Login

Kennwort:
Kennwort vergessen?

Statusberichte Nr. 20


DKV:
Kohlendioxid - Besonderheiten und Einsatzchancen als Kältemittel (Ausgabe 2006); Als CD-ROM erhältlich


Vorbemerkungen

E. Wobst, ILK Dresden

Ausgehend von den Vorschriften und Regelungen für den Ausstieg aus der Anwendung von FCKW und H-FCKW nimmt das Interesse an natürlichen Kältemitteln als Alternative zu. Natürliche Kältemittel wie Ammoniak, Wasser, Kohlenwasserstoffe, Luft (Edelgas) und Kohlendioxid stehen für den gesamten Temperaturbereich der Kompressionskältemaschinen (-120 °C bis 20 °C) zur Verfügung, sie haben kein Ozonzerstörungspotential und kein oder nur ein geringes Treibhauspotential. Zum Teil wurden sie seit dem vorigen Jahrhundert genutzt, bis sie in der Mitte dieses Jahrhunderts von den FCKW allmählich verdrängt wurden. Ammoniak, das 1864 erstmalig verwendet wurde, hat sich in Großkälteanlagen bewährt. Es gewinnt im Zusammenhang mit der FCKW-Ablösung im Bereich mittlerer und kleiner Leistungen weiter an Bedeutung. Forschungsergebnisse neueren Datums sind z. B.: · Hochleistungsverdampfer mit höherem spezifischen Wärmestrom und geringerem spezifischen Masseeinsatz, · reduzierte Kältemittelfüllung, · Gemisch Ammoniak/DME mit niedrigen Verdichtungsendtemperaturen und besseren Bedingungen zur Ölrückführung, · Einsatzchancen für Kupferwerkstoffe in Ammoniakanlagen. Aufgrund der Toxizität und der Brennbarkeit des Ammoniaks ist kein uneingeschränkter Einsatz zu erwarten. Kompressionskältemaschinen mit Wasser als Kältemittel dienen vorzugsweise der Kaltwassererzeugung für Klimaanlagen im Kälteleistungsbereich ab 500 kW. Neben den bereits in Betrieb befindlichen Beispielanlagen steht der Bau weiterer Anlagen unmittelbar bevor. Kohlenwasserstoffe sind als Kältemittel in Haushaltsgeräten eingeführt. Weitere Einsatzmöglichkeiten werden durch sicherheitstechnische Aspekte bestimmt. Dazu sind klare Vorschriften und Regelungen, die das Herstellerrisiko kalkulierbar machen, zu schaffen. Einsatzmöglichkeiten für Kaltluftkältemaschinen bestehen bei tiefen Nutztemperaturen und bei Abgasenergienutzung. Die Anwendung wird auf Spezialgebiete beschränkt bleiben. Zur Palette der natürlichen Kältemittel gehört auch das nicht brennbare und nicht toxische Kohlendioxid. Forschungen zum Kohlendioxid, das 1866 erstmalig als Kältemittel verwendet wurde und in den fünfziger Jahren aus der Anwendung verschwand, erlebten Ende der achtziger Jahre durch die Arbeiten von Lorentzen und Mitarbeitern eine Renaissance. Zukünftige Einsatzgebiete liegen bei der Fahrzeugklimatisierung, Wärmepumpen, transportablen Klimageräten kleiner Leistung, Luftentfeuchtungsgeräten und Trocknern. Herr Dr. Jakobs, Vorsitzender des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins, regte an, den gegenwärtigen Stand der vielfältigen internationalen Aktivitäten zum Kohlendioxid in einem DKV-Statusbericht darzustellen. Diese Anregung wurde vom Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden, unterstützt vom Institut für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik der Universität Essen, aufgegriffen und mit dem vorliegenden Statusbericht „Kohlendioxid - Besonderheiten und Einsatzchancen als Kältemittel“ realisiert. An eine Darstellung der historischen Entwicklung schließt sich das Kapitel der Stoffeigenschaften des Kohlendioxids an. Seite thermophysikalischen Eigenschaften sowie seine Wechselwirkungen mit Kältemaschinenölen, Werkstoffen und der Umwelt werden umfassend dargestellt. Das Kapitel „Prozeßführung“ beinhaltet theoretische und experimentelle Ergebnisse zur Gestaltung von Kältemittelkreisläufen für CO2-Kälteanlagen. Im Kapitel „Stand der Technik und Entwicklungspotential“ stehen Verdichter, Wärmeübertrager, Armaturen, Verbindungselemente und Regelgeräte im Mittelpunkt der Darstellung. Da dieses Kapitel wesentlich von der Zuarbeit spezieller Firmen abhängt, war eine Vollständigkeit aus unterschiedlichen Gründen noch nicht zu erreichen. Auch im Kapitel „Anwendungen“ bleiben einige Lücken. Während die Klimatisierung von Personenkraftwagen und Omnibussen vertreten ist, wurde die Freigabe erster Ergebnisse bei der Klimatisierung von Schienenfahrzeugen leider nicht erreicht. Die Problematik der Wärmepumpen ist umfassend dargestellt und enthält auch den Stand der Klimaanlagen. Ebenfalls werden Trockner mit CO2 als Kältemittel beschrieben. Das letzte Kapitel des Berichts beinhaltet Fragen der Sicherheit von CO2-Kälteanlagen. Es gelang, führende Experten aus Deutschland, Norwegen, Dänemark und Österreich für die eigenverantwortliche Bearbeitung der einzelnen Abschnitte zu gewinnen. Damit ist insbesondere die Aktualität gewährleistet. Unterschiede in der fachlichen Darstellung sind vor allem Ausdruck des differenzierten Erkenntnisstandes auf dem jeweiligen Teilgebiet und der vertraulichen Behandlung von Forschungsergebnissen. Es wurde nicht versucht, individuelle Unterschiede einzelner Abschnitte auszugleichen. Der vorliegende Statusbericht sollte in angemessener Zeit aktualisiert und überarbeitet werden. Insgesamt zeigt der Statusbericht, daß bereits viele Ergebnisse zur Wiedereinführung von CO2 als Kältemittel vorliegen. Er läßt aber auch weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarf erkennen. Bis zu einer breiten Anwendung sind noch anspruchsvolle Aufgaben z. B. beim Werkstoff- und Schmierstoffeinsatz, bei der Entwicklung serienmäßig hergestellter Komponenten, der Regelung und Sicherheit zu bearbeiten.

