CO2 als Kältemittel für Klimakammer-Anwendungen bis -50 °C (CO2TPK) : Phase 1 –Konzeption einer energieeffizienten Anlagenkonfiguration

Forschungsbericht

Zusammenfassung: Das Vorhaben hat zum Ziel, eine Umweltsimulationskammer mit dem natürlichen Kältemittel R-744 (CO2) zu realisieren. Die bisher in den Anlagen eingesetzten fluorierten Kältemittel weisen ein tausendfach größeres Treibhauspotential als CO2 auf und sind demnach im Rahmen der EU-F-Gase-Verordnung 2024/573 vom Phase-Out betroffen. Die Leistung einer Prüfkammer ist durch die nominelle Abkühlgeschwindigkeit von maximaler auf minimale Kammerinnentemperatur definiert, muss aber auch in der Lage sein alle Temperaturen innerhalb des Betriebsbereichs durch Kühlen oder Heizen bereitzustellen. Die angestrebte minimale Lufttemperatur innerhalb des Prüfraums liegt mit -50 °C nahe am Tripelpunkt von R-744 mit -56,6 °C, was ein Risiko für die Umsetzung des Kältemittelkreislaufs mit reinem R-744 darstellt. Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojekt CO2TPK (DBU Az: 38889/01) gilt es, eine möglichst effiziente Anlagenarchitektur zu ermitteln, die zugehörigen Komponenten auszulegen und die Versuchsanlage inklusive des Regel- und Sicherheitskonzepts aufzubauen und zu untersuchen. Das Projekt gliedert sich in 2 Phasen: Phase 1: Konzept und Versuchsaufbau; Phase 2: experimentelle Untersuchungen. Im Rahmen der ersten Projektphase wurden folgende Parameter der Prüfkammer definiert:• Kühlbetrieb: Temperaturbereich von -50 °C bis 180 °C des Prüfraums• Prüfraumvolumen von mind. 200 l • Abkühlgeschwindigkeit von 15 K/min gemäß DIN EN 60068-3-5, Tmax = 180 °C, Tmin =-50 °C• Wasserkühlung der Kälteanlage Darauf aufbauend ergab der Vergleich der Berechnung des stationären Betriebszustandes von sieben Schaltungsvarianten mit natürlichen Kältemitteln, dass eine zweistufige Verdichtung von R-744 mit Druckgaskühler und Mitteldruckabscheider den besten Kompromiss zwischen Energieeffizienz, Sicherheit und Bauraumbeschränkungen darstellt. Alle Varianten berücksichtigten dabei die auf Herstellerdaten basierenden Verdichtergütegrade. Der Einsatz eines Ejektors ist bei der geforderten minimalen Lufttemperatur nicht möglich, da es zur Bildung von Trockeneis innerhalb des Ejektors kommen kann. Mit zunehmender Verdampfungstemperatur von -50 °C bis -20 °C nimmt die Systemeffizienz zu und übertrifft zum Großteil die berechnete Effizienz des Stands der Technik. Der Betriebspunkt für die Auslegung der Kreislaufkomponenten und die maximale Kälteleistung wurden mithilfe einer transienten Simulation in Dymola und der Abkühlung der Luft in der Prüfkammer unter Einhaltung der geforderten Abkühlgeschwindigkeit ermittelt:• maximale Kälteleistung von 9,15 kW bei -38,5 °C KammerinnentemperaturDie weitere Modellierung des Kältemittelkreisprozesses unterstützt die Komponentenauslegung und wird zur Abbildung der Versuchsanlage in der Simulationsumgebung im Rahmen der zweitenProjektphase (Az 39551/01) genutzt. Das Regelungskonzept bedient sich der Leistungsregelung mittels elektronischer Expansionsventile und regelbaren Verdichtern (mit Frequenzumrichter), sowie einer Kältemitteleinspritzung in die Saugleitung im Falle hoher Sauggastemperaturen sowieeinem Heißgas-Bypass der ersten Verdichtungsstufe für extreme Teillast. Ein großer Vorteil besteht darin, dass handelsübliche Verdichter eingesetzt werden können. Die Konzeption der Wärmeübertrager erfolgte in enger Abstimmung mit dem jeweiligen Hersteller. Die Auslegung der Hauptkomponenten und das Fließschema sind im finalen Bericht aufgeführt. DasSicherheitskonzept basiert auf der Annahme eines maximalen Stillstandsdrucks von 100 bar. Dieses Kriterium ist bei der Festlegung der Füllmenge im Zuge der Projektphase 2 (Az 39551/01) einzuhalten. Standardmäßig kommen Druckschalter und Sicherheitsventile zum Einhalten der geforderten minimalen und maximalen Betriebsgrenzen zum Einsatz

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: 1 Online-Ressource (52 Seiten)
• Sprache: Deutsch
• Anmerkungen: Illustrationen ; Literaturverzeichnis: Seite 32 - 33

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Kohlendioxid ; Kältemittel ; Energieeffizienz ; Kälteanlage ; Bemessung ; Distickstoffmonoxid ; Ammoniak

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Dresden
• (wer): Deutsche Bundesstiftung Umwelt
• (wann): 2024
• Urheber: Thomas, Christiane ; Cop, Melanie
• Beteiligte Personen und Organisationen: Deutsche Bundesstiftung Umwelt ; Technische Universität Dresden

Weitere Informationen

• URN: urn:nbn:de:101:1-2408261158146.293942003476
• Rechteinformation: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:54 MEZ