Neue F-Gasverordnung (EU) Nr. 517/2014 für Kältemaschinen
Die F-Gas-Verordnung (EU) Nr. 517/2014 ist ein großer Umbruch bei den Herstellern von Kältemaschinen. Das Ziel ist die Emissionsreduzierung der F-Gase (fluorierte Kohlenwasserstoffe) bis 2030 um 70 Prozent im Vergleich zu 1990.
Durch die Umstellung von F-Gas zu brennbaren Medien, wie Butan oder Propan, ergeben sich neue Herausforderungen in der Gewährleistung der Dichtigkeit der einzelnen Baugruppen.
Hier lesen Sie, wie Sie technischen Herausforderungen der neuen Verordnung mit Hilfe der CFD- und FEM-Simulation meistern können.
Schauen wir uns einen Kälteprozess einmal genauer an.
Normalerweise fließt Wärme von warm nach kalt. Ein Kühlschrank würde so aber nicht funktionieren. Beim Kühlen soll ja die Wärme vom zu kühlenden Produkt an die wärmere Umgebung gebracht werden.
Wir kennen den physikalischen Effekt, wenn eine Flüssigkeit verdampft, dass sie Wärme entzieht. Der menschliche Körper nutzt diesen Effekt beim Schwitzen zum Kühlen der Körpertemperatur.
In einem Kühlschrank oder einer Kältemaschine gibt es einen sogenannten Kältekreislauf. Hier wird ein gasförmiges Kältemittel durch einen Kompressor verdichtet und dabei auf Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur erwärmt. Über Wärmetauscher (beim Kühlschrank sind dies die schwarzen Kühlschlangen hinten) wird Wärme an die kältere Umgebung abgegeben. Das Kältemittel kühlt ab und verflüssigt sich dabei. Im Anschluss fließt das Kühlmittel zur Druckabsenkung durch eine Drossel in den Verdampfer im Innern des Kühlschranks. Dort verdampft es und entzieht dem Innenraum wieder Wärme und strömt danach als Gas weiter zum Kompressor (siehe Abbildung 1).
Eher am Rande: eine spannende Frage in der Thermodynamikklausur ist immer wieder, ob es in einem Raum mit einem offenstehenden Kühlschrank kälter oder wärmer wird.
Die Antwort hierzu ist: Bei jedem technischen Prozess treten Reibungsverluste auf, die in Wärme umgewandelt werden. Auch bei einem Kompressor, dem Ventil und den Leitungen gibt es Verluste. Die abgegebene Wärmemenge an den umgebenden Raum ist also immer größer, als im Kühlschrank abgeführt wird. Daher wird es im Raum immer wärmer.
Als Kältemittel kommen nun Gase in Frage, welche sich bei moderaten Temperaturen (im Bereich -40°C) verflüssigen lassen. Physikalisch wird dies durch den Siedepunkt des Gases charakterisiert, der den Übergang zur flüssigen zur gasförmigen Phase für einen bestimmten Druck angibt.
Hier wurden in der Vergangenheit Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW) eingesetzt, die den Vorteil hatten, nicht brennbar oder explosiv zu sein. Mit der aufkommenden Klimadiskussion wurde die Schädlichkeit auf die Klimaerwärmung thematisiert.
Ein neuer Begriff wurde nun eingeführt, dem GWP als Abkürzung für „Global Warming Potential“, der für das Erderwärmungs- bzw. Treibhauspotenzial einer Substanz dient. Der GWP-Wert eines Kältemittels definiert dessen relatives Treibhauspotenzial in Bezug auf CO₂ (auch als CO₂-Äquivalent bezeichnet). CO2 hat demzufolge den Wert 1.
Seit dem 1. Januar 2022 ist das Inverkehrbringen und die Verwendung von Kältemitteln mit einem Treibhauspotenzial (GWP) ≥ 150 im europäischen Raum für weitere Anwendungen verboten.
Was bleibt, sind natürliche Kältemittel und synthetische Kältemittel mit geringen GWP-Werten. Hierunter finden sich Ammoniak, Kohlendioxid, Propen, Propylen, Propan, Isobutan, Ethan sowie verschiedene synthetische Varianten.
Viele Vertreter dieser Kältemittel können jedoch explosionsfähige Mischungen mit Umgebungsluft bilden, so dass hier ein mögliches Explosionsrisiko bei Leckagen im Kältekreislauf besteht. Dem Explosionsschutz ist daher bei Anlagen mit brennbaren Gasen erhöhte Aufmerksamkeit zu widmen.
Die Ausbreitung von möglichen Gasleckagen und Zonen von explosionsfähigen Konzentrationen lassen sich über Simulationen bestimmen. Gerne unterstützen wir Sie bei der Betrachtung möglicher Risikoszenarien über entsprechende Simulationsmodelle mit Hilfe der CFD Strömungsberechnung.
Auch der Verdampfungsvorgang an sich sowie die Wirksamkeit von Wärmetauschern lassen sich sehr gut über Simulationsmodelle im Bereich FEM oder CFD abbilden.
Um Leckagen weitgehend zu vermeiden, werden an die verbauten Dichtungen hohe Anforderungen gestellt. Die statische Festigkeit und die Ermüdungsfestigkeit (Langzeitverhalten) der Dichtungen unter pulsierendem Druck, externen Schwingungen und Temperaturschwankungen lassen sich numerisch mit FEM-Simulationen bewerten und optimieren.
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Ihr Stefan Merkle
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