Projektvorstellung

Experimentelle Untersuchung eines neuen Tieftemperatur-Kältemittels als Ersatz für R-23 in einer Umweltsimulationskammer

Von Tieftemperatur-Anwendungen (ULT-Anwendungen) wird bei einem Temperaturbereich von -50 °C bis -100 °C gesprochen. Es gibt verschiedene technische Möglichkeiten, um diesen Temperaturbereich umsetzen zu können. Dazu zählen zum Beispiel die CO₂-Sublimation, die Verwendung von Flüssigstickstoff oder Kaskaden-Kälteanlagen. Typische Anwendungsgebiete sind Impfstoffkühler, Gefriertrockner oder Umweltsimulationskammern.

Im Projekt wird eine solche Umweltsimulationskammer untersucht. Diese werden für die Qualitäts- und Beständigkeitsprüfung technischer Bauteile verwendet und ermöglichen eine Untersuchung der Komponenten unter künstlich erzeugten Umgebungsbedingungen. Die untersuchte Kammer ist als zweistufige Kaskadenanlage im Kaltdampfprozess ausgeführt.

Bei der Auswahl der Kältemittel sind gesetzliche Vorgaben und Rahmenbedingungen wie die EU F-Gase Verordnung Nr. 517/2014 zu berücksichtigen. Im Rahmen des Montreal Protocol (2016) wurde das „Kigali Amendment“ verabschiedet. In diesem ist ab 2019 eine schrittweise Mengenreduzierung von HFKW-Kältemitteln vereinbart.

Die Verwendung des Hoch-GWP-Kältemittels R-23 für ULT-Anwendungen stellt eine Ausnahme dieser Ausstiegsregelungen dar. Aktuelle Untersuchungen und Entwicklungen neuer Kältemittel wie R-469A, R-472A und R-473A zeigen die Bestrebung, einen Ersatz für R-23 zu finden.

In diesem Projekt wird das Kältemittel R-473A in Form eines Retrofits einer bestehenden R-23 Standardanlage untersucht.

Theoretische Vorbetrachtungen

Zu Beginn wird eine theoretische Voruntersuchung zwischen R-23 und R-473A durchgeführt, um thermodynamische Herausforderungen des neuen Kältemittels identifizieren zu können. Dazu wird eine idealisierte Vergleichsrechnung durchgeführt.

Anhand der Ergebnisse lassen sich folgende Punkte für R-473A im Vergleich zu R-23 hervorheben:

Höheres Druckniveau
Höhere Heißgastemperaturen
Höhere volumetrische Kälteleistung.

Für die Komponentenauswahl sind daher besonders der Verdichter und das Expansionsorgan gezielt auszulegen. Gegenmaßnahmen zur hohen Druckgastemperatur sind einzuplanen.

Versuchsaufbau

In Abbildung 1 ist die Umweltsimulationskammer am Firmenstandort der Feutron Klimasimulation in Langenwetzendorf und das R&I-Fließbild dargestellt. Die Kammer weist ein Nutzraumvolumen von 0.28 m³ und eine Abkühlgeschwindigkeit von 4 K/min auf.

In der Normalkälte-Stufe (NK-Stufe) ist das Kältemittel R-452A eingesetzt. In der Teifkältestufe (TK-Stufe) wird das Kältemittel R-23 bzw. R-473A verwendet.

Durch die Messtechnik werden folgende Größen aufgezeichnet:

Druck
Temperatur
Elektrische Leistungsaufnahme
Massenstrom

Vorgesehene Steuermaßnahmen sind:

Heißgasbypass
Flüssigeinspritzung
Elektronisches Expansionsventil mit PID-Regler

Der Heißgasbypass begrenzt den minimalen Saugdruck. Hier gilt es die herstellerseitigen Vorgaben einzuhalten. Die Flüssigeinspritzung wird genutzt, wenn die Sauggastemperatur eine Temperatur von 40 °C oder die Druckgastemperatur 130 °C überschreitet. Die elektronischen Expansionsventile sind an den Leistungsregler gekoppelt. Dieser arbeitet in einem Bereich von -100 % (maximale Kühlleistung) und
+100 % (maximale Heizleistung). Abhängig von der Differenz zwischen der Soll- und Ist-Temperatur der Kammer wird vom Regler ein Wert an die entsprechenden Stellglieder wie beispielsweise den Verdichter weitergegeben, was in einer entsprechenden Anpassung der Drehzahl resultiert.

Testszenarien

Alle Versuche werden in enger Abstimmung mit dem Projektpartner durchgeführt. Dank eines Fernzugriffs auf den Messrechner der Kammer ist ein schneller Datentransfer sowie die Beobachtung der Messungen am Standort der TU Dresden gesichert.

Für die Bewertung der Systemleistung der Umweltsimulationskammer werden verschiedene Testszenarien durchgeführt. Der Abkühlversuch, auch Pull-down-Test genannt, dient der Bestimmung der Abkühlgeschwindigkeit. Bei dem Versuch der Wärmekompensation wird eine externe Heizlast in die Kammer eingebracht und das thermische Gleichgewicht eingestellt. Die Temperaturstabilität wird über eine maximal zulässige Abweichung zwischen der tatsächlichen Kammertemperatur und der Solltemperatur untersucht.

Ergebnisse

Die Performance von R-473A im Vergleich zu R-23 wurde auf Grundlage der Ergebnisse des Abkühlversuchs, der Temperaturstabilität und der Wärmekompensation bewertet. Die ersten Untersuchungen unterstützen die Ergebnisse aus der theoretischen Vorbetrachtung, dass R-473A als Ersatzkältemittel für R-23 geeignet ist. Die Temperaturstabilität von R-473A lag innerhalb des geforderten Toleranzbandes. Die Abkühlgeschwindigkeit und die minimal mit R-473A erreichbare Temperatur lagen unterhalb der Ergebnisse von R-23. Dies ist aufgrund regelungstechnischer Eingriffe zu erklären, z.B. weil ein minimal erlaubter Saugdruck (herstellerseitige Vorgabe) und eine maximal erlaubte Heißgastemperatur von 130 °C nicht unter- bzw. überschritten werden darf.

An dieser Stelle sind weiterführende Untersuchungen hinsichtlich Regelungsoptimierung und Komponentenauswahl zu treffen, um das volle Potential von R-473A ausnutzen und einen Prototypen entwickeln zu können.

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