Entwicklungsbeispiele

Hier möchten wir Ihnen gerne einige Entwicklungsbeispiele zeigen, um Ihnen die Dienstleistungen von Thermonity näher zu bringen. Zur Anonymisierung wurden alle Kundeninformationen entfernt und Zahlen-/Randbedingungen teilweise abgeändert

Entwicklungsbeispiel 1: Entwicklung neuer Kältemittel auf Basis von Kohlenstoffdioxid für die Tieftemperaturanwendung

Fragestellung:

Basierend auf den Ergebnissen des Studienbeispiels 2: "Erweiterung des Einsatzgebietes des Kältemittels R744 (Kohlenstoffdioxid) für Anwendungen unterhalb von – 50 °C", ergab sich die Fragestellung wie Kältemittel mit hohem Treibhauspotential (GWP) mittels Kohlenstoffdioxid-Gemischen ersetzen werden können. Die noch offenen Fragestellungen für den technischen Ersatz galt es zu beantworten.

Randbedingungen:

Um technisch besonders herausfordernde Fluide zu ersetzen, werden Fluide mit sehr ähnlichen thermodynamischen Eigenschaften benötigt. Oftmals sind jedoch nur 1 oder 2 Eigenschaften des Kältemittels/Arbeitsstoffes besonders relevant und unterstreichen dessen Besonderheit. Die Eigenschaften Brennbarkeit, Siedepunkt, Gefriertemperatur, kritischer Punkt, Wärmeleitfähigkeit und Öl-Kältemittel-Verhalten sind typische Vertreter solcher Eigenschaften. Während z.B. bei dem Siedepunkt Kompromisse erreicht werden können, sind insbesondere sicherheitsrelevante Eigenschaften wie die Brennbarkeit und die Toxizität eines Stoffes oft Ausschlusskriterien für dessen technischen Einsatz. Weiterhin sollen nach Möglichkeit keine oder nur geringe Modifikationen an den technischen Maschinen für die Umrüstung auf die neuen Kältemittel vorgenommen werden. Kompatibilitätstests der bisher eingesetzten Kompressoren, Kältemaschinenöle sowie Steuerungs- und Regelungsmechanismen sind daher zwingend notwendig.

Ergebnisse:

Die Ergebnisse der Studie wurden im Kontext der realen Maschinen des Auftraggebers neu gesichtet. Hierbei ergab sich, dass einige der bisher nicht näher betrachteten Fluide fast alle geforderten Randbedingungen erfüllten. Insbesondere die Brennbarkeit war durch viele der zuvor aussortierten Gemische leichter zu unterdrücken, als durch die zunächst favorisierten Gemische. Experimentelle Untersuchungen zur Brennbarkeit, zum Öl-Kältemittel-Verhalten sowie Anlagentests zeigten, dass ähnliche Eigenschaften wie mit dem bisher verwendete Kältemittel möglich sind. Hierbei mussten jedoch Kompromisse im Bereich der bisherigen Anlagenschaltungen akzeptiert werden. Um insbesondere die hohen sicherheitstechnischen Anforderungen der Kunden des Auftraggebers zu erfüllen, wurden umfangreiche Untersuchungen zur Brennbarkeit und möglichen Risiken des neuen Arbeitsstoffes vorgenommen. Als Ergebnis konnte die Sicherheit des neuen Kältemittels nach gültigen nationalen und internationalen Normen sichergestellt werden. Basierend auf diesem Kompromiss konnten durch Modifikationen des Kältekreislaufes und Änderung des Kältemittels ein Ersatz des Hoch-GWP-Kältemittels realisiert werden. Die Reduktion des Treibhauspotentials war derart deutlich, dass der Auftraggeber sich wesentliche Wettbewerbs- und Entwicklungsvorteile gegenüber den Marktbegleitern frühzeitig sichern konnte. Zusätzlich konnte die bisherige Abhängigkeit des Auftraggebers gegenüber der Preisentwicklung von Kältemitteln deutlich reduziert werden.

Veröffentlichungen:

Teilergebnisse der Entwicklung wurden in den folgenden Quellen publiziert:
Göpfert, T.: R744 als Gemischkomponente für Kältemittel mit niedrigem GWP. Congressing Chillventa 2014, Nürnberg, 2014
Göpfert, T.; Hesse, U.: Survey on nonflammable low GWP refrigerant mixtures based on carbon dioxide for applications below 220 K. 24th International Conference of Refrigeration, Yokohama 2015
Göpfert, T.; Thomas, Ch.; Hesse, U.: Surface Tension of Low-viscous Lubricants in High Pressure Carbon Dioxide Atmospheres. 23rd International Compressor Engineering Conference at Purdue, July 11–14, 2016
Göpfert, T.; Thomas, Ch.; Hesse, U.: Oberflächenspannung von POE in Gasatmosphären, Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein, Kassel, 2016
Nosbers, R.; Göpfert, T.: Unterdrückung der Brennbarkeit im Gemisch. Congressing Chillventa 2018, Nürnberg, 2018
Göpfert, T., Thomas, C. und Hesse, U. 2019. Measurement of thermophysical properties of low-viscous polyol ester lubricants in carbon dioxide, ethane and ethylene atmospheres. Montreal : 25 th. IIR International Conference of refrigeration ICR, 2019. DOI: 10.18462/iir.icr.2019.478.

