Auslegung von Verdampfern und Verflüssigern

Für Kältemittel Gemische mit hohem Temperaturgleit

Für Kältemittel Gemische mit hohem Teperaturgleit

Die novellierte F-Gase-Verordnung (EU 517/2014) ist seit Anfang 2016 in Kraft. Das Ziel dieser Verordnung ist es, den Klimawandel zu verlangsamen, indem die durch F-Gase, und hierzu zählen alle synthetischen Kältemittel, verursachten CO2-Emissionen bis zum Jahr 2031 drastisch reduziert werden sollen. Die Reduzierung des gesamten CO2-Äquivalentes innerhalb der EU, das sogenannte “Phase-Down-Szenario”, stellt eine große Herausforderung für die Kälte- und Klimabranche dar.
Um die sehr ehrgeizigen Ziele zu erreichen, müsste das durchschnittliche GWP aller verwendeten Kältemittel von derzeit ca. 2.200 bis 2.300 auf unter 500 fallen. An dieser Stelle wird klar, weshalb es bereits heute von größter Wichtigkeit ist, Kältemittel mit einem möglichst niedrigen GWP einzusetzen. Hierfür bieten sich neben den natürlichen Alternativen CO2, NH3 und Propan auch synthetische Kältemittel(-Gemische) an. Diese sogenannten low GWP-Kältemittel(-Gemische) weisen jedoch teils sehr hohe Temperaturgleits von bis zu 8 K auf.
Temperaturgleits treten generell bei allen Kältemitteln der 400er-Reihe auf, also auch bei R-404A. Hier ist das Gleit jedoch so gering, dass es in der Praxis bisher unberücksichtigt bleiben konnte. R-404A wurde also bei der Auslegung der Komponenten wie ein quasi azeotropes Gemisch oder ein Reinstoff betrachtet. Mit den hohen Temperaturgleits der neuen Gemische, hier sind beispielhaft zu nennen: R-407F, R-448A, R-449A und R-452A, stellt sich natürlich auch die Frage, welchen Einfluss diese Kältemittel bei der Auswahl von Verdampfern und Verflüssigern haben.
Dieser Thematik widmet sich der hier vorliegende Fachartikel. Er soll Planern, Anlagenbauern und Praktikern die Auswirkungen des Temperaturgleits auf die Wärmeübertrager in möglichst anschaulicher Art und Weise näherbringen und beschränkt sich daher auf die hierfür notwendigen Aspekte. Herleitungen oder Erklärungen aus der Theorie werden deshalb nur dort angeführt, wo sie für das Verständnis zwingend notwendig erscheinen.


Grundlagen
Azeotrope Kältemittel-Gemische
Das Wort “Azeotrop” entstammt dem Griechischen und steht für: a- “nicht”, zeo- “siedend”, tropos “Wendung”. Mit Azeotrop wird also immer ein Gemisch mindestens zweier Stoffe bezeichnet, dessen Dampfphase dieselbe Zusammensetzung hat wie die Flüssigphase. Ein azeotropes Gemisch verhält sich also wie ein Reinstoff und weist somit auch kein Temperatur-Gleit auf. Abb. 1 veranschaulicht dieses Verhalten im log p,h-Diagramm. Es ist zu erkennen, dass Siede- und Taupunkt auf derselben Isothermen liegen. Oder anders ausgedrückt: Die Isothermen verlaufen im Zwei-Phasen-Gebiet parallel zu den Isobaren. Aufgrund dieses Verhaltens gibt es bei der Auslegung der Wärmeübertrager im Vergleich zu Einstoff-Kältemitteln keine Besonderheiten zu beachten. Anders sieht dies jedoch bei der Verwendung zeotroper Kältemittel-Gemische aus.

Zeotrope Kältemittel-Gemische
Die Zusammensetzung von Flüssigkeit und Dampf in zeotropen Gemischen, oftmals auch “nicht-azeotrope Gemische” genannt, ist im Zwei-Phasen-Gebiet stets unterschiedlich. Der Grund hierfür ist in den stark unterschiedlichen Siedetemperaturen der Einzelkomponenten zu suchen. Zwar verdampfen alle Einzelkomponenten gleichzeitig, jedoch wird die Komponente mit dem niedrigsten Siedepunkt in viel stärkerem Maß verdampfen als die restlichen Komponenten mit einem höheren Normalsiedepunkt(NSP). Dies führt dazu, dass die Komponente mit dem kleinsten NSP zuerst vollständig verdampft ist, während alle verbleibenden Komponenten weiterhin sieden. Da deren Siedepunkte nun aber höher liegen, steigt die mittlere Verdampfungstemperatur beim Durchschreiten des Zwei-Phasen-Gebietes stetig an. Somit liegt die Temperatur am Ende des Zwei-Phasen-Gebietes eines Verdampfers, die sogenannte Taupunkt-Temperatur (dew point), stets oberhalb der Verdampfer-Eintrittstemperatur. Beim Verflüssiger verhält es sich ebenso, nur dass das Zwei-Phasen-Gebiet in umgekehrter Richtung durchlaufen wird. Daher ist die Temperatur des Kältemittels am “Austritt eines Verflüssigers” (Siedepunkt-Temperatur)immer niedriger als an seinem “Eintritt” (Taupunkt-Temperatur). Dieses Phänomen wird als Temperatur-Gleit bezeichnet und bedarf besonderer Aufmerksamkeit bei der Auslegung von Verdampfern und Verflüssigern.

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