Eignungsuntersuchungen und thermodynamisches Verhalten von Kältemittel Öl Gemischen für R245fa Anwendungen

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1 Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Eignungsuntersuchungen und thermodynamisches Verhalten von Kältemittel Öl Gemischen für R245fa Anwendungen Steffen Feja (ILK Dresden), Christian Puhl (Fuchs Europe Schmierstoffe) Gliederung Grundlagen Begriffsbestimmung ORC und Auswahl des Arbeitsfluides Betrachtungen zur Viskosität Betrachtungen zu Polarität und Mischbarkeit Mischbarkeit Dichte der Kältemittel Öl Gemische Dampfdruck von Gemischen Viskosität von Gemischen Zusammenfassung Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 2

2 Grundlagen ORC Technologie Begriffsbestimmung Organic Rankine Cycle (William John Macquorn Rankine ( )) Organisches Medium ORC ist besser geeignet als Wasserdampfturbine, wenn: Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke klein Wärmezufuhr (Verdampfer) Wärmequelle auf tiefem Temperaturniveau Expansionsmaschine mit Generator G Pumpe P Wärmabfuhr (Kondensator) Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 3 Grundlagen Hauptanwendungsbereiche bis einige Megawatt elektrisch Solarwärme Abwärme von BHKW Biomasseverbrennung Geothermie aber auch kleine Leistungen sind möglich Bsp.: Modul 20 kw elektrisch Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 4

3 Grundlagen Arbeitsfluide ORC Prozesse Chlorfrei kein ODP; chlorhaltig; mittel- und langfristig Keine Alternative HFKW natürlich SiO-org. Beispiel: R12 klassisch Ketone KW andere R245fa R365mfc Novec 649 R601x Cy-Hexan NH 3 OMTS Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 5 Arbeitsstoff R245fa Eigenschaften 1,1,1,3,3 - Pentafluorpropan Hochtemperaturkältemittel ODP = 0, GWP = 950 Chemisch inert bis 260 C (Zersetzung trocken!) Kritische Daten: 134 C, 27,6 bar Sicherheitsgruppe A2 Anwendungen Organic Rankine Cycle Wärmepumpen Wärmeträgerflüssigkeit weitere Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 6

4 Grundlagen Arbeitsfluide ORC Prozesse Chlorfrei kein ODP; chlorhaltig; mittel- und langfristig Keine Alternative HFKW natürlich SiO-org. Beispiel: R12 klassisch Ketone KW andere R245fa R365mfc Novec 649 R601x Cy-Hexan NH 3 OMTS Wie sollte das passende Kälte -Maschinenöl aussehen? Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 7 Aufgaben des Schmierstoffes Schmieren Kühlen Wärmetransport Reinigen / Dispergieren Abdichten Korrosionsschutz Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 8

5 Anforderungen an den Schmierstoff (allgemein) Verlässliche Schmierungseigenschaften Hohe chemische Stabilität Gute Kältemittel-Mischbarkeit (Öltransport, Wärmeübergang) Niedriger Wassergehalt Gute Werkstoff-Verträglichkeit (Metalle-Kunststoffe-Elastomere) Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 9 Anforderungen an den Schmierstoff speziell in ORC Anlagen Wenn Schmierung der Expansionsmaschine notwendig, dann: Schmierwirkung optimal Viskosität bei 5 15 (ideal 10) centistokes Gute Ölrückführung Keine Mischungslücke bzw. gute Löslichkeit in Kondensator Ölabscheidung notwendig temperaturabhängige Mischungslücke Hot Spots von > 120 C möglich Temperaturbeständigkeit von mind. 140 C Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 10

6 Kinematische Viskosität [mm²/s] Kinematische Viskosität [mm²/s] Kinematische Viskosität [mm²/s] Kriterium Viskosität Bsp. ISO VG PAG Öl mit VI 175 PAG Öl mit VI 193 PAG Öl mit VI 194 PAG PAO Öl Öl mit mit VI VI PAG PAO Öl Öl mit mit VI VI PAG POE Öl Öl mit mit VI VI PAO POE Öl Öl mit mit VI VI PAO Synth. Öl Öl mit mit VI VI POE Mineralöl Öl mit mit VI VI POE Öl mit VI 105 Synth. Öl mit VI 100 Mineralöl mit VI Temperatur [ C] großer VG, großer VI Daten über 100 C messen Verdünnung durch R245fa beachten Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 11 Kriterium Viskosität POE Öl mit VI 121 Synth. Öl mit VI PAG Öl mit VI 224 POE Öl mit VI Temperatur [ C] Bsp. : VG 150 Nur wenige Daten vorhanden Selber messen Temperatur [ C] VG 220 Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 12

7 PAG Kriterium Dipolmoment Vergleich mit HFKW (R134a, 407C) Ähnlich = mischbar Temperaturabhängigkeit beachten J. Fahl, Dissertation, Bochum 2002 KW (MO & synth.) POE Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 13 Mischbarkeit POE VG 170 [Bock, Puhl; Kältemaschinenöle] R227ea R236fa R245fa ca. 80 C ca. -10 C ca. +5 C Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 14

8 Mischbarkeit POE VG 220 [Bock, Puhl; Kältemschinenöle] R227ea R236fa R245fa ca. 87 C ca. -40 C ca. -28 C Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 15 Mischbarkeit PAG VG 220 [Bock, Puhl; Kältemschinenöle] R227ea R236fa R245fa ca. 85 C ca. 51 C ca. 43 C Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 16

