Wärmeübertrager
Über Möglichkeitender energetischen Op-timierung von Luftkühlern sprach NorbertSchneider in seinemmit Ceslovas Kizlauskas erarbeiteten Vor-trag. Er spannte den Bogen von der Motivierung durch das Umweltbewusstsein über die Energie- und Materialkosten bis zur ErP-Zielstellung und sieht in der Optimierung der Wärmeübertrager einen Beitrag zur Schaffung effektiverer Kältemaschinen. Er bezeichnet das Zusammenspiel von Verbesserung des Wärmeübergangs, optimaler Regelung, bestem Ventilator- und Einspritzsystem als ebenso wichtig wie die gleichmäßige Luftführung und Bereifung, die Verwendung innengerillter Rohre und die Qualität hinsichtlich des festen Lamellensitzes von entscheidender Bedeutung, um das Ziel zu erreichen. Der Vorstellung dieser wohlbekannten Faktoren fehlte am Ende aber leider der wirklich wissenschaftlich-technische Inhalt mit Zahlenwerten für die einzelnen Einflussgrößen.
Mit der Optimierung von luftgekühlten Wärmeübertragern zur Reduktion des Ener-gieverbrauchs und Verbesserung des Wärmeüberganges sprachen Stefano Filippini u. a. Sie untersuchten und realisierten dabei zwei Arbeitsfelder. Zum einen integrierten sie ein elektronisches Expansionsventil (EEV) und seine Steuereinheit unmittelbar am Wärmeübertrager in einer Box, sodass auch bei geringen Verdampfungstemperaturen deren korrekte Arbeitsweise gewährleistet ist. Dabei nutzten sie die Eigenschaft des EEV, dass es auch bei geringen Druckdifferenzen optimal arbeiten kann, wenn es entsprechend dimensioniert wird. Das ermöglicht in der Folge die gesteuerte Absenkung der Verflüssigungstemperatur in Abhängigkeit vom Verlauf der Umgebungstemperatur, was zu Jahresenergieeinsparungen bis 20 Prozent führt. Zum anderen änderten sie die Geometrie des Wärmeübertragers durch die Verwendung von innengerillten Rohren mit 5 mm Durchmesser in einer Lamellengeometrie von 20 x 17,5 mm. Diese Rohre reduzieren das innere Volumen stark, was sich besonders bei brennbaren Kältemitteln positiv auswirkt und was R 744-Drücke bis zum transkritischen Bereich ohne Sondermaßnahmen gestattet. Diese Lösungen sind sowohl als für Verflüssiger als auch für Verdampfer möglich.
Über die Entwicklung eines neuartigen Wärmeübertragersim Flügelrohrdesign berichteten Johann Witschel u. a. Diese Entwicklung entspringt aus den Nachteilen der Rohr-Lamellenwärmeübertrager, nämlich dem hohen Fertigungsaufwand und der Korrosionsanfälligkeit bei rauen Umgebungsbedingungen. Als Flügelrohre werden im Strangverfahren hergestellte Rohre bezeichnet, die in der horizontalen Mittelebene auf beiden Seiten Flügel“-Flächen besitzen, um die äußere Oberfläche zu vergrößern. Mit diesen Rohren, die längs beliebig oft und abwechselnd auf Umschlag gebogen werden, ähnlich den nur einmal gebogenen U-Rohren der Rohr-Lamellengeometrie, lassen sich Wärmeübertrager ohne deren vielen Lötstellen realisieren. Und die Korrosionsprobleme sind durch die Ganzaluminium-Lösung ausgeschlossen. An den Biegestellen müssen die Flügel allerdings abgefräst werden. Um die Nachteile der je Bauvolumen übertragenen geringeren Leistung zu kompensieren, werden Optimierungen der Flügelgeometrie in Dicke und Länge, die Verwendung von Rohren mit Innen- und Außenrillen, in Rohrrichtung glatte und gewellte Flügel sowie Rund- und Flachrohre untersucht. Erste Anwendungen erfolgen bei Liebherr No-Frost-Verdampfern und bei Whirlpool- und Forster-Verflüssigern.
