Tieftemperatur-Kältemittelzusammensetzungen und deren Verwendung

Die vorliegende Erfindung betrifft neue ternäre Zusam¬ mensetzungen auf Basis wasserstoffhaltiger Fluorkohlenwasser¬ stoffe (HFKW) / Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFCKW) , die als Drei-Komponenten-Gemisch vorliegen und die sich als Kältemit¬ tel für den Tieftemperatur-Kältemittel-Anwendungsbereich so¬ wie zur Anwendung in Klimaanlagen eignen.

Bis heute werden in der Kälte- und Klimatechnik vollha- logenierte Kohlenwasserstoffe, sogenannte Fluorchlorkohlen¬ wasserstoffe (FCKW) eingesetzt. Diese vollhalogenierten FCKW müssen jedoch aus ökologischen Gründen wie insbesondere im Hinblick auf die Beeinflussung der Ozonschicht, durch andere, geeignete Kältemittel ersetzt werden.

Zwar ist es in der Kältetechnik bereits gelungen, Er¬ satzstoffe für den oberen Kältebereich (Kühlen; Temperaturbe¬ reich mit Verdampfungstemperaturen t ₀ von ca. +10 bis -30 °C) bereitzustellen, doch für den Tieftemperaturbereich (Gefrie¬ ren etc., Temperaturbereich mit t ₀ von ca. -30 bis -60 °C) sind im Stand der Technik bisher keine praxiserprobten tech¬ nisch brauchbaren Zusammensetzungen bekanntgeworden. Daher werden im Tieftemperatur-Kältebereich immer noch vorwiegend vollhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe wie beispiels¬ weise das Kältemittel Bromtrifluormethan (R13B1) eingesetzt, welches als Kältemittel zur Erzeugung von Temperaturen zwi¬ schen ca. -50 °C und -80 °C geeignet ist. Daneben sind auch Kältemittelgemisσhe im Einsatz. Solche Kältemittelgemische sind azeotrope Gemische verschiedener Kältemittel, mit denen Siedepunkte und andere thermodynamische Eigenschaften erreicht werden, die mit den reinen Kältemitteln nicht möglich sind. Ein häufig verwendetes Kältemittelgemisch ist beispielsweise das Azeotrop aus Chlordifluormethan (R22) und Chlorpenta- fluorethan (R115) im Gewichtsverhältnis R22/R115 von 48,8 Gew.-% / 51,2 Gew.-%. Das Kältemittel R502 ist insbesondere

für Tieftemperatur-Anwendungen bei -30 bis -50 °C geeignet und führt zu niedrigeren Verdichtungsendtemperaturen als die¬ se mit den im Stand der Technik üblichen Einstoffkältemitteln erreichbar sind.

Aufgrund der nachteiligen, umweltbeeinflussenden Eigen¬ schaften der im Stand der Technik eingesetzten Tieftempera¬ tur-Kältemittel besteht ein Bedürfnis, die verwendeten voll¬ halogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe bzw. die in diesen Kältemittelzusammensetzungen enthaltenen vollhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe durch besser umweltverträgliche Ersatzstoffe auszutauschen.

Es bestand daher die Aufgabe, neue, als Kältemittel für den Tieftemperaturbereich geeignete Zusammensetzungen bereit¬ zustellen, die die Nachteile der im Stand der Technik verwen¬ deten Kältemittel nicht aufweisen oder zumindest einen deut¬ lichen Beitrag zur Verminderung der durch die im Stand der Technik üblichen Kältemittel verursachten Probleme liefern. Die Aufgabe wird gelöst durch die in den Ansprüchen angegebe¬ nen Zusammensetzungen und Verwendungen.

Gegenstand der Erfindung sind als Kältemittel für den Tieftemperaturbereich geeignete ternäre Zusammensetzungen, die sich dadurch auszeichnen, daß sie aus

1-35 Gew.-% Trifluormethan (R23) , 1-60 Gew.-% 1,1,1-Trifluorethan (R143a) und 30-95 Gew.-% Chlordifluormethan (R22)

bestehen, wobei die Summe der vorstehenden Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.

