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Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften von Kältemaschinenölen, Kältemitteln und Kältemittel-Öl Gemischen

Authors:

Abstract

Messung elektrischer Eigenschaften von Kältemitteln und Kältemittel-Öl Gemischen Steffen Feja, Jan Hegewald Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH Dresden Bertolt-Brecht-Allee 20, 01309 Dresden steffen.feja@ilkdresden.de In Zusammenhang mit dem steigenden Einsatz von Hermetik- und Halbhermetikverdichtern in der Kältetechnik gewinnt zunehmend die Frage nach den elektrischen Transporteigenschaften der eingesetzten Kältemittel-Öl-Gemische an Bedeutung. Ein Beispiel für das bestehende Interesse sind mobile AC-Systeme in Elektro- und Hybridfahrzeugen, deren Bordnetz mit bis zu 400 V ausgelegt ist. Das die Kenntnis über den spezifischen Widerstand der Arbeitsstoffgemische für deren Einsatz mit elektrischen Kompressoren elementar ist, steht außer Frage. Aber auch die Dielektrizitätskonstante lässt wichtige Aussagen zum Verhalten der Moleküle in einem entsprechenden elektrischen Feld zu, die wiederum gezielt genutzt werden können zur energetischen Optimierung der Klimaanlage. Des Weiteren ermöglicht dieser Parameter bedingt Schlussfolgerungen zur Mischbarkeit von Kältemittel und Schmierstoff. Im Vortrag wird eine neuartige druckfeste Messzelle beschrieben, die sich an den Vorgaben bezüglich der Messung von isolierenden Flüssigkeiten unter Normaldruck orientiert (DIN EN 60247). Der am ILK Dresden entwickelte Messstand ermöglicht die Messung von Kältemitteln, Ölen und Kältemittel-Öl-Gemischen in einem Temperaturbereich von -30 °C bis 80 °C und Drücken bis zu 80 bar. Während die dielektrische Konstante sowie der elektrische Verlustfaktor bei Wechselstrom ermittelt werden, können zur Bestimmung des spezifischen Gleichstromwiderstandes Spannungen bis zu 500 V appliziert werden. Diese, für die Sensitivität der Methodik sowie in Anbetracht des weiten Messbereichs, beachtliche Flexibilität erlaubt es, auf die Prüfbedürfnisse der industriellen und gewerblichen Kältetechnik einzugehen. Im Beitrag werden Probleme beim Setup der Methode diskutiert, auf verschiedene auftretende kritische Aspekte eingegangen sowie experimentelle Untersuchungen an vorrangig ökoeffizienten Kältemitteln (GWP<150) wie R744, R1234yf und R152a, aber auch Kältemittel-Öl-Gemischen vorgestellt.
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Institut für Luft und Kältetechnik gGmbH (ILK)
Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Kältemaschinenölen,
Kältemitteln und Kältemittel – Öl – Gemischen
Dr. J. Hegewald1), Dr. S. Feja
1) Hegewald & Peschke, M eß-und Prüftechnik, Nossen
Arbeitsgebiete
Kältemittel, Öle und ihre Gemische
Thermisches Verhalten (Pour Point, Flockpunkt, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit)
Elektrisches Verhalten (Leitfähigkeit, Permittivität, Verlustfaktor)
Weitere Messgrößen (Mischungslücke, Dichte, Dampfdruck, Viskosität,
Brechungsindex, Schallgeschwindigkeit, Oberflächenspannung etc.)
Kühlsolen und Absorptionskältelösungen
Thermisches Verhalten (Stockpunkt, Frostgrenze, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit)
Weitere Meßgrößen (Dichte, Dampfdruck, Viskosität, Brechungsindex,
Schallgeschwindigkeit, Oberflächenspannung, Inhibitorgehalte, Korrosionsverhalten,
elektrische Leitfähigkeit etc.)
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DKV Tagung Magdeburg 2010, Untersuchung der elektrischen Eigenschafte n von Kältemaschinenölen, Kältemitteln und Kältemittel – Öl – Gemischen
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Grundlagen
Warum Messung von elektrischen Eigenschaften ?
Halbhermetik- / Vollhermetikkompressoren
Einsatzgebiete (Beispiele)
R600a in Haushaltkühlgeräten
R134a in Warmwasserpumpen
R744 in Tieftemperaturkaskaden
Typen (Beispiele)
Turboverdichter (h, o)
Hubkolbenverdichter, Schraubenverdichter (v, h, o)
Scroll-(Spiral-)Verdichter (v, o)
Rollkolbenverdichter (v)
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Grundlagen
Warum Messung von elektrischen Eigenschaften ?
