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Wärmepumpen Geschichte Teil 5
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Wärmepumpen Geschichte Teil 5
Modellierung von Erdwärmesonden durch Göran Hellström zu einer wegweisenden, thermischen Analyse von Erdwärmespeichersystemen erweitert [Hellström 1991].Das Qualitätsgütesiegel P-mark in Schweden und der nordische Schwan als Ökogütesiegel wurden bis heute beibehalten [Forsén 2005]. Wie mit der beschriebenen Heizkörperwärme-pumpe in der Schweiz gab es auch in Schweden eine Einzelraumwärmepumpenentwicklung durch Eufor von Härnösand. Es handelte sich um ein erdgekoppeltes Direktexpansionssystem mit einer hohen Jahresarbeitszahl [Falén 1995].Die dänische Firma Sabroe führte 1990 Hochtemperaturkompressoren für Ammoniak ein. Dies ermöglichte eine Steigerung der Wärmesenkentemperatur auf über 70 °C. Auch in der Schweiz wurden zahlreiche Sportzentren mit künstlichen Eisbahnen und Hallenschwimmbäder wie auch Wohngebäude mit diesem Kompressor ausgerüstet [Reiner 2007]. 1997 kaufte Sabroe die Kälteabteilung von ABB (früher BBC) [Kunis et al. 2004].Auch in Norwegen gab es einen Versuch zum Bau einer kleinen Wärmepumpe mit Ammo-niak als Kältemittel [Jonassen und Stene 1997]. In Norwegen und Schweden wurden zahlrei-che grosse Wärmepumpensysteme gebaut. Die dabei aus der Schweiz stammenden Anla-gen wurden im Abschnitt 8.2.1 bereits beschrieben. Der Grund für den Bau der grossen Anla-gen liegt in den bereits existierenden grossen Fernheiznetzwerken, dem tiefen Elektrizitätspreis und in manchen Fällen auch in der leichten Verfügbarkeit des Meeres als Wärmequelle.
U.S.A. UND KANADA
In den U.S.A. hielt die Zunahme der auf dem Dampfkompressionsprinzip beruhenden Wär-mepumpen und Klimatisierungseinheiten an. 1999 gab es in den U.S.A. einen einzigen Hersteller kleinerer Wärmepumpen und Klimatisierungsanlagen nach dem Absorptionsprinzip. Es gab aber weltweite Anstrengungen zur Entwicklung der Absorptionswärmepumpen [Ra-dermacher et al. 1994], [Ab-Sorption 1996]. Absorptionswärmepumpen konnten sich aber für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung gegenüber den kostengünstigeren und effi-
72 Österreichisches Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal, A-1210 Wien; http://www.arsenal.ac.at/org
SONDERPRINZIPIEN
zienteren Dampfkompressionswärmepumpen bis heute nicht richtig durchsetzen. Die verfügba-ren Absorptionswärmepumpen sind Einfach-Effekt Ammoniak-Wasser-Aggregate mit einem Nutzungsgrad um 150%. Versuchsanlagen mit dem komplizierteren GAX-Kreislauf (Generator-Absorber heat exchanger) erreichten deutlich höhere Werte [Burget 1999]. 1990 unterstützte Ontario Hydro ein Programm zur Installation erdgekoppelter Wärmepumpen in Wohngebieten ohne Erdgasanschluss http://www.centreforenergy.com
CHINA
2005 wurden in China Prototypanlagen zur Nutzung von Rohabwasser als Wärmequelle für die Heizung im Winter und als Wärmesenke für die Sommerkühlung installiert. Sie wurden in einem Hotel und einem Einkaufszentrum in Harbin mit Erfolg getestet. Harbin ist eine im Winter sehr kalte Stadt in der Provinz Heilongjiang in Nordostchina [Fangchao 2005].
BRÜDENKOMPRESSION
Heute beträgt die Weltkochsalzproduktion 2’300’000 Tonnen pro Jahr. Der Anteil an Brüden-kompressionsanlagen nimmt stetig zu. Die europäischen Hersteller von Brüdenkompressions-anlagen wurden im Abschnitt 8.2.6 erwähnt. Beizufügen ist noch die Firma HPD in den U.S.A.
9 SONDERPRINZIPIEN
ADSORPTION
Den Adsorptionsaggregaten wurden viele Forschungsarbeiten gewidmet. Es wurden aber nur wenige Anwendungen im solarthermischen Bereich praktisch realisiert. Amundsen hat 1930 ei-nen Haushalt-Adsorptionskühlschrank mit Aktivkohle / Methylalkohol gebaut . Ab 1950 wurden für die Adsorptionskühlung neue chemische Verbindungen wie Silicagel (ergab nur mässige Resultate) und Zeolithe („Molekularsiebe“, ergab bessere Resultate). Heute ist eine gewisse Wiederbelebung der Adsorptionskühlung mit solarthermischem Betrieb zu beobachten. Adsorptionswärmepumpen zu Heizzwecken konnten sich nicht durchsetzen [Nagengast et al. 2006], [Thevenot 1979].