Michael Freiherr untersuchte die Vorgänge in Wärmeübertragern bei hohem Temperaturgleit des Kältemittels, beispielsweise R 452 A und R 449 A. Der Temperaturgleit führt zu geringeren Temperaturdifferenzen und damit zu größeren Verflüssigern, wenn man die Auslegung auf die Verflüssigungstemperatur bezieht. Beim Verdampfer ist es umgekehrt, wenn man die auf die Verdampfungstemperatur bezieht. Damit steigt bei Verdampfern jedoch die Entfeuchtungsleistung, was in vielen Fällen unerwünscht ist. Daraus abgeleitet wird ein praxisgerechter Lösungsansatz für die Auslegung von Verflüssigern und Verdampfern für diese Kältemittel angeboten. Für Verdampfer bedeutet das mit Bezug auf die Mitteltemperatur z. B. eine größere Verdampferfläche, höheren Druck und geringere Entfeuchtung.
Kältemittel
Markus Müller be-schäftigte sich mit den Auswirkungen des Einsatzes von Low-GWP-Kältemitteln im Zusammenhang mit Wärmeübertragern. Er ging von der richtigen These aus, dass der Einsatz von Low-GWP-Kältemitteln nur sinnvoll ist, wenn die Effektivwerte besser sind. Die Emissionsauswirkungen der Kältemittel werden gesenkt durch mehr Energieerzeugung aus regenerativen Quellen, durch absolut weniger Emissionen von Kältemitteln und eben der Verwendung dieser Low-GWP-Kältemittel. Über die energetischen Auswirkungen beim Einsatz verschiedener Wärmeübertrager ist bisher wenig bekannt, deshalb widmete er sich auf experimentellem Wege der Beantwortung dieser Frage. Er untersuchte zwei Kältemittel und deren Low-GWP-Ersatz vergleichsweise mit wasserbeaufschlagten Plattenwärmeübertragern und luftbeaufschlagten Rohr-Lamellen-Wärmeübertragern, jeweils als Verdampfer und Verflüssiger. Dabei zeigte sich bei Verdampfern, dass die Ersatzkältemittel zu besseren Leistungswerten führen, während bei Verflüssigern schlechtere Werte erreicht werden. Insgesamt zeigte sich der geringe Anteil der Ersatzkältemittel an der GWP-Reduktion. Und es folgte abschließend die Einschätzung, dass der Anteil an der GWP-Reduktion mit zunehmendem Einsatz der Ersatzkältemittel weiter zurückgehen wird.
In ähnlicher Weise ging Frank Rinne der Frage nach, wie zukunftssichere Kältemittel-Lösungen für die Gewerbekälte zu schaffen sind. Dabei ist die F-Gase-Verordnung (EU) 2014/517 Anlass dieser Frage nachzugehen. Er betrachtete die beiden Moleküle 1234yf und 1234ze als einzige Basis für Gemische für die Gewerbekälte. Die darauf basierenden Gemische R 450 und R 513 werden bezüg-lich der geringen Entflammbarkeit als A2L-Kältemittel Füllmengen von 1,8 kg dort erlauben, wo das A3-Kältemittel Propan nur 0,15 kg zulässt und 59 kg gegenüber 1,5 kg. Aber auch die Grenzwerte für A3-Kältemittel werden mit der zu-künftigen Norm DIN EN 378 höher erwartet. Unter diesen Gesichtspunkten sind bei Emerson mehrere A2L-Kältemittel bereits für Verdichter zugelassen. Für Propan sind Scroll-Verdichter mit ATEX-Zulassung für variable und feste Drehzahl verfügbar. Für Sekundärsysteme in der Supermarktanwendung mit Wärmerückgewinnung können mit der erwarteten Norm steckerfertige Kühlregale für Kälteleistungen bis 7 kW mit Propanfüllmengen von 0,7 kg zum Einsatz kommen. Als langfristige Lösung für die Ge-werbekälte wird trotzdem jedenfalls auf den Einsatz von natürlichen Kältemitteln orientiert.