Arbeitsstoffe sind in direktem Kontakt
mit stromführenden Medien
Ausschluß von
Kurzschlüssen
Durchschlägen
Stromverlusten
Spannungsabfällen etc.
Schnittmodell hermetischer Kältemittelverdichter
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Grundlagen
Mobile PKW-Klimatisierung
Bisher
Verdichter und Motor über Kupplung verbunden
Gleitringdichtung
Zukünftig
Hybrid- / Elektrofahrzeuge
Thermische Behaglichkeit
Batteriekühlung
Betriebsspannung bis 500 V
Kühlung auch im Stand
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Grundlagen
Dipolmomente bei Kältemitteln
Polarität
Unpolar
Induzierte Polarität
Minimale Polarität
teilweise Polarität
-R404a, R508,
R407C, R410
Polar
Dielektrizitäts
-konstante Elektrischer
Widerstand
C = Q / U = ε· A/d mit ε= ε
r ·
ε
0
R = U / I = ρ· l/A
R600aR1270
R290
R12 R22 R23
R134a R1234yf
R744
R717
R718
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+ -
-+
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Grundlagen
Dipolmomente bei Kältemaschinenölen
Polarität
Unpolare
ε
ρ
Mineralöle (MO)
paraffinisch naphtenisch
Alkylbenzole (AB) Poly-α-Olefine (PAO)
Synthetische Kohlenwasserstoffe
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Grundlagen
Dipolmomente bei Kältemaschinenölen
Polarität
ε
ρ
Unpolare
Perfluorierte Polymere
z.Bsp. Perfluorparaffine
Polare
Polyolester (POE)
Polyalkylenglykole (PAG)
z.Bsp. Polyethylenglykol (PEG)
Polyarylether; Perfluorpolyether,
Polyvinylether, aromatische Ester
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Grundlagen
Dipolmomente bei Kältemaschinenölen
Quelle: Dr.-Ing. J. Fahl, Dissertation, Bochum 2002.
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Grundlagen
Dipolmomente bei Kältemaschinenölen
Quelle: Dr.-Ing. J. Fahl, Dissertation, Bochum 2002.
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Zielrichtung der Messung elektrischer Eigenschaften
Konzeption
Arbeitsstoffpaarungen
Voraussage der
Mischbarkeit bzw. Nichtmischbarkeit
Aufgrund von
Polaritätsbetrachtungen
Betriebsparameter
Erhöhung der Durchschlagfestigkeit
Langzeitverhalten,
Verschmutzungsgrad, Metallabrieb,
Wassergehalt, Metalllöslichkeit
Polarität von Abbauprodukten
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PAO
R717
Mischungslücke
Messungen am ILK Dresden vor 2008
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Konzeption
1968
FE – Thema: Messung elektrischer Eigenschaften von
Kältemaschinenölen
Frisch und Gebrauchtöle
Ohmscher Widerstand, dielektrischer Verlustfaktor,
Dielektrizitätskonstante, Durchschlagsfestigkeit
10 Stunden, 20 Stunden, 40 Tage Prüfläufe
DV Messung als Reinheitskriterium
DK-metrische Wasserbestimmung, Beladungskontrolle von
Molekularsieben, Aussagen der Durchschlagsfestigkeit zur Ölalterung
1968
FE – Thema: Messung elektrischer Eigenschaften von
Kältemaschinenölen
Frisch und Gebrauchtöle
Ohmscher Widerstand, dielektrischer Verlustfaktor,
Dielektrizitätskonstante, Durchschlagsfestigkeit
10 Stunden, 20 Stunden, 40 Tage Prüfläufe
DV Messung als Reinheitskriterium
DK-metrische Wasserbestimmung, Beladungskontrolle von
Molekularsieben, Aussagen der Durchschlagsfestigkeit zur Ölalterung
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Messungen am ILK Dresden vor 2008
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Konzeption
2007
Anfrage: Untersuchung des elektrischen Widerstandes eines CO2Öles
und eines Versuchsmusters
Vorteile und Nachteile:
(+) Temperiermantel
(+) kompakt, Innenzylinder variabel
(o) Druckfestigkeit (10 bar ?)
