenbanken mit einer viel besseren Auflösung direkt eingebunden. Das führte zu einer größeren Stabilität und gleichzeitig konnten auch die Genauigkeit und die Rechengeschwindigkeit erhöht werden. Anhand des intensiven Austausches mit dem CADFEM-Support war für die AIT-Ingenieure das interne Materialhandling in Fluent besser verständlich. Somit wurde gemeinsam mit CADFEM eine optimierte Lösung gefunden, die „User Defined Real Gas Models“ verwendet und auf diese Weise die Materialdatenbanken einbindet.

Analyse von Dampfanteil und Geschwindigkeit | © AIT Austrian Institute of Technology GmbH

Ziegelwerk reduziert CO2-Emissionen um 88 Prozent

Ein gemeinsames Projekt des AIT und der Firma Wienerberger hatte das Ziel, ein dekarbonisiertes Ziegelwerk zu entwickeln und zu bauen. Dabei haben die AIT-Ingenieure das Unternehmen hauptsächlich mit der Durchführung von Simulationen unterstützt, einerseits im Hinblick auf die Elektrifizierung des Ofens und andererseits zur optimalen Einbindung einer Wärmepumpe, die die Abwärme des Ofens für den Trocknungsprozess verwenden soll.

Das neue Werk von Wienerberger ist mittlerweile in Betrieb. Erste Messungen zeigen, dass der Primärenergieeinsatz um rund 30 Prozent reduziert und zugleich die CO₂-Emissionen um 88 Prozent gesenkt werden konnten.

Die Technologie des AIT ist gut transferierbar. Da in anderen Industriesektoren ähnliche Öfen eingesetzt werden, kann die Technologie der Hochtemperatur-Wärmepumpen mit überschaubaren Anpassungen auch dort implementiert werden. Aufgrund der dokumentierten massiven CO2-Einsparung besteht inzwischen ein reger Austausch mit anderen produzierenden Unternehmen der österreichischen Industrie, sei es in den Bereichen Stahl, Keramik, Papier oder auch Pharma. 

Schauen Sie sich das Interview mit Manuel Schieder (Junior Research Engineer, AIT Austrian Institute of Technology GmbH) an: