Projekt 02519/01

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

Projektträger

Universit√§t HannoverInstitut f√ľr K√§ltetechnik und angewandte W√§rmetechnik
Welfengarten 1 A
30167 HannoverZielsetzung und Anlass des Vorhabens Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, M√∂glichkeiten f√ľr den wirtschaftlichen Einsatz des energetisch g√ľnstigen K√§ltemittels Ammoniak, das weder ein Ozonabbau- noch ein Treibhauspotential besitzt, in K√§lteanlagen kleiner und mittlerer Leistung experimentell zu untersuchen. Dabei sollten die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten f√ľr Ammoniak-K√§lteanlagen durch die Verwendung des Werkstoffes Aluminium anstelle der bislang √ľblichen Stahlwerkstoffe verringert werden. Die Sicherheit solcher Systeme sollte zum einen durch eine vollst√§ndige Hermetisierung mit Hilfe vermehrt nicht l√∂sbarer Verbindungen und eines eigens im Rahmen dieses Projektes entwickelten, halbhermetischen Ammoniak-Verdichters realisiert werden. Zum anderen wurde durch den Einsatz kompakter Apparate sowie eines ammoniakl√∂slichen Schmierstoffes, mit dessen Hilfe eine einfache Anlagenschaltung mit Trockenexpansionsverdampfung und selbstt√§tiger √Ėlr√ľckf√ľhrung, wie sie bislang den halogenierten K√§ltemitteln vorbehalten war, untersucht werden, die notwendige K√§ltemittelf√ľllung reduziert werden. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur experimentellen Untersuchung des Werkstoffes Aluminium, verschiedener Verbindungstechniken und der trockenen Verdampfung in Plattenw√§rme√ľbertragern wurde eine Versuchsanlage mit einer K√§lteleistung von 10 kW erstellt. Mit Hilfe eines modifizierten Plattenw√§rme√ľbertragers, in dem der letzte von Ammoniak durchstr√∂mte Kanal von au√üen durch eine Glasscheibe vollst√§ndig einsehbar war, konnten im station√§ren Betrieb √úberhitzungen zwischen 5 und 10 K erzielt werden. Zur √úberpr√ľfung und Bewertung der thermischen und chemischen Stabilit√§t der eingesetzten Werk- und Arbeitsstoffe wurden diese in zeitlichen Abst√§nden der K√§lteanlage entnommen und in Labors analysiert. Zur Hermetisierung der Ammoniak-K√§lteanlage wurde von der Bock K√§ltemaschinen 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 √Ėltransport in der K√§lteanlage f√ľr die K√§ltemittel R22 und Ammoniak durchgef√ľhrt wurden. Ergebnisse und Diskussion Die Ergebnisse zeigen, da√ü auch f√ľr das K√§ltemittel Ammoniak unter Verwendung eines l√∂slichen Schmierstoffes eine einfache Anlagenschaltung mit selbstt√§tiger √Ėlr√ľckf√ľhrung und trockener Verdampfung m√∂glich ist. Prinzipiell ist in diesem Leistungsbereich auch die trockene Verdampfung in Plattenw√§rme√ľbertragern m√∂glich. Die dazu notwendige Regelungstechnik steht jedoch noch nicht zur Verf√ľgung. Die Untersuchungen zum √Ėltransport in der K√§lteanlage ergaben f√ľr das K√§ltemittel Ammoniak vergleichbare Ergebnisse wie f√ľr das zu ersetzende H-FCKW-K√§ltemittel R22. Sowohl bei dem K√§ltemittel 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 Beeintr√§chtigungen des Verdichters vorzubeugen, sind Ma√ünahmen zur Reinigung der K√§lteanlage vor deren Inbetriebnahme zwingend notwendig. Zunderr√ľckst√§nde, Verschmutzungen, mineralische oder synthetische Schutz√∂le konnten mit Hilfe eines sogenannten Sp√ľl√∂les entfernt werden. Das Sp√ľl√∂l, bei dem es sich ebenfalls um ein PAG handelt, wurde dabei anstelle des eigentlichen K√§ltemaschinen√∂ls in den Verdichter eingef√ľllt. Zur Reinigung wurde die K√§lteanlage f√ľr einige Stunden mit dem