Projekt 08489/01

Entwicklung luftgekühlter Flüssigkeitskühler mit dem Kältemittel CO2

Projektträger

Technische Universität Braunschweig Institut für Thermodynamik
Hans-Sommer-Str. 5
38106 Braunschweig
Telefon: 0531/391-2627 (Sekre

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Flüssigkeitskühler, wie sie in zentralen Klimaanlagen von großen Gebäuden oder auch in der Industrie zum Einsatz kommen, tragen durch den Ausstoß von synthetischen Kältemitteln in bedeutendem Maße zur Zerstörung der Ozonschicht und zum Treibhauspotential bei. Das Forschungsvorhaben soll klären, ob das natürliche Kältemittel Kohlendioxid eine entsprechende wirtschaftliche und energetische Alternative zu den synthetischen Kältemitteln darstellt. Dazu soll im Rahmen des Forschungsvorhabens ein luftgekühlter Flüssigkeitskühler mit dem Kältemittel CO2 entwickelt werden. Der CO2-Flüssigkeitskühler soll mit der Warmwasserbereitung gekoppelt werden können und über einen luftgekühlten Low-Flow-Gaskühler verfügen. Im Vergleich zu konventionellen Anlagen soll eine Vermeidung synthetischer Käl-temittel, eine deutlich höhere Gesamteffizienz, Minderung der Lärmentwicklung, sowie eine bedeutende Wasserersparnis durch den Ersatz wassergekühlter Flüssigkeitskühler erzielt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Forschungsvorhabens soll zunächst ein einfacher CO2-Flüssigkeitskühler aufgebaut und wissenschaftlich untersucht werden. In einem weiteren Arbeitspaket wird das Basisgerät für die Wärmeauskoppelung erweitert und erneut experimentell und theoretisch untersucht. Auf der Basis detaillierter Berechnungen soll ausgehend vom Basisgerät ein CO2-Flüssigkeitskühler mit einer neuartigen fortgeschrittenen Schaltungsvariante aufgebaut und wissenschaftlich untersucht werden. Auch hier erfolgt eine experimentelle und theoretische Untersuchung der Wärmeauskoppelung. Es wird erwartet, dass sich dieser innovative Flüssigkeitskühler gegenüber der konventionellen Technik durch eine langfristige Reduzierung des Ausstoßes synthetischer Kältemittel und durch eine Verminderung des Gesamtenergieverbrauchs auszeichnet. Weiterhin soll ein detailliertes objektorientiertes Berechnungsmodel eines luftgekühlten Gaskühlers erstellt werden. Das Modell wird zur Optimierung eines geräuscharmen Gaskühlers mit minimalem Luftvolumenstrom (Low-Flow-Gaskühler) verwendet. In Zusammenarbeit mit der Fa. Bock soll der in einem DBU-Projekt entwickelte CO2-Fahrzeug-Verdichter für stationäre Anwendungen weiterentwickelt werden. Dazu wird die Ventilplatte mit Unterstützung von Indikatormessungen optimiert. Es wird eine Konzeptstudie für ein alternatives Gehäusematerial durchgeführt. Ebenso wird in Hinblick auf die zukünftige Entwicklung eines Hermetikverdichters eine Konzeptstudie für eine optimale Motorkühlung erstellt.


