Kurzbeschreibung:

Hochtemperaturwärmepumpen können einen wichtigen Beitrag zur Decarbonisierung leisten. Für deren Marktakzeptanz sind validierte Daten zu den thermodynamischen und chemischen Eigenschaften der Schmieröle im Gemisch mit Kältemittel für Temperaturen bis 190 °C (Verdichterendtemperatur) erforderlich. Die für diese Daten notwendigen Apparaturen und Methoden stehen bisher nicht zur Verfügung (Stand der Technik max. 140 °C) und sollen im Rahmen des Projektes konzipiert, aufgebaut und getestet werden.

Zielstellung:

Im Fokus des Vorhabens steht die Entwicklung von Methodik, Apparaturen und Messaufbauten für die Bestimmung thermodynamischer Eigenschaften von Kältemittel-Öl-Gemischen (KMÖG) im erhöhten Temperaturbereich bis 190 °C (30 K über Senkentemperatur von 160 °C (siehe Abbildung 1)). Für die Beschreibung des Verhaltens von KMÖG in den Kompressoren der Wärmepumpen werden vorrangig deren Mischungsverhalten, Dampfdruck, Dichte und Viskosität benötigt – jeweils in Abhängigkeit von Temperatur und Druck.

Die maximalen Drücke richten sich nach der Einsatztemperatur und der Drucklage des eingesetzten Kältemittels. Aus der Palette der natürlichen Kältemittel kommen für Wärmepumpen Kohlen­wasserstoffe (KW) sowie R744 (CO₂), R717 (NH₃) und R718 (Wasser) in Frage. Für die gängigen KW-Kältemittel werden Drücke von mind. 40 bar erreicht Für R744, R717 und R718 sind Drucklagen bis 200 bar zu erwarten.

Weiterhin sollen im Rahmen des Vorhabens Verfahren zur Untersuchung der Stabilität und Kompa­ti­bilität von KMÖG mit Materialien und Werkstoffen für deren Einsatz bis 190 °C entwickelt werden. Die Verfahren sollen eine valide Aussage zur langfristigen Beständigkeit (Lebensdauer) ermögli­chen, ohne die KMÖG bzw. Werkstoffe/Materialien durch übermäßige Temperaturerhöhung zu zer­stö­ren (Falsch-Negativ-Prüfung). Die Aussage soll in einer akzeptablen Zeitspanne (üblicherweise 1 Woche bis max. 6 Wochen) getroffen werden können.

Daraus ergeben sich folgende Zielstellungen:

1. Entwicklung, Aufbau und Test einer Messzelle zur Bestimmung der Mischungslücke zwischen Kältemittel und Öl bis 190 °C und 200 bar
2. Entwicklung, Aufbau und Test einer Messzelle zur Messung des Dampfdruckes von Kältemittel-Öl-Gemischen bis 190 °C und 200 bar
3. Entwicklung, Aufbau und Test eines Dichtemessplatzes für Kältemittel-Öl-Gemische bis 190 °C und 200 bar
4. Entwicklung, Aufbau und Test eines Messplatzes zur Messung der Viskosität von Kältemittel-Öl-Gemischen bis 190 °C und 200 bar
5. Entwicklung eines Verfahrens inkl. Aufbau der zugehörigen Apparatur zur Bestimmung der chemischen Langzeit-Stabilität des VHTHP-Öls zusammen mit dem Kältemittel (für Verdich­tungs­end­temperatur bis 190 °C)  
6. Entwicklung eines Verfahrens inkl. Aufbau der zugehörigen Apparatur zur Bestimmung der chemischen Langzeit-Verträglichkeit von VHTHP-Werkstoffen zusammen mit Öl und Kältemittel (für Verdichtungsendtemperatur bis 190 °C)

Für die von Wissenschaft und Politik favorisierten natürlichen Kältemittel für Wärmepumpen müssen für diese neuen Verfahren und Apparaturen in Bezug auf Brennbarkeit (KW), Toxizität (z. B. R717) und Korrosivität (z. B. R718) besondere Sicherheitsaufwendungen vorgesehen werden. Ein beson­deres Augenmerk soll deshalb auf kleine Probenvolumina und apparative sicherheitstechnische Funktionen gelegt werden.