Kältemittelproblematik im Fokus: Lösungen statt Pessimissmus“

Der Eindruck von den beiden Arbeitsabteilungen ist durchaus verschieden. Zwischen zwei nahezu überflüssigen Darbietungen am Anfang und kurz vor dem Ende der Tagung gab es Beiträge mit Erkenntnissen, Anregungen und Mitteilungen sowohl für Wissenschaftler wie auch für Praktiker. Die Veranstaltungen waren überwiegend gut besucht, es gab auch überfüllte Vortragsräume. Eine besondere Bedeutung hatten wie immer die persönlichen Begegnungen der Teilnehmer in den Pausen. Neben persönlichen Gesprächen fanden auch viele fachliche Austausche statt, besonders wenn man sich lange nicht getroffen hatte.

Gekennzeichnet war die gesamte Tagung von der Kältemittelproblematik, die die Branche seit 2014 mit Verbots- und Phase-down-Szenarien beschäftigt. Steigende Verfügbarkeitsprobleme und Preissteigerungen sind Anregung für neue Lösungen, die oft schon über die unmittelbare Zukunft hinaus gedacht sind. Aber es ist durchaus nicht so pessimistisch zu sehen, wie es in einem Beitrag am Vorabend in der Mitgliederversammlung zum Ausdruck kam, dass die Existenz vieler Unternehmen bedroht sei. Die Fachtagung zeigte, dass an vielen Stellen erfolgreich Lösungen gefunden worden sind und weiter nach Lösungen gesucht wird.

Neuer Verdichter

Tim Hamacher, Viking Heat Engines Germany GmbH, berichtet über einen neuen halbhermetischen Verdichter, der als Einzylindermaschine für die Anwendung in Hochtemperatur-Wärmepumpen sehr geeignet ist. Er liefert bei 511 cm3 Hubvolumen und bei Drehzahlen von 300 bis 1800 U/min Heizleistungen von 40 bis 200 kW und ist für alle gängigen Kältemittel HFC und HFO freigegeben. Der Temperaturhub reicht bis zu Heiztemperaturen von 160 °C. Ein wassergekühlter EC-Motor sorgt mit gutem Wirkungsgrad für hohe COP-Werte. Ein großes Ölvolumen, verbunden mit Ölpumpe und Ölheizung, führt zu einem zuverlässigen Betrieb. Mit gleicher Grundkonzeption entsteht aus dem Verdichter auch eine ORC-Expansionsmaschine zur Abwärmeverstromung, wobei sich die Füllungssteuerung im Zylinderkopf befindet.

Neue Kältemittel

Marcel Knipps, Eberspächer Sütrak GmbH & Co. KG, hat gemeinsam mit der Hochschule Karlsruhe die Leistungsermittlung von Verflüssigersätzen bei der Verwendung nicht-azeotroper Kältemittel mit Temperaturgleit untersucht. Bei Einstoff- bzw. zeotropen Gemischkältemitteln ist die Bezugstemperatur die Taupunkttemperatur. Bei den nichtazeotropen Kältemitteln wird das auch so gehandhabt, aber es gibt dabei Differenzen in den Leistungswerten, weil die Verdampfungstemperaturdifferenzen im Verdampfungsprozess variieren. Um die Differenz zu ermitteln, wurde die thermodynamische Mitteltemperatur berechnet, die den Prozess physikalisch richtig beschreibt. Für das Kältemittel R455A wurde gezeigt, dass die Kälteleistung bei der thermodynamischen Mitteltemperatur bis neun Prozent und die Kälteleistungszahl bis sieben Prozent größer sind als bei Bezug auf die Taupunkttemperatur. Zudem wurde die Verwendung der arithmetischen Mitteltemperatur für geringe Temperaturgleits als ausreichend genau beschrieben. Wenn die Katalogwerte der Hersteller allerdings aus Messungen mit Taupunktbezug ermittelt wurden, sind diese korrekt. Die Berechnung der Werte sollte aber die Abweichungen berücksichtigen.

Robert Baust

, Robert Schiessl GmbH, sprach über neue Kältemittel und die sich daraus ergebenden Möglichkeiten der kombinierten Normal- und Tiefkühlung. Dabei ging es um den Ersatz von R404A durch R513A am Beispiel einer konkreten Anlage, das sich aber verallgemeinern lässt. Aus einem Vergleich mit R1234yf, R448A und R449A geht R513A in einem Satellitenverbund als optimal hervor. Bevor das Kältemittel den TK-Verdampfer erreicht, wird es vom Temperaturniveau des NK-Kreises unterkühlt. Der GWP-Wert von R513A ist mit 573 zukunftsträchtig, und deutlich geringer als bei einer klassischen R404A oder R449A TK-Anlage. Und mit der vorgestellten Schaltung ist der TK-Betrieb wesentlich effizienter als von Standard TK-Anlagen.

