Experimentelle und numerische Untersuchung eines R-744-Sublimationskreislaufs

Neue Studien haben gezeigt, dass Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel R-744 auch unterhalb des Tripeldrucks in einem Kaltdampfprozess (sog. Sublimationskreislauf) eingesetzt werden könnte. Dies stellt eine potenzielle Alternative zur bisherigen Kälteerzeugung unterhalb von -50 °C mit dem Hoch-GWP-Kältemittel R-23 dar. Jedoch beim Einsatz des festen CO₂ in einem geschlossenen Kreislauf besteht die Verblockungsgefahr im Rohr und Komponenten. Dies muss noch ausführlich untersucht und diskutiert werden. Eine Kaskadenkälteanlage mit einem CO₂-Sublimationskreislauf in der unteren Stufe wird vorgestellt. Als Sublimator wird eine Schauglasbaugruppe mit Heizelemente eingesetzt, um die Strömungsformen von fest-gasförmigem CO₂ bzw. die Verblockung des Strömungskanals durch festes CO₂ während des Betriebs zu beobachten. Ein stabiler Betrieb wird in Form einer Schichtströmung im Sublimator realisiert. Basiert auf den Visualisierungsergebnissen wird ein numerisches Modell zur Simulation der Feststoff-Gas-Zweiphasenströmung mit Phasenübergang in einem horizontalen Strömungskanal entwickelt.

Ein modifiziertes Zweischichtenströmungsmodell wird eingesetzt, das aus einer Schicht von Gas bzw. Partikel-Suspension auf der Oberseite des Rohrs und einer Schicht von Strähne auf der Unterseite des Rohrs besteht. Eine Parameterstudie und erste Validierung des Modells werden durchgeführt. Dabei werden einige einzigartige Merkmale der Feststoff-Gasströmung dargestellt, z.B. das thermische Ungleichgewicht zwischen der Gas- und Feststoffphase.

Die gewonnenen Erkenntnisse in dieser Studie bieten ein besseres Verständnis von der Strömung- bzw. Verblockungsverhalten des fest-gasförmigen CO₂ im Sublimationskreislauf und könnte bei der Auslegung und Gestaltung eines neuen Sublimators helfen.