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CO2-Kältekreislauf zur Anwendung im Temperaturbereich unter -50°C - SOLID-C-O-O-L

Das Projekt "CO2-Kältekreislauf zur Anwendung im Temperaturbereich unter -50°C - SOLID-C-O-O-L" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik durchgeführt. Zum 01.01.2015 ist die neue EU-F-Gase Verordnung in Kraft getreten. Ziel ist es, fluorierte Kältemittel mit hohem Treibhauspotential schrittweise aus dem Markt zu drängen. Für Temperaturen oberhalb -50°C stehen bereits synthetische und natürliche Ersatzkältemittel zur Verfügung. Für Temperaturen unterhalb -50°C steht als Sicherheitskältemittel nur R23 mit hohem Treibhauspotential zur Verfügung. Kohlendioxid (CO2) ist ein häufig verwendetes Kältemittel für Kälteanwendungen bis -40°C. Es scheidet bisher für den Temperaturbereich deutlich unter -50°C aus aufgrund des Tripelpunktes bei ca. -56°C. Die Unterschreitung des Tripelpunktes in CO2-Anlagen wird bislang vermieden, da festes CO2 in einem kontinuierlich arbeitenden, geschlossenen Kreislauf als Risiko angesehen wird. Komponenten könnten durch festes CO2 Verblockungen bilden, die den störungsfreien Betrieb erheblich einschränken würden und sogar zum Anlagenausfall führen könnten. Experimentelle Vorversuche zeigen jedoch, dass der Betrieb eines CO2-Kreislaufs unter gewissen Voraussetzungen auch unterhalb des Tripelpunkts möglich ist. Das hierzu angestrebte Verfahren wurde durch die Antragsteller zum Patent angemeldet. Berechnungen haben zudem prognostiziert, dass im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik ein energetisch effizienterer Betrieb unter Ausnutzung aller Aggregatzustände des CO2 (gas, flüssig, fest) möglich erscheint. Die Umweltbilanz gegenüber R23 als Kältemittel ist signifikant besser. Auf Basis der angemeldeten Patentideen sollen zunächst weitere Vorversuche durchgeführt werden, deren Erkenntnisse dann in den Bau eines Demonstrators einfließen. Dieser Demonstrator soll einen stabilen, energieeffizienten und umweltschonenden Betrieb auch unterhalb des Tripelpunkts nachweisen. Das Arbeitsprogramm umfasst zunächst theoretische Optimierungen der zugrundeliegenden Vorgänge im Kreislauf und zugehörige Vorversuche zur Validierung. Die Erkenntnisse fließen anschließend in den Bau einer Demonstratoranlage ein.

Weiterentwicklung von Komponenten für CO2-Kälteanlagen

Das Projekt "Weiterentwicklung von Komponenten für CO2-Kälteanlagen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Energiemaschinen und Maschinenlabor (IEM), Lehrstuhl für Kälte- und Kyrotechnik durchgeführt. Zur Senkung des Energieverbrauchs von Kälteanlagen und Wärmepumpen mit dem umweltfreundlichen Kältemittel Kohlendioxid sollen zwei wichtige Komponenten, der Expander bzw. der Verdampfer weiterentwickelt und messtechnisch untersucht werden. Beim Expander wird auf einer früher entwickelten Maschine in Freikolbenbauweise mit zwei starr miteinander verbundenen Kolben aufgebaut, mit welcher jedoch nur eine Entspannung nach dem Volldruckprinzip möglich war. Nun soll durch einen neuartigen Übertragungsmechanismus zwischen den beiden Kolben eine fast vollständige Entspannung des Kältemittels verwirklicht werden. Dadurch würde eine Wirkungsgradverbesserung des Kreislaufs von etwa 20 Prozent möglich. Bei der Verbesserung des Verdampfers geht es einerseits um die Untersuchung des Einflusses des Wandmaterials und der Wandrauhigkeit auf den Wärmeübergang beim Behältersieden und andererseits um das Betriebsverhalten beim Strömungssieden in der Nähe und unterhalb des Tripelpunkts.

