Excel-Tool für die Auslegung von Ammoniak Kälte- und Wärmemaschinen
Wie verhält sich eine Ammoniak-Anlage bei unterschiedlichen Betriebspunkten? Ein neues Excel-Tool liefert die Antwort. Mit wenigen Eingaben lassen sich ein- und zweistufige Ammoniakprozesse abbilden, thermodynamische Kenngrössen berechnen und Optimierungen anhand der Bilanzierung vornehmen.
Ammoniak (NH3) ist ein natürliches und äusserst energieeffizientes Kältemittel. Es ist klimafreundlich und hat kein Ozonabbaupotenzial. Heute kommen NH3-Anlagen vor allem in der industriellen Kältetechnik, bei Fernwärme und Fernkälte oder in Kunsteisbahnen zum Einsatz. Typischerweise findet sich Ammoniak in grösseren Kälteanlagen eingesetzt. Aktuell werden in der Schweiz Anlagen mit Kälteleistungen von bis zu 30 MW realisiert; Studien untersuchen bereits Systeme mit bis zu 130 MW.
In dieser Grössenordnung lohnt es sich, die Anlagen bereits in der Planungsphase sorgfältig auszulegen und ihr Betriebsverhalten zu analysieren. Durch die Darstellung und Bilanzierung verschiedener stationärer Betriebszustände lassen sich die Anlagen und ihre Komponenten gezielt optimieren und energetisch verbessern. Um diese Analysen effizient durchführen zu können, wurde gemeinsam mit der Coex Kälteplanung AG ein Berechnungstool in Excel erstellt.
Die ZHAW School of Engineering verfügt mit dem Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) über die führende Schweizer Forschungsgruppe für Kältetechnik. Die Forschenden des IEFE haben langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Excel-basierten Berechnungstools zur Analyse thermodynamischer Kreisprozesse. Bereits früher entwickelte das Institut ein Auslegungstool für einstufige Kälteprozesse mit unterschiedlichsten Kältemitteln. Zudem entstand ein weiteres Tool zur Berechnung zweistufiger CO₂-Kälteprozesse.
Im Rahmen des Projekts übertrug das IEFE das Konzept des zweistufigen CO₂-Kälteprozesses auf den zweistufigen Ammoniakprozess. Mit dem Ammoniak-Tool lassen sich mit wenigen Eingaben – beispielsweise der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur – unterschiedliche Betriebszustände einer Ammoniak-Anlage darstellen und analysieren.
Das Tool ist modular aufgebaut und kann bei Bedarf um zusätzliche Komponenten wie Enthitzer oder Unterkühler erweitert werden. Dadurch eignet es sich sowohl für die Abbildung einfacher Kältekreisläufe als auch für die Auslegung komplexerer Anlagenkonzepte.
Als Ergebnis liefert das Excel-Auslegungstool eine grafische Darstellung des zweistufigen Ammoniakprozesses im log p,h-Diagramm sowie eine vollständige Leistungsbilanz. Damit stehen den Ingenieurinnen und Ingenieuren der Coex Kälteplanung AG genau jene Informationen zur Verfügung, die sie benötigen, um stationäre Betriebszustände zu beurteilen und Ammoniak-Anlagen gezielt zu optimieren.
Projektname
Auslegungstool zur Prozessdarstellung und Leistungsbilanzierung von Ammoniak-Anlagen
Auftraggeberin
Coex Kälteplanung AG, Matthias Brügger
Beteiligte
Projektleitung: Milena Zurbrügg, ZHAW
Projektmitarbeitende: Zoe Abeln, ZHAW, Frank Tillenkamp, ZHAW, Niels van Meurs, ZHAW
Projektdauer
Dezember 2025 bis Juni 2026