Projekt 06738/01

Entwicklung einer Milchkühltechnologie mit umweltfreundlichen Kältemitteln

Projektträger

ITEC Entwicklungs- und Vertriebsgesellschaft mbH
Kalkberg 11
04910 Elsterwerda
Telefon: 03533/161672

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Fa. ITEC GmbH in Elsterwerda stellt u.a. Milchkühlanlagen her. Diese Anlagen wurden bisher mit dem Sicherheitskältemittel R22 betrieben. Solche Kältemittel tragen zur Umweltbelastung bei.
Die Fähigkeit eines Stoffes, die Ozon-Schicht zu zerstören, wird mit seinem Ozonzerstörungspotential be-schrieben. Zusätzlich können ausgetretene Kältemittel, ähnlich wie Wasserdampf und CO2, langwellige Strahlung von der Erdoberfläche absorbieren und damit zum Treibhauseffekt beitragen. Diese Eigenschaft wird als das Treibhauspotential bezeichnet. Der indirekte Beitrag zum Treibhauseffekt wird durch den erforderlichen Energiebedarf bedingten Schadstoffausstoß verursacht, bei der Verbrennung fossiler Energieträger entsteht.
Um die Belastung der Umwelt bei dem Betrieb der Milchkühlanlage zu reduzieren, ist das Ziel des Projektes die Erarbeitung eines Konzeptes zur Entwicklung von Milchkühlanlagen nach dem Durchflußprinzip mit Kältemitteln ohne Ozonzerstörungspotential und minimalem Treibhauspotential.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung der Milchkühlanlage wurde in mehreren Phasen durchgeführt. Die erste Phase beinhaltet eine umfassende Studie zum Stand der Technik und den verfügbaren Kältemitteln. Das ausgewählte Kältemittel sollte aus ökologischer Sicht unbedenklich sein und dem Betreiber langfristig eine umweltrechtliche Akzeptanz sichern. Neben den umwelttechnischen Gesichtspunkten spielten auch die Verfügbarkeit und die Kosten der verwendeten Komponenten der Anlage sowie die sich aus den thermodynamischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften des Kältemittels ergebenden Konsequenzen für den Anlagenaufbau eine entscheidende Rolle. Die Überprüfung dieser Punkte erbrachte eine Entscheidung zugunsten des Kohlenwasserstoffes Propan (R290) als Kältemittel.
Aufgrund der Brennbarkeit von Propan schließt sich die Einarbeitung eines Sicherheitskonzeptes an. Bei der Erstellung des Sicherheitskonzeptes für eine Kälteanlage mit Propan ist eine Gefahrenanalyse durchgeführt worden. Diese Gefahrenanalyse beinhaltet die Identifikation von Gefahren, die Bewertung der Eintrittswahrscheinlichkeiten und deren Tragweite in den einzelnen Realisierungsphasen der Kälteanlage. Die Untersuchungen erbrachten die erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen zur Vermeidung von Gefahren, die bei der konstruktiven Umsetzung der Konzeptes berücksichtigt wurden. Aus einer vorläufigen Abschätzung der Kältemittelfüllmenge ließ sich auf die erforderlichen sicherheitstechnischen Maßnahmen für die Kälteanlage und ihren Aufstellungsort schließen.
Das Anlagenkonzeption berücksichtigt die zunächst definierten Anlagenanforderungen, die Leistungsanforderungen zur Milchkühlung und Wärmerückgewinnung sowie die dazu erforderlichen Temperaturen. Auf dieser Grundlage wurden Simulationsrechnungen für verschiedene Kälteanlagenkonzepte durchgeführt. Anschließend wurde eine Vorauswahl des Kältemaschinenöles getroffen. Die Recherche zu Stoffdaten des Öl-Kältemittel-Gemisches ermöglichte eine Abschätzung des Wärmeübertragerverhaltens. Damit konnte eine Auslegung der Anlagenkomponenten mit Unterstützung der jeweiligen Hersteller erfolgen. Die Adaption der kreislaufrelevanten Sicherheitstechnik vervollständigt das Anlagenkonzept.
Die Entwicklung / Erstellung der Versuchsanlage sowie die Leistungsprüfung an der Versuchsanlage stellen den praktischen Teil der Arbeiten dar. Am FKU - Forschungszentrum für Kälte- und Umwelttechnik GmbH Berlin wurde ein Prototyp der Milchkühlanlage erstellt. Eine meßtechnische Untersuchung der Anlage für verschiedene Versuchsbedingungen ermöglichte eine genaue Untersuchung des Betriebsverhaltens und Modifikationen während der Testphase.
Die Erstellung einer Betriebsanleitung, die Beratung bei der Demonstration und der Inbetriebnahme der Kälteanlage sind unterstützende Maßnahmen für einen sicheren Betrieb der Anlage beim Anwender.


Ergebnisse und Diskussion

Die Auswertung der Messungen ergab je nach Auslegungsbedingung des gemessenen Versuches eine Kälteleistung der Versuchanlage bis zu 15,5kW. Die Leistung des Wärmerückgewinnungssystems betrug maximal 15,5kW.
Für den Einsatz eines Scrollverdichters in Verbindung mit Propan lagen bisher keine Erfahrungen vor. Der verwendete Scoll-Verdichter zeichnete sich während der Versuche durch Laufruhe und Zuverlässigkeit aus. Die erzielten Leistungen entsprachen den Erwartungen.
Der Einsatz der Plattenwärmeübertrager hat maßgeblich zur Minimierung der Kältemittelfüllmenge auf unter 2,5 kg beigetragen. Die sicherheitstechnischen Anforderungen sind dadurch in Maßen gehalten. Die Untersuchung des Wärmeübertragungsverhaltens ergab zu den Auslegungsrechnungen geringfügig abweichende Ergebnisse, bedingt durch die Löslichkeit von Propan und dem verwendeten Öl. Ein bei späteren Messungen verwendeter Verdampfer mit verbessertem Verteilungssystem erbrachte eine weitere Leistungssteigerung.
Das ausgewählte Expansionsventil zeigte ein stabiles Regelverhalten. Eine Variation des Anlegeortes des Fühlers zeigte keinen negativen Einfluß auf das Regelverhalten.
Die Untersuchung des Betriebsverhaltens der Kälteanlage ergab, daß der Sammlerdruckregler und die zugehörige Druckleitung zum Sammler nicht erforderlich sind. Die Regelung der Kälteanlage ist auch ohne diese Bauteile immer gewährleistet. Die Investitionskosten können damit weiter reduziert werden.


Fazit

Das Konzept einer kompakten Kälteanlage mit dem Kältemittel Propan hat sich auch im Feldversuch bewährt. Die Einbindung in eine bestehende Milchkühlanlage erfolgte problemlos und störungsfrei.
Eine Kältemittelfüllmenge von 1,5 kg erscheint durch weitere Optimierung der Komponenten möglich. Damit wäre eine weitere Reduzierung der Sicherheitsmaßnahmen bzw. Auflagen möglich.