Mit der Anwendung eines Propanunterkühlers für ein R744-Kühlsystem be-schäftigten sich Trygve M. Eikevik u. a. Dabei integrieren sie in einen R 744-Gaskühler einen Propankreislauf mit in-einander verschachtelten Kühlrohren und senken damit die Gaskühleraustrittstemperatur bis zum subkritischen Bereich. Bei optimaler Gestaltung der Wärmeübertrager kann die Kälteleistung um 1,7 bis 2,5 Prozent und der COP um 4,7 bis 8 Prozent verbessert werden. Eine weitere Verbesserung ist mit doppelter Ventilatordrehzahl möglich. Damit werden die Bedingungen für den Einsatz von R 744-Systemen in wärmeren südlichen Bereichen wirtschaftlich möglich.
Ein weiteres R 744-Thema stellte Armin Hafner vor. Er sieht R 744 als Alternative für führende Supermarktketten bei Neuinstallationen. Dabei entsteht mit der Vernetzung aller im Supermarkt vorhandenen Kühl-, Heiz- und Klimatisierungssysteme eine kostengünstige Perspektive, die die technischen Systeme herausfordert. CO2-Kälteanlagen mit diesen Zielstellungen sind die beste Lösung, wenn sie mit Parallelverdichtung und Ejektorentspannung arbeiten. Damit erreicht man mehr Last auf den Parallelverdichter und ein niedrigeres Druckverhältnis.
Andreas Schröder und Jürgen Köhler be-fassten sich ebenfalls mit Ejektorsystemen für R 744. Ihr Ansatz ist ein Wärmepumpengerät für eine Heizleistung von 1 MW und damit mehrfach größer als andere bekannte Anwendungen. Für diesen Fall sind Ejektoren im Parallelbetrieb oder ein regelbarer Ejektor erforderlich. Der Ejektorprüfstand für diese große Schraubenverdichter-Wärmepumpe erlaubt besser als kleine Geräte die Untersuchung der Vorgänge im Ejektor vom Eingang bis zum Ausgang. Die Messergebnisse am selbst entwickelten Ejektor sind Basis für ein Simulationsprogramm, mit dem eine gute Annäherung an die Messwerte erreicht worden ist. Die Gesamteinschätzung lautet, dass Ejektoren für den Einsatz in großen Wärmepumpen geeignet sind.
Die Dichtheit ge-hört zum Kältemittel. Thomas Schnerr u. a. beschäftigten sich mit den Festigkeits- und Dichtheitsanforderungen und den Prüfverfahren für R 744. Dabei wird von transkritischen Bedingungen ausgegangen und ein Prüfstand für Drücke bis 143 bar geschaffen, was bei Betriebsdrücken bis 130 bar dem 1,1-fachen Betriebsdruck (PS) entspricht. Durch weitgehende Automatisierung wird ein Gefahrenpotenzial ausgeschlossen. In die Druckhaltezeit ist eine Druckabfall-Dichtheitsprüfung bei 1,1 PS integriert und die manuelle Feinlecksuche erfolgt anschließend bei 1,0 PS. Der Prüfstand erlaubt eine fast vollständige Prüfgasrückgewinnung, was bei Formiergas oder Helium für die Wirtschaftlichkeit wichtig ist. Zu den Lecksuchkriterien ist zu beachten, dass wegen des R 744-Gehaltes der Atmosphäre die Messschwelle darüber liegt. Mit mobilen Geräten erreicht man bei R 744 im Gerät als untere Dichtheitsnachweisgrenze 50 bis 100 g/a, mit Tischgeräten 10 bis 20 g/a und mit dem Hüllverfahren mit Prüfgas die bei FKW üblichen Werte von 5 bis 10 g/a.
