Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnologie - Projekte

Im Oktober startete das EU-Projekt SophiA mit dem Ziel zwei solarbetriebene 40 Fuß Containersysteme für abgelegene Krankenhäuser in Afrika zu entwickeln. Ein Container soll eine zuverlässige Kühlung und Lagerung von Impfungen, Medikamenten und Blutplasma kostengünstig zur Verfügung stellen. Der Kühlbedarf auf den drei verschiedenen Temperaturniveaus bei +5, -30 und -70 °C wird dabei effizient und mit klimafreundlichen natürlichen Kältemitteln gedeckt. Neben dem Kühlcontainer gewährleistet ein zweiter Container eine sichere Stromversorgung und liefert dem Krankenhaus sauberes Trinkwasser und Warmwasser sowie Dampf zur Sterilisation.  

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Als sanftere Alternative zum Abkühlen nach einem heißen Saunagang, kommt die Benutzung einer Schneekabine in Betracht. Dabei begibt man sich in einen Kühlraum, in dem sich künstlicher Schnee befindet. Durch den Schnee lässt sich der Körper schonender abkühlen.
Schneekabinen sind eine besondere Gepflogenheit in der Welt des Saunierens und man findet sie nicht in allen Saunabetrieben.

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Im Zuge der Ökodesign-Richtlinie werden an Flüssigkeitskühler immer höhere Anforderungen bezüglich der minimalen Energieeffizienzwerte gestellt. In einigen Anwendungsbereichen sind die Mindesteffizienzwerte mit konventionellen Systemen mit herkömmlichen teilhalogenierten Kohlenwasserstoffen als Kältemittel nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar. Eine Möglichkeit, die Energieeffizienz derartiger Anlagen zu verbessern, ist die Verwendung von Propan als Kältemittel. Im Vergleich verfügt Propan über gute thermodynamische Eigenschaften und eine geringe Klimawirksamkeit (GWP = 3).

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Im Rahmen eines Forschungsprojektes ProSolarDSKM wurde eine Demonstrationsanlage zur solarthermischen Prozessdampf- und Kaltwassererzeugung mit Vakuumröhrenkollektoren, Dampfstrahlkältemaschine und latenten Wärmespeichern an der Hochschule Karlsruhe errichtet und ihr Betriebsverhalten untersucht. Motivation des Projektes war es, Technologien zur Steigerung der Effizienz und Nachhaltigkeit für die Industrie und Produktion zu entwickeln. Die Anlage diente zur Erforschung der genannten Technologien und wird als solare Gebäudekühlung an der Hochschule Karlsruhe betrieben.

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Bereits 2016 forschte das IKKU im Rahmen IAF Projektes an der Erzeugung von Eisbrei mittels der Unterkühlungsmethode. Bei dieser Methode wird das Eisbreifluid in einem Wärmeübertrager bis unter die Gefriertemperatur abgekühlt und anschließend in einer nachgeschalteten Kristallisationseinheit zum Phasenwechsel angeregt. Erste Forschungen zum Thema umfassten den Einfluss unterschiedlicher Parameter, wie z.B. die Unterkühlungstemperatur, die Abkühlrate oder die Oberflächenrauigkeit, auf die reproduzierbare Unterkühlbarkeit eines Eisbreifluids. 

Ein Entwicklungsziel des ZIM-Projektes Eisbreisensor im Jahr 2011 war die Umsetzung eines Sensorsystems, das Informationen über die Dichte, die Schallgeschwindigkeit und den Durchfluss von Eisbrei lieferte. Aus den Informationen wurde sowohl die Eisbreikonzentration, als auch die Konzentration des gefrierpunktsenkenden Zusatzstoffes ermittelt.

Im Rahmen des ZIM-Projektes Eckert Rührer im Jahr 2013 forschte das IKKU an der Entwicklung eines Eisbreispeichers mit einem neuartigen Rührwerk. Anders als bei den meisten konventionellen Suspensionen, bei denen Feststoffe mit höherer Dichte in einer Flüssigphase aufgewirbelt werden, besteht die Anforderung an das Rührorgan eines Eisbreispeichers im "Abwirbeln" des Eises, da das Eis eine geringere Dichte hat als die flüssige Lösung. Neben der optimalen Verteilung des Eisbreis war es ein weiteres Ziel den Energieeintrag durch das angepasste Rührwerk zu reduzieren.

In zwei ZIM-Forschungsprojekten (2015 & 2019) wurde ein Ansatz einer neuen Ablösung von Eis bei der Bildung einer Eis-Wasser-Suspension erprobt. Bislang wurden die Eispartikeln aus einer Flüssigkeit an einer Wärmeübertragerfläche ausgefroren und anschließend mit einem Kratzer von der Wärmeübertragerfläche abgeschert. Die Kratzverdampfermethode hat jedoch viele Nachteile, wie der mechanische Verschleiß oder die hohe Grundleistungsaufnahme. Der neue Ansatz basierte auf der Ablösung des Eises durch eine kurzes Aufschmelzen an der Wärmeübertragerfläche über einen induktiven Wärmeimpuls.

Das Ziel dieses weiteren ZIM-Projektes Eckert im Jahr 2017 bestand in der Entwicklung eines Latentkältesystems, mit dem es möglich war, den ineffizienten Teillastbetrieb einer Kälteanlage zu vermeiden. Der Latentwärmespeicher bietet die Gelegenheit den Kälteprozess bei konstanter und ausgelegter Nennleistung zu halten und gleichzeitig die Anlageneffizienz zu erhöhen. Eine weitere Projektaufgabe bestand darin, eine intelligente Regelung zu entwickeln, mit deren Hilfe sich das gefundene Speicherkonzept optimal auf den Betriebszustand einer bereits bestehenden Kälteanlage einstellt.

Bereits 2013 wurde in ZIM Projekt Christ die grundsätzliche Möglichkeit untersucht, synthetische Kältemittel in Gefriertrocknungsprozessen durch natürliche und nicht brennbare Kältemittel zu ersetzen. Der Anlass für dieses Projekt war die Tatsache, dass für Gefriertrocknungsprozesse bisher nur Kältemittel genutzt werden konnten, die ein hohes Treibhauspotential aufweisen.

Im Forschungsprojekt  Stierlen 2012 untersuchte das IKKU verschiedene Isoliergeschirrsysteme mit speziellen Warmhalteeinsätzen (sogenannten Pellets) in Bezug auf ihr Abkühlverhalten. Im Fokus stand dabei das Abkühlverhalten von warmen Speisen in den Isoliergeschirrsystemen unter möglichst realen Bedingungen. Folglich wurden die Erkenntnisse auf ein theoretisches Modell angewendet, mit dem es möglich ist, das optimale Verhältnis der Isolierschaumdicke zur Masse der Speisen in Bezug auf das Abkühlverhalten zu ermitteln.