Die Organisatoren des Statusberichtes bedanken sich bei allen Mitwirkenden für ihre Arbeit und ihr Engagement.

Zur Neuauflage (Oktober 2004)

Der DKV-Statusbericht Nr. 20 „Kohlendioxid – Besonderheiten und Einsatzchancen als Kältemittel“ ist im November 1998 erschienen. Der Bericht ist immer noch stark nachgefragt aber vergriffen. Da die Entwicklung auf dem Gebiet in den letzten Jahren vorangeschritten ist und neue Anwendungsgebiete hinzugekommen sind, hat der DKV beschlossen, eine neue stark überarbeitete Auflage herauszugeben. Die Arbeiten dazu laufen. Allerdings arbeiten alle Autoren „ehrenamtlich“ und benötigen einen bestimmten Zeitrahmen, so dass mit dem Erscheinen der neuen Fassung erst 2005 gerechnet werden kann. Um die Zeit zu überbrücken, bietet der DKV den Stausbericht in der alten Fassung auf CD an. Zusätzlich wurden neuere DKV-Veröffentlichungen als Anhang zusammen mit einer Liste weiterer interessanter Veröffentlichungen zu diesem Thema hinzugefügt.

Zur Neuauflage (Februar 2006)

Der DKV veröffentlichte 1998 den Statusbericht „Kohlendioxid – Besonderheiten und Einsatzchancen als Kältemittel“. Ausgelöst durch das Montreal-Protokoll, den daraus resultierenden nationalen Regulierungen zum Ausstieg bzw. Verbot der chlor- und/oder bromhaltigen Kohlenwasserstoffe sowie die aus dem Kyoto-Protokoll abgeleiteten Reduzierungen der Emission von Treibhausgasen, speziell den fluorierten Verbindungen, gewann Kohlendioxid als natürlich vorkommen der Stoff wieder an Interesse und Bedeutung als Kältemittel. Kompressionskälteanlagen und Kompressionswärmepumpen mit Kohlendioxid unterscheiden sich von den üblichen Anlagen insbesondere durch die hohe Drucklage und die in vielen Anwendungen transkritische Prozessführung. Der Statusbericht enthält die wichtigsten Informationen zu dieser Thematik nach dem damaligen Entwicklungsstand, der sich vor allem auf den hochdruckseitig überkritischen Prozess, dessen Grundlagen und Anwendungen beschränkt. Zahlreiche theoretische Arbeiten standen einer relativ dünnen Decke verfügbarer Hardware für Experimente und Erzeugnisentwicklungen gegenüber. In der Zwischenzeit wurden sowohl theoretische als auch experimentelle Arbeiten weltweit fortgesetzt. Zusätzliche Anwendungen, z. B. der Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel in Kaskadenkälteanlagen, wurden neu erschlossen und auch realisiert. Diese aktuelle Situation und das anhaltende Interesse am Statusbericht führten zur Entscheidung des DKV, einen neuen, erweiterten Bericht zu erarbeiten. Das Konzept für den neuen Bericht und auch das Gewinnen kompetenter Autoren gestaltete sich unkompliziert, unerwartet schwierig dagegen die eigentliche Bearbeitung, die sich außerdem zeitlich erheblich verzögerte. Aus den unterschiedlichsten Gründen ist es nicht gelungen, alle Kapitel von den Autoren zu erhalten. Unter den nicht vorliegenden Zuarbeiten befinden sich