Labor für Kältemaschinen und Wärmepumpen

Das Labor besteht aus einer Reihe von anspruchsvollen Experimenten aus allen Bereichen der Kältetechnik, die in der Regel in Gruppen von jeweils zwei Studierenden bearbeitet werden, sowie einer begleitenden Seminar-Reihe, in der jeder Teilnehmer des Praktikums jeweils eines der Experimente vorstellt.

Für die studentische, praktisch orientierte Ausbildung stehen folgende Anlagen zur Verfügung.

Aufbau und Inbetriebnahme einer einstufigen Kälteanlage

Ziel dieses Versuches ist, dass die Studierende

  • eine einfache Kälteanlage aufbauen
  • auf Dichtheit überprüfen
  • geeignete Temperaturmessstellen auswählen und ausrüsten
  • die Anlage evakuieren und mit Kältemittel befüllen
  • die Anlage in Betrieb nehmen und einige geeignete Messpunkte aufnehmen

Kälteanlage zur Fehlersuche

In diesem Versuch sollen die Studierenden die Grundlagen des Kompressionskältemittelkreislaufs praktisch kennenlernen.

Durch systematische Manipulation des Kältemittelkreislaufs wird sich das im „Normalbetrieb“ vorhandene Erscheinungsbild der Anlage verändern. Die Studierenden sollen die genaue Ursache für die Zustandsänderung herausfinden.

Für eine systematische Vorgehensweise zur Fehlersuche ist es erforderlich, den Kältemittelkreislauf der Anlage zunächst mit allen Sinnen und dann durch Messungen zu erkunden. Zusammen mit dem theoretischen Wissen über die Wechselbeziehung der Komponenten ermöglichen diese Beobachtungen Rückschlüsse auf die Ursache des Fehlers.

Kälteanlage mit verschiedenen Expansionsorganen

Das Expansionsorgan ist für die Qualität einer Kälteanlage mit von entscheidender Bedeutung. In dieser Laborübung sollen Charakteristik, Vor- und Nachteile und die daraus resultierenden Einsatzgebiete von ver­schiedenen Expansionsorganen am Modell erarbeitet werden. Für diese Laborübung steht eine einstufige Kälteanlage zur Verfügung, an der das Kältemittel wahlweise mit einem

  • thermostatischen Expansionsventil mit äußerem Druckausgleich
  • thermostatischen Expansionsventil ohne äußeren Druckausgleich,
  • automatischen Expansionsventil mit Druckregelung
  • Kapillarrohr

entspannt werden kann.

Die Temperaturmesswerte und der Druck am Verdampfer-Austritt werden erfasst und für die graphische Darstellung am PC aufbereitet. Dadurch kann das Regelverhalten der verschiedenen Ex­pansionsorgane in Abhängigkeit der Zeit optisch dargestellt werden.

Kaskaden-Tiefkühlkälteanlage

Mit natürlichen Kältemitteln (R290/R170) für Temperaturen bis ca. -80 °C

Um wirtschaftlich Temperaturen im Bereich zwischen -60 °C und -120 °C erzeugen zu können, werden häufig Kaskadenkälteanlagen eingesetzt. Die Laborübung soll Aufbau und Funktionsprinzip einer Kaskadenkälteanlage verdeutlichen. Hierzu werden vier Betriebspunkte angefahren und die zugehörigen Messwerte aufgezeichnet. Der Schwerpunkt der Auswertung liegt auf dem Verlauf der Kälteleistung in Abhängigkeit von der Verdampfungstemperatur der zweiten Stufe. Eine Besonderheit der bestehenden Anlage liegt in der Verwendung von Kohlenwasserstoffen (Propan und Ethan) als Kältemittel.

Die Steuerung und Messwerterfassung erfolgt über einen Laborrechner. Mit der verwendeten Software können außerdem beide Kreisläufe im log p, h-Diagramm sowie die Temperatur- und Druckverläufe grafisch dargestellt werden.

Leistungsregelung am kältetechnischen Labormodell

Das Labormodell besteht aus einem einfachen Kältemittelkreislauf, der über vier verschiedene Möglichkeiten verfügt, die Kälteleistung zu regeln.

In der Praxis werden alle vier dieser Möglichkeiten genutzt, jedoch sind sie hinsichtlich ihrer Anschaffungs- und Betriebskosten, ihrer energetischen Effizienz und ihrer Betriebssicherheit sehr unterschiedlich.

Anhand der während des Laborversuches gewonnenen Daten ist es möglich, die einzelnen Verfahren zur Leistungsregelung hinsichtlich der oben genannten Kriterien zu bewerten. Die Kälteanlage verfügt über folgende Regelungsmöglichkeiten:

  • Frequenzumrichter zur stufenlosen Regelung der Verdichterdrehzahl
  • Drosselventil in der Saugleitung zur Regulierung des Verdampfungsdruckes
  • Heißgasbypassventil zur Regulierung des Kältemittelvolumenstroms zurück zum Sauganschluss des Verdichters
  • Thermostatisches Verdampferbypassventil zur automatischen Regulierung der Überhitzung des Heißgases am Verdichteraustritt

Eine neue Leistungsregelungsanlage mit dem natürlichen Kältemittel CO2 ist in Bearbeitung.