Ergebnisse und Diskussion

Der Aufbau und die Untersuchung eines einstufigen CO2-Flüssigkeitskühlers wurden wie geplant durchgeführt. Im Bereich der Klimatisierung hat sich diese Anlage bei hohen Umgebungstemperaturen über 27°C im Vergleich zu den besten konventionellen Anlagentypen wie erwartet als nicht konkurrenzfähig erwiesen.
Als fortgeschrittene Kreislaufvariante wurde ein neuartiger zweistufiger CO2-Kältekreislauf entwickelt. Eine herunterskalierte Anlage wurde aufgebaut und experimentell untersucht. Die Ergebnisse konnten zur Kalibrierung einer umfangreich erweiterten Simulationsumgebung genutzt werden. Die Leistungsziffern der zweistufigen Anlage übertreffen diejenigen konventioneller Systeme selbst bei der Annahme ungünstiger Verdichterkennlinien deutlich. Hier kann ein erheblicher ökologischer Nutzen durch den Umstieg von konventionellen Systemen auf die neuartigen Anlagentypen erzielt werden.
Die Brauchwassererwärmung durch die Abwärme eines Flüssigkeitskühlers anstelle von Gas- oder Elektroboilern bietet ein hohes Potential zur Energieeinsparung. Einstufige CO2-Flüssigkeitskühler haben sich hierbei als ebenso effizient wie die untersuchte zweistufige Variante herausgestellt.
Der Einsatz eines Low-Flow-Gaskühlers hat sich als energetisch nicht sinnvoll erwiesen. Der Mehrverbrauch durch ungünstigere Betriebszustände übersteigt das mögliche Einsparpotential deutlich.
Der CO2-Verdichter der Firma Bock konnte hinsichtlich der Ventilplatte wie geplant verbessert werden. Für einen Halbhermetik-Verdichter konnte nicht nur wie vorgesehen eine Konzeptstudie erstellt werden, sondern erste Exemplare eines solchen Verdichters konnten bereits von der Firma Bock gebaut werden.
Durch die höheren Leistungsziffern lassen sich bei Einsatz eines zweistufigen CO2-Flüssigkeitskühlers anstelle eines konventionellen Systems zur Hotelklimatisierung (1400kW Kälteleistung) unter tropischen Temperaturen (Recife) zwischen 1,8 und 9,8 Tonnen CO2-äquivalenter Treibhausgase pro Jahr einsparen. Durch die Vermeidung der Leckage synthetischer Kältemittel in die Umwelt werden je nach Ausfüh-rung der ersetzten Anlage jährlich weitere 1,5 bis 61,2 Tonnen CO2-äquivalenter Treibhausgase einge-spart. Die Brauchwassererwärmung wird üblicherweise in den Hotels der untersuchten Region Recife durch Gas- oder Elektroboiler realisiert. Für eine typische Hotelanlage lassen sich durch Nutzung der Abwärme der Flüssigkeitskühler die Emissionen CO2-äquivalenter Treibhausgase um 138 bzw. 375 Tonnen pro Jahr verringern.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Michael, C.:
Techno-ökonomische Analyse einer Kälte-/Wärmekopplung von CO2-Flüssigkeitskühlern in tropischen Gebieten, Technische Universität Braunschweig, Diplomarbeit, 2001
Junior, C.:
Inbetriebnahme und Simulation eines zweistufigen Flüssigkeitskühlers, Technische Universität Braunschweig, Studienarbeit, 2004
Köhler, J. ; Tegethoff, W. ; Lemke, N. ; Correia, C. ; Cavalcante, P.:
CO2 - Total Cycle and Components. In: VDA Alternate Refrigerant Winter Meeting - Automotive Air-Conditioning and Heat Pump Systems, Saalfelden, 2003
Försterling, S.:
Vergleichende Untersuchung von CO2-Verdichtern in Hinblick auf den Einsatz in mobilen Anwendungen. Cuvillier Verlag, Göttingen, 2004


Fazit

Insgesamt hat sich das Konzept des CO2-Flüssigkeitskühlers als sehr vielversprechend herausgestellt. Durch die Vermeidung synthetischer Kältemittel, die effiziente Brauchwassererwärmung und die deutlich höheren Leistungsziffern des neuartigen zweistufigen Kreislaufs im Vergleich zu konventionellen Systemen lässt sich die Freisetzung von Treibhausgasen deutlich reduzieren.
Der Aufbau eines leistungsstärkeren, seriennahen Prototypen und die Untersuchung vor Ort bzw. im Langzeitversuch in der Klimakammer sollten die nächsten logischen Schritte zur Umsetzung der im Rahmen des Projektes entwickelten Technologien sein.