auch wesentliche, ohne die der Bericht Stückwerk bleibt. Dies kann man an dem geplanten Inhaltsverzeichnis ablesen. Da es nicht komplett umgesetzt wurde, mag der Verzicht auf einen gedruckten zweiten Bericht zwar schwer fallen, aber er ist wohl verständlich. In der Zwischenzeit hatte sich der DKV entschlossen, der o. g. Statusbericht war mittlerweile vergriffen, dessen Text erweitert um Beiträge der DKV-Jahrestagungen über CO2 auf einer CD zusammenzustellen und anzubieten. In der geschilderten Situation liegt es nun auf der Hand, diese CD mit den vorliegenden Zuarbeiten als Folge von Einzelbeiträgen zu erweitern. Insgesamt betrachtet ist das eine Sammlung bedeutsamer wissenschaftlich-technischer Informationen zum Thema „Kohlendioxid als Kältemittel“, die man durch künftige Ergänzungen aktuell halten kann. Zusätzlich sind sicherlich die zahlreichen Literaturangaben hilfreich.Allen Autoren, die mit ihren Arbeiten zur vorliegenden elektronischen Version beigetragen haben, sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Prof. E. Wobst, Dr. E. Kraus
Dresden, 30.01.2006

Inhaltsverzeichnis

 

1. Vorbemerkungen

Vorbemerkungen Ausgabe 2006
E. Wobst
ILK Dresden
E. Kraus
Dresden


Vorbemerkungen Ausgabe 1998/2004
E. Wobst
ILK Dresden


2. Historische Entwicklung

Historische Entwicklung
H. Thießen
ILK Dresden

3. Stoffeigenschaften

3.1 Thermophysikalische Eigenschaften von CO2
R. Span, Universität Bochum
N. Flacke, Universität Essen

3.2 CO2 und Kältemaschinenöl
R. Heide, ILK Dresden

W. Bock, Fuchs Mineralölwerke GmbH Mannheim

3.3 CO2 und Werkstoffe
J. Schenk, ILK Dresden

3.4 CO2 und Umwelt
S. Grohmann; J. Schenk, ILK Dresden

4. Prozeßführung

4.1 Process with high-pressure control
J. Pettersen, SINTEF Trondheim

4.2 Prozeßführung ohne Hochdruckregelung
S. Grohmann; E. Wobst, ILK Dresden

4.3 Innerer Wärmeaustausch
S. Grohmann; E. Wobst, ILK Dresden

4.4 Energetische Bewertung konventioneller und transkritischer Kaltdampfkompressionsprozesse
K. Klöcker; N. Flacke, E.L. Schmidt, Universität Essen

5. Stand der Technik und Entwicklungspotential

5.1 CO2-Verdichter
H. Kaiser, Bock Kältemaschinenfabrik GmbH & Co Frickenhausen

5.2 CO2-Verdichter speziell für PKW-Klimatisierung
S. H. Joergensen, Danfoss Nordborg

5.3 Wärmeübertrager
N. Flacke, Universität Essen

5.4 Wärmeübertrager für die Fahrzeugklimatisierung
Ch. Walter, Behr GmbH & Co Stuttgart

5.5 Regelventile für CO2-Kälteanlagen
U. Schaffranietz, Otto Egelhof GmbH & Co Fellbach

5.6 Line Components für CO2-Kälteanlagen
F. Broesby-Olsen, Danfoss Nordborg

5.7 Dichtheit von CO2-Kälteanlagen
R. Birndt, ILK Dresden

6. Anwendungen

6.1 PKW-Klimatisierung
H. Gentner, BMW AG, München

6.2 Bus-Klimatisierung
J. Köhler; M. Sonnekalb; N. Lemke, KONVEKTA / IPEK Schwalmstadt

6.3 Anwendung des transkritischen CO2-Prozesses auf Trocknungswärmepumpen
K. Klöcker, N. Flacke, E.L. Schmidt, Universität Essen