Die vorstehenden erfindungsgemäßen Zusammensetzungen sind sehr gut als Tieftemperatur-Kältemittel geeignet, ins¬ besondere beispielsweise als Ersatzkältemittel für das im Stand der Technik verwendete Bromtrifluormethan (R13B1) oder

das im Stand der Technik verwendete Kältemittelgemisch R502. Hierbei eignen sich als Ersatzkältemittel für R13B1 insbeson¬ dere solche der vorstehenden erfindungsgemäßen ternären Zu¬ sammensetzungen, die wenigstens 15 Gew.-% Trifluormethan (R23) enthalten. Solche erfindungsgemäßen Ersatzkältemittel für R13B1 enthalten dann die Komponente R143a in Mengen von wenigstens 1 Gew.-% bis höchstens 55 Gew.-%; die Komponente R22 ist in diesen erfindungsgemäßen Kältemittel-Zusammenset¬ zungen in einer Menge von wenigstens 30 Gew.-% bis höchstens 84 Gew.-% enthalten. Auch in diesen Zusammensetzungen beträgt die Summe der vorstehenden Bestandteile 100 Gew.-%. Ein Bei¬ spiel für ein erfindungsgemäßes Ersatzkältemittel für R13B1 besitzt folgende Zusammensetzung für R23 R143a/R22: 15 Gew.-% / 42,5 Gew.-% / 42,5 Gew.-%.

Andere erfindungsgemäße ternäre Zusammensetzungen mit 1 bis 15 Gew.-% Trifluormethan (R23) eignen sich insbesondere als R502-Ersatz. In dieser bevorzugten Ausgestaltung der Er¬ findung zeichnen sich die Zusammensetzungen daher dadurch aus, daß sie aus

1-15 Gew.-% Trifluormethan (R23) , 1-60 Gew.-% 1,1,1-Trifluorethan (R143a) und 30-95 Gew.-% Chlordifluorπtethan (R22)

bestehen, wobei die Summe der vorstehenden Bestandteile auch hier 100 Gew.-% beträgt. Diese ternären Zusammensetzungen weisen in ihrem Eigenschafts- und Anwendungsprofil eine aus¬ reichende Ähnlichkeit zum Kältemittelgemisch R502 auf und gestatten daher den Austausch des Kältemittels R502 gegen ein vorstehend zusammengesetztes, erfindungsgemäßes Kältemittel.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfin¬ dung liegen solche Zusammensetzungen vor, die nicht nur ein akzeptables Eigenschafts- und Anwendungsprofil im Vergleich zum Kältemittelgemisch R502 aufweisen, sondern in einigen Anwendungskriterien das Kältemittelgemisch R502 sogar günstig

übertreffen. Solche erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie aus

5-10 Gew.-% Trifluormethan (R23) , 35-50 Gew.-% 1, 1, 1-Trifluorethan (R143a) und 45-55 Gew.-% Chlordifluormethan (R22)

bestehen, wobei die Summe der vorstehenden Bestandteile 100 Gew.-% ergibt.

Die kältetechnischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen ternären Zusammensetzungen aus R23, R143a und R22 können in einfacher Weise auf an sich bekannten Verdichterprüfständen (z. B. Hersteller: Fa. Copeland) ermittelt werden. Der Ver¬ dichterprüfstand z. B. der Fa. Copeland arbeitet nach dem Teilkondensationsverfahren und umfaßt ein Kreislaufsystem, welches einen Verdichter VE, einen Verflüssiger VF, eine Drosselstelle DO, ein Einlaßventil E, ein Expansionsventil EV, ein Mischrohr MI sowie ein Volumenstrommeßgerät VO über Rohrleitungen miteinander verbunden enthält. Die wesentlichen Stationen eines solchen Verdichterprüfstandes zur Ermittlung der kältetechnischen Eigenschaften von Kältemitteln sind schematisch in Fig. 7 dargestellt und dieser kann wie nach¬ folgend beschrieben betrieben werden.