Kälteanlage mit gläsernen Wärmeübertragung

Zu beobachten sind

  • Verdampfendes und kondensierendes Kältemittel
  • Temperatur und Druck in wesentlichen Komponenten
  • Kondensation der Luftfeuchtigkeit am Verdampfer
  • Einfluss der Luftströmung auf Verdampfer- und Verflüssigerdruck

Propananlage zu Demonstrationszwecken

Im Rahmen eines Bachelorarbeits wurde die Kälteanlage entworfen, aufgebaut und in Betrieb genommen. Diese wird zur besseren Mobilität auf einen Wagen montiert, welcher zu den Studierenden in die Vorlesungssäle gebracht werden kann. Anhand umfangreicher Messtechnik und der Möglichkeit, manuell Einfluss auf das Betriebsverhalten der Anlage nehmen zu können, werden die Zustände des Kältekreislaufs in einer, auf dem Laborrechner installierten Software veranschaulicht. Die Anlage soll für Studenten der Thermodynamik und Kältetechnik zum besseren Verständnis der Funktionsweise einer Kälteanlage beitragen.

Demonstrations-Klimaanlage

Die in der Vorlesung gewonnen Erkenntnisse zur Luftbehandlung können an dieser Anlage nachvollzogen werden:

  • Filtern
  • Erhitzen
  • Kühlen
  • Entfeuchten
  • Befeuchten
  • Wärmerückgewinnung.

Philips-Kaltgaskältemaschine

Nach der Kaltdampf-Kompressionskältemaschine und der Absorptionskälteanlage steht die Gas-Kältemaschine bezüglich der praktischen Bedeutung bzw. Einsatzhäufigkeit an dritter Stelle. Allerdings wird diese Kältemaschine speziell im Temperaturbereich zwischen -80 °C bis -200 °C eingesetzt.

Neben der Bezeichnung Kaltgaskältemaschine hat sich die Bezeichnung Philips-Gaskältemaschine eingebürgert, da diese Kältemaschine von den Mitarbeitern der Firma Philips entwickelt worden ist. Sie stellt die Umkehr des Stirling-Heißluftprozesses dar und arbeitet mit relativ hohem Wirkungsgrad.

Weitere Besonderheiten sind: keine Verflüssigung oder Verdampfung des Kältemittels (daher auch die Bezeichnung "Gaskältemaschine") und keine Arbeitsventile.

Die Anlage im Labor dient Demonstrationszwecken und zur Erzeugung flüssiger Luft.

Hersteller: Philips (Philips-Prozess)
Typ: PW 7000
Produktion: ca. 5 Liter flüssige Luft pro Stunde
Antriebsleistung: 6 kW bei einer Drehzahl von 1450 1/min.
Betriebsdruck: 25 bar
Arbeitsstoff: 10 g Helium

Modell zur Bestimmung des Liefergrads

Verdichter (wie z. B. Gas-Verdichter, Luft-Verdichter, Kältemittel-Verdichter) fördern Volumenströme bei verschiedenen Druckverhältnissen. Steigt der Gegendruck bzw. der Verdichtungsenddruck an, nimmt die Förderleistung eines Verdichters ab. Dies ist einer der Hauptgründe, warum man ab einem bestimmten Druckverhältnis von einstufiger zu zwei- oder mehrstufiger Verdichtung übergeht.

Das Verhältnis von tatsächlich gefördertem Volumenstrom zu theoretisch möglichem Volumenstrom heißt Liefergrad, englisch: „Volumetric efficiency". Es liegt bei ausgeführten Anlagen im Bereich von 0,6 …. 0,9.

Thermoelektische Kühlung mit Peltierelementen

Peltier-Elemente werden bei folgenden Anforderungen zur Kühlung eingesetzt:

  • punktgenaues Kühlen
  • gute Regelbarkeit
  • Vibrationsfreiheit und / oder geräuscharmer Betrieb
  • einfaches Umschalten zwischen Kühlen und Heizen
  • enge oder verwinkelte Einbauverhältnisse

Zur Versuchsdurchführung stehen zwei Anlagen zur Verfügung. An ihnen soll jeweils die Kälteleistungszahl der Peltier-Kühlung ermittelt werden.

Bierkühlanlage

Die Kühlung von Lebensmitteln ist der größte Anwendungsbereich der Kältetechnik. Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde dieses Versuchsmodell entworfen und gebaut.

Miniatur-Eisbreianlage

Das Thema Eisbrei stellt an der Hochschule Karlsruhe einen großen Bereich der Forschung dar, und gehört zu den Kernkompotenzen des Instituts für Kälte-, Klima und Umwelttechnik. In den Laborräumen befinden sich zwar einige Anlagen im Industriemaßstab zur Eisbreierzeugung, jedoch stehen diese aufgrund laufender Forschungsaktivitäten den Studenten nicht dauerhaft als Anschauungsobjekte zur Verfügung. Aus diesem Grund wurde diese Miniatur-Eisbreianlage im Rahmen einer Abschlussarbeit ausgelegt und konstruiert. Als Eiserzeuger dient dafür eine umgebaute Slush-Eismaschine aus der Gastronomie. Im Rahmen dieser Abschlussarbeit umfassende Arbeiten betreffen die Modifizierung der Slush-Eismaschine, sowie die vollständige Konstruktion aller anderen Komponenten wie Maschinengestell, Eisspeicher, Rührwerk, Verbraucher wie Wärmeübertrager und das Rohrleitungs- und Schlauchsystem mit den Ventilen.