EFFCO2: Anlagenkonzeptionierung und Systemvergleich von CO2-Kälteanlagen mit effizienzsteigernden Maßnahmen im Voll- und Teillastbetrieb

Das Projekt "EFFCO2: Anlagenkonzeptionierung und Systemvergleich von CO2-Kälteanlagen mit effizienzsteigernden Maßnahmen im Voll- und Teillastbetrieb" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik durchgeführt. Als natürliches Kältemittel wird CO2 derzeit und auch in Zukunft verstärkt eingesetzt und steht im Fokus der Forschung hinsichtlich kältetechnischer Prozesse. Mit Blick auf die relativ niedrige kritische Temperatur von 31°C, muss ein System mit CO2 bei höherem Temperaturniveau der Wärmesenke transkritisch betrieben werden. Aufgrund der nicht vorhandenen Phasenwechselenthalpie im oberen Temperaturniveau, wird der einfache Prozess energetisch schlechter als im subkritischen Bereich. In der Fachwelt werden verschiedene Möglichkeiten der energetischen Optimierung von transkritischen CO2-Prozessen diskutiert: der Ejektor und die Expansionsmaschine bzw. ECU (Expansion-Compression-Unit), der (externe) Unterkühlungskreislauf, und die Parallelverdichtung zur Einsparung von Verdichterarbeit. Diese Methoden wurden in einzelnen Studien hinsichtlich Ihres Potentials untersucht. Im Rahmen des hiermit beantragten Projektes sollen die derzeit gewinnbringendsten Strategien sowohl in einer Laboranlage bei nahezu konstanten Bedingungen als auch in einer Modellanlage unter realen Bedingungen implementiert und vergleichend getestet werden. Damit kann erstmalig nachgewiesen werden, welche Methode tatsächlich das breiteste Einsatzgebiet besitzt und sowohl in Teillast- als auch in Vollastbetriebsfällen gegenüber den übrigen Methoden heraussticht. Weiterhin kann so das größte Optimierungspotential hinsichtlich der Komponente und der Einbindung in einen Kreislauf sowohl eventuelle Probleme hinsichtlich Pulsationen, Regelbarkeit und erreichbarem COP ermittelt werden. Da dieser Vergleich erstmalig sowohl experimentell an ein und derselben Laborkälteanlage sowie einer Modellkälteanlage, als auch im Rahmen von stationären und instationären Simulationen durchgeführt wird, stellt das Projekt einen großen, firmenunabhängigen und wissenschaftlich anspruchsvollen Beitrag für die Welt der Kältetechnik dar.

Zweistufige CO2-Kältemaschine

Das Projekt "Zweistufige CO2-Kältemaschine" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Forschungsschwerpunkt Brennstoffzellen und rationelle Energieverwendung durchgeführt. CO2/NH3-Kaskaden-Kältemaschinen werden bei tiefen Kälteerzeugungstemperaturen eingesetzt. Eine Alternative hierzu bilden CO2-Kälteanlagen mit zweistufiger Verdichtung des Kältemittels. Für verschiedenartige Anlagenschaltungen dieser zweistufigen Kälteanlagen werden systematische thermodynamische Prozessberechnungen mit variierenden Prozessparametern durchgeführt. Dabei werden sowohl unterkritische als auch transkritische Prozesse untersucht. Der Einfluss der Prozessparametervariation auf das Betriebsverhalten der Kälteanlage wird verdeutlicht. Anlagenschaltungen mit und ohne innere Wärmeübertrager sowie mit und ohne arbeitsleistende Expansionsmaschine werden vorgestellt. Auf der Grundlage von Voruntersuchungen für eine Verdampfungstemperatur von -40 Grad Celsius wird die günstigste Prozessvariante ausgewählt. Für diese werden systematisch Berechnungen für Verdampfungstemperaturen zwischen -30 und -50 Grad Celsius und eine Wärmeabgabe bis herunter zu Temperaturen zwischen 10 und 40 Grad Celsius durchgeführt. Außerdem wird die gleichzeitige Nutzung des abgegebenen Wärmestromes zu Heizzwecken oberhalb einer CO2-Temperatur von 40 Grad Celsius in einer Kälte-Wärme-Kopplung untersucht. Auf den Einfluss einer sich ändernden Umgebungstemperatur wird eingegangen. Die ermittelten Daten können als Grundlage für die Auslegung und den Betrieb von CO2-Kälteanlagen herangezogen werden und dazu beitragen, den Einsatz dieses Kältemittels auch auf tiefere Verdampfungstemperaturen auszudehnen, ohne dass dabei - wie bisher in einer Kaskadenkältemaschine erforderlich - zusätzlich zum CO2 ein weiteres Kältemittel eingesetzt werden muss.

