Abstract
Thermische Prozesse in der Nahrungsmittelindustrie sind oftmals eine Kombination aus Erwärmung und Abkühlung
eines Produktes. Prozesskühlung wird dabei meistens mittels einer Wärmepumpe erzielt, während für die
Prozesswärme oftmals eine fossile Energiequelle genutzt wird. Kombinierte Wärmepumpensysteme, die sowohl
Prozesskühlung als auch Prozesswärme liefern, haben gerade vor dem Hintergrund des Pariser Klimavertrags ein
hohes Marktpotential.
Im vorliegenden Fall wurde eine Propan‐Butan‐Wärmepumpe entwickelt, welche an der Wärmequelle Prozesskühlung
in der Form von Wasser mit einer Temperatur von 4 °C liefert und an der Wärmesenke Heißwasser mit
115 °C bereitstellt. Hierfür wurden bewusst zwei natürliche Kältemittel eingesetzt um zukünftige Beschränkungen
und Herausforderungen mit synthetischen Kältemitteln zu umgehen.
Basierend auf den genannten Anforderungen wurde eine 20 kW‐Demonstrationsanlage ausgelegt, gebaut und
unter variierenden Betriebsbedingungen getestet. Für den Propan‐Teilkreislauf wurden ausschließlich Standardkomponenten
eingesetzt, während für den Butan‐Hochtemperaturkreislauf eine Modifikation des Kompressors
erforderlich war.
In den durchgeführten Experimenten wurde die kombinierte Leistungszahl der Wärmepumpe mit 2,5 ermittelt,
in welcher die wasserseitigen Wärmeverluste bereits mitberücksichtig wurden. Dies bedeutet, dass für 1 kW
elektrische Energie Prozesswärme von 1,7 kW bei 115 °C geliefert wurde und gleichzeitig Prozesskühlung von
0,7 kW bei 4 °C erzielt wurde. Der kombinierte Carnot‐Wirkungsgrad der Demonstrationsanlage lag somit bei
circa 45 %. Das Energiesparpotenzial gegenüber einer herkömmlichen Prozesskühlung mit einem kombinierten
Warmwasserboiler liegt bei 57 %.
Die entwickelte Wärmepumpenlösung kann auch dazu genutzt werden um existierende Kälteanlagen nachzurüsten,
bei denen die Wärmesenke derzeit nicht genutzt wird. Dies würde es beispielsweise ermöglichen die Überschussenergie
von Gefrieranlagen zur Produktion von Heißwasser zu nutzen.
eines Produktes. Prozesskühlung wird dabei meistens mittels einer Wärmepumpe erzielt, während für die
Prozesswärme oftmals eine fossile Energiequelle genutzt wird. Kombinierte Wärmepumpensysteme, die sowohl
Prozesskühlung als auch Prozesswärme liefern, haben gerade vor dem Hintergrund des Pariser Klimavertrags ein
hohes Marktpotential.
Im vorliegenden Fall wurde eine Propan‐Butan‐Wärmepumpe entwickelt, welche an der Wärmequelle Prozesskühlung
in der Form von Wasser mit einer Temperatur von 4 °C liefert und an der Wärmesenke Heißwasser mit
115 °C bereitstellt. Hierfür wurden bewusst zwei natürliche Kältemittel eingesetzt um zukünftige Beschränkungen
und Herausforderungen mit synthetischen Kältemitteln zu umgehen.
Basierend auf den genannten Anforderungen wurde eine 20 kW‐Demonstrationsanlage ausgelegt, gebaut und
unter variierenden Betriebsbedingungen getestet. Für den Propan‐Teilkreislauf wurden ausschließlich Standardkomponenten
eingesetzt, während für den Butan‐Hochtemperaturkreislauf eine Modifikation des Kompressors
erforderlich war.
In den durchgeführten Experimenten wurde die kombinierte Leistungszahl der Wärmepumpe mit 2,5 ermittelt,
in welcher die wasserseitigen Wärmeverluste bereits mitberücksichtig wurden. Dies bedeutet, dass für 1 kW
elektrische Energie Prozesswärme von 1,7 kW bei 115 °C geliefert wurde und gleichzeitig Prozesskühlung von
0,7 kW bei 4 °C erzielt wurde. Der kombinierte Carnot‐Wirkungsgrad der Demonstrationsanlage lag somit bei
circa 45 %. Das Energiesparpotenzial gegenüber einer herkömmlichen Prozesskühlung mit einem kombinierten
Warmwasserboiler liegt bei 57 %.
Die entwickelte Wärmepumpenlösung kann auch dazu genutzt werden um existierende Kälteanlagen nachzurüsten,
bei denen die Wärmesenke derzeit nicht genutzt wird. Dies würde es beispielsweise ermöglichen die Überschussenergie
von Gefrieranlagen zur Produktion von Heißwasser zu nutzen.