Thomas Frank

, Engie Deutschland GmbH, stellte eine Fahrzeug-Prüfkammer mit Rollenprüfstand vor, mit der Unterdruckprüfungen zur Testung der Höhentauglichkeit bis zu 5000 m Höhe, entsprechend 540 mbar Druck, möglich sind. Der Temperaturbereich umfasst -30 bis +50 °C und die durch Rollen und Fahrtwindgebläse imitierte Fahrgeschwindigkeit reicht bis 130 km/h. Zur Erfüllung der Anforderungen wurden mehrere Kälteanlagen mit dem Kältemittel R448A für die Realisierung der Prüfbedingungen (Kolbenverdichter), und eine für die Kühlung der Prototypfahrzeuge (Schraubenverdichter) jeweils in Parallelschaltung mehrerer Verdichter und mit Drehzahlregelung installiert. Die Begründung für die optimale Anlagentechnik und die Verdichterauswahl, um das Optimum zwischen Wirtschaftlichkeit, Funktion, Anlagenverfügbarkeit, Anlagensicherheit und Energieeffizienz zu finden, war weiterer Gegenstand des Vortrages.

Flüssigeis und Wasserkälte

Christoph Steffan

, ILK Dresden gGmbH, sprach über die Anwendung von Plattenwärmeübertragern für Flüssigeis. Motivation für das Thema sind Fragen der Energiewende im Zusammenhang mit der thermischen Energiespeicherung. Eis ist mit seiner hohen Schmelzwärme ein bevorzugtes Speichermedium und Flüssigeis hat dazu den Vorteil, als pumpbarer Kälteträger benutzt zu werden. Damit ist die Übertragung der Energie vom Flüssigeis aus dem Speichervorrat auf die Verbraucherflüssigkeit einfach möglich. Die Kenntnis der physikalischen Kenngrößen für den Flüssigeistransport weist große Lücken auf, so dass ein Versuchsfeld zur systematischen Erforschung der Zusammenhänge geschaffen wurde. Es wurden drei Plattenprofile in die Untersuchungen einbezogen und daraus sollen Schlussfolgerungen für die Optimierung der Plattengeometrie erarbeitet werden, ebenso wie für die Verbesserung der strömungstechnischen Berechnungsgrundlagen. Dazu werden unter anderem Druckverlust und Wärmedurchgang in Abhängigkeit von der Eisbeladung vermessen.

Mathias Safarik

, ILK Dresden gGmbH, berichtete über die prinzipiellen Zusammenhänge bei der Verwendung von Flüssigeis im Rahmen der Energiewende. Dazu wird im ILK ein Verbundprojekt mit vielen Partnern gefördert. Er nannte die Zahl von 171 Tagen im Jahr, an denen die Ökostromerzeuger abgeregelt werden müssen, was aber durch die Eisspeicherung vermindert werden könnte. Der große Unterschied zwischen Verdampfungsenthalpie und Erstarrungsenthalpie erweist sich dabei als vorteilhaft, denn mit 100 g verdampfendem Wasser können bei 6 mbar Druck 750 g Eis erzeugt werden. Im Anwendungsbereich ist das pumpfähige Flüssigeis sehr viel flexibler als die konventionelle Eisspeicherung. Bei der Eiserzeugung mit einer Wasserdampf-Kälteanlage kann der Flüssigeisspeicher in die Kaltwasseranlage integriert werden und die Nutzung erfolgt über externe Wärmeübertrager oder über direkte Flüssigeis-Wärmeübertrager (s. Vortrag Steffan). Es ergibt sich auch die Möglichkeit, Ammoniak zu kondensieren, das dann ohne Verdichter zur Verdampfung bereit steht.

Florian Hanslick

, Efficient Energy GmbH, sprach über die Kombination einer Wasserdampf-Kälteanlage mit einem dezentralen Kühlkonzept für Supermärkte. Ausgangspunkt ist die Möglichkeit, einzelne Kühlmöbel mit jeweils kleinen Kälteanlagen auszustatten, die aufgrund ihrer geringen Füllmenge mit R290 betrieben werden können. Diese kleinen Anlagen geben ihre Verflüssigerwärme an einen Kühlwasserkreislauf ab. Dieser wiederum gibt in einem Rückkühler die Wärme weiter; das kann an die Umgebung erfolgen oder an einen Wasserkühler. Als Wasserkühler kann vorteilhaft eine Kältemaschine mit Waser als Kältemittel verwendet werden, die den Kühlwasserkreis-Wärmeübertrager in ihrem Verdampferraum angeordnet hat und die dezentralen Verflüssiger der Gesamtanlage mit Kühlwasser versorgt. Es wurden Leistungen und Kennwerte am Beispiel einer konkreten Anlage unter Einbeziehung von Abwärmenutzung und Wärmerückgewinnung vorgestellt. Dabei wurde erkannt, dass die TK-Anwendung auf mitteleuropäische Umgebungstemperaturen von maximal 38 °C beschränkt ist. Weitere Untersuchungen sind geplant.