Verdichter
Dennis Pfeil u. a. be-schäftigten sich mit der Möglichkeit der Schadensanalyse von Hermetikverdichtern, ohne diese öffnen zu müssen. Als Diagnoseparameter benutzen sie das Schallpegelspektrum, indem sie intakte Verdichter bei verschiedenen Betriebsparametern testen, wobei der Effektivwert der Schallemission gemessen wird und dieser als Bezugswert gilt. Dann werden die Verdichter im Zustand der Mangelschmierung betrieben und die Messung wird wiederholt. Dabei zeigt sich ein signifikanter Anstieg des Effektivwertes der Schallemission. Offenbar ist dieser Test ein Objekt im Rahmen weiterer Forschungen zur Zustandsermittlung bei Zuverlässigkeitstests.
Magnus Schober und Michael Deichsel wollen die Effizienz der Kaltdampfmaschine durch isotherme Verdichtung steigern. Dass dies im genügend überhitzten Gebiet die effektivste Verdichtung ist, zumindest theoretisch, ist jedem Verdichterentwickler klar. Dass das in der Praxis nur bei der theoretisch möglichen Drehzahl Null wirklich realisierbar ist, bleibt eine Anwendung aus. Die Öleinspritzung bei Schraubenverdichtern nähert sich dem Ideal aber an. Nun haben die Referenten einen Zweizylinder-Kolbenverdichter gebaut, dessen Kolben eine Hydraulikflüssigkeit ist, die abwechselnd von einer Hydraulikpumpe in die Zylinder gepumpt und wieder abgesaugt wird. Dabei kann der Zylinder eine beliebige Form haben, da sich die Flüssigkeit jeder Form anpasst und perfekt abdichtet. Zum Beispiel kann der Verdichtungsraum ein vom Kühlmittel umflossenes Rohrbündel sein und somit den Verdichtungsraum gut kühlen. Ebenso wird ein schädlicher Raum eliminiert. Auf diese Weise wird der isotherme Prozess gut angenähert. Im Vergleich mit einem mechanischen Kolben wurde der COP-Wert um 17 Prozent verbessert. Probleme sind die große Zeit für einen Hub von 0,36 bis 36 s, die Löslichkeit des Kältemittels in der Hydraulikflüssigkeit und die Kondensation des Kältemittels bei geringer Ansaugüberhitzung. An diesen Problemen wird weiter gearbeitet.
Kühlschrank
Mit der Verbesserung der Effektivität von Haushaltskühlschränken beschäftigten sich Gerrit Sonnenrein u. a., indem sie Verdampfer und Verflüssiger mit polymergebundenen Phasenwechselmate-rialien kombinieren, bei denen die Wärmeleitfähigkeit deutlich gegenüber bisher verfügbaren PCM-Werkstoffen bis zum Faktor 20 verbessert wurde. Bei einem Versuchsobjekt konnte bei Integration des PCM in den Verflüssiger der Energieverbrauch um 10 Prozent gesenkt werden, beim Verdampfer um 12 Prozent, insgesamt schließlich um 17 Prozent. Dabei sind die Verdampfungstemperatur und die Verflüssigungstemperatur jeweils 6 K höher bzw. geringer. Die Temperaturschwankung im Kühlschrank wurde von 5,2 auf 0,6 K gesenkt, bzw. die Zykluszeit von 1,25 auf 5,9 h gesteigert. Damit eignet sich ein so ausgestatteter Kühlschrank für das zeitliche Energiemanagement.
