Bedeutung von CO₂ als Kältemittel

Die Bedeutung von CO₂ als natürliches Kältemittel ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Aufgrund verschärfter Richtlinien zum Klimaschutz wird der Einsatz von synthetisch hergestellten Kältemitteln (FCKW, FKW, HFKW) mit hohen ODP- und GWP-Werten immer weiter eingeschränkt. Natürliche Kältemittel wie Kohlendioxid, Ammoniak oder Propan mit ODP- und GWP-Werten von 0(1) geraten heute daher stärker in den Focus. CO₂ erweist sich als äußerst attraktiv für die Verwendung als Kältemittel, da es einen guten Wärmeübergang besitzt, relativ ungiftig, unbrennbar und unbegrenzt verfügbar ist. Aufgrund des niedrigen kritischen Punkts und somit relativ hohem Systemdruck wird CO₂ zumeist in der Tiefkühlung in Kaskadenbauweise (z.B. NH₃-CO₂) eingesetzt.

Strömungssieden am TVT

Das Thema Strömungssieden stellt einen Forschungsschwerpunkt des Instituts für Thermische Verfahrenstechnik dar. Bereits seit mehreren Jahrezehnten werden hier Modelle zu Wärmeübergang und Druckverlust beim Strömungssieden verschiedener Kältemittel entwickelt und mittels eigener experimenteller Daten überprüft und validiert. Hierfür verfügt das TVT über eine instututseigene Versuchsanlage (s. Abb. 1), welche Wärmeübergang- und Druckverlustmesungen bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen unter isothermen Randbedingungen ermöglicht.

Abb. 1 Fotoaufnahmen der Versuchsanlage

Wärmeübergang von CO₂ und CO₂-Öl-Gemischen

Bei der Untersuchung des Wärmeübergangs beim Strömungssieden von CO₂ und CO₂-Öl-Gemischen setzen wir diese langjährige Tradition fort. Dabei ermöglicht unser Forschungsbeitrag eine effiziente und zuverlässige Auslegung von Wärmeübertragern für moderne CO₂-Kälteanlagen.

Die Kenntniss über den Ölgehalt und insbesondere dessen Einfluss auf den Wärmeübergang beim Strömungssieden ist eine zentrale Problemstellung bei der effektiven Auslegung von Verdampfern und Wärmeübertragern in kältetechnischen Systemen. Mit Bezug auf reine Kältemittel und Kältemittelgemische gibt es eine Vielzahl von Publikationen zum Wärmeübergang und Modelle/Korrelationen, welche die Vorausberechnung von Wärmeübergang und Druckverlust für die unterschiedlichen Anwendungen ermöglichen. In realen Systemen jedoch ist aufgrund der notwendigen Schmierung von beweglichen Elementen (z.B. im Verdichter) damit zu rechnen, dass anstelle des Reinstoffs ein Kältemittel-Öl-Gemisch vorliegt und im Kreislauf zirkuliert. Dabei gilt der Einfluss von Kältemaschinenöl auf den Wärmeübergang als bislang schwach erforscht und nicht verstanden. Somit ist bislang auch keine hocheffiziente Auslegung von Wärmeübertragern möglich.

Versuchsanlge & Messtechnik

Messdaten für die experimentelle Bestimmung des Wärmeübergangs beim Strömungssieden werden an der institutseigenen Versuchsanlage (Fließbild: s. Abb. 2) gewonnen. Der eigentliche Versuchskreislauf besteht aus 4 in Reihe verbundenen Vor­verdampfern, einer elektrisch beheizbaren Messstrecke, einer nachgeschaltenen Schutzheizstrecke und einem Schauglas zur Visualisierung der Strömungsform. Ein separater Ölkreislauf ermöglicht sowohl die Zudosierung als auch die Abscheidung des Öls.

 

Abb. 2 Versuchsanlage (Fließbild)

Wärmeübergang

Die Messstrecke, mittels welcher alle relevanten Messgrößen für die Bestimmung des Wärmeübergangs und des Druckverlusts ermittelt werden, besteht aus 6 über den Umfang verteilten Segmenten, welche unabhängig elektrisch beheizbar sind (s. Abb. 3). Hierdurch werden sowohl isotherme Randbedingungen als auch die Bestimmung lokaler Wärmeübergangskoeffizienten ermöglicht. Die Bestimmung des lokalen Wärmeübergangs ist von großer Bedeutung, da dieser unmittelbar von der Strömungsform bzw. der Rohrbenetzung abhängt. Insbesondere in horizontal betriebenen Verdampfern kann es aufgrund der Schwerkraft zu unterschiedlichen Benetzungsverhältnissen kommen.

Abb. 3 Messstrecke

Strömungsform

Die Bestimmung der Strömungsform erfolgt am Schauglas (s. Abb. 4). Mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera wird die Strömung visuell mit bis zu 1000 fps erfasst. Die Auswertung der Strömungsvideos fließt in die Erstellung von Strömungsformenkarten ein. Diese wiederum werden in der modellhaften Vorausberechnung des Wärmeübergangs miteinbezogen. Für eine präzise Vorausberechnung des Wärmeübergangs ist somit auch eine sichere Vorhersage der Strömungsform notwendig. Aus diesem Grund wird die Filmdicke am Rohrscheitel durch konfokale Laserwegmessung bestimmt. Dadurch ist eine genaue Bestimmung des Übergangs zur vollständig ausgebildeten Ringströmung möglich.

 

Abb. 4 Messtechnik am Schauglas

Ziel der Forschung

Unsere Forschungsergebnisse sollen dazu beitragen, die Mechanismen beim Strömungssieden besser zu verstehen, um in Zukunft Verdampfer und Wärmeübertrager in kältetechnischen Anlagen effektiver auslegen zu können. Auf Basis experimenteller Messdaten werden dazu Korrelationen und Modelle zum Wärmeübergang und Druckverlust überprüft und verbessert. Es sind insbesondere die Einflüsse durch Zugabe von Kältemaschinenöl auf den Wärmeübergang zu untersuchen und in den Modellen zu integrieren.

Im Rahmen dieses Projekts werden zahlreiche Studien- und Diplomarbeiten sowie Möglichkeiten für eine HIWI-Tätigkeit angeboten. Nähere Informationen können gerne telefonisch (0721/608-46088) oder per Email eingeholt werden.

Kontakt:

Dipl.-Ing. Markus Wetzel Prof. Dr.-Ing. Thomas Wetzel Prof. Dr.-Ing. Matthias Kind
Tel. 0721/608-46088 Tel. 0721/608-46447 Tel. 0721/608-42390
markus.wetzel∂kit.edu thomas.wetzel∂kit.edu matthias.kind∂kit.edu