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Chemische Wasserbinder/Enteiser für Kältekreisläufe - CheWa

01.05.2023

Dr. rer. nat. Torsten Burkholz

+49-351-4081-5410

in Bearbeitung

Energetisch und Bauteiloptimierte Kältekreisläufe kleiner Leistung

Kurzbeschreibung

Die Entwicklung soll für Kältekreisläufe der weißen Ware, wie beispielsweise Kühl- und Gefrierschränke, Wärmepumpentrockner, etc. geeignet sein. Hier werden bisher klassisch, physikalische Filtertrockner eingesetzt. Diese sollen künftig durch „Chemische Wasserbinder/Enteiser in Kältekreisläufen“ (kurz „CheWa“) ersetzt werden. Das hat mehrere Vorteile. Zum einen kann der Kältekreislauf potentiell energetisch effizienter betrieben werden. Er spart also Strom und somit auch CO2. Zum anderen besteht die Möglichkeit der Material- und Ressourceneinsparung bei der Herstellung und Verarbeitung von physikalischen Filtertrocknern. 

Einsatzbereiche

Optimierung und Materialeinsparung bei Kältekreisläufen kleiner Leistung, beispielsweise für die „Weiße Ware“ (zusammenfassender Begriff für elektronische Geräte im Haushalt wie z. B. Kühl- und Gefrierschränke, Wärmepumpentrockner, etc.) Die heutzutage verwendeten Kältekreisläufe mit kleiner Leistung in elektrischen Haushaltsgeräten wurden in den letzten Jahrzehnten im Wesentlichen technologisch nicht verändert und bestehen aus folgenden Komponenten: Kältemittelleitung, Wärmeübertrager, Kondensator (Verflüssiger), Verdichter, Trockner, Kapillare oder magnetisches Einspritzventil.

Zielstellung

Die Zielsetzung des Vorhabens „Chemische Wasserbinder/Enteiser in Kältekreisläufen“ (kurz „CheWa“) besteht in dem Ersatz des bisher eingesetzten Filtertrockners durch einen oder mehrere chemische Zusätze im Kältekreislauf. Feuchte dringt in hermetisch abgeschlossene Kältekreisläufe bei normalem Betrieb zwar nicht ein, jedoch kann bei der Produktion der Kreisläufe, z. B. durch unsachgemäße Lagerung der Rohre sowie von Bauteilen bzw. Komponenten, durch feuchtes Öl oder durch Fehler beim Löten, ein signifikanter Feuchteeintrag (Erfahrungswerte verschiedener Hersteller gehen von 1-2 g Wasser aus) erfolgen. Dieses Wasser kann im Laufe der Gerätenutzung die verwendeten Materialien schädigen, das Öl altern oder Korrosion entstehen lassen, was die Lebensdauer des Kältekreislaufes signifikant reduzieren kann.

Der Filtertrockner ist hierbei ein über Jahrzehnte bewährtes Mittel, um Feuchte sowie Säure und Abrieb (Partikel) im Kältekreislauf zu entfernen. Allerdings ist der Filtertrockner selbst nur über sehr energieintensive Verfahren herstellbar (Kupfer/Messing-Gehäuse, Molsieb, ggf. Aluminiumoxid als Säurefänger), so dass ein Ersatz des Filtertrockners nicht nur finanzielle und zeitliche Einsparungen bei seiner Herstellung und beim Zusammenbau des Kältekreislaufes (Wegfall von Lötstellen, Materialeinsparungen, Ressourcenschonung) bietet, sondern auch Abfall (bei Entsorgung des Kreislaufes) vermeidet. Darüber hinaus senkt jede Lötstelle, die eingespart werden kann, das Risiko einer Leckage.

Die Zugabe einer oder mehrerer Zusätze in den Kältekreislauf, bzw. bereits als Additiv im Kältemaschinenöl, würde die bereits zuvor genannten Einsparungen ermöglichen. Durch den Wegfall eines Strömungswiderstands, welcher der Trockner darstellt, besteht darüber hinaus die Chance, dass der Kältekreislauf energetisch effizienter betrieben werden kann und somit auch ein potentielles CO2- bzw. Stromeinsparpotential (über die gesamte Lebensdauer des Gerätes) besteht.

