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, Strömungsgeschwindigkeiten;
- 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 immer noch in der Endfertigung bei einem externen Lieferanten. Die folgende Abbildung zeigt die 3D-Darstellung der Anlage. Parallel dazu wird die Installation der Klimazelle, in der später die entwickelten Luftkühler getestet werden sollen, vorbereitet. Da die Forschungsplattform in Reichenbach noch nicht zur Verfügung steht, werden die Untersuchungen an einem Alternativ-Standort stattfinden. Wir bedanken uns sehr bei der Fa. Thermofin, die uns diese Möglichkeiten in Ihrem Versuchsfeld bietet.
Parallel zur Entwicklung und dem Bau der Prüftechnik wurde an den eigentlichen Verdampferentwicklungen gearbeitet. Hierbei entstanden verschiedene Ideen zur Verbesserung der Wärmeübertragungsvorgänge in Ammoniak-Verdampfern bei sehr tiefen Temperaturen. Insbesondere die hohe Geschwindigkeitszunahme beim Übergang von der flüssigen zur gasförmigen Phase, verbunden mit der Problematik steigender Druckverluste bei insbesondere sehr kleinen Drücken stellte das Entwicklerteam vor große Herausforderungen. Lösungsansätze wurden gefunden und werden gemeinsam mit dem Kooperationspartner Thermofin praktisch umgesetzt und getestet.
Veröffentlichungen
Publikationen folgen nach Abschluss der entsprechenden Arbeiten.
