Studienbeispiele
Hier möchten wir Ihnen gerne einige Studienbeispiele zeigen, um Ihnen die Dienstleistungen von Thermonity näher zu bringen. Zur Anonymisierung wurden alle Kundeninformationen entfernt und Zahlen-/Randbedingungen teilweise abgeändert.
Studienbeispiel 1: Untersuchung zu neuen Arbeitsfluiden für erdwärmebetriebene Wärmepumpen
Fragestellung:
Zur Erweiterung des Produktportfolios wurde eine Studie zu möglichen, alternativen Arbeitsfluiden für erdwärmebetriebene Wärmepumpen benötigt. Es stellte sich die Frage, ob unter Berücksichtigung von technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Randbedingungen neue Arbeitsfluide verwendet werden können, welche neue Kundenstämme ermöglichen oder die Kosten für bereits bestehende Anlagen reduzieren können.
Randbedingungen:
Als Wärmequelle wurden unterschiedliche Bauformen von Verdampfern zur Verwendung von Erdwärme verwendet. Aufgrund der sich ändernden Temperaturen über den Jahresverlauf, sowie mit steigender Bohrtiefe, können einige Arbeitsfluide nicht mehr verwendet werden, oder die Effizienz der Wärmepumpe wird reduziert. Aus den theoretischen Grundlagen ist bekannt, dass sich aber höhere Verdampfungstemperaturen für Erdwärmesonden wirtschaftlich rentieren, da die Leistungszahl (COP) der Anlagen mit steigender Temperatur zunimmt. Mit steigender Temperatur nimmt jedoch auch der Dampfdruck der Arbeitsstoffe zu, so dass die Anlagen evtl. für höhere Drücke ausgelegt werden müssen. Eine Folge wäre höhere Materialkosten, insbesondere in Folge stark gestiegener Kupferpreise. Dies würde sich negativ auf den Absatz der Wärmepumpen auswirken. Eine Druckreduktion gegenüber den bisherigen Produkten wäre daher von besonderem Interesse, da so auch die Materialkosten reduziert werden könnten.
Lösungsansatz:
Aufgrund der hohen Anzahl möglicher Fluide, wurde basierend auf den rechtlichen Randbedingungen, insbesondere die „Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen“ nach der „Verordnung über die Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von Stoffen und Gemischen Verordnung (EG) Nr. 1272/200“, eine Vorselektion der Fluide vorgenommen. Um den umweltschonenden Charakter der eigenen Produkte zu unterstreichen und die Kundenanforderungen hinsichtlich ökologisch-technischer Lösungen zu erfüllen, kamen nur nicht-wassergefährdende Fluide in Frage. Hieraus resultiert jedoch, dass nur sehr wenige Fluide technisch eingesetzt werden können. Um die technischen Möglichkeiten zu erweitern, wurden daher Gemische aus den übrigen Fluiden untersucht. Hierbei war weiterhin von besonderem Interesse, dass die möglichen neuen Arbeitsfluide als nicht brennbar einzustufen sind, um inhärent sichere Produkte anzubieten.
Ergebnisse:
Als Ergebnis wurde eine Zusammenstellung von Fluiden und Gemischen erstellt, welche mögliche technische Alternativen aufzeigt. Es zeigten sich eine Vielzahl möglicher Fluide und Fluidgemische. Von diesen Fluiden wiederum konnten zwei Fluide als technisch besonders interessant identifiziert werden. Bei der Anwendung von Gemischen in Wärmepumpen bedarf es jedoch weiterer Untersuchungen hinsichtlich der Effekte von Rektifikation und Stratifikation.
Durch die Ergebnisse konnte der Auftraggeber seine nächsten Schritte planen und weitere Untersuchung zur technischen Umsetzbarkeit einleiten.
Dampfdruck – Bohrtiefen – Diagramm
Studienbeispiel 2: Erweiterung des Einsatzgebietes des Kältemittels R744 (Kohlenstoffdioxid) für Anwendungen unterhalb von -50 °C
Fragestellung:
Die Verwendung des natürlichen Kältemittels R744 (Kohlenstoffdioxid) findet aufgrund seiner vielen positiven Eigenschaften in einer steigenden Anzahl von Kältemaschinen statt. Aufgrund seines Tripelpunktes bei etwa – 55,6 °C, kann es jedoch nicht in klassischen Kaltdampfprozessen verwendet werden. Eine Reduktion der Tripeltemperatur wäre wünschenswert, um R744 auch für Anwendungen unterhalb von – 50 °C verwenden zu können.
