Propan als Kältemittel in Kleinkältekreisläufen - Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH

Vorder- und Rückansicht des Verdampferprototyyps eingebaut in einem Luftkanal

Zielstellung

Das natürliche Kältemittel (KM) Propan hat einen geringen GWP-Wert und ist damit sehr viel umweltfreundlicher als heute oft genutzte synthetische Stoffe. Allerdings ist Propan ein brennbares KM der Sicherheitsgruppe A3, so dass sehr restriktive Aufstellbedingungen für Propan-Kälteanlagen oder -Wärmepumpen festgelegt sind. Jedoch bis zu einer Füllmenge von maximal 150g brennbarem KM gibt es in hermetisch dichten Anlagen keine besonderen Einschränkungen zu beachten. Unter dieser Bedingung wäre Propan als KM für eine breitere Anwendung möglich, z.B. auch als Arbeitsstoff in Wärmepumpen-Wäschetrocknern. Ziel des Projektes war, Wege zu finden, wie die KM-Füllmenge auf maximal 150g minimiert werden kann, ohne Einschränkungen bei der Leistung hinnehmen zu müssen.

Ergebnisse

Da die Wärmeübertrager (Verdampfer und Verflüssiger) den Großteil der KM-Füllmenge im Kältekreislauf enthalten, galt es vor allem dort an Reduziermöglichkeiten zu arbeiten. Deshalb wurde als ein wesentliches Ergebnis des Projektes ein neuer Verdampfer auf Basis der Mini-Channel-Technologie entwickelt. Diese Erfindung wurde als „Mini-Kanal-Verdampfer“ im Juni 2013 zum Patent angemeldet (AZ: 10 2013 106484.1). Mini-Channel-Wärmeübertrager an sich sind nichts neues, so wurde für das Projekt auch ein industriell hergestelltes Produkt als Verflüssiger verwendet. Aber speziell bei der Ausführung als Verdampfer gab es bislang Probleme mit einer gleichmäßigen KM-Verteilung. Bei dem hier entwickelten Mini-Channel-Verdampfer wurde dieses KM-Verteil-Problem gelöst. Außerdem hat der Verdampfer bei sehr guten Wärmeübertrager-Leistungen ein kleines Innenvolumen und dadurch nur geringen KM-Inhalt. Die Bautiefe ist gering und die kreisrunde geometrische Form des Verdampfers entspricht etwa dem Abmaß der Trommel eines Wäschetrockners. Im Versuch wurde messtechnisch auch nachgewiesen, dass der Verdampfer die für einen Wäschetrockner erforderliche Trocknungsleistung erbringt. Der entwickelte Verdampfer ist auch für den Einbau in runde Luftkanäle o.ä. sehr gut geeignet.

Thermobildaufnahmen des Verdampfers in ca. 2 s Abstand bei Kältemittelbeaufschlagung

In der Bildfolge der Thermografie-Aufnahmen ist zu erkennen, wie der Verdampfer bei Inbetriebnahme des Kältekreislaufes gleichmäßig mit KM beaufschlagt wird. Am Farbumschlag wird deutlich, wie sich mit dem Einströmen des KM der Verdampfer von innen nach außen gleichmäßig abkühlt.

Teststrecke zum Prüfen und Vermessen des Verdampfers

Im ILK wurde eine Teststrecke mit dem KM Propan gebaut zum Prüfen und Vermessenen des Verdampfer-Prototyps. Die Teststrecke entspricht hinsichtlich seiner weiteren Komponenten sowie seiner Leistung etwa dem KM-Kreislauf in einem marktüblichen Wärmepumpen-Wäschetrockner. Die KM-Füllmenge in der Teststrecke liegt mit ca. 140g unter den eingangs genannten Maximalwert von 150g. Somit konnte nachgewiesen werden, dass Propan als KM auch für Anwendungen wie Wärmepumpen-Wäschetrockner eingesetzt werden kann und dabei wegen der KM-Füllmenge < 150g keine besondere Anforderungen an die Aufstellbedingungen gestellt werden müssen.

Ausblick

Im Rahmen des Projektes wurde der Nachweis erbracht, dass Propan als Kältemittel in Wärmepumpen-Wäschetrocknern problemlos eingesetzt werden kann. Für diese Anwendung wurde ein neuer, patentierbarer Verdampfer entwickelt, der leistungsstark ist, eine gute KM-Verteilung aufweist und aufgrund des kleinen Innenvolumens nur eine geringe KM-Füllmenge besitzt. Bei Herstellern gilt es nun für Propan als KM in Wäschetrocknern, Bauwerkstrocknern, Kleinklimaanlagen o.ä. entsprechendes Interesse zu wecken. Erste Gespräche wurden bereits geführt.