6.4 Heat Pumps
R. Rieberer, Universität Graz
P. Neksa; R. Aarlien, SINTEF Trondheim


7. Sicherheit von CO2-Kälteanlagen

7.1 Sicherheitsaspekte bei stationären Anlagen
W. E. Kraus, TU Dresden


8. Einzelbeiträge 2005/2006

8.1 Thermische Zustandsgrößen und Transportgrößen von Kohlendioxid (R744)
R. Schrey, Universität Essen

8.2 Die thermophysikalischen Eigenschaften von Kohlendioxid
R. Span, Universität Paderborn
R. Schrey, Universität Essen

8.3 CO2 und Werkstoffe
M. Junk, J. Schenk
ILK Dresden

8.4 CO2 und Kältemaschinenöl
R. Heide, ILK Dresden
W. Bock, Fuchs DEA Schmierstoffe GmbH & Co. KG

8.5 Verdampfung
S. Löbl, Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik, TU Dresden
A.-E. Schael, Institut für Thermische Verfahrenstechnik, Universität Karlsruhe

 

8.6 Transkritische Prozesse
A. Hafner, SINTEF Energy Research, Trondheim, Norwegen
J. Pettersen, NTNU Trondheim, Norwegen

8.7 Arbeitsleistende Entspannung
P. Heyl, Visteon Deutschland GmbH

8.8 Prozessmodellierung und Simulation
W. Tegethoff, J. Köhler
Institut für Thermodynamik, TU Braunschweig

8.9 Expansionsorgane im AC-Kältekreislauf mit R744 in Kraftfahrzeugen
J.-J. Robin, C. Blauth
Otto Egelhof GmbH & Co. KG, Fellbach

8.10 PKW-Klimatisierung mit CO2
J. Reichelt, M. Petz
TWK Test- und Weiterbildungszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik gGmbH Karlsruhe

8.11 Busklimaanlagen und Transportkälteanlagen mit dem Kältemittel CO2
N. Lemke,TLK-Thermo GmbH, Braunschweig
J. Köhler, Institut für Thermodynamik, TU Braunschweig
M. Sonnekalb, S. Saiz
Konvekta AG, Schwalmstadt

8.12 CO2-Wärmepumpen
R. Rieberer, Institut für Wärmetechnik, TU Graz, Österreich
J. Stene, P. Neksa
SINTEF Energy Research, Trondheim, Norwegen

8.13 Dichtheit von CO2-Kälteanlagen
R. Birndt, ILK Dresden

9. Anhang

9.1 Energie- und Stoffbilanzen in einem CO2-Kältekreislauf
Rudolf Eggers, Andreas Struwe, Stephan Wegerich
Technische Universität Hamburg-Harburg

9.2 HFCKW-Ausstieg Umrüstung Umrüstung einer industriellen Tieftemperaturkälteanlagen
von R22 auf CO2/NH3-Kaskadensystem
Dipl.-Ing. Holm Gebhardt
Nestec, Engineering Department, Vevey, Schweiz

 

9.3 Froster und TK-Lagerkühlung mit CO2/NH3-Kompressionsanlagen
Kai Selmer
YORK Industriekälte GmbH, Glinde

 

9.4 Experimentelle Untersuchung des Betriebsverhaltens einer CO2-Kaskadenanlage
Dipl.-Ing. Rüdiger Roth, Dipl.-Ing. Holger König
AXIMA Refrigeration GmbH, Lindau

 

9.5 Schraubenverdichter in CO2-Kälteanlagen - Anforderungen und Ergebnisse
Dr. Mosemann
Grasso GmbH Refrigeration Technology, Berlin

 

9.6 CO2-Kompressions-Wärmepumpe mit Gasmotorantrieb
Dr.-Ing. Rudolf Heidelck
FKW GmbH, Hannover

 

