Messung thermodynamischer Eigenschaften von CO2-Solvent-Gemischen für Tieftemperaturkälte

Abstract

Ein spezielles Anwendungsgebiet der Kältetechnik ist die Bereitstellung von Kühlleistung im tiefen Temperaturbereich unter -50 °C. Kühlung in diesem Bereich wird beispielsweise für den Betrieb von Prüf- bzw. Umweltsimulationskammern, bei der Gefriertrocknung oder für bestimmte Prozesse in der Tieftemperaturmedizin bzw. –biologie benötigt. Für derartige Anwendungen wird gegenwärtig meist das Kälte¬mittel R23 (Trifluormethan CHF3) mit dem Normalsiedepunkt von -82,1°C benutzt. Für tiefere Tempera¬turen kann auch R14 (Tetrafluormethan CF4) mit -128°C Normalsiedepunkt in Frage kommen. Diese Kältemittel, HFKW bzw. FKW mit sehr hohen GWP-Werten, sind durch eine Ausnahmeregelung in der neuen F-Gase-VO 517/2014 mangels geeigneter Alternativen (bisher) auch künftig noch zugelassen.
In einem Forschungsprojekt wird derzeit die Entwicklung einer umweltfreundlichen Technologie mit dem natürlichen Arbeitsstoff CO2 bearbeitet. Zur Kälteerzeugung in diesem Temperaturbereich soll festes CO2 (Trockeneis) sublimiert werden. Es werden hierbei zwei Varianten betrachtet, wie die Sublimations¬wärme am effektivsten für die Kühlung genutzt werden kann. Die beiden Varianten werden im Projekt hinsichtlich der wissenschaftlich/technischen Grundlagen untersucht und sind wie folgt von den Autoren bezeichnet worden:
1. Trocken-Sublimator – direkte Kühlung (analog zum Verdampfer eines Kaltdampfprozesses)
2. Lösungs-Sublimator – indirekte Kühlung über einen Sekundärkreislauf mit einem Solvent
Die Präsentation wird sich speziell mit dem Lösungs-Sublimator und den thermodynamischen Eigenschaften der Mischungen aus CO2 und einem geeigneten Wärmeübertrager-Medium, welches gleichzeitig als Lösungsmittel (Solvent) dienen kann, beschäftigen. Es kann davon ausgegangen werden, dass mit der Kopplung von Sublimation und dieser Flüssigkeit eine deutlich höhere Effizienz bei der Wärmeübertragung realisiert werden kann, als beim Trocken-Sublimator. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Lösungsenthalpie von festem CO2 beim Mischen mit einem geeigneten Lösungsmittel zu einer zusätzlichen vorteilhaften Abkühlung führen kann.
Um dies zu bestätigen und weitere Tätigkeiten am Projekt durchzuführen, sind Messungen der thermo-dynamischen Eigenschaften des reinen Solvents und dessen Gemische mit CO2 erforderlich. Die Herausforderung der Messungen liegt hierbei in den geforderten tiefen Temperaturen und den noch relativ hohen Drücken des Systems von beispielsweise 30 bar bei -5 °C. Im Vortrag wird auf die Weiterentwicklung der Messmethoden der Mischungseigenschaften Mischbarkeit, Löslichkeit und Dampfdruck, der Messung der physikalischen Transporteigenschaften Dichte und Viskosität, aber auch der thermischen Eigenschaften, wie Schmelztemperatur und Wärmeleitfähigkeit eingegangen.
Neben der Darstellung der Wärmeleitfähigkeit der untersuchten Fluide wird im Vortrag, anhand eines im letzten Jahr durchgeführten nationalen Vergleiches mit anderen Methoden, auf die Genauigkeit der von den Autoren verwendeten Messung mit der Zylinderspaltmethode eingegangen.
Speziell für die Messung der thermischen Eigenschaften mittels DSC (Differential Scanning Calorimetry) wurde ein neues Verfahren entwickelt, welches die Untersuchung von Flüssig-Flüssig-Gemischen aber auch von Werkstoffen unter den Bedingungen des Kältekreislaufes im Bereich von Raumtemperatur bis zu tiefen Temperaturen ermöglicht. Dieses Verfahren eignet sich auch zur Bestimmung von Schmelztemperaturen und –wärmen von Kältemittelgemischen oder der Bestimmung der Glasübergangstemperatur unter Kältemittel-Öl-Einfluss.