Ammoniak

Stefan Jensen, Scantec Refrigeration Technologies Pty. Ltd., beschreibt eine zentrale direktverdampfende Ammoniakanlage mit sehr geringer Kältemittelfüllung, die durch verringerte Rohrdurchmesser erreicht wird. Die Füllmenge im Verdampfer beträgt nur ca. 1/3 von konventionellen Anlagen und ergibt 0,01 bis 0,02 kg/kW im Verdampfer und bis 0,7 kg/kW in der Anlage. Die Anlage verwendet Al/Al-Kühler, hat einen drehzahlregelbaren Kolbenverdichter, vermeidet Flüssigkeit in der Saugleitung und hat einen Hochdruckschwimmer für die Kondensatrückleitung. Die elektronische Einspritzregelung ist kombiniert mit einem Trockenheitsfühler auf dielektrischer Funktionsbasis. Diese Art der Ammoniakanwendung kommt dem Bemühen entgegen, das natürliche Kältemittel auch in kleineren Leistungsbereichen anzuwenden. Die Komponentenindustrie ist dabei besonders herausgefordert.

Kohlenstoffdioxid

Stefan Elbel

, Creative Thermal Solutions Inc., stellte eine erfolgversprechende Lösung für die Durchflussregelung von Ejektoren in R744-Kälteanlagen vor. Die Ejektoren sind in derartigen Anlagen immer mehr in Anwendung. Sie müssen aber bei veränderten Betriebsbedingungen im Durchfluss angepasst werden. Dazu gibt es Lösungen mit Querschnittsverstellungen mittels Stellmotor oder als Multiejektor. Die neue Lösung besteht darin, die Zuströmung zum Ejektor mit Wirbel (Vortex) zu gestalten und je nach erforderlicher Durchflussmenge den Wirbeleffekt zu verändern. Damit ist eine Geometrieänderung am Ejektor nicht erforderlich und der Druck im Düsenbereich bleibt hoch. Ein höherer Dampfgehalt nach dem Düsenhals reduziert schließlich den Massestrom, wobei Reduzierungen bis zu 42 Prozent erreicht worden sind. Die Hochdruckregelung der R744-Anlage erfolgt dabei extern.

Dichtheitsprüfung

Thomas Schnerr

, ILK Dresden gGmbH, stellte eine Dichtheitsprüfung von Kältekomponenten und -geräten nach dem Wasserbad-Hauben-Verfahren vor. Die reine Wasserbadprüfung ist stark subjektiv basiert und die untere Nachweisgrenze eines Lecks erreicht oft nicht die erforderlichen niedrigen Werte. Die Hüllenprüfung misst die Konzentrationsänderung und benötigt eine hohe Heliummenge. Mit der Kombination beider Verfahren kann die Nachweisgrenze von 5 g/a erreicht werden, das Hüllenvolumen ist kleiner, das Ergebnis ist objektiv und der Prüfzeitaufwand bleibt gering. Das Umlaufwasser wird aufbereitet, das Hüllenvolumen ist in Segmente aufgeteilt und der Wasserstand wird mittels Überlauf konstant gehalten. Das Sichtfenster hat einen kontrastreichen Hintergrund. Ein 250 l-Becken ist als Prototyp aufgebaut, die Entwicklung einer automatischen Auswertung wird erfolgen und Feldtests werden stattfinden.

Fazit

Mit diesem Querschnitt durch die vielfältigen Themen der Tagung soll die Anregung verbunden sein, sich die für den persönlichen Arbeitsbereich zutreffenden Beiträge näher anzuschauen, ggf. mit den Autoren in Kontakt zu treten und für die nicht Dabeigewesenen anzuregen, sich die von der DKV-Geschäftsstelle ab Februar bereit gehaltenen Datenträger mit allen Vorträgen zu beschaffen.

Zudem sind die in den Arbeitsabteilungen AA I, AA II.1 und AA IV nicht minder interessant gewesen und ihre Vorträge stehen dann ebenfalls zum nachträglichen Kennenlernen bereit. Das Programmheft der Tagung mit allen Themen steht unter www.dkv.org zum Download bereit.

Der Berichterstatter hat schließlich noch eine Bitte an alle Fachkollegen, die ihre Arbeiten veröffentlichen, sei es auf einer Fachtagung wie dieser oder schriftlich. Schauen Sie sich die Vorgängerarbeiten an und profitieren Sie vom Wissen früherer Bearbeiter, anstatt das Rad noch einmal zu erfinden. Verwenden Sie Begriffe nach den genormten Bezeichnungen! Da aber nicht alles genormt ist, zumindest nach den üblichen Bezeichnungen. Beispiele der diesjährigen Tagung haben diese Bitte ausgelöst. Modellierungen der Verdichterfunktionen sind seit über 50 Jahren in großer Zahl bekannt, da braucht man nur darauf zurückzugreifen. Eine Anpassung löst die meisten diesbezüglichen Fragen. Ein globaler Verdichterwirkungsgrad“ ist erstmalig aufgetaucht, die korrekte Bezeichnung wäre bescheidener mit Gesamtgütegrad“ ausgefallen. Parallelschaltungen und Zweistufigkeit firmieren immer noch unter diesen Begriffen anstatt unter kaskadierten“ Schaltungen. Eine Kasdkadenschaltung beschreibt dagegen die Mehrstufigkeit mit stofflicher Trennung der einzelnen Stufen. Es wäre gut, sich dessen immer bewusst zu sein.UA