9.7 Variantenstudien von R134A- und CO2- Klimaanlagen mit Hilfe von Simulationswerkzeugen
Josef Hager, Thomas Anzenberger
MAGNA STEYR ENGINEERING CENTER STEYR, Steyr
Dr. Frank Vetter, Dr. Martin Mann, David Oberle
MODINE Europe GmbH, Filderstadt
 

9.8 Wärmeübergang und Druckverlust beim Strömungsverdampfen von CO2 in horizontalen Glattrohr
A.E. Schäl
Universität Karlsruhe, Institut für Thermische Verfahrenstechnik

9.9 Schmierölverteilung und Strömungszustände in einem CO2-Kältekreislauf
bei transkritischer Betriebsweise
H. Marckmann, R. Eggers
TU Hamburg-Harburg
J. Fahl
Fuchs Europe Schmierstoffe GmbH, Hamburg


9.10 Wo liegt die untere Leistungsgrenze des transkritischen CO2-Prozesses?
Dr.-Ing. Jürgen Süß
Danfoss A/S, Nordborg / Dänemark

9.11 Entwurf einer zweistufigen Hochdruck-Kälteanlage mit dem
natürlichen Arbeitsstoff Kohlendioxid (R744)
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Fritz Steimle, Dipl.-Ing. Andreas Gernemann
Universität Essen
Institut für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik

9.12 Kälteversorgung einer Tiefkühlkostfabrik mittels CO2/NH3-Kaskadenkälteanlage
Holm Gebhardt
Nestec Ltd., CH-1800 Vevey / Schweiz

9.13 Transiente Prozesssimulation von CO2-Wärmepumpensystemen mit Dymola/Modelica
D. Limperich
DaimlerChrysler AG, Stuttgart
P. Pfafferott, G. Schmitz
TU Hamburg-Harburg

9.14 Ergebnisse von R 744-Wärmepumpen-Applikationen im Fahrzeug
Dr.-Ing. Ullrich Hesse, Dr.-Ing. Michael Arnemann,
Dipl.-Ing. Thomas Hartmann
Zexel Valeo Compressor Europe GmbH, Ludwigsburg

9.15 Hochleistungsschmieröle für CO2-Fahrzeug-Klimasysteme
Jörg Fahl
Fuchs Europe Schmierstoffe GmbH & Co. KG, Hamburg

9.16 Der CO2-Kompressor - Neue Technologie für kühle Köpfe und warme Füße
Dr.-Ing. J. Hinrichs, Dipl.-Ing. B. Brunsch, Dipl.-Ing. W. Parsch
Luk Fahrzeughydraulik GmbH & Co. KG, Bad Homburg

9.17 Wärmeübergang und Druckverlust beim Strömungsverdampfen von CO2 in glatten Rohren
Dipl.-Ing. A.-E. Schael, Prof. Dr.-Ing. M. Kind
Institut für Thermische Verfahrenstechnik
Universität Karlsruhe

9.18 Konzeption, Aufbau und energetische Bewertung einer zweistufigen CO2-Kälteanlage
zur Kältebereitstellung in gewerblichen Normal- und Tiefkühlanlagen
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Fritz Steimle
Institut für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik
Universität Essen
Dr.-Ing. Andreas Gernemann
Linde AG, Köln

9.19 Some important technical aspects of a large low-temperature CO2/NH3-
Cascade-System for Nestlé Japans Himeji Factory
Koji Kishimoto
Kobe Steel Ltd., Japan

9.20 Einsatz von Expansionsorganen in A/C Kältekreislauf mit R744 (CO2)
J.-J. Robin, C. Blauth, R. Winterstein
Otto Egelhof GmbH & Co. KG, Fellbach

9.21 Vergleich koventioneller Zuheizsysteme mit R744-Zuheizsystemen in Automobilen
mit geringem Kraftstoffverbrauch auf Basis eines 1,9 L TDI Motors
Dipl.-Ing. B. Schäfer, Dr. rer. nat. G. Feuerecker,
Dipl.-Ing. D. Heinle, Dipl.-Ing. (FH) T. Strauß
Behr GmbH & Co. KG, Stuttgart

9.22 Elektrisch betriebene Wärmepumpe für Fahrzeuge mit dem Kältemittel R744 (CO2)
Dr. Werner Hünemörder, Nobuharu Kakehashi
Denso Automotive Deutschland GmbH, Eching
Kiwamu Inui
Toyota Motor Co.



10. Autorenverzeichnis

Autorenverzeichnis

CD-ROM
EUR 70,00


Zurück zur Übersicht