Wasser und Öl im CO 2 -Kältekreislauf: Einfluss auf den Prozess

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1 1 Wasser und Öl im CO 2 -Kältekreislauf: Einfluss auf den Prozess Vom Promotionsausschuss der Technischen Universität Hamburg-Harburg zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieurin (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Anna Katharina Petereit aus Mannheim 2016 Betreuer Prof. Dr.-Ing Rudolf Eggers

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3 3 Berichte aus der Verfahrenstechnik Anna Katharina Petereit Wasser und Öl im CO 2 -Kältekreislauf: Einfluss auf den Prozess 2 tieferstellen Shaker Verlag Aachen 2016

4 4 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Hamburg-Harburg, Techn. Univ., Diss., Gutachter: Dr.-habil. Philip Jäger 2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing Schmitz Prüfungsauschussvorsitzender: Prof. Dr.-Ing Schlüter Tag der mündlichen Prüfung: 13. April 2016 Copyright Shaker Verlag 2016 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN

5 I Danksagung Diese Arbeit ist während meiner Tätigkeit in der Arbeitsgruppe Wärme- und Stofftransport des Institutes für Thermische Verfahrenstechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg entstanden. Als erstes möchte ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Eggers gedenken und ihm für bereichernde Zeit in seiner Arbeitsgruppe sowie für die Unterstützung und Begleitung dieser Arbeit danken. Mein ganz besonderer Dank sowie mein besonderer Respekt und meine Hochachtung vor ihm als Menschen gilt ihm für die Zeit, in der er schon schwer erkrankt und wohl auch in dem Wissen, das sein Leben sehr begrenzt ist, dennoch diese Arbeit bis zur Abgabe betreut hat. Herrn Dr.-habil. Philip Jäger danke ich herzlich für die Übernahme der Rolle des Erstgutachters nach dem Ableben von Herrn Prof.-Dr. Ing. Eggers. Herrn Prof. Dr.-Ing Schmitz danke ich sehr für die Übernahme des Koreferats. Prof. Dr.-Ing. Schlüter sei für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes gedankt. Für die außergewöhnlich gute und freundschaftliche Atmosphäre am Institut möchte ich mich bei meinen Kollegen bedanken. Die gegenseitige Unterstützung und offene Zusammenarbeit trugen dazu bei, neue Ansätze und Lösungen zu finden sowie stets neue Motivation für die tägliche Arbeit zu finden. Herzlich danke ich auch den Studenten, die mich durch ihre verschiedenen Arbeiten oder als studentische Hilfskraft bei dieser Arbeit unterstützt haben. Abschließend möchte ich mich bei meiner Familie für die Unterstützung in den letzten Jahren danken; insbesondere meinen Eltern, die mir immer beiseite standen und die diesen Weg erst ermöglicht haben sowie meinem Lebensgefährten, der mich in den letzten Jahren stets ermutigt und unterstützt hat. Hamburg, April 2016 Anna Katharina Petereit

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7 INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS II III Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Zielsetzung 1 2 Stand der Technik Kältemittel 2.2 CO 2 als Kältemittel 3 CO 2 -Kälteprozess Transkritischer CO 2-Kältekreislauf System CO 2 Wasser Phasenverhalten 4.2 CO 2 -Hydrat 4.3 Theoretische Berechnung des Phasenverhaltens im System CO 2 -Wasser 5 System CO 2 - Öl (Reniso C 85 E) Phasenverhalten 5.2 Berechnung des Systems CO 2 -Reniso C 85 E 6 Das System Wasser-Öl 30 7 Das System CO 2 -Wasser-Öl 32 8 Experimentelle Untersuchungen Die Technikumsanlage 8.2 Die Hydratbildung nach der Drossel - Bestimmung der Grenzkonzentration 8.3 Der Einfluss von Wasser und Öl auf den Wärmeübergang im Gaskühler 8.4 Der Einfluss von Wasser und Öl auf den Wärmeübergang im Verdampfer 9 Modellierung Wärmeübertragung im Gaskühler Theoretische Grundlagen Aufbau des Modells Validierung des Modells Wärmeübertragung im Verdampfer Theoretische Grundlagen Aufbau des Modells Validierung des Modells Materialverträglichkeit gegen feuchtes CO Materialverträglichkeiten ausgewählter Elastomere Materialien... 98

8 INHALTSVERZEICHNIS IV III INHALTSVERZEICHNIS Schwellverhalten Löslichkeit und Sorptionskinetik Untersuchung nach DIN ISO Untersuchung der Materialverträglichkeiten ausgewählter Metallwerkstoffe Materialien Korrosionsverhalten Methoden zur Bestimmung und Vermeidung von Feuchte im CO 2 -Kälteprozess Zusammenfassung und Ausblick 125 Literaturverzeichnis 129 Anhang 135