Kurzbeschreibung
Natural Low-Temperature Refrigeration Cycle In zahlreichen Branchen sind Anwendungen erforderlich, bei denen Temperaturen unter -50 °C erreicht werden müssen, um Produkte oder Dienstleistungen in der geforderten Qualität zu gewährleisten. Beispiele hierfür sind die Lagerung von Impfstoffen und biologischen Proben in der pharmazeutischen Industrie, sowie Prozesse wie Destillation und Gefriertrocknung in der chemischen Industrie. Auch die Umweltsimulation in der Automobil- und Raumfahrtindustrie, sowie die Tieftemperaturkühlung in der Elektronik- und Halbleiterindustrie erfordern derartige Temperaturen. Die Erreichung dieser „tiefen“ Temperaturen ist technisch anspruchsvoll und mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Aktuell kommen fluorierte Kältemittel wie R23 und R14 zum Einsatz. Aufgrund ihrer Eigenschaften gelten sie als „Sicherheitskältemittel“, weisen jedoch ein hohes Treibhauspotenzial (GWP) auf. Gemäß der neuen F-Gase-Verordnung (2024) ist deren Einsatz ab 2030 auch für Anwendungen unter -50 °C verboten, wodurch die Notwendigkeit alternativer Kältemittel entsteht. Der Joule-Prozess oder der Kaltdampfkreislauf mit R170 (Ethan) oder R50 (Methan) sind zwar potenzielle Alternativen, jedoch sind sie entweder wirtschaftlich ineffizient oder es sind erhöhte Sicherheitsanforderungen zu berücksichtigen. R744 (Kohlenstoffdioxid) ist eine vielversprechende Lösung, da es ungiftig, nicht brennbar und leicht verfügbar ist. Allerdings limitiert der Tripelpunkt von R744 (-56,6 °C; 5,2 bar) bislang seinen Einsatzbereich, da unterhalb dieser Temperatur nur feste und gasförmige Zustände auftreten. Die Entwicklung einer umweltfreundlichen Kälteanlage mit R744, die den Phasenübergang von fest auf gasförmig (Sublimation) nutzt, um die Einsatzgrenze von R744 unterhalb des Tripelpunktes zu verschieben, ist das Ziel des Projekts. Zu diesem Zweck wird ein innovativer R744-Sublimationswärmetauscher konzipiert, der die Sublimation in einem Trägerfluid ermöglicht. Mit diesem Ansatz sollen Herausforderungen wie Verblockungen durch festes R744 und eine ineffiziente Wärmeübertragung gelöst werden. Zu diesem Zweck wird ein Modellprüfstand konzipiert und aufgebaut, um verschiedene Trägerfluide zu erproben und erste Erkenntnisse zur Wärmeübertragung zu gewinnen. Dieser Modellprüfstand erlaubt eine Überprüfung des Konzepts der Sublimation in einem Trägerfluid auf Komponentenebene (TRL 3). Nach erfolgreicher Validierung des Konzepts wird ein R744-Sublimationswärmetauscher in eine Kälteanlage integriert, um den Funktionsnachweis im Labormaßstab zu erbringen (TRL 4). Dabei wird ein Anlagendesign mit zwei Verdichterstufen verfolgt. Das Projekt erweitert den aktuellen Stand der Technik, indem es die Sublimation von R744 in einem Trägerfluid untersucht. Dieser Ansatz könnte die Wärmeübertragung verbessern und die Verblockung durch festes R744 minimieren. Die Auswahl eines geeigneten Trägerfluids ist entscheidend. Zu den zu berücksichtigenden Kriterien zählen Stockpunkt, Löslichkeit von CO?, Viskosität, Dampfdruck, Entflammbarkeit, Toxizität und chemische Stabilität. Das Konzept wird in einem geschlossenen Kältekreis im Labormaßstab getestet. Dabei werden auch der Dauerbetrieb und die Nutzung unterschiedlicher Wärmeträgerfluide untersucht.