Auslegungsbeispiel eines Ejektors in einer High-Lift-Anwendung

Maßgebend für die Auslegung eines Ejektors in einer High-Lift-Anwendung ist das Massenstromverhältnis in Abhängigkeit des Hochdrucks und des Druckhubs. Der Druckhub selbst ist dabei eine Variable, die in gewissen Grenzen frei gewählt werden kann und einen großen Einfluss auf die Auswahl der Verdichter in den einzelnen Verdichterstufen hat.

Bei der Auswahl des Ejektors muss zunächst die Regelstrategie festgelegt werden.
Entweder:

• wird der Mitteldruck in Abhängigkeit des Hochdrucks variiert, so dass Parallel-Verdichter und Ejektoren im optimalen Bereich betrieben werden.
  Dies verspricht zwar die höchste Effizienz der Anlage, bedeutet aber auch einen erhöhten Regelungs- und Steuerungsaufwand.

Oder:

• der Mitteldruck wird konstant gehalten. Dies ist einfacher zu implementieren.

Im folgenden Beispiel soll ein Ejektor für eine Tiefkühl-/Normalkühl-Booster-Anlage mit Parallelverdichtung ausgewählt werden:

Randbedigungen:

• Gaskühleraustrittstemperatur (t_gc) im Auslegungspunkt: 35°C
• Verdampfungstemperatur in der Normalkühl-Verdichterstufe (t_{o NK}): -8°C
• Verdampfungstemperatur in Tiefkühl-Verdichterstufe (t_{o TK}): -28°C
• Kälteleistung der Normalkühl-Verdichterstufe (Q_{o NK}): 60 kW
• Kälteleistung der Tiefkühl-Verdichterstufe (Q_{o TK}): 15 kW
• Mitteldruck, absolut (p_MP): 37 bar

Zunächst wird in der BITZER SOFTWARE unter R744-Booster eine Anlage ohne Ejektor mit einer Standard-Überhitzung berechnet, siehe folgende Abbildung:

Am Gaskühleraustritt liegt ein Treibmassenstrom von 1132 kg/h (NK) + 811 kg/h (Parallel) = 1943 vor. Der Druckhub, den der Ejektor von Normalkühl- auf Mitteldruckniveau leisten muss beträgt 9 bar (siehe Abbildung unten).
Auf Basis des Treibmassenstroms (Massenstrom der Normalkühl- und Parallel-Verdichter) von 1943 kg/h, des Hochdrucks und des Druckhubs können ein Ejektor oder mehrere Ejektoren ausgewählt werden.

Es sind zwei HDV-E16 Ejektoren für diesen Auslegungsfall geeignet um den Treibmassenstrom vollständig zu nutzen. Hierbei arbeiten beide Ejektoren bei 100% Öffnungsgrad. Die Ejektoren sollten so ausgelegt und geregelt werden, dass der Betriebspunkt möglichst nahe an 100% Öffnungsgrad liegt. Einzelne Ejektoren können deaktiviert werden um die noch aktivierten Ejektoren in Teillast stärker auszulasten. Dies muss spätestens dann geschehen, wenn deren Öffnungsgrad unter 30% fällt, da darunter kein nennenswerter Massenstrom mehr angesaugt und verdichtet werden kann. Der Ejektor würde dann nur noch als reines Expansionsorgan mit isenthalper Drosselung arbeiten.

Die beiden Ejektoren, die vom BITZER Berechnunstool vorgschlagen werden, haben bei einem Hochdruck von 86,4 bar und bei einem Druckhub von 9 bar ein Massenstromverhältnis von 0,29. Der insgesamt angesaugte und auf Mitteldruck geförderte Massenstrom beträgt 560 kg/h (2x 280 kg/h).

Diese Ergebnisse fließen nun in die weiteren Schritte der Auslegung mit ein. Die Normalkühl-Verdichter werden um den Betrag 560 kg/h entlastet und die Parallel-Verdichter entsprechend belastet. Da die BITZER SOFTWARE die Parallel-Verdichter immer ideal auf die Massenströme der NK- und TK-Verdichter anpasst, muss die von dem Ejektor zusätzlich eingebrachte Lastverschiebung als "Klimalast" angegeben werden (in diesem Fall ca. 37 kW). Dadurch erhöht sich der geförderte Massenstrom der Parallel-Verdichter um 560 kg/h.

Die neuen Bedingungen lauten:

• Normalkühl-Verdichter: 572 kg/h
• Parallel-Verdichter: 1371 kg/h
• Davon Klimalast für Ejektor-Simulation: ca. 37 kW (entspricht dem Massenstrom von 560 kg/h)

Durch die Verschiebung der Massenströme hat sich die Verdichterauswahl erheblich verändert (siehe folgende Abbildung). Der ursprünglich in der Normalkühl-Verdichterstufe eingesetzte Verdichter 4MTE-10K, erscheint nun in der Parallel-Verdichterstufe.

Beachtet werden muss aber, dass sich durch das Wegfallen des Massenstroms aus dem Verdampfer, am Mischpunkt mit dem Druckgas der Tiefkühl-Verdichterstufe, die Mischtemperatur und damit die Sauggastemperatur stark erhöht hat. Dies hat einen starken Anstieg der Druckgastemperatur zur Folge und muss im Extremfall beachtet werden. Eine zusätzliche Sauggaskühlung kann notwendig werden!

Die in der neuen Auswahl dargestellte Kälteleistung der Verdichterstufen hat keine Bedeutung. Es wurde lediglich die Verdichterauswahl den neuen Massenstromverhältnissen angepasst um die Verdichtergrößen und Leistungsaufnahmen zu bestimmen. Damit lässt sich mit der ursprünglich berechneten Kälteleistung und der neuen Leistungsaufnahme durch den Einsatz des Ejektors folgender COP berechnen:

COP

Der Gesamt-COP der Parallel-Anlage liegt bei:
Q_o / P_e = (15,07 kW + 60 kW) / (2,93 kW + 25,8 kW + 12,16 kW) = 1,84

Der Gesamt-COP der Parallel + Ejektor-Anlage liegt bei:
Q_o / P_e = (15,07 kW + 60 kW) / (2,93 kW + 13,84 kW + 20,6 kW) = 2,01