Die erste Abbildung zeigt die experimentellen Ergebnisse der Öl-Kältemittel-Gemisch Untersuchungen in Form von Dampf-Flüssig-Gleichgewichten (Siedepunkt-Bestimmung). Die Kurven weisen einen ähnlichen Verlauf auf, wie das bisherige verwendete Kältemittel-Öl-Gemisch. Die Mischungslücke (LLE) liegt bei deutlich höheren Drücken, als beim bisherigen Kältemittel-Öl-Gemisch, was Vorteile für die technische Anwendung darstellt.

Dampfdruckmessdaten eines niedrigviskosen Polyolester-Öles im Gemisch mit R744 (Kohlenstoffdioxid)

Die zweite Abbildung zeigt die Ergebnisse der Bestimmung der Brennbarkeitsgrenzen einiger ausgewählter Stoffgemische in Verdünnung mit Luft. Wie zu erkennen, ließ sich durch Variation des Kohlenstoffdioxidanteils eine Reduktion der Brennbarkeit erreichen. Neben dieser müssen aber auch Effekte berücksichtigt werden, welche in realen Kältemaschinen auftreten. In Zusammenarbeit mit Auftraggeber, externen Partnern sowie staatlichen und nicht staatlichen Institutionen wurden alle benötigten Untersuchungen und Zertifikate zur Bewertung der Sicherheit des Kältemittels erstellt. Dies gab dem Auftraggeber Sicherheit im Umgang mit dem neuen Arbeitsstoff. Dies war von besonderer Relevanz gegenüber den bisherigen Kunden, welche hohe Anforderungen an die Sicherheit der Kältemaschine stellen.

Brennbarkeitsdiagramm für die Stoffgemische Propan-Kohlenstoffdioxid und Propan – R125 (Pentafluorethan) in Verdünnung mit Luft (Quelle: Nosbers, R.; Göpfert, T.: Unterdrückung der Brennbarkeit im Gemisch. Congressing Chillventa 2018, Nürnberg, 2018)

In den folgenden Videoaufnahmen, sind einige experimentelle Ergebnisse der Gefrierpunktbestimmung von Kohlenstoffdioxidgemischen dargestellt. Die Messungen wurden bei Temperaturen unterhalb von – 50 °C in einer unter Druck stehenden Glasapparatur vorgenommen. Aus den Experimenten konnte gezeigt werden, dass sich das Gefrierverhalten von Fluidgemischen bei ähnlichen thermodynamischen Randbedingungen und gleicher Messapparatur unterscheiden kann.
Das erste Video zeigt den Erstarrungsbeginn einer 55 mol%-Kohlenstoffdioxid haltigen Mischung mit einem tiefsiedenden Kohlenwasserstoff bei einer Temperatur von – 68 °C. Wie zu erkennen, bilden sich kleine an der Flüssigkeitsoberfläche schwimmende Kohlenstoffdioxid-Kristalle. Diese Echtzeitaufnahmen zeigen, wie die Kristalle sedimentieren und Kohlenstoffdioxidkristalle an der Glaswandung wachsen.
Das zweite Video zeigt den Erstarrungsbeginn einer 72 mol%-Kohlenstoffdioxid haltigen Mischung mit dem gleichen tiefsiedenden Kohlenwasserstoff wie im ersten Video, bei einer Temperatur von – 64 °C. Wie zu erkennen, bilden sich auch hier Kohlenstoffdioxidkristalle auf der Flüssigkeitsoberfläche. Durch das Ausfrieren und Sedimentieren kommt es zu einer starken Siedepunktverschiebung des Gemisches. Dadurch beginnt das Gemisch zu sieden, was sich in Form von Blasen in der Flüssigkeit zeigt. Hierbei wird Kohlenstoffdioxid an die Glaswandung gespritzt, was zur Entstehung und zum Wachstum von Kristallen führt.
Das dritte Video zeigt den Erstarrungsbeginn einer 78 mol%-Kohlenstoffdioxid haltigen Mischung mit einem anderen tiefsiedenden Kohlenwasserstoff, als in Video 1 und 2, bei einer bei einer Temperatur von – 62 °C. Es kommt zu einem schnellen, explosionsartigen Expandieren des flüssigen Gemisches bei Beginn des Gefriervorgangs. In Folge der hohen metastabilen Unterkühlung wird eine große Menge an Wärme zu Beginn des Phasenwechsels frei. Diese freiwerdende Wärme in Verbindung mit einem sich deutlich verschiebenden Siedepunkt, führt zu der gezeigten Expansion. Das Gemisch bläht sich zu einer schaumartigen Struktur auf und kollabiert anschließend.