Institut für Luft und Kältetechnik ggmbh (ILK) Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Kältemaschinenölen, Kältemitteln und Kältemittel Öl Gemischen Dr. J. Hegewald 1), Dr. S. Feja 1) Hegewald & Peschke, Meß- und Prüftechnik, Nossen Arbeitsgebiete Kältemittel, Öle und ihre Gemische Thermisches Verhalten (Pour Point, Flockpunkt, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit) Elektrisches Verhalten (Leitfähigkeit, Permittivität, Verlustfaktor) Weitere Messgrößen (Mischungslücke, Dichte, Dampfdruck, Viskosität, Brechungsindex, Schallgeschwindigkeit, Oberflächenspannung etc.) Kühlsolen und Absorptionskältelösungen Thermisches Verhalten (Stockpunkt, Frostgrenze, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit) Weitere Meßgrößen (Dichte, Dampfdruck, Viskosität, Brechungsindex, Schallgeschwindigkeit, Oberflächenspannung, Inhibitorgehalte, Korrosionsverhalten, elektrische Leitfähigkeit etc.) 2 1
Warum Messung von elektrischen Eigenschaften? Halbhermetik- / Vollhermetikkompressoren Einsatzgebiete (Beispiele) R600a in Haushaltkühlgeräten R134a in Warmwasserpumpen R744 in Tieftemperaturkaskaden Typen (Beispiele) Turboverdichter (h, o) Hubkolbenverdichter, Schraubenverdichter (v, h, o) Scroll-(Spiral-)Verdichter (v, o) Rollkolbenverdichter (v) 3 Warum Messung von elektrischen Eigenschaften? Schnittmodell hermetischer Kältemittelverdichter Arbeitsstoffe sind in direktem Kontakt mit stromführenden Medien Ausschluß von Kurzschlüssen Durchschlägen Stromverlusten Spannungsabfällen etc. 4 2
Mobile PKW-Klimatisierung Bisher Verdichter und Motor über Kupplung verbunden Gleitringdichtung Zukünftig Hybrid- / Elektrofahrzeuge Thermische Behaglichkeit Batteriekühlung Betriebsspannung bis 500 V Kühlung auch im Stand 5 Dipolmomente bei Kältemitteln Polarität Unpolar Induzierte Polarität Minimale Polarität teilweise Polarität -R404a, R508, R407C, R410 Polar R290 R134a R1270 R12 R718 R744 R22 R600a + - - + R1234yf R23 R717 DielektrizitätsElektrischer -konstante Widerstand C = Q / U = ε A/d mit ε = ε r ε 0 R = U / I = ρ l/a 6 3
Dipolmomente bei Kältemaschinenölen Polarität Unpolare paraffinisch Mineralöle (MO) naphtenisch ρ Synthetische Kohlenwasserstoffe Alkylbenzole (AB) Poly-α-Olefine (PAO) ε 7 Dipolmomente bei Kältemaschinenölen Polarität Unpolare Perfluorierte Polymere z.bsp. Perfluorparaffine ρ Polyalkylenglykole (PAG) z.bsp. Polyethylenglykol (PEG) Polyolester (POE) ε Polare Polyarylether; Perfluorpolyether, Polyvinylether, aromatische Ester 8 4
Dipolmomente bei Kältemaschinenölen Quelle: Dr.-Ing. J. Fahl, Dissertation, Bochum 2002. 9 Dipolmomente bei Kältemaschinenölen Quelle: Dr.-Ing. J. Fahl, Dissertation, Bochum 2002. 10 5
02.02.2015 Konzeption Zielrichtung der Messung elektrischer Eigenschaften Arbeitsstoffpaarungen R717 Voraussage der Mischbarkeit bzw. Nichtmischbarkeit Aufgrund von Polaritätsbetrachtungen Mischungslücke Betriebsparameter Erhöhung der Durchschlagfestigkeit Langzeitverhalten, Verschmutzungsgrad, Metallabrieb, Wassergehalt, Metalllöslichkeit PAO Polarität von Abbauprodukten 11 Konzeption am ILK Dresden vor 2008 1968 FE Thema: Messung elektrischer Eigenschaften von Kältemaschinenölen Frisch und Gebrauchtöle Ohmscher Widerstand, dielektrischer Verlustfaktor, Dielektrizitätskonstante, Durchschlagsfestigkeit 10 Stunden, 20 Stunden, 40 Tage Prüfläufe DV Messung als Reinheitskriterium DK-metrische Wasserbestimmung, Beladungskontrolle von Molekularsieben, Aussagen der Durchschlagsfestigkeit zur Ölalterung 12 6