THERMOELEKTRISCHER EFFEKT
Eine thermoelektrische Kühlung tritt auf, wenn ein elektrischer Strom durch zwei ungleiche Metalle oder Halbleiter (n-Typ oder p-Typ) fliesst, welche miteinander an zwei Stellen verbun-den sind (Peltier Verbindungen). Eine Verbindung kühlt sich ab, während die andere aufgeheizt wird. Der elektrische Strom bewirkt deshalb einen Wärmetransport von einer Verbindung zur anderen. Dieser Effekt wurde 1834 durch den Physiker Jean Peltier entdeckt. 1909 und 1912 publizierte Edmund Altenkirch zwei Artikel zur thermoelektrischen Kühlung. Das Phänomen blieb aber bis nach 1945 eine Laboratoriumskuriosität. 1949 konstruierte A.F. Loffe den ersten thermoelektrischen Kühlschrank. In den Jahren 1949/1950 gab die Verwendung von Halblei-tern Anlass zu neuer Hoffnung, einen wesentlich stärkeren Effekt als mit reinen Metallen zu er-reichen. In der Sowjetunion wurden mehrere thermoelektrische Haushaltkühlschränke gebaut. Aber die immer noch geringe Effizienz des thermoelektrischen Effekts liess auch nach 1960 nur einige sehr spezielle Anwendungen wie das thermoelektrische Kühlen in der Medizin oder in der Radioelektronik zu [Thevenot 1979], [Nagengast et al. 2006].
SONDERPRINZIPIEN 103
STIRLINGPROZESS
John Herschel soll 1834 als erster versucht haben, den Stirlingprozess zum Kühlen einzu-setzen. Aus Beschreibungen in einer Publikation von Alexander Kirk im Jahr 1876 scheint es, dass das Prinzip der Kühlung mit dem Stirlingprozess in technischen Kreisen durchaus be-kannt war. Aber erst sehr viel später, ab 1946, wurde der Stirlingprozess bei Philips unter der Leitung von J. W. L. Köhler für die Tieftemperaturanwendung zur Gasverflüssigung zur prakti-schen Reife entwickelt. 1957 waren nach dem Stirling-Prinzip arbeitende Maschinen in der La-ge, Temperaturen bis hinunter zu 12 K zu erzeugen [Global Cooling 2004].
Die Kombination einer Stirlingantriebsmaschine mit einer Stirlingwärmepumpe wird als Vuil-leumier-Wärmepumpe bezeichnet. In der Schweiz begann Jean-Pierre Budliger mit der Ent-wicklung einer neuen Technologie für Vuilleumier-Wärmepumpen. Sie wurde aus der Doppel-Freikolben-Stirlingwärmepumpe von W. Beale abgeleitet. In seinem neuen Konzept ersetzte Budliger den schweren Arbeitskolben mit seiner problematischen Kolbendichtung durch eine in Resonanz schwingende Gassäule. Er führte intensive theoretische und experimentelle Studien zu seinem Konzept mit zwei Kolben und einem Resonanzrohr dazwischen aus: Den Nutzungsgrad dieser neuen Wärmepumpe hat er zu 150% berechnet. Auf der Grundlage seiner Studien baute Budliger mit Unterstützung des Bundesamts für Energiewirtschaft ein Funktionsmodell. Leider wurde die interessante Entwicklung nach ersten Tests aufgrund fi-nanzieller Probleme abgebrochen. Das Funktionsmuster kam zwar noch in Betrieb; aber der prognostizierte Nutzungsgrad von 150% konnte nie experimentell verifiziert werden [Budliger 1987, 1993, 1995].
In den U.S.A. hat die Firma Sunpower von 1989 bis 1995 eine Freikolben-Stirling-Kältemaschine mit horizontal entgegengesetzt angeordneten Kolben (Boxer-Prinzip) entwickelt. Es wurde im Space Shuttle eingesetzt [Global Cooling 2004].
