Projekt 02519/01

Untersuchungen zur Hermetisierung und zum Einsatz neuer Werkstoffe in Ammoniak-Kälteanlagen kleiner und mittlerer Leistung

Projektträger

Institut für Kältetechnik und Angewandte Wärmetechnik an der Universität Hannover
Welfengarten 1 A
30167 Hannover
Telefon: 0511/762-2538

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, Möglichkeiten für den wirtschaftlichen Einsatz des energetisch günstigen Kältemittels Ammoniak, das weder ein Ozonabbau- noch ein Treibhauspotential besitzt, in Kälteanlagen kleiner und mittlerer Leistung experimentell zu untersuchen. Dabei sollten die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten für Ammoniak-Kälteanlagen durch die Verwendung des Werkstoffes Aluminium anstelle der bislang üblichen Stahlwerkstoffe verringert werden. Die Sicherheit solcher Systeme sollte zum einen durch eine vollständige Hermetisierung mit Hilfe vermehrt nicht lösbarer Verbindungen und eines eigens im Rahmen dieses Projektes entwickelten, halbhermetischen Ammoniak-Verdichters realisiert werden. Zum anderen wurde durch den Einsatz kompakter Apparate sowie eines ammoniaklöslichen Schmierstoffes, mit dessen Hilfe eine einfache Anlagenschaltung mit Trockenexpansionsverdampfung und selbsttätiger Ölrückführung, wie sie bislang den halogenierten Kältemitteln vorbehalten war, untersucht werden, die notwendige Kältemittelfüllung reduziert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur experimentellen Untersuchung des Werkstoffes Aluminium, verschiedener Verbindungstechniken und der trockenen Verdampfung in Plattenwärmeübertragern wurde eine Versuchsanlage mit einer Kälteleistung von 10 kW erstellt. Mit Hilfe eines modifizierten Plattenwärmeübertragers, in dem der letzte von Ammoniak durchströmte Kanal von außen durch eine Glasscheibe vollständig einsehbar war, konnten im stationären Betrieb Überhitzungen zwischen 5 und 10 K erzielt werden.
Zur Überprüfung und Bewertung der thermischen und chemischen Stabilität der eingesetzten Werk- und Arbeitsstoffe wurden diese in zeitlichen Abständen der Kälteanlage entnommen und in Labors analysiert.
Zur Hermetisierung der Ammoniak-Kälteanlage wurde von der Bock Kältemaschinen GmbH in Frickenhausen ein halbhermetischer Ammoniak-Verdichter entwickelt und gefertigt. Zur Messung der Verdichterleistung wurde ein Ammoniak-Kalorimeter entsprechend den Anforderungen nach DIN 8977 erstellt, mit dessen Hilfe Verdichterleistungsmessungen und vergleichende Untersuchungen zum Öltransport in der Kälteanlage für die Kältemittel R22 und Ammoniak durchgeführt wurden.


Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse zeigen, daß auch für das Kältemittel Ammoniak unter Verwendung eines löslichen Schmierstoffes eine einfache Anlagenschaltung mit selbsttätiger Ölrückführung und trockener Verdampfung möglich ist. Prinzipiell ist in diesem Leistungsbereich auch die trockene Verdampfung in Plattenwärmeübertragern möglich. Die dazu notwendige Regelungstechnik steht jedoch noch nicht zur Verfügung. Die Untersuchungen zum Öltransport in der Kälteanlage ergaben für das Kältemittel Ammoniak vergleichbare Ergebnisse wie für das zu ersetzende H-FCKW-Kältemittel R22.
Sowohl bei dem Kältemittel Ammoniak als auch bei dem Schmierstoff auf Polyglykolbasis (PAG) handelt es sich um polare Stoffe, die eine hohe Reinigungswirkung besitzen. Um Verstopfungen des Expansionsorgans oder Beeinträchtigungen des Verdichters vorzubeugen, sind Maßnahmen zur Reinigung der Kälteanlage vor deren Inbetriebnahme zwingend notwendig. Zunderrückstände, Verschmutzungen, mineralische oder synthetische Schutzöle konnten mit Hilfe eines sogenannten Spülöles entfernt werden. Das Spülöl, bei dem es sich ebenfalls um ein PAG handelt, wurde dabei anstelle des eigentlichen Kältemaschinenöls in den Verdichter eingefüllt. Zur Reinigung wurde die Kälteanlage für einige Stunden mit dem Spülöl und Ammoniak bei moderaten Verdampfungstemperaturen betrieben, um unter Berücksichtigung der eingeschränkten Mischbarkeit von Spülöl und Ammoniak eine Ölrückführung aus dem Verdampfer zum Verdichter zu gewährleisten. Wegen der guten Mischbarkeit und Verträglichkeit mit dem verwendeten Kältemaschinenöl ist im Anschluß an den Reinigungsvorgang ein in der Kälteanlage verbleibender Rest an Spülöl tolerierbar, so daß aufwendige Verfahren zu dessen Entfernung nicht notwendig sind.
Mit Aluminium wurde ein Werkstoff untersucht, der ähnlich wie Kupfer formbar, magnetisch neutral gegenüber Ammoniak sowie Gemischen mit bis zu 10 % Wasser beständig ist. Zur Verbindung von Aluminiumrohren wurden als lösbare Verbindungen Bördel- sowie marktübliche Verschraubungstechniken, die zur leichteren Handhabung ein wenig modifiziert wurden, erfolgreich erprobt. Als unlösbare Verbindungstechnik wurde das Löten, wie es in der Kältetechnik vorwiegend Verwendung findet, von Hand mit offener Flamme untersucht. Dazu wurde ein hygroskopisches Flußmittel eingesetzt, das in Gegenwart von Wasser hochkorrosiv wirken kann, weshalb eine Reinigung der Lötstellen vorzunehmen war. Ist eine Reinigung nicht möglich, sollte die Flußmittelmenge möglichst sparsam dosiert werden, um den Eintrag des Flußmittels in den Kältekreislauf möglichst gering zu halten. Nicht verbrauchte Flußmittelreste lassen sich auch mit Hilfe des Spülöles nicht beseitigen. Die metallurgischen Untersuchungen bestätigten den guten Zustand sowohl der verwendeten Aluminiumrohre als auch der ausgeführten Lötverbindungen von Aluminium/Aluminium-Paarungen. Auf das Löten von Aluminium-Stahl-Verbindungen sollte verzichtet werden, da dort neben einer verstärkten Korrosion des Aluminiums vermehrt Rostpartikel der eingesetzten Stahlelemente ermittelt wurden.
Im Prototyp des halbhermetischen Ammoniak-Verdichters wurden die Kupferwicklungen des Motors durch eine resistente Gußmasse vor dem Ammoniak geschützt, wodurch energetische Nachteile wie beim Einsatz eines Spaltrohres zwischen Motor und Wicklungen oder ammoniakresistenter Wicklungen aus Aluminium vermieden werden. Eine energetische Bewertung konnte nicht vorgenommen werden, da der Verdichtermotor während der Untersuchungen ausfiel und innerhalb der Projektlaufzeit kein weiterer Prototyp zur Verfügung stand.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Erste Zwischenergebnisse dieses Forschungsvorhabens wurden bereits auf der Internationalen Kälte- und Klimafachmesse IKK im Oktober 1995 in Essen sowie auf der Jahrestagung des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins im November 1995 in Ulm präsentiert.


Fazit

Der wirtschaftliche Einsatz des Kältemittels Ammoniak sollte unter Verwendung neuartiger Techniken und Werkstoffe auch in Kälteanlagen kleiner und mittlerer Leistung prinzipiell möglich sein. Mit Aluminium steht ein kostengünstiger Werkstoff zur Verfügung, der sich mit Hilfe in der Kältetechnik üblicher Verfahren bearbeiten und verbinden läßt, wodurch gerade kleinen und mittelständischen Unternehmen der Einstieg in die Ammoniak-Technik erleichtert wird. Für die praktische Umsetzung der Ergebnisse sind weiterführende bzw. zusätzliche Untersuchungen vor allem zur Materialbeständigkeit von Aluminium und zur automatischen Regelung der trockenen Verdampfung notwendig. Mittlerweile (1997) werden die Ergebnisse des Forschungsvorhabens technisch in eine Pilotanlage (Ammoniak-Solekühler) umgesetzt.