Konzeption am ILK Dresden vor 2008 2007 Anfrage: Untersuchung des elektrischen Widerstandes eines CO 2 Öles und eines Versuchsmusters Aussenelektrode Vorteile und Nachteile: Innenelektrode (+) Temperiermantel (+) kompakt, Innenzylinder variabel Messspalt Temperierung (o) Druckfestigkeit (10 bar?) (-) Druck/Temperaturmessung (-) Vernickeltes Messing (-) Messspalt uneinheitlich Dichtfläche 13 Konzeption 2008-09 Projektskizze: Untersuchung der elektrischen Eigenschaften KM Öl Gemischen Anforderungen: unter Druck Polarisationseffekte der fluorinierten Kohlenwasserstoffe Einflüsse der Umgebung negieren Großer Messbereich über Isolatoren bis hin zu elektrischen Leitern Einfluss von Verunreinigungen, Inhibitoren etc. Druck und Temperaturerfassung ohne Änderung der Kapazität durch neue partielle Kapazitäten 14 7
Konzeption Anbieter von Messzellen elektrischer Eigenschaften BAUR Prüf- und Messtechnik Tettex (kein Support mehr) Alff ENGINEERING 15 Konzeption Messung der elektrischen Eigenschaften Zelle nachdin EN 60247 Zellenach ASTM D 924-04 ILK Zelleneu 16 8
Konzeption Spezifikation der neuen Messapparatur Polierter Edelstahl Veränderbarer Elektrodenabstand von derzeit exakt 2 mm Belastung 250 V / mm nach DIN EN 60247 Temperatur Innen- und Aussenelektrode meßbar Drucksensor PTFE Isolation Aussenelektrode Innenelektrode Drucksensoranschlus 17 Kalibrierung mit Medien bekannter elektrischer Eigenschaften Azeton Heptan Toluol C e = (C n C a ) / (ε n -1) C g = C a - C e ε x = (C x C g ) / C e R [Ωm] = K * U/I mit K[m] = 0,113 x C a (Schutzringelektrode), ansonsten K[m] = 0,113 * C e 18 9
Dieelektrizitätskonstanten reiner Kältemittel R134a R1234yf 19 Dielektrizitätskonstanten reiner Kältemittel Wiederholbarkeit < 5 % Benutzer- und Umwelteinflüsse Kondensation von Eis, Wasser, Thermostatenflüssigkeitsrückstände Tan δ als Gütekriterium Neue Apparatur Thermometer auf Basis der Glasfasertechnik Drucksensor elektrisch entkoppelt Schutz durch Farradayschen Käfig Heliumspülung Weitere R152a, R744 20 10
Volumenwiderstände reiner Kältemittel R134a R1234yf 21 Volumenwiderstände reiner Kältemittel R134a R1234yf R152a 22 11
an reinen Ölen Dielektrizitätskonstante Volumenwiderstand 23 an reinen Ölen Verlustfaktor als Gütekriterium? Verschmutzungszustand Wassergehalt Metallgehalt Alterungszustand In Anlehnung an Transformatorenölindustrie DIN EN 60214 24 12
an Kältemittel Öl Gemischen Dielektrizitätskonstante Volumenwiderstand 25 an Kältemittel Öl Gemische Verlustfaktor Volumenwiderstand über Konzentration POE ISO VG 80 + R152a 26 13
Zusammenfassung Untersuchungen auf bisher betrachtete Arbeitsstoffe beschränkt Verallgemeinerung ist bisher nicht möglich Bisher keine Diskussion mit anderen Spezialisten Fortsetzung der Untersuchungen in einem laufenden Projekt Transporteigenschaften von Öl-Kältemittelgemischen Thermische und elektrische Eigenschaften Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit Fortsetzung der Untersuchungen im Rahmen eines beantragten Projektes Prüfmittel und Prüfszenarien für PKW Klimaanlagen 27 Ende der Präsentation Institut für Luft und Kältetechnik ggmbh Hauptbereich Angewandte Neue Technologien Bertolt-Brecht-Allee 20 D-01309 Dresden Institut für Luft und Kältetechnik ggmbh (ILK) Dr. Steffen Feja Tel.: +49 351 / 4081-767 Fax: +49 351 / 4081-755 E-Mail: steffen.feja@ilkdresden.de www: www.ilkdresden.de 28 14