Zum Betrieb des VerdichterprüfStandes gemäß Fig. 7 wird zunächst an das vor dem Expansionsventil liegende Einlaßven¬ til des evakuierten Verdichterprüfstandes ein das zu prüfende Kältemittel enthaltender Druckbehälter angeschlossen. Für den Transfer des Kältemittels in flüssiger Form in die evakuierte Kälteanlage wird der Druckbehälter auf Raumtemperatur aufge¬ wärmt. Anschließend können auf dem Verdichterprüfstand die Messungen zur Ermittlung der kältetechnischen Eigenschaften nach dem Teilkondensationsverfahren durchgeführt werden. Die Messungen werden hierbei in zweckmäßiger Weise gemäß den NormvorSchriften DIN 8977 und ISO 917 durchgeführt. Beim Teilkondensationsverfahren wird im Verzweigungspunkt A der

den Verdichter VE verlassende Kältemittelgasstrom in einen zu verflüssigenden und einen zu drosselnden Kältemittelstrom aufgeteilt und diese Teilströme werden dann im Punkt B wieder zusammengeführt, nachdem die aus dem Verflüssiger VF kommende Mischung über das Expansionsventil EV wieder expandiert wur¬ de. In einem Mischrohr MI findet die Verdampfung des verflüs¬ sigten Kältemittelanteils und die Vermischung mit dem von der Drosselstelle DO kommenden Gasstrom statt. Gemessen werden die Temperaturen und Drücke am Eintritt in den Verdichter (t _lh , p _lh ) und am Austritt aus dem Verdichter (t _2h , p _2h ) , der effektive Volumenstrom V. _ff und die Drehzahl der Verdichter¬ welle.

Eine andere Anordnung zur Untersuchung der kältetechni¬ schen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen ist in Fig. 13 und Beispiel 3 anhand einer einstufigen Kälte¬ anlage beschrieben. Diese Kälteanlage umfaßt einen luftbeauf¬ schlagten Verdampfer VD, einen offenen Verdichter VE, einen wassergekühlten Verflüssiger VF, ein Meßgerät MS zur Messung des Kältemittelmassenstromes sowie ein Expansionsventil EV (ausgeführt als mechanisches Drosselventil) . In dieser Kälte¬ anlage werden die Messungen ebenfalls zweckmäßigerweise nach den NormvorSchriften DIN 8977 und ISO 917 durchgeführt.

Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen eignen sich in vorteilhafter Weise besonders als Kältemittel für den Tief¬ temperaturbereich mit Verdampfungstemperaturen (t ₀ ) unter -30 °C, beispielsweise als Kältemittel für den Tieftempera¬ turbereich mit t ₀ zwischen -30 °C bis -70 °C in Kältemaschi¬ nen, wie z. B. Tiefkühleehränken, Tiefkühltruhen, Kältekam¬ mern für Zwecke der Luftfahrt und Wissenschaft oder Kältekam¬ mern zum Schnellgefrieren von Lebensmitteln, Tiefkühlanlagen für Lebensmittelmärkte, industriellen Großkälteanlagen und Klimageräten.

Die Erfindung betrifft daher auch die Verwendung von Zusammensetzungen gemäß der vorstehenden Beschreibung als

Kältemittel in der Tieftemperatur-Kältetechnik und in der Klimatechnik.

Insbesondere betrifft die Erfindung solche Verwendungen, die sich dadurch auszeichnen, daß man die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen als Ersatzstoff für Kältemittel-Anwendungen der Kältemittel R13B1 oder R502 einsetzt.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne sie jedoch in ihrem Umfang zu begrenzen.

Ficrurenbeschreibunqen:

Fig. 1: Verlauf der Verdichtungsendtemperaturen für R22,

R502 und die erfindungsgemäßen Tieftemperatur-Kälte¬ mittel-Gemische Nr. 5, 6, 7, 8 (siehe Beispiel 1, Tabelle I) als Funktion der Verdampfungstemperatur t ₀ ,mιn.