MAGNETOKALORISCHER EFFEKT
Wenn ein geeignetes Material in ein starkes Magnetfeld gebracht wird, werden die magneti-schen Dipolmomente im Material nach dem Magnetfeld ausgerichtet. Dies produziert eine Re-
SONDERPRINZIPIEN 104
duktion der magnetischen Entropie. Damit die Gesamtentropie konstant bleibt, entsteht eine kompensierende Erwärmung des Materials. Wenn das sich immer noch im Magnetfeld befindli-che Material anschliessend abgekühlt und dann aus dem Magnetfeld entfernt wird, kühlt es sich weiter ab und bewirkt dadurch einen Kühleffekt. Dieser magnetokalorische Effekt (MCE) wurde 1881 vom deutschen Physiker Emil Warburg entdeckt. Er brachte ein Stück reines Eisen in ein starkes Magnetfeld und entdeckte, dass sich seine Temperatur dabei leicht erhöhte. Der magnetokalorische Effekt variierte zwischen 0.5 und 2 K/T (T: Tesla). Wesentliche Fortschritte wurden erst in den späten 1920er Jahren erzielt, als die Kühlung durch adiabatische Entmag-netisierung unabhängig vom holländischen physikalischen Chemiker Peter Debye (1926) und vom amerikanischen Chemiker William F. Giauque (1927) vorgeschlagen wurde. Mit dem Er-reichen einer Temperatur von 0.25 K haben Giauque (der 1949 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde) und sein Kollege, D.P. MacDougall, den magnetokalorischen Effekt 1933 eindrücklich demonstriert. In den U.S.A. wurde 1929 zwar ein magnetokalorischer Kühlschrank zum Funktionieren ge-bracht; die Entwickler fanden aber, dass noch weitere Untersuchungen nötig seien [Barclay 1978]. Zwischen 1933 und 1997 wurden in der Anwendung der magnetokalorischen Kühlung eine Reihe von Fortschritten erzielt. 1997 wurde der erste “Giganteneffekt” mit pseudobinären Gadolinium-Legierungen in Raumtemperaturnähe durch Karl A. Gschneidner Jr. und Vitalij. K. Pecharsky an der Iowa State University demonstriert. Dieses Ereignis spornte interessierte Wissenschaftler und Firmen aus aller Welt zur Entwicklung neuer Materialien und Kühl-schrankkonstruktionen an. MCE-Laborkühlschränke wurden mit magnetischen Feldstärken von 0.6 T bis 10 T (1 Tesla entspricht etwa dem 20’000-fachen der Feldstärke des Erdmagnetfel-des) betrieben. Magnetfeldstärken über 2 T sind mit Permanentmagneten schwer zu erzeugen. Sie erfordern supraleitende Elektromagnete. Das wachsende Interesse an der magnetokalori-schen Technik wird illustriert durch die Gründung der „Working Party on Magnetic Refrigerati-on“ des internationalen Instituts für Kältetechnik http://www.mcwp.ch und der Durchführung einer ersten internationalen Konferenz in der Schweiz im Jahr 2005 [Egolf et al. 2005], [Gschneidner et al. 2005]. Kürzlich haben Peter Egolf, Osman Sari, Andrej Kitanovski und ihre Assistenten an der Fach-hochschule der Westschweiz in Yverdon-les-Bains eine neues, rotierendes, magnetokalori-sches Prinzip zum Bau von Kühlaggregaten und Wärmepumpen entwickelt [Kitanovski et al. 2004], [Egolf et al. 2006]. In ihrem System werden die vier thermomagnetischen Prozess-schritte (adiabatische Magnetisierung, isomagnetische Wärmeabfuhr, adiabatische Entmagne-tisierung, isomagnetische Wärmezufuhr) in einfacher Weise kontinuierlich durchgeführt [Sari 2007], [Vuarnoz 2007]. Eine theoretische Machbarkeitsstudie für eine magnetokalorische 8 kW Wärmepumpe ergab für eine Wärmequelle von 0 °C und eine Wärmesenke von 30°C in-teressante Ergebnisse [Egolf 2007]. Da mit einem Kaskadenelement ein maximaler Tempera-turhub von nur 8 K erreicht werden kann, wird ein Temperaturhub von 35 K realistischerweise kaum überschritten. Das BFE-Forschungsprojekt wird mit dem Bau eines Funktionsmusters weitergeführt.
WIRBELROHR
Der Franzose Georges Ranque entdeckte 1933 den Wirbelrohreffekt. Sein Wirbelrohr wurde 1947 vom Deutschen Rudolf Hilsch verbessert. Beim tangentialen Eindüsen von Luft in ein zy-lindrisches Rohr entsteht eine rotierende Expansionsströmung, welche den Luftstrom in einen kalten und einen warmen Strom aufteilt. Dieses System ist von grosser Einfachheit – seine Ef-fizienz ist aber äusserst gering. Für Wärmepumpenanwendungen kommt es deshalb nicht in Frage. Die Anwendung des Wirbelrohrs ist auf den Spezialfall beschränkt, bei dem auf einfa-che Weise ein kurzzeitiger Temperatursturz mit ohnehin zur Verfügung stehender Druckluft er-zeugt wird [Thevenot 1979].
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09 Feb 2012
11:03:01 |
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