Bayerischer Frühstückswagen

Im Rahmen der Projektarbeit „Auslegung einer mobilen Hochtemperaturwärmepumpe“ wurde an der Hochschule Karlsruhe im Sommersemester 2016 der „Bayerische Frühstücks Bereiter Green Line“ entwickelt. Das Ergebnis dieser Projektarbeit wurde zu einem Demonstrationsobjekt für den Studiengang Kälte-, Klima- und Umwelttechnik.

Aber was ist der „Bayerische Frühstücks Bereiter Green Line“ genau? Er ist - einfach gesagt - eine Wärmepumpe, die die Aufgabe hat, auf der einen Seite Bier zu kühlen und auf der anderen Seite Weißwürste zu erwärmen. Die Wärmepumpe befindet sich in einem Wagen, der nach gastronomischen Hygiene-Richtlinien entworfen wurde, um mit Lebensmitteln arbeiten zu können.

Als Wärmequelle dient ein Wasserbecken, in welches 34 NRW-Flaschen Weißbier hineinpassen und zusätzlich ca. 40 l Wasser. Das Wasser dient sowohl als Energiequelle als auch zum besseren Wärmeentzug der Flaschen, damit diese schneller kalt werden. Die Wärmepumpe ist dabei so ausgelegt, dass das Wasser inklusive des Glases und Biers innerhalb von 60 Minuten von 20 °C auf 5 °C abgekühlt wird. Die entzogene Energie wird dabei über den Kältekreislauf mit der Verdichtungsenergie zusammen in das Warmwasserbecken abgegeben. Dort befinden sich ca. 12 l Wasser und 46 Stück Weißwürste, die von 20 °C auf 80 °C erwärmt werden.

Wärmepumpe

Ziel dieser Abschlussarbeit war der Aufbau und die Inbetriebnahme einer elektrisch angetriebenen, umschaltbaren Wärmepumpe für exergetische Analysen im Laborbetrieb. Die exergetische Analyse ist eine Methode zur Effizienzbetrachtung. Sie ermöglicht allgemeingültige Formulierungen über die Qualität des Arbeitsprozesses und zeigt, wo in einem System Exergieverluste entstehen.

Nach der Aufstellung der exergetisch relevanten Messgrößen wird eine Vielzahl von Sensoren für die von der Firma Daikin zur Verfügung gestellte Luft-/Luft-Kaltdampf-Kompressionswärmepumpe ausgewählt, beschafft und installiert. Das mit Messtechnik ausgerüstete Split-System verwendet das Kältemittel R410A. Die Anlage kann je nach Umgebungsbedingungen einen Heizwärmebedarf zwischen 1,3…4,5 kW abdecken. Im Kühlbetrieb können unter typischen Sommerbedingungen 1,3…3,0 kW Wärme aus dem Wohnraum abgeführt werden. Der Wechsel zwischen dem Heiz- und Kühlbetrieb erfolgt durch ein Vierwegeventil, welches eine Kreislaufumkehr des Kältemittels bewirkt. An der Inneneinheit befindet sich parallel zu einem Lamellenwärmeübertrager ein Radiator, der im Heizbetrieb durch die Abgabe von Wärmestrahlung zur Behaglichkeit im Wohnraum beitragen soll.

Eishockeyanlage

Die Anlage wurde im Rahmen von Projekt- und Ab-schlussarbeiten ausgelegt, konstruiert, aufgebaut, und in Betrieb genommen.


Studierende untersuchen mit dieser Anlage die Energieeffizienz einer wärmepumpenden  Kompressionsmaschine im instationären Betrieb –  experimentell.
Eine detaillierte exergetische Analyse zeigt, in welchen Komponenten eine Effizienzsteigung vielversprechend ist.

Eisfläche: 1,5 m x 0,76 m

Aufbau Kälteanlage

  • Parallelverbund mit zwei Kältemittelverdichtern
  • stufenlos einstellbares Heißgas-Bypassventil
  • Verdampfer aus verbundenen Kupferrohren
  • Verflüssiger mit druckgeregelter (Kältemitteldruck) Luftstromkühlung

Betrieb

  • Abkühlbetrieb: Herstellung der Eisfläche in ca. 3 h mit 1000 W Kälteleistung
  • Spielbetrieb: Eis wird flächig auf konstanter Temperatur gehalten

Messtechnik

  • 16 x Temperatur: Spielfeld
  • 12 x Temperatur: Kältemittelkreislauf
  • 6 x Druck: Kältemittelkreislauf
  • 2 x elektr. Leistung: Verdichter und Ventilatoren
  • 1 x Coriolis-Massenstrom-Messgerät