Fig. 2: Verlauf der Kälteleistungszahlen für R22, R502 und die erfindungsgemäßen Tieftemperatur-Kältemittel- Gemische Nr. 5, 6, 7, 8 (siehe Beispiel 1, Tabelle I) als Funktion der Verdampfungstemperatur t ₀ ,min.

Fig. 3: Verlauf der Temperaturänderungen im Verdampfer für R22, R502 und die erfindungsgemäßen Tieftemperatur- Kältemittel-Gemische Nr. 5, 6, 7, 8 (siehe Bei¬ spiel 1, Tabelle I) als Funktion der Verdampfungs- temperatur t ₀ ,min. Es wird nur das Zweiphasengebiet als Funktion der Verdampfungstemperatur betrachtet.

Fig. 4: Verlauf der Temperaturveränderungen im Verflüssiger für R22, R502 und die erfindungsgemäßen Tieftempera- tur-Kältemittel-Gemische Nr. 5, 6, 7, 8 (siehe Bei¬ spiel 1, Tabelle I) als Funktion der Verdampfungs¬ temperatur t ₀ ,min. Es wird nur das Zweiphasengebiet als Funktion der Verdampfungstemperatur betrachtet.

Fig. 5: Verlauf der Verdichtungsdruckverhältnisse für R22,

R502 und die erfindungsgemäßen Tieftemperatur-Kälte¬ mittel-Gemische Nr. 5, 6, 7, 8 (siehe Beispiel 1, Tabelle I) als Funktion der Verdampfungstemperatur t ₀ ,min.

Fig. 6: Verlauf der geometrischen Hubvolumina des Verdich¬ ters für R22, R502 und die erfindungsgemäßen Tief- temperatur-Kältemittel-Gemische Nr. 5, 6, 7, 8 (sie¬ he Beispiel 1, Tabelle I) als Funktion der Verdamp¬ fungstemperatur t ₀ ,min.

Fig. 7: Schema eines VerdichterprüfStandes nach dem Teilkon¬ densationsverfahren zur Ermittlung kältetechnischer Eigenschaften von Kältemitteln (VE: Verdichter; VF: mit Wasser gekühlter Verflüssiger; DO: Drosselstel¬ le; EV: Expansionsventil; MI: Mischrohr; VO: Volu¬ menstrommeßgerät; A, B: Verzweigungsstellen; E: Ein¬ laßventil)

Fig. 8: Darstellung der auf die elektrische Leistungsaufnah¬ me bezogenen Kälteleistungszahl für ein erfindungs- gemäßes Tieftemperaturkältemittelgemisch aus 15 Gew.-% R23 / 42,5 Gew.-% R143a / 42,5 Gew.-% R22 im Vergleich zum Kältemittel R13B1 des Standes der Technik.

Fig. 9: Darstellung der Verdichtungsendtemperatur für ein erfindungsgemäßes Tieftemperaturkältemittelgemisch aus 15 Gew.-% R23 / 42,5 Gew.-% R143a / 42,5 Gew.-% R22 im Vergleich zum Kältemittel R13B1 des Standes der Technik.

Fig.10: Darstellung der Verdichtungsdruckverhältnisse P _2h / ^p i _h für ein erfindungsgemäßes Tieftemperaturkältemittel- gemisch aus 15 Gew.-% R23 / 42,5 Gew.-% R143a / 42,5

Gew.-% R22 im Vergleich zum Kältemittel R13B1 des Standes der Technik.

Fig.11: Darstellung des Liefergrades des Verdichters für ein erfindungsgemäßes Tieftemperaturkältemittelgemisch aus 15 Gew.-% R23 / 42,5 Gew.-% R143a / 42,5 Gew.-% R22 im Vergleich zum Kältemittel R13B1 des Standes der Technik.

Fig.12: Darstellung des isentropen Wirkungsgrades der Ver¬ dichtung für ein erfindungsgemäßes Tieftemperatur¬ kältemittelgemisch aus 15 Gew.-% R23 / 42,5 Gew.-% R143a / 42,5 Gew.-% R22 im Vergleich zum Kältemittel R13B1 des Standes der Technik.