Entwicklung einer energieeffizienten transkritischen CO2-Kälteanlage mit Parallelverdichtung und Energierückgewinnung

Das Projekt "Entwicklung einer energieeffizienten transkritischen CO2-Kälteanlage mit Parallelverdichtung und Energierückgewinnung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von TEKO Gesellschaft für Kältetechnik mbH durchgeführt. Konkretes Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer energieoptimierten transkritischen CO2-Kälteanlage mit Parallelverdichtung. Im Fokus des Projekts steht dabei nicht die qualitative konstruktive Implementierung der Parallelverdichtung, sondern die systematische Erforschung und Realisierung des durch diese konstruktive Veränderung erst ermöglichten Energieeffizienzoptimierungspotenzials. Weil durch die Parallelverdichtung eine COP-Verbesserung besonders bei hohen Temperaturen erwartet wird, besteht ein besonders hohes Potenzial für die Energieeffizienzsteigerung bei Einbeziehung einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung. Die synergetische Kombi-nation beider Elemente - Parallelverdichtung und Wärmerückgewinnung vor dem Gaskühler - stellt daher ein zentrales Element unseres Projektes sowohl im Hinblick auf die Anlagenauslegung und -entwicklung als auch die Ausarbeitung einer Regelstrategie dar, die die Gesamtenergiebilanz der Anlage (elektrische Leistungsaufnahme, Kälteleistung und rekuperierte Wärmeleistung) der Energieeffizienzoptimierung zugrundelegt. Die im Antrag gesteckten Ziele hinsichtlich der Energieeffizienzverbesserung (ca. 20% bei 30 Grad Celsius) konnten erreicht und übertroffen werden. Die neu entwickelte Regelstrategie, welche erstmals auch eine Regelung des Mitteldruckniveaus um-fasst, spielt für die Erreichung dieses Ziels eine wichtige Rolle. Ein sinnvoller ECO-Betrieb erscheint gemäß den Projektergebnissen sinnvoll ab einer Außentemperatur von 10 bis 15 Grad Cel-sius, etwas höher als im Antrag erwartet. Die Auswirkungen auf die energetische Gesamtbilanz dürften jedoch minimal sein. Eine Einschränkung gegenüber dem Antrag ist darin zu sehen, dass eine optimale Regelung eine Auslegung der Anlegenkomponenten auf höhere Mitteldruckniveaus erfordern würde, als sie heute üblich sind. Dies ist technisch nicht allzu problematisch; die Preisentwicklung solcher Komponenten hängt jedoch davon ab, ob unsere Technologie eine entsprechende Nachfrage generieren kann. Da eine Begrenzung des Mitteldruckniveaus auf die derzeit anlagentechnisch üblichen Werte in der Regelung die erzielbare Energieeffizienz nur geringfügig einschränken würde, sind die Verwertungsaussichten aber nicht substantiell gefährdet.

Recommendations to safety guidelines and standards to help directly the use and appli-cation of natural refrigerants

This guidance document gives an introduction to the issues regarding the safe handling of natural refrigerants. This includes an overview of existing standards and regulations, as well as relevant properties of alternative refrigerants and necessary safety measures.The document concludes with three examples of alternative refrigerants applied in practice.

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