 

Vorgehen

Ausgehend von der Zielstellung des Projekts sind Lösungswege zu erarbeiten sowie Labor-Apparaturen und Test-Kreisläufe aufzubauen, die einen sicheren und langlebigen Betrieb von Haushalts­kältesystemen und anderen Kälteanlagen kleiner Leistung bei Einsparung von Filtertrocknern ermöglichen. Hierbei sollen die Arbeitsfluide und Öle in den Kälteanlagen mit Stoffen aus (wahrscheinlich) verschiedenen Chemikalienklassen modifiziert werden. Bei der Auswahl der Stoffe muss noch Grundlagenforschung betrieben werden, da keine Stoffe bekannt sind, die im Kältemaschinenöl (Mineralöl, POE oder PAG) Wasser so fest und sicher binden können, dass selbst unter den Bedingungen im Kältemittelverdichter (höherer Druck, erhöhte Temperatur, turbulente Strömung) keine Feuchtigkeit mehr ins Kreislaufsystem gelangt. Auch „Enteisungsmittel“, die mit dem Kältemittel zusammen im Kreislauf mitgerissen werden, sind unter diesen Bedingungen noch nicht bekannt. Immerhin müssen am Expansionsventil bzw. am Ende der Kapillare Temperaturen von -42 °C und darunter sicher erreicht werden, ohne dass sich die vorhandene Feuchtigkeit niederschlagen oder vereisen darf. Die potentielle Bildung von Gashydraten, die unter den gegebenen Bedingungen nicht ausgeschlossen werden kann, wird ebenfalls genauer Untersucht und ggf. verhindert.

Viele Stoffe aus unterschiedlichen Chemikalienklassen sind denkbar und besitzen möglicherweise die richtigen Stoffeigenschaften, um als Kandidaten getestet zu werden. Jedoch muss ein besonderes Augenmerk darauf gelegt werden, dass diese Zusätze für diesen Anwendungszweck:

  • einfach zu synthetisieren
  • die Viskositätsklasse des Öles nicht negativ beeinflussend
  • nicht oxidierend wirkend
  • nicht gesundheitsschädlich
  • einfach zu applizieren und zu lagern
  • bei Entsorgung des Kältekreislaufs nicht umweltgefährdend

sind.

Diese Aufzählung an Voraussetzungen und Einschränkungen für die Auswahl der zu prüfenden Zusätze macht eine entsprechend sorgfältige Vorauswahl der Stoffklassen und eine genaue Recherche der Stoffeigenschaften durch speziell ausgebildetes und erfahrenes Fachpersonal absolut notwendig. Auch optimierte Langzeit-Tests im Kreislauf erfordern eine entsprechend lückenlose Überwachung der relevanten Betriebsparameter (Druck, Temperatur, Energieaufnahme), um bei Problemen kurzfristig und rechtzeitig reagieren zu können.

Ergebnisse / aktueller Stand

folgt

Fazit / Ausblick

Die aktuelle globale Krise, der Krieg in Osteuropa, der Zusammenbruch von Lieferketten als Folge von Covid-19 (z. B. Schließungen von Häfen durch Quarantänemaßnahmen in China), die Zuspitzung der Knappheit an Rohstoffen sowie die steigenden Energiepreise zeigen, dass die weltweiten Wirtschaftskreisläufe längst nicht so robust sind, wie allgemein angenommen wurde. Eine Einsparung an Material kann daher zur Minderung der allgemeinen Abhängigkeit von fragilen Lieferketten und zur Kostenreduzierung bei schwankenden Rohstoffpreisen beitragen. Eine Einsparung des Stromverbrauchs hätte, auch wenn dieser pro Gerät sehr klein ausfallen würde, ein spürbares ökologisches und ökonomisches Potential aufgrund der Vielzahl an neuen Haushaltsgeräten, die Tag für Tag weltweit verkauft werden.


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