Fig.13: Schema eines KältemittelprüfStandes zur Ermittlung kältetechnischer Eigenschaften von Kältemitteln (VE: Verdichter; VF: mit Wasser gekühlter Verflüssi¬ ger; MS: Meßgerät für Kältemittelmassenstrom; EV: Expansionsventil; VD: luftbeaufschlagter Verdampfer; E: Einlaßventil)

Beispiel 1:

Herstellung von ternären Kältemittel-Zusammensetzungen für den Tieftemperaturbereich aus R23, R143a und R22

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen wird ein Druckbehälter mit Hilfe einer Vakuumpumpe evakuiert und anschließend in einem Tiefkühlaggregat auf eine Temperatur von ca. -40 bzw. -50 °C abgekühlt. Unter Zuhilfenahme einer Waage werden dann über ein Ventil zunächst die berechnete Menge der höchstsiedenden Komponente R22 und anschließend die der tiefersiedenden Komponenten R143a und R23 in den Druckbe¬ hälter eindosiert. Erfindungsgemäße Zusammensetzungen sind in Tabelle I mit den jeweiligen Gewichtsprozentangaben der Be¬ standteile R23, R143a und R22 angegeben.

Tabelle I

Gemisch Gehalt in Ge .-% an

Nr. R23 R143a R22

1 35 5 60

2 15 42,5 42,5

3 4 1 95

4 10 60 30

5 10 45 45

6 10 35 55

7 5 47,5 47,5

8 5 42,5 52,5

Beispiel 2:

Kältetechnische Eigenschaften einiger Tieftemperatur-Kälte¬ mittelzusammensetzungen gemäß Beispiel 1

Die Eignung und die Vorteile einiger erfindungsgemäßer Zusam¬ mensetzungen aus Beispiel 1 als Tieftemperatur-Kältemittel wird in den nachfolgenden Tabellen II bis VII im Vergleich zum Tieftemperatur-Kältemittel-Gemisch des Standes der Tech¬ nik R502 aufgezeigt, in bezug auf typische kältetechnische Parameter wie:

Verdichtungsendtemperatur t _2h Kälteleistungszahl ε, _»

Temperaturänderung im Verdampfer dT _v . _rd- Temperaturänderung im Verflüssiger dT _vβrfl . Verdichtungsdruckverhältnis Geometrisches Hubvolumen Vg«om.

Dabei bedeuten t _c die Verflüssigungstemperatur, "t ₀ ,min" die minimale Verdampfungstemperatur, dT _h die Überhitzung und dT _u die Unterkühlung.

Tabelle II

Darstellung der Verdichtungsendtemperatur t _2h Kälteanlage: t _c = 40 °C, dT _h = 10 K

Verdampf ungste peratur t ₀ in °C

Gemisch Nr. -45 -40 -30 -20 -10 0

5 106.5 101.8 92.9 85.2 79.5 73.8

6 111.3 102.5 97.1 88.6 81.6 75.5

7 103.0 98.7 89.8 82.9 76.7 71.1

8 105.3 100.6 91.6 84.2 78.6 72.2

Vergleich 89.0 85.1 79.4 73.2 67.9 63.5 R 502

Die vorstehende Tabelle II zeigt, daß die Verdichtungsendtem¬ peraturen aller erfindungsgemäßen Zusammensetzungen günstig sind. Die Ergebnisse sind zur weiteren Veranschaulichung in Fig. 1 graphisch dargestellt.

Tabelle III

Darstellung der Kälteleistungszahlen ε^ Kälteanlage: t _c = 40 °C, dT _h = 10 K

Vβrdampfungstβmpβrati-ir t ₀ in °C

Gemisch Nr. -45 -40 -30 -20 -10 0

5 1.23 1.38 1.75 2.26 2.50 4.02

6 1.27 1.47 1.78 2.30 3.02 4.11

7 1.27 1.41 1.80 2.30 3.01 4.11

8 1.28 1.43 1.81 2.33 2.99 4.12

Vergleich 1.26 1.42 1.77 2.30 3.05 4.20 R 502

Die vorstehende Tabelle III zeigt, daß die Kälteleistungszah¬ len der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen im Vergleich zum Gemisch R502 in der Mehrzahl der Fälle für die erfindungsge-

mäßen Zusammensetzungen gleich oder besser sind. Die Ergeb¬ nisse sind zur weiteren Veranschaulichung in Fig. 2 graphisch dargestellt.