(-) Druck/Temperaturmessung
(-) Vernickeltes Messing
(-) Messspalt uneinheitlich
Aussenelektrode
Innenelektrode
Messspalt
Temperierung
Dichtfläche
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Konzeption
2008-09
Projektskizze: Untersuchung der elektrischen Eigenschaften KM – Öl
Gemischen
Anforderungen:
Messungen unter Druck
Polarisationseffekte der fluorinierten Kohlenwasserstoffe
Einflüsse der Umgebung negieren
Großer Messbereich über Isolatoren bis hin zu elektrischen Leitern
Einfluss von Verunreinigungen, Inhibitoren etc.
Druck und Temperaturerfassung ohne Änderung der Kapazität durch
neue partielle Kapazitäten
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Konzeption
Anbieter von Messzellen elektrischer Eigenschaften
BAUR Prüf- und
Messtechnik Tettex (kein Support mehr) Alff ENGINEERING
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Messung der elektrischen Eigenschaften
Zelle nach DIN EN 60247 Zelle nach ASTM D 924 - 04 ILK Zelle neu
Konzeption
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Konzeption
Spezifikation der neuen Messapparatur
Polierter Edelstahl
Veränderbarer Elektrodenabstand von derzeit exakt 2 mm
Belastung 250 V / mm nach DIN EN 60247
Temperatur Innen- und Aussenelektrode meßbar
Drucksensor
PTFE Isolation Aussenelektrode
Innenelektrode
Drucksensor-
anschlus
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Messungen
Kalibrierung mit Medien bekannter elektrischer Eigenschaften
Azeton
Heptan
Toluol
Ce= (Cn–Ca) / (εn-1)
Cg= Ca- Ce
εx= (Cx– Cg) / Ce
R [m] = K * U/I
mit
K[m] = 0,113 x Ca(Schutzringelektrode), ansonsten K[m] = 0,113 * Ce
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Messungen
Dieelektrizitätskonstanten reiner Kältemittel
R1234yfR134a
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Messungen
Dielektrizitätskonstanten reiner Kältemittel
Wiederholbarkeit < 5 %
Benutzer- und Umwelteinflüsse
Kondensation von Eis, Wasser, Thermostatenflüssigkeitsrückstände
Tan δ
δδ
δals Gütekriterium
Neue Apparatur
Thermometer auf Basis der Glasfasertechnik
Drucksensor elektrisch entkoppelt
Schutz durch Farradayschen Käfig
Heliumspülung
Weitere Messungen
R152a, R744
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Messungen
Volumenwiderstände reiner Kältemittel
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R1234yfR134a
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Messungen
Volumenwiderstände reiner Kältemittel
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R134a
R1234yf
R152a
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Messungen
Messungen an reinen Ölen
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VolumenwiderstandDielektrizitätskonstante
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Messungen
Messungen an reinen Ölen
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Verlustfaktor als Gütekriterium ?
Verschmutzungszustand
Wassergehalt
Metallgehalt
Alterungszustand
In Anlehnung an
Transformatorenölindustrie
DIN EN 60214
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Messungen
Messungen an Kältemittel – Öl Gemischen
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VolumenwiderstandDielektrizitätskonstante
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Messungen
Messungen an Kältemittel – Öl Gemische
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Volumenwiderstand über
Konzentration
Verlustfaktor
POE ISO VG 80 + R152a
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Zusammenfassung
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Untersuchungen auf bisher betrachtete Arbeitsstoffe beschränkt
Verallgemeinerung ist bisher nicht möglich
Bisher keine Diskussion mit anderen Spezialisten
Fortsetzung der Untersuchungen in einem laufenden Projekt
Transporteigenschaften von Öl-Kältemittelgemischen
Thermische und elektrische Eigenschaften
Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit
Fortsetzung der Untersuchungen im Rahmen eines beantragten
Projektes
Prüfmittel und Prüfszenarien für PKW Klimaanlagen
Institut für Luft und Kältetechnik gGmbH (ILK)
Ende der Präsentation
Dr. Steffen Feja
________________________________________
Tel.: +49 351 / 4081-767
Fax: +49 351 / 4081-755
E-Mail: steffen.feja@ilkdresden.de
www: www.ilkdresden.de
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Institut für Luft und Kältetechnik gGmbH
Hauptbereich Angewandte Neue Technologien
Bertolt-Brecht-Allee 20
D-01309 Dresden
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