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17.12.2019 | Originalarbeiten/Originals
Propan/Isobutan-Gemische als alternative Kältemittel in Kompressionskältemaschinen: Eine experimentelle Untersuchung
Erschienen in: Forschung im Ingenieurwesen
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Zusammenfassung
Aufgrund politischer Vorschriften, müssen die momentan gängigen Kältemittel (z. B. R134a) zukünftig durch umweltfreundlichere Fluide ersetzt werden. Eine wichtige Rolle spielen hierbei die natürlichen Kältemittel. Isobutan (R600a) und Propan (R290) sind Vertreter dieser Gruppe. Beide Fluide sind umweltfreundlich, kostengünstig, in großen Mengen vorhanden und besitzen gute thermodynamische Eigenschaften. Werden diese Fluide gemischt, resultiert ein zeotropes Gemisch. Basierend auf thermodynamischen Grundüberlegungen sollte der für zeotrope Gemische charakteristische Temperaturgleit in den Wärmeübertragern (mit Ausnahme einer Kreuz-Gleich und Kreuz-Gegenstromführung) zu vermindertem Exergieverlust führen und damit zur Erhöhung der Leistungszahl ε. Neben dem veränderten Prozessverhalten innerhalb der Wärmeübertrager wird allerdings auch das Prozessverhalten weiterer Komponenten beeinflusst, was in der Fülle rein theoretischer Studien nicht berücksichtigt wird.
Zur Ergänzung und Validierung theoretischer Untersuchungen wurde ein Kompressionswärmepumpen-Versuchsstand aufgebaut, in dem unterschiedliche Fluide und Fluidgemische systematisch experimentell untersucht werden können. Die Anlage erlaubt neben der Messung von Massenströmen, Temperaturverläufen und Druckniveaus auch die Untersuchung der Leistungszahl als Funktion der Verdichterleistung und der Gemischzusammensetzung. Das Betriebsverhalten der Anlage wurde sowohl für die Reinstoffe Isobutan und Propan als auch für deren Gemische untersucht. Es werden unterschiedliche Parameter vorgestellt und diskutiert. Dazu gehören Leistungszahlen, isentrope Verdichterwirkungsgrade, die spezifische Verdichterarbeit sowie der Temperaturgleit in Abhängigkeit der Verdampfungstemperatur (0 bis 6 °C), für eine Kondensationstemperatur von 30 °C, bei unterschiedlichen Verdichterleistungen bzw. -drehzahlen (1050, 1500 und 2100 min−1).
Im stationären Betrieb wird durch den Einsatz eines zeotropen Gemisches im Vergleich zu den Reinstoffkomponenten eine Erhöhung der Leistungszahl erzielt. Die höchsten Leistungszahlen werden bei einer Zusammensetzung von \(x_{\text{Propan}}=\) 0,732; \(x_{\text{Isobutan}}=\) 0,268 erreicht und liegen je nach Randbedingung zwischen 3,3 und 5,4. Entgegen theoretischer Vorhersagen, zeigen allerdings die experimentellen Ergebnisse für das Gemisch \(x_{\text{Propan}}=\) 0,732; \(x_{\text{Isobutan}}=\) 0,268 nur eine leichte Verbesserung der Leistungszahl von 5 % im Vergleich zum Reinstoff Propan. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Ursachen für diese Abweichung darin begründet sind, dass einerseits der isentrope Wirkungsgrad des Verdichters stark von der Zusammensetzung abhängig ist und ferner der Druckverlust in den Wärmeübertragern den tatsächlich nutzbaren Temperaturgleit mindert. Beide Effekte werden in einfachen theoretischen Ansätzen zumeist nicht berücksichtigt.