Tabelle IV

Darstellung der Temperaturänderung im Verdampfer dT.v*rd. Kälteanlage: t _c = 40 °C, dT _h = 10 K

Gemisch Verdampf ungstemperatur t ₀ in °C Nr.

-45 -40 -30 -20 -10 0

5 3.52 3.63 3.84 4.04 4.23 4.41

6 3.87 3.98 4.19 4.40 4.59 4.76

7 2.17 2.23 2.33 2.43 2.53 2.61

8 2.29 2.34 2.45 2.55 2.64 2.73

Vergleich 0 0 0 0 0 0 R 502

Die vorstehende Tabelle IV zeigt, daß die Temperaturänderun¬ gen im Verdampfer bei den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen relativ gering sind. Die Ergebnisse sind zur weiteren Veran¬ schaulichung in Fig. 3 graphisch dargestellt.

Tabelle V

Darstellung der Temperaturänderung im Verflüssiger dT _τ#r£1- Kälteanlage: t _c = 40 °C, dT _h = 10 K

Gemisch Verdampf ^• ungstβπiperatur t ₀ in ^< 'C Nr.

-45 -40 -30 -20 -10 0

5 4.85 4.85 4.85 4.85 4.85 4.85

6 5.20 5.20 5.20 5.20 5.20 5.20

7 2.85 2.85 2.85 2.85 2.85 2.85

8 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95 2.95

Vergleich 0 0 0 0 0 0 R 502

Die vorstehende Tabelle V zeigt, daß die Temperaturänderungen im Verflüssiger bei den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen relativ gering sind. Die Ergebnisse sind zur weiteren Veran¬ schaulichung in Fig. 4 graphisch dargestellt.

Tabelle VI

Darstellung des Verdichtungsdruckverhältnisses p _2h /Pi _h Kälteanlage: t _c = 40 °C, dT _h = 10 K

Gemisch Verdampf ungstβπtperatur t ₀ in °C Nr.

-45 -40 -30 -20 -10 0

5 16.21 12.94 8.51 5.80 4.08 2.95

6 16.36 13.05 8.56 5.83 4.10 2.96

7 16.40 13.08 8.58 5.84 4.11 2.97

8 16.49 13.14 8.62 5.86 4.12 2.97

Vergleich 16.40 13.09 8.59 5.85 4.11 2.97 R 502

Die vorstehende Tabelle VI zeigt, daß die Verdichtungsdruck¬ verhältnisse der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen nahezu gleich den Verdichtungsdruckverhältnissen beim Gemisch R502 sind.

Die Ergebnisse sind zur weiteren Veranschaulichung in Fig. 5 graphisch dargestellt.

Tabelle VII

Darstellung des geometrischen Hubvolumens V _g . _om . Kälteanlage: t _c = 40 °C, dT _h = 10 K

Gemisch Vβrdampftingstβmperatur t ₀ in ^< Nr.

-45 -40 -30 -20 -10 0

5 113.1 74.6 39.0 23.2 14.9 10.0

6 112.3 73.9 38.6 23.0 14.8 10.0

7 124.9 82.0 42.7 25.3 16.2 10.9

8 124.8 81.9 42.5 25.3 16.2 10.9

Vergleich 150.3 98.35 50.8 29.96 19.05 12.74 R 502

Die vorstehende Tabelle VII zeigt, daß die geometrischen Hub¬ volumina der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen durchweg deutlich geringer sind als beim Gemisch R502. Damit können die Verdichter in Kälteanlagen bei Einsatz der erfindungsge¬ mäßen Zusammensetzungen kleiner ausgelegt werden, was sich kostensparend auf die Konstruktion von Kälteanlagen auswirkt. Die Ergebnisse sind zur weiteren Veranschaulichung in Fig. 6 graphisch dargestellt.