Mit dem Energie-management von Kühlschränken befassten sich ebenfalls Jens Waschull u. a., indem sie einen Kältespeicher (Salz-Wasser-Eutektika) mit integrierten Wärmeübertragern entwickelten und den Wärmeübergang zwischen Kältespeicher und Kühlraum mit einem Wärmerohr realisierten und ihn beeinflussten. Die energetisch optimale Steuerung des Prozesses erfolgte über eine WLAN-gekoppelte Steuereinheit. Bei einer großen Anzahl so ausgerüsteter Kühlschränke wäre damit die Stabilisierung des Energieverbrauches ebenso wie beim vorhergehenden Projekt möglich.
Klimatechnik
Peter Schrank u. a. be-schäftigten sich mit der Luftkonditionierung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Diese Aufgabe zu erfüllen bedeutet, dass die Anlage als größter Nebenverbraucher wirkt. Es ist notwendig, um eine Wärmepumpenfunktion zu installieren, die Motorabwärme und die Wärmeströme aus der Batteriekühlung und Elektroniksystemen als Wärmequelle für die Wärmepumpe zu nutzen und optimale Kältemittel zu wählen, was HFO 1234 yf und R 744 sind. Ein Elektroverdichter und ein innerer Wärmeübertrager gehören ebenfalls dazu. Als Varianten stehen ein indirekter oder ein direkter Kältekreislauf zur Auswahl. Im Ergebnis umfangreicher Vergleiche erweist sich ein indirektes R 744-System mit Wärmepumpenschaltung als Lösung mit dem geringsten Energieverbrauch.
Alois Steiner u. a. stellten die Klimatisierung von Schienenfahrzeugen mit Wärmepumpenfunktion mit dem Kältemittel R 744 vor. Die Wärmepumpennutzung führt für den Heizprozess zu einem 50 Prozent gesenkten Energieverbrauch gegenüber elektrischer Direktheizung. Dabei ist aber ein Abtauen des Verdampfers erforderlich, was durch Heißgas mit Kreislaufumkehr erfolgt. Für den Enteisungsbetrieb wurden Ergebnisse vorgestellt, z. B. die Enteisungszeit von 250 s bei Einleitung der Enteisung druckabhängig bei 450 Pa. U.A.
Alois Steiner
Kommentar
Natürlich gab es noch viel mehr an Vorträgen als hier rezensiert. Und einige, die der Rezensent gehört hat, fehlen in dieser kurzen Übersicht. Entweder fehlte ihnen Tiefgang oder sie waren überdeutlich nahe an PR-Darstellungen. So ist es zwar beeindruckend zu erfahren, dass eine bestimmte Maschine gegenüber dem Vorgängertyp nun exzellente Parameter aufweist, aber der wissenschaftlich-technische Hintergrund im Verborgenen bleibt. Ähnlich sieht es aus, wenn aufgerechnet wird, welche hervorragenden Energieersparnisse beim Wechsel von neuen Geräten gegen veraltete erreicht wurden, ohne die technischen Entwicklungen zu benennen, die sich dahinter verbergen. Auch ist die Darstellung der die Ökodesign-Richtlinie erfüllenden eigenen Produkte eine interessante Datensammlung, die aber in die PR-Unterlagen des Herstellers gehört. Und die Aussage, dass die jetzigen Produkte schon die Anforderungen der Zukunft erfüllen, wäre doch eher dazu geeignet, die zu geringen Zielsetzungen zu analysieren. Selbst hier besprochene Vorträge sind nicht immer frei von diesen Unzulänglichkeiten.
Natürlich ist einzusehen, dass Referenten aus betrieblichen Entwicklungsabteilungen einerseits ihre neuesten Ergebnisse nicht völlig offenlegen können und andererseits nicht auf eine derartig hochrangige Werbegelegenheit verzichten wollen. Aber von der ersten Ausführung darf es nicht zu wenig sein, was geboten wird, und von der zweiten nicht zu viel. Da fragt man sich zum Schluss, was es mit dem Peer Review auf sich hat, wozu sich vor mehreren Jahren der DKV bekannt hat? Ist das nur ein Lippenbekenntnis? Die Hoffnung bleibt, dass es damit zukünftig besser klappt. U.A.
