Ziel der Entwicklung
Bisherige nicht brennbare Tieftemperaturkältemittel für Anwendungstemperaturen im Bereich zwischen -50 und -80 Grad Celsius tragen wegen ihrer sehr hohen GWP-Werte zur Umweltbelastung bei. Hinzu kommt die abnehmende Verfügbarkeit bei stark angestiegenen Preisen verursacht durch die EU-F-Gase-Verordnung.
Eine Alternative zu den fluoierten Tieftemperaturkältemitteln könnten Gemische aus N2O mit CO2-Anteilen sein. Dies galt es im Rahmen des Forschungsprojektes zu untersuchen. Derartige Kältemittelgemische könnten unter anderem in Gefriertrocknunganlagen, Umweltsimulations¬kammern oder Laborthermostaten zur Anwendung kommen.
Im Fokus des Projektes standen neben der Ermittlung einer geeigneten Gemischkonzentration von CO2 in N2O für die Anwendung in einer unteren Kaskaden-Kühlstufe auch die Suche und Qualifizierung eines für Kältemittelgemische mit hohem N2O-Anteil geeigneten Schmierstoffes. Dazu wurden thermodynamische, tribologische und Materialvertraglichkeitsuntersuchungen durchgeführt.
Abschließend konnte die Funktion des in einem als Demonstrator aufgebauten Kältekreislauf nachgewiesen werden.
Folgende Projektziele wurden innerhalb des Forschungsprojektes realisiert:
Es wurde eine Gemischkonzentration aus den Kältemittelkomponenten N2O und CO2 zum Einsatz in einer Tieftemperatur-Kaskadenstufe mit Verdampfungstemperaturen bis -80 Grad Celsius ermittelt. Des Weiteren wurde eine Auswahl und anschließende Test des Kältemittel, sowie eines geeigneten oxidationsbeständigen Schmierstoffs zur Verdichterschmierung durchgeführt. Darauf erfolgte eine Untersuchung der elektrischen Eigenschaften des Kältemittels mit dem Ergebnis, dass eine Eignung für den Betrieb in Vollhermetikverdichtern gegeben ist.
So wurde der für den aufzubauenden Kältekreislauf vorgesehene Verdichter hinsichtlich seiner Materialien auf Verträglichkeit/Materialkompatibilität mit dem Kältemittel-Schmierstoff-Gemisch getestet und als geeignet befunden. Ein aufgebauter Kältekreislauf als Demonstrator konnte die prinzipielle Einsatzmöglichkeit des Kältemittels zusammen mit dem ausgewählten Schmierstoff nachweisen. Dabei wurden Verdampfungstemperaturen bis zu -80 °C erzielt.
Vorteile und Lösungen
Aufbauend auf dem untersuchten Kältemittelgemisch sowie dem ausgewählten und qualifizierten Schmierstoff erhalten potentielle Kunden wie Hersteller von Klima-Umweltsimulationskammern, Laborthermostaten oder Gefriertrocknungsanlagen eine umweltfreundliche, weiterhin nichtbrennbare Alternative zur Anwendung der bisherigen Kältemittel R23 beziehungsweise R508B. Die im Rahmen des Forschungsprojektes vorgenommen Untersuchungen mit den erhaltenen Ergebnissen stellen eine gute Ausgangsbasis dar, das vorhandene Wissen bei Geräteumrüstungen für Kunden einzusetzen beziehungsweise unterstützend zu wirken. Verträglichkeitsuntersuchungen von Werkstoffen (spezielle Kunststoffe, Isoliermaterialien oder Metalllegierungen) bestimmter Verdichter oder Kältemaschinenkomponenten können dabei genauso eine Rolle spielen wie die Auslegung kompletter Kältekreisläufe.
Zielgruppe und Zielmarkt
Das entwickelte Gemisch aus N2O mit CO2 Anteilen stellt zusammen mit dem perfluorierten Schmierstoff eine funktionsfähige Lösung insbesondere für den Temperaturbereich zwischen -70 und -80 °C dar. Jedoch hat sich gezeigt, dass der aufgrund des hohen N2O Anteils notwendige Einsatz des speziellen Schmierstoffs von potenziellen Kunden aus Logistik- und Kosten-Gründen gescheut wird. Der gewünschte Einsatz konventioneller Schmierstoffe scheint jedoch in Kombination mit einem geringeren N2O-Anteil möglich. Hiermit könnte dann der Temperaturbereich zwischen -50 und -60 °C abgedeckt werden. Dieser Ansatz soll weiter verfolgt werden.