Beispiel 3

Kältetechnische Eigenschaften einer Tieftemperatur-Kältemit- telzusammensetzung in einem Kältemittelprüfstand im Vergleich zum Kältemittel R13B1 des Standes der Technik

Versuche zu kältetechnischen Eigenschaften des erfindungsge¬ mäßen Gemisches nach Beispiel 1, Nr. 2 (= im folgenden kurz BHF genannt) und des Kältemittels R13B1 (Vergleich, Stand der Technik) wurden in einer einstufigen Kälteanlage mit folgen¬ den Merkmalen durchgeführt (siehe auch Schema Fig. 13) :

offener Verdichter (VE) , Geometrisches Hubvolumen V _g . _om .= 19,6 m ³ /h (Fabrikat BITZER); wassergekühlter Verflüssiger (VF) / (Fabrikat BITZER) ; luftbeaufschlagter Verdampfer (VD) / (Fabrikat KUBA) ; mechanisches Drosselventil (EV) mit Mikrometersehraube (Fabrikat FLICA) ;

Bestimmung des Kältemittelmassenstromes mit Hilfe eines Meßgerätes (MS) / (Fabrikat MICROMOTION) ; die vom Verdichtermotor aufgenommene elektrische Leistung wurde mit Hilfe eines die Arbeit messenden Wattstundenzählers und eines Zeitmessers (Stopuhr) be¬ stimmt.

Der das Kältemittel enthaltende Druckbehälter wurde an das vor dem Expansionsventil (EV) liegende Einlaßventil (E) des evakuierten VerdichterprüfStandes angeschlossen. Für den Transfer des Kältemittels in flüssiger Form in die evakuierte Kälteanlage wurde der Druckbehälter auf eine Temperatur er¬ wärmt, die etwas höher als die Raumtemperatur lag.

Anschließend wurden mit Hilfe des Verdichterprüfstandes die Messungen zur Ermittlung der kältetechnischen Eigenschaften gemäß den NormvorSchriften nach DIN 8977 und ISO 917 durch¬ geführt.

Gemessen wurden die Temperaturen und Drücke am Eintritt (t _lh , p _lh ) und am Austritt (t _2h , p _2h ) des Verdichters, die Temperatur vor dem Drosselventil (t _3u ) , der Massenstrom m _R , die aufgenom¬ mene elektrische Leistung p _βl und weitere Größen, die Kon¬ trollzwecken dienten.

Die Auswertung der Messung wurde mit Hilfe eines Rechenpro- grammes zur Ermittlung thermodynamischer Eigenschaften der eingesetzten Stoffe vorgenommen.

Die Ergebnisse der Auswertung werden nachfolgend im einzelnen weiter erläutert und sind in den Figuren 8 bis 12 darge¬ stellt.

Als unabhängige Variable wird hierbei die Verdampfungstempe¬ ratur t ₀ (bei Gemischen als mittlere Verdampfungstemperatur t ₀ , ) verwendet. Dabei bedeuten die angegebenen, typischen kältetechnischen Parameter:

Verdichtungstemperatur t _2h

Kälteleistungszahl ε _#1 (bezogen auf die elektrische

Leistungsaufnahme)

Verdichtungsdruckverhältnis P _2h /P _lh

Geometrisches Hubvolumen V _g , _om _

Verflüssigungstemperatur t _c (mittlere Kondensations- temperatur)

Überhitzung dT _h

Unterkühlung dT _u

a) Kälteleistungszahl bezogen auf die elektrische Leistungsaufnähme

Die Leistungszahl ε _#1 . zeigt für R13B1 und für das Gemisch BHF die gleiche Tendenz. Es liegt mit hoher Annäherung Gleichwer¬ tigkeit vor.