9 Mischbarkeit PAG VG 220 R227ea R236fa R245fa Fluoratome 7x 6x 5x Wasserstoffatome 1x 2x 3x Tendenz obere Mischungslücke (POE) Tendenz obere Mischungslücke (PAG) Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 17 Zusammenfasssung der theoretischen Überlegungen Vorauswahl des Schmierstoff möglich Einschränkung der möglichen Kandidaten auf wenige MO und AB zu kleiner Viskositätsindex PAO ausgedehnte Mischungslücke mit R245fa an PAG und POE Ölen Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 18

10 Temperatur [ C] Mischbarkeit DIN mit Druckrohr Brennbare Kältemittel C (interne Messung) bis 100 bar (interne Messung) Rühren möglich Magnetkupplung mit Rührer Befüllstutzen mit Ventil Rührer Drucksensor Zusätzlich auch möglich Flockpunkttest (DIN 51351) Temperatursensor Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 19 Mischbarkeit PAG ISO VG 220 mit R245fa mischbar = klar Grenze der Mischbarkeit Messpunkte korrigiert Bock, W. et.al.; Zusammensetzung [M% Öl] Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 20

11 Dichte [kg m -3 ] Dichte [kg m -3 ] Messungen der Dichte im System R245fa - PAG ISO VG 220 Messung bei großen KM Konzentrationen Viskositätsberechnung Ölrückführung Auslegung von Komponenten Messung mit druckfesten Biegeschwinger Unstetigkeit ideal <->real Überprüfung Messgerät Reinheit des Kältemittels (technisch)? Mischungslücke beachten 2 2 ij i 0 j 0 i j a T x R245fa gemessen R245fa R245fa berechnet gemessen [Reflib] R245fa [Reflib] 1,2 M% Öl R134a gemessen 3,2 M% Öl R134a [Reflib] 6,3 M% Öl 10,0 M% Öl gemessene Werte berechnete Werte Mischungslücke Reines Öl Temperatur [ C] Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 21 Messungen der Dichte im System R245fa - PAG ISO VG real (0, 3, 6, 9 M% Öl) ideal (0, 3, 6, 9 M% Öl) reines Öl Temperatur [ C] Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 22

12 Dampfdruck [bar] Direktmessung von Dampfdrücken Komponenten werden direkt eingewogen Zellvolumen = 625 cm³ Kleines Dampfraumvolumen Korrektur erfolgt rechnerisch Rührer mit Magnetkupplung Pt C T < 0,05 K DMS Drucksensor bis 85 C p < 0,15 % FS Bis 160 bar Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 23 Dampfdruckmessung im System POE ISO VG 220 R245fa Messung bei hoher Ölkonzentration Nach der Verdampfung Hohe Viskosität Konzentration anhand p und ablesbar Beispiel: = 85 C; p = 4 bar August sche Gleichung lg p p A i j 2 B T 0 C T 1000 i j aij ( ) x T2 20 Messpunkte interpoliert R245fa 4 R245fa 3 70 M% Öl ~ 80,2 M% Öl ~ 70,1 80 M% Öl ca. 86 M% Öl ~ 90,0 M% Öl 90 M% Öl 2 0,9 1 0,8 0,7 0,6 0,5 0, Temperatur [ C] Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 24

13 kinematische Dynamische Viskosität [mpa [mm 2 2 / s] / s] s] Druckfestes Viskosimeter von Cambridge Viscosity 0, mpa s (cp) Temperaturen bis 190 C Drücke bis 150 bar Fehler 1 % FS (Bsp.: 0,25 5 cp = 0,05 cp) Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 25 Messung der Viskosität im System PAG ISO VG 220 R245fa Niedrige Konzentration Sehr kleine Viskositäten Begrenzung Messbereich Hohe Konzentration Bsp.: = 85 C; p = 4 bar, 86 M% Berechnung = / Areasinh(ln ) 2 Area sinh (ln ) = D (ln T) 2 + E ln T + F i 0 j 2 0 i a (lnt ) x ij j 1 0, ,0 M% 400 0,9 0, ,8 0,75 2,9 M% 0, ,65 0,6 1,1 M% 0, , , , cst 40 0, ,3 20 0,25 berechnete Werte gemessene Werte R245fa [Reflib] Datenblatt berechnete Werte Werte Messfehler +/- 0,05 cp 6 M% Öl 100 M% 3 M% Öl 90 M% 1 M% Öl 80 M% R245fa 70 M% 10 0, Temperatur [ C] Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 26

14 Zusammenfassung Theoretische Überlegung Verwendung von Ölen hoher Viskosität Mischungslücken anlagenspezifisch Hohe thermische Stabilität Messung thermodynamischer Kennwerte Notwendig, da theoretische Voraussagen nur bedingt einsetzbar Bestimmung der Dichte vorab Bestimmung von Füllmengen Dampfraumkorrektur bei Druckmessung Umrechnung kinematische/dynamische Viskosität Zustandsgrößen aus Diagrammen ablesbar Berechnung der Fluidströme Feja, S., Puhl, C.; Eignungsuntersuchungen R245fa; DKV-Tagung 2013, Hannover, AA II.1 27 Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbh Bertolt-Brecht-Allee 20, Dresden Steffen Feja Tel.: / steffen.feja@ilkdresden.de 28