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Sublimation von Trockeneis zur Tieftemperaturkühlung

07/2015 - 12/2017

Dr. Peter Röllig, Dr. Joachim Germanus

+49-351-4081-645

Nutzung von CO2 für Kühlaufgaben unter -50°C

Für spezielle kältetechnische Anwendungen (z. B. Betrieb von  Prüf- bzw. Umweltsimulationskammern, Gefriertrocknung oder Tieftemperaturmedizin bzw.  biologie)  ist die Bereitstellung von Kälte im Temperaturbereich unter -50 °C erforderlich. Für derartige Anwendungen werden gegenwärtig meist Kältemittel mit sehr hohem GWP-Wert, wie R23 (GWP 14.800) oder R14 (7.390) in Kompressionskälteanlagen genutzt. Die F-Gase-Verordnung 517/2014 gewährt für Kühlanwendungen unter -50 °C Ausnahmen bei der Anwendungsbeschränkung dieser Stoffe. Aber nicht zuletzt aus ökologischer Sicht ist es sinnvoll, in diesem Temperaturbereich nach technischen Lösungen mit alternativen umweltfreundlichen Kältemitteln zu suchen, die den kältetechnischen Anforderungen genügen und weltweit marktfähig sind.

Brennbare Kohlenwasserstoffe, die als alternative Kältemittel in Kompressionskälteanlagen thermodynamisch geeignet wären, werden wegen restriktiver Anforderungen bei der Aufstellung dieser Anlagen – meist in Innenräumen - von der Industrie nicht akzeptiert.
Alternative Kälteprozesse, wie Stirling-, Kaltluft-, Pulse-Tube-Prozess, bieten im hier diskutierten Temperatur- und Anwendungsbereich keine sinnvollen Alternative, da sie in der Regel erst im tieferen Temperaturbereich (d. h. unter ca. -80 °C) wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar sind.

Die Grundidee dieses Forschungsvorhabens liegt in der Verwendung des natürlichen Stoffes Kohlendioxid (GWP-Wert 1) als Arbeitsstoff und der Nutzung der Sublimationswärme des festen CO2-Trockeneises für die Tieftemperaturkühlung. Die Nutzung des Phasenüberganges fest-gasförmig wird bei Kohlendioxid erforderlich, da der Tripelpunkt bei -56,6 °C liegt. Normalerweise wird im Verdampfer eines herkömmlichen Kompressions-Kaltdampfprozesses der Phasenübergang flüssig-gasförmig verwendet, doch dieser kann nur oberhalb der Tripelpunkttemperatur genutzt werden.

Die Innovation des hier geplanten Forschungsvorhabens besteht darin, die Sublimationswärme von Trockeneis in einer Art und Weise für die Kälteerzeugung zu nutzen, die dem Verdampfer des üblichen Kaltdampfprozesses sehr nahe kommt. Allerdings ist hier eine völlig andere Technologie zur Bereitstellung der Kälteleistung erforderlich, und es gilt technische Lösungen für die Sublimation von festem (d. h. nicht fließfähigem) CO2-Trockeneis für praktische Kältekreisläufe zu entwickeln.

Im Forschungsvorhaben sind zwei grundsätzliche Entwicklungsrichtungen vorgesehen.

  1. Sublimation von festem Kohlendioxid in einer umgebenden Gasphase:
    Die  Kälteleistung wird direkt am Sublimator bereitgestellt. Wegen der relativ schlechten Wärmeübergänge über die Gasphase müssen für diese Sublimationsvariante neue Technologien für eine bestmögliche Wärmeübertragung entwickelt werden.
  2. Sublimation von festem Kohlendioxid in einer Flüssigkeit:
    Über die Flüssigphase ist ein vorteilhafter Wärmetransport möglich. Dafür musste ein geeignetes Fluid gefunden werden, das neben einer wünschenswerten Nichtbrennbarkeit weitere Anforderungen für eine optimale Sublimation bzw. Kälteerzeugung im tiefen Temperaturbereich erfüllen soll.

Für die beiden Sublimationsvarianten werden messtechnische Untersuchungen durchgeführt an einer Prüfeinrichtung, die im ILK entwickelt wurde. Die Bereitstellung des Trockeneises für die praktischen Untersuchungen erfolgt über ein sogenanntes „Schneerohr“ durch schnelle Druckentspannung von flüssigem CO2 auf Atmosphärendruck.

Ein geeignetes Fluid für die Sublimationsvariante 2 wurde ausgewählt. Dafür sind wesentliche physikalische Eigenschaften im Mischungsverhalten mit CO2 für den vorgesehenen Temperatur- und Anwendungsbereich detailliert untersucht worden. Ergebnisse wurden bereits publiziert. Um die Idee des ILK zu schützen, wurde im Dezember 2015 eine Patentanmeldung „Verfahren zur Tieftemperaturkühlung“ veranlasst.


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