Der dargestellte Kennwert stellt unter Umweltaspekten eine entscheidende Größe dar, da er den Energieverbrauch einer Kälteanlage bezogen auf das jeweils eingesetze Kältemittel beschreibt.

Die Ergebnisse des Versuches a) sind zur weiteren Veranschau¬ lichung in Fig. 8 dargestellt.

b) Verdichtungsendtemperatur

Die Verdichtungsendtemperatur (hier = Druckrohrtemperatur) wurde für beide Kältemittelvarianten (BHF sowie R13B1) zwar verhältnismäßig hoch gemessen: zwischen 125 °C und 150 °C; hierbei ist aber zu beachten, daß die Versuche im Mittel bei Überhitzungen von 40 K durchgeführt wurden, um stabile Me߬ ergebnisse zu erzielen. Daher wurde auch kein thermostati¬ sches Expansionsventil, sondern ein Drosselventil mit fester Einstellung verwendet.

In der kältetechnischen Praxis werden jedoch thermostatische Expansionsventile eingesetzt, die Überhitzungen von 8 bis 12 K verwirklichen. Die gemessenen Verdichtungsendtemperatu¬ ren (Druckrohrtemperaturwerte) werden daher im üblichen Be¬ trieb mindestens um 30 K geringer ausfallen, d.h. sie liegen dann im akzeptablen Bereich unterhalb 150 °C.

Die Ergebnisse des Versuchs b) sind zur weiteren Veranschau¬ lichung in Fig. 9 dargestellt.

c) Verdichtungsdruckverhältnisse P _2h /Pι _h

Das Verdichtungsdruckverhältnis des Gemisches BHF steigt mit fallender Verdampfungstemperatur auf Grund des Gehaltes von 15 Gew.-% des tiefsiedenden Bestandteiles R23 stärker als bei R13B1 an.

Wählt man ein Verdichtungsdruckverhältnis von 17.5, so ist mit BHF eine Verdampfungstemperatur von -58 °C erzielbar.

Die Ergebnisse des Versuchs c) sind zur weiteren Veranschau¬ lichung in Fig. 10 dargestellt.

d) Liefergrad des Verdichters

Die Liefergrade des Verdichters konnten auf einfache Weise bestimmt werden, da in der Versuchskälteanlage ein den Kälte¬ mittelmassenstrom messendes Gerät des Fabrikates Micromotion installiert war und damit auch der Volumenstrom im Saugzu¬ stand festgestellt werden konnte.

Sowohl bei dem Gemisch BHF als auch bei R13B1 liegen ver¬ gleichsweise hohe Verdichtungsdruckverhältnisse vor, so daß mittlere Werte für die Liefergrade erhalten wurden. Die Grös- senordnung liegt zwischen 50 und 60 % bei beiden eingesetzten Kältemitteln (BHF bzw R13B1) , was durchaus akzeptabel ist.

Die Ergebnisse des Versuchs d) sind zur weiteren Veran¬ schaulichung in Fig. 11 dargestellt.

e) Isentroper Wirkungsgrad der Verdichtung

Aus den gemessenen Werten für Temperatur und Druck am Ein- und Austritt des Verdichters wurden mit Hilfe eines Rechen- programmes (auf Basis der Zustandsgleichungen nach Peng und Robinson) der isentrope Wirkungsgrad der Verdichtung (eta _i# ) bestimmt.

Mit fallender Verdampfungstemperatur nehmen die Werte von etai, in beiden Fällen zu.

Die ermittelten Ergebnisse können für die Auslegung von Käl¬ teanlagen mit Verdichtern offener Bauweise herangezogen wer¬ den.

Die Ergebnisse des Versuchs e) sind zur weiteren Veranschau¬ lichung in Fig. 12 dargestellt.

Die Ergebnisse der vorliegenden Versuche a) bis e) zeigen deutlich, daß das Gemisch BHF als Ersatz für das Kältemittel R13B1 des Standes der Technik in Betracht kommt. Hierbei sind Verdampfungstemperaturen bis hinab zu etwa -60 °C realisier¬ bar.