Sp√ľl√∂l und Ammoniak bei moderaten Verdampfungstemperaturen betrieben, um unter Ber√ľcksichtigung der eingeschr√§nkten Mischbarkeit von Sp√ľl√∂l und Ammoniak eine √Ėlr√ľckf√ľhrung aus dem Verdampfer zum Verdichter zu gew√§hrleisten. Wegen der guten Mischbarkeit und Vertr√§glichkeit mit dem verwendeten K√§ltemaschinen√∂l ist im Anschlu√ü an den Reinigungsvorgang ein in der K√§lteanlage verbleibender Rest an Sp√ľl√∂l tolerierbar, so da√ü aufwendige Verfahren zu dessen Entfernung nicht notwendig sind. Mit Aluminium wurde ein Werkstoff untersucht, der √§hnlich wie Kupfer formbar, magnetisch neutral gegen√ľber Ammoniak sowie Gemischen mit bis zu 10 % Wasser best√§ndig ist. Zur Verbindung von Aluminiumrohren wurden als l√∂sbare Verbindungen B√∂rdel- sowie markt√ľbliche Verschraubungstechniken, die zur leichteren Handhabung ein wenig modifiziert wurden, erfolgreich erprobt. Als unl√∂sbare Verbindungstechnik wurde das L√∂ten, wie es in der K√§ltetechnik vorwiegend Verwendung findet, von Hand mit offener Flamme untersucht. Dazu wurde ein hygroskopisches Flu√ümittel eingesetzt, das in Gegenwart von Wasser hochkorrosiv wirken kann, weshalb eine Reinigung der L√∂tstellen vorzunehmen war. Ist eine Reinigung nicht m√∂glich, sollte die Flu√ümittelmenge m√∂glichst sparsam dosiert werden, um den Eintrag des Flu√ümittels in den K√§ltekreislauf m√∂glichst gering zu halten. Nicht verbrauchte Flu√ümittelreste lassen sich auch mit Hilfe des Sp√ľl√∂les nicht beseitigen. Die metallurgischen Untersuchungen best√§tigten den guten Zustand sowohl der verwendeten Aluminiumrohre als auch der ausgef√ľhrten L√∂tverbindungen von Aluminium/Aluminium-Paarungen. Auf das L√∂ten von Aluminium-Stahl-Verbindungen sollte verzichtet werden, da dort neben einer verst√§rkten Korrosion des Aluminiums vermehrt Rostpartikel der eingesetzten Stahlelemente ermittelt wurden. Im Prototyp des halbhermetischen Ammoniak-Verdichters wurden die Kupferwicklungen des Motors durch eine resistente Gu√ümasse vor dem Ammoniak gesch√ľtzt, 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 w√§hrend der Untersuchungen ausfiel und innerhalb der Projektlaufzeit kein weiterer Prototyp zur Verf√ľgung stand. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation Erste Zwischenergebnisse dieses Forschungsvorhabens wurden bereits auf der Internationalen K√§lte- und Klimafachmesse IKK im Oktober 1995 in Essen sowie auf der Jahrestagung des Deutschen K√§lte- und Klimatechnischen Vereins im November 1995 in Ulm pr√§sentiert. Fazit Der wirtschaftliche Einsatz des K√§ltemittels Ammoniak sollte unter Verwendung neuartiger Techniken und Werkstoffe auch in K√§lteanlagen kleiner und mittlerer Leistung prinzipiell m√∂glich sein. Mit Aluminium steht ein kosteng√ľnstiger Werkstoff zur Verf√ľgung, der sich mit Hilfe in der K√§ltetechnik √ľblicher Verfahren bearbeiten und verbinden l√§√üt, wodurch gerade kleinen und mittelst√§ndischen Unternehmen der Einstieg in die Ammoniak-Technik erleichtert wird. F√ľr die praktische Umsetzung der Ergebnisse sind weiterf√ľhrende bzw. zus√§tzliche Untersuchungen vor allem zur Materialbest√§ndigkeit von Aluminium und zur automatischen Regelung der trockenen Verdampfung notwendig. Mittlerweile (1997) werden die Ergebnisse des Forschungsvorhabens technisch in eine Pilotanlage (Ammoniak-Solek√ľhler) umgesetzt.

√úbersicht

Telefon

0511/762-2538

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Bundesland

Niedersachsen

Fördersumme

102.210,31 ‚ā¨

Förderzeitraum

18.07.1994 - 26.07.1996