Autor: Klaus Spindler

In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz von Kältemitteln in Wärmepumpen und Kältemaschinen aus ökologischer, thermodynamischer und wärmetechnischer Sicht betrachtet. Dabei werden nur Anlagen nach dem Kaltdampfkompressionsverfahren berücksichtigt. Die ökologischen Bewertungsgrößen wie Ozonzerstörungspotential (ODP), Treibhauspotential (GWP, HGWP) und photochemisches Ozonbildungspotential (POCP) werden für fluorhaltige Methan-, Ethan- u. Propanderivate zusammengefasst. Die Gesamttreibhausbelastung (TEWI, LEWI) durch Kälteanlagen wird an Beispielen diskutiert, wobei Leckageverluste und die CO2-Emissionen durch den elektrischen Antrieb berücksichtigt werden. Die Auswahl eines geeigneten Kältemittels für den geforderten Einsatzbereich hängt von vielen Faktoren ab. Die Lage der Dampfdruckkurve, das Druckverhältnis, die Leistungszahl, die Verdichtungsendtemperatur, die Verdampfungsenthalpie sowie die volumetrische Heiz- bzw. Kälteleistung bestimmen die Verwendung des bestimmten Kältemittels. Auch Kondensatunterkühlung und Saugdampfüberhitzung haben Einfluss auf die Leistungszahl und volumetrische Heiz- bzw. Kälteleistung. Die spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität, Oberflächenspannung beeinflussen den Wärmeübergangs-koeffizienten und damit die Größe der Wärmeübertragerflächen. Die Kältemittel werden in einer Rangfolge hinsichtlich ihrer thermodynamischen und thermophysikalischen Eigenschaften bewertet. Die Exergieverluste in Wärmeübertragern werden ausführlich betrachtet. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie durch den Einsatz von nichtazeotropen Kältemittelgemischen mit einem Temperaturgleit bei der Verdampfung und Kondensation die Exergieverluste vermindert werden können. Eine exergetische Betrachtung des Kaltdampf-kompressionsprozesses an Hand von Beispielen zeigt die Grenzen und Möglichkeiten zur Reduktion der Exergieverlustströme in den einzelnen Komponenten einer Kälte- bzw. Wärmepumpenanlage. Kältemittel sind in ihren Stoffeigenschaften sehr gut untersucht. Sie bieten gegenüber Wasser bequemere Experimentierbedingungen durch niedrigeren Druck, niedrigere Temperatur und geringere Verdampfungsenthalpie. Es wird gezeigt, dass sich R134a als Modellfluid für Wasser gut eignet. Dazu werden Skalierungsfaktoren in Abhängigkeit vom normierten Druck auf der Basis des Theorems der übereinstimmenden Zustände abgeleitet. Da die Verdampfer in großen Kälte- und Wärmepumpenanlagen bis zu 30% der Investitionskosten ausmachen können, werden hier neuere Erkenntnisse zur Auslegung von Verdampfern zusammengefasst. Es wird der Einfluss der Fluideigenschaften und der Heizwandeigenschaften auf den Wärmeübergang beim Behältersieden (überflutete Verdampfung) diskutiert. Wesentliche Verbesserungen des Wärmeübergangs bei verminderten Wandüberhitzungen wurden durch Hochleistungsverdampferrohre erzielt. Es werden neueste Ergebnisse mit den Kältemitteln R134a, R507 und R410A vorgestellt. Einen starken Einfluss hat das Kältemaschinenöl auf den Wärmeübergang beim Sieden. Bei geringen Ölmassenanteilen kann es zu Verbesserungen gegenüber dem reinen Kältemittel kommen. Bei hohen Ölmassenanteilen wird der Wärmeübergang drastisch vermindert. Es werden hierzu neuere Messergebnisse an Glatt- und Hochleistungsrohren sowie Rohrbündeln beschrieben. Die heute bekannten Korrelationen werden zusammengefasst. Einige Hinweise zur Modellierung der Verdampfung an Hochleistungsrohren werden gegeben. Für das Strömungssieden in Rohren (trockenen Verdampfung) wird der Einfluss der Massenstromdichte, Wärmestromdichte und des Dampfgehaltes auf den Wärmeübergang und Druckverlust an Hand neuester Messungen mit R134a gezeigt. Zur Leistungssteigerung werden heute hauptsächlich innenstrukturierte Rohre in luftbeaufschlagten Verdampfern eingesetzt. Neben dem Einfluss von Massenstromdichte und Dampfgehalt wird der Einfluss des Rohrdurchmessers, Drallwinkels und der Viskosität des Öls auf den Wärmeübergang an Hand von ausgewählten Beispielen dargestellt. Für den Fall des unterkühlten Strömungssiedens werden die Wärmeübergangskorrelationen zusammengefasst. Der Parametereinfluss (Strömungsgeschwindigkeit, Unterkühlung und Wärmestromdichte) wird an Messungen mit R134a gezeigt.