Randbedingungen:
Kohlenstoffdioxid ist ein nicht-brennbares Hochdruckkältemittel, welches insbesondere in Supermarkt-Anwendungen, sowie in der zweiten Stufe von Kältekaskaden verwendet wird. Aufgrund seiner besonderen chemischen Struktur weißt Kohlenstoffdioxid kein Dipolmoment, sowie ein Treibhauspotential (GWP) von 1 auf. Aufgrund seines hohen Tripeldruckes von 5,17 bar, sublimiert Kohlenstoffdioxid bei Umgebungsdruck bei einer Temperatur von – 78,5 °C. Unterhalb von 5,17 bar und – 55,6 °C kann Kohlenstoffdioxid daher nur in fester Form (Trockeneis) oder als Gas vorliegen. Die Reduktion der Tripeltemperatur soll hierbei nicht dazu führen, dass der Verdampfungsdruck unter 1 bar fällt, damit eine Verdampfung im Überdruck realisiert werden kann. Durch die Erweiterung des Einsatzgebietes von Kohlenstoffdioxid sollen sich keine sicherheitsrelevanten Eigenschaften ändern.
Lösungsansatz:
Die Tripeltemperatur ist eine thermophysikalische Größe, welche durch die chemische Struktur eines Stoffes festgelegt ist. Für reine chemische Substanzen ist sie physikalisch festgelegt. Der wesentliche Lösungsansatz besteht daher darin, Gemische mit R744 zu untersuchen, welche geringere Tripeltemperaturen aufweisen. Aus der Literatur ist bekannt, dass eine Absenkung des Tripelpunktes durch geeignete Wahl eines Gemischpartners mit jedem Fluid möglich ist. Das Gemisch soll weiterhin nicht brennbar sein, einen niedrigen GWP aufweisen, nicht toxisch sein, kein Ozonabbaupotential (ODP) besitzen und alle wesentlichen positiven Eigenschaften des Kohlenstoffdioxids beibehalten. Es musste daher theoretisch und experimentell untersucht werden, welche Gemischpartner für Kohlenstoffdioxid den Anforderungen entsprechen.
Ergebnisse:
Basierend auf der theoretischen minimalen Gefriertemperatur nach der „Schröder-Gleichung“, konnte der Zusammenhang zwischen dem Kohlenstoffdioxid-Anteil eines Gemisches und seines Gefrierpunktes, welcher etwa dem Tripelpunkt entspricht, festgestellt werden. Als Ergebnis konnten über 150 Gemische identifiziert werden. Von diesen erwiesen sich einige aufgrund der weiteren Gemischeigenschaften als derart von Interesse, dass sie experimentell untersucht wurden. Hierbei konnte neben der Tripeltemperatur auch das Gefrierverhalten experimentell beobachtet werden, was neue Erkenntnisse über das Gefrieren der Stoffgemische aufzeigte. Die Ergebnisse zeigten für einige Gemische deutliche Abweichungen gegenüber den theoretisch zu erwartenden Kurven, was die Bedeutung der experimentellen Validierung unterstreicht.
Basierend auf den Ergebnissen der Studie wurden im Folgenden weitere Untersuchungen vorgenommen, um die Ergebnisse auf reale Kältemaschinen zu übertragen und neue Produkte zu entwickeln.
Veröffentlichungen:
Einige Ergebnisse der Studie wurden in den folgenden Quellen publiziert:
Göpfert, T.; Hesse, U.: Entwicklung eines Tieftemperaturkältemittels auf Basis von Kohlendioxid. Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (DKV), 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.; Hesse, U.: Fest-Flüssig-Gleichgewichte des ternären Stoffgemisches Kohlenstoffdioxid-Ethan-Ethylen. Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (DKV), Aachen, 2018
Die Weiterentwicklung der Studie, hin zu einem Produkt, können Sie unter der Rubrik: Entwicklungsbeispiele finden.
Die nachfolgende Abbildung zeigt beispielhaft die theoretische Tripeltemperatur nach der „Schröder-Gleichung“, sowie die experimentell bestimmten Werte. Es wird ersichtlich, dass sich einige Gemische nach der idealen Schörderkurve verhalten, während andere Gemische deutliche Abweichungen von den theoretischen Kurven aufweisen. Es musste ein Kompromiss aus erreichbarer minimaler Tripeltemperatur und den weiteren thermophysikalischen Eigenschaften eingegangen werden.
Tripeltemperatur – R744-Konzentration-Diagramm
1. Festlegung der Gefriertemperatur, Festlegung des Anteils an Kohlenstoffdioxid bzw. das Verhältnis (Molar) aus Ethen (R1150) und Ethan (R170), Bestimmung des jeweils fehlenden Anteils an Ethan, Ethen oder Kohlenstoffdioxid
2. Festlegung des Kohlenstoffdioxidgehaltes in der flüssigen Phase, Festlegung des molaren Verhältnisses aus Ethen zu Ethan, Bestimmung der Gefriertemperatur des Gemisches
Tripeltemperatur – R744-Konzentration-Diagramm für das ternäre Stoffgemisch Kohlenstoffdioxid-Ethan-Ethen