CO₂-Kältemittelpumpe von HERMETIC an Proof of Concept von CTES beteiligt

Proof of Concept erbracht: Nutzung von CO₂ zum Be- und Entladen eines Kältespeichers mit einem Phasenwechselmaterial (PCM – phase change material)

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein neuartiges CTES-Gerät mit einer speziellen Art von Wärmetauschern (Kissenplattenwärmetauschern) entwickelt und eine experimentelle Testanlage gebaut, bei der als Kältemittel CO₂ im Pumpenumlauf eingesetzt wird. Die Technologie basiert auf der Nutzung des Kältemittels CO₂ zum Be- und Entladen des Kältespeichers mit unterschiedlichen Phasenwechselmaterialien (PCM). Während des Ladevorgangs des CTES-Systems wird Wärme vom PCM ans verdampfenden CO₂ übertragen. Bei diesem Prozess verfestigt sich das PCM, dh. die relativ hohe latente Wärmemenge wird dem Speicher entzogen. Wenn das CTES-System die Kälteanlage unterstützt, erfolgt eine Wärmeübertragung vom CO₂ (verflüssigt) auf das PCM (schmilzt). Die in der Versuchsanlage durchgeführten Experimente haben den ‚Proof of Concept‘ der Technologie erbracht. Es wurde nachgewiesen, dass eine effektive und kompakte Kältespeicherung mit PCM in Kombination mit der Kondensation und Verdampfung von CO₂-Kältemittel möglich ist. Um den Temperaturanforderungen verschiedener Kälteanwendungen gerecht zu werden, wurden mehrere PCMs getestet. Für Klimaanlagen ist Wasser/Eis ein attraktiver, natürlicher und günstiger Kandidat, der in der Anlage getestet wurde. Schließlich wurde auch ein kommerzielles Niedertemperatur-PCM (–10 °C), das für Lebensmittelverarbeitungsanlagen geeignet ist, erfolgreich demonstriert. 

Kältemittel im Pumpenumlauf: Hohe Anforderungen an die Förderung von CO₂

Für diese Anwendung eignet sich gepumptes Kältemittel, da das flüssige Kältemittel gleichmäßig in den speziellen Wärmetauscherplatten des neu entwickelten Kältespeichers verteilt werden muss. Der kritische Punkt von CO₂ liegt bei 31 °C und erfordert zur Wärmeabgabe viel höhere Drücke, als sie üblicherweise in der industriellen Kühlung zum Einsatz kommen. Die eingesetzten Komponenten müssen diesen Anforderungen standhalten. In der Pilotanlage zirkuliert das CO₂ in einem Temperaturbereich von 5 °C bis –50 °C, mit einem maximalen Nenndruck von 52 bar. Neben der Beherrschung des Drucks stellt die niedrige Viskosität von CO₂ eine Herausforderung für die Tragfähigkeit der Gleitlager dar. Darüber hinaus werden absolute Dichtigkeit sowie ein geringer MTBF-Wert und damit höchste Zuverlässigkeit der eingesetzten Pumpe gefordert.

Zuverlässige Kältemittelzirkulation unter anspruchsvollen Testbedingungen

HERMETIC stellte eine CO₂-Pumpe des Typs CAMh2 zur Verfügung. Als Hochdruck-Ausführung ist die Spaltrohrmotorpumpe bestens an bestehende Anlagenverhältnisse angepasst. Diese Baureihe wurde speziell für CO₂-Anwendungen entwickelt, um den Anforderungen bei 52 bar Betrieb und Stillstandsdruck gerecht zu werden.

Das Forschungsteam stellte der von HERMETIC gespendeten Pumpe ein hervorragendes Zeugnis aus, insbesondere angesichts der anspruchsvollen Bedingungen in einer experimentellen Testanlage. So war die Pumpe im Vergleich zu industriellen Anwendungen mit häufigeren Start-Stopp-Zyklen sowie mit wechselnden Betriebsdrücken und Durchflussmengen konfrontiert. Die Pumpe wies während des gesamten Versuchs keine Probleme oder Leckagen auf und sorgte für eine zuverlässige Verteilung des Kältemittels in der Testanlage.

HERMETIC CAMh-Pumpe bietet konstruktiv Sicherheit und hohe MTBF-Werte

Spaltrohrmotorpumpen bietet konstruktiv Sicherheit durch ihre absolute Leckagefreiheit und hohe MTBF-Werte durch den Verzicht auf verschleißanfällige Wellendichtungen und Kupplungen. Bei dieser Technologie kommen vom Kältemittel geschmierte Gleitlager zum Einsatz. Problematisch ist die niedrige Viskosität von Flüssiggasen wie CO₂, die mit Temperaturanstieg weiter abfällt und negativ auf die Tragfähigkeit der Gleitlager wirkt. Falsche Lagerwerkstoffe oder eine zu kleine Oberfläche verursachen Mischreibung im Betrieb. Verschleiß und ein Pumpenausfall sind die Folge. Großzügig dimensioniert und aus modernen gesinterten Werkstoffen, gewähren die Gleitlager der HERMETIC Pumpe einen berührungsfreien und damit praktisch verschleißfreien Lauf. Die Konstruktion und Werkstoffauswahl der Pumpenbaureihe CAMh deckt den Nenndruck PN 52 sicher ab. Drucktragende Teile sind beispielsweise in Stahlguss ausgeführt. Gemäß den gültigen Normen wie ISO 15783 für Spaltrohrmotorpumpen, wurde eine Druckprobe mit 78 bar durchgeführt. Zusätzlich wurde die zweite Sicherheitshülle mit Stickstoff (N₂) auf Dichtigkeit geprüft. Damit sorgte die HERMETIC Pumpe für einen sicheren und kontrollierten Weg des Kältemittels in der Pilotanlage.