Teilprojekt 7

Entwicklung von Komponenten und Betriebsarten für Anlagen mit dem Kältemittel Ammoniak

Probleme und Motivation

Die globale Kältetechnik steht in den nächsten Jahren vor weiteren hohen Herausforderungen. Getrieben durch die europäische F-Gase-Verordnung, aber auch durch internationale Vereinbarungen (Kigali-Amendement) müssen der Einsatz von fluorierten Kältemitteln und die damit verbundenen Treibhausgasemissionen immer weiter reduziert werden. Natürliche Kältemittel können hier als Ersatzstoffe dienen. Alle diesbezüglich bekannten und einsetzbaren Stoffe sind mit jeweils individuellen Vor- und Nachteilen behaftet.

Ammoniak (NH3, R717) ist thermodynamisch ein hervorragendes Kältemittel. Im großen Leistungsbereich in der Industrie ist es Standard. Im mittleren und kleinen Leistungsbereich besteht noch ein hohes Ausbaupotenzial. Das Teilprojekt soll helfen, vorhandene Hemmnisse abzubauen und damit energieeffiziente Kälteanlagen ohne direkten Treibhauseffekt zu fördern.

Ansatz und Aufgaben

Vor allem eine massive Reduzierung der Kältemittelfüllmenge, verbunden mit einem sicheren und energieeffizienten Betrieb, sind wichtige Entwicklungsziele. Hierbei spielt der Übergang von der überfluteten Verdampfung (Stand der Technik) zur trockenen Verdampfung eine entscheidende Rolle. Vor allem im tiefen Temperaturbereich (Tiefkühlung im Supermarkt/Tiefkühllagern, Prozesskühlung bis -30/-40°C) sind die bekannten Probleme mit der trockenen Verdampfung nicht gelöst.

Folgende Themen werden bearbeitet:

Entwicklung einer zweistufigen, wassergekühlten R717-Kälteanlage mit einer Kälteleistung von ca. 50 kW bei Verdampfungstemperaturen von -40°C,
Entwicklung von Trockenexpansionsverdampfern für diesen Temperatur- und Leistungsbereich, incl. Überhitzungsregelung am Verdampfer (Sensorik, Stellorgane),
mit folgenden Herausforderungen: Einspritzung, Kältemittelverteilung, Bereifung/Abtauung, Ölproblematik, Wärmeübergänge innen/außen, Druckverluste, Strömungs-geschwindigkeiten;
Verwendung neuster Erkenntnisse der Stoffdatenforschung (TP3) und Einsatz von Simulationen (Verbindung zu TP13).

Ergebnisse

In der ersten Projektphase erarbeiteten die Wissenschaftler die technisch-experimentelle Basis für die weiteren Untersuchungen. So wurde vor allem eine zweistufige NH₃-Anlage konzipiert, geplant und gebaut. Die Anlage befindet sich zurzeit in der Endfertigung. Die folgenden Abbildungen zeigen die 3D-Planung und die Anlage im fast fertigen Zustand. Parallel dazu sind die Planungen für die Klimazelle im Gange, in der später die entwickelten Luftkühler getestet werden sollen.