Simultane Beschreibung der kalorischen und thermischen Eigenschaften von kryogenen Stoffgemischen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Grohmann
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449687238

Für die Entwicklung und Optimierung geschlossener Kreisprozesse zur Kühlung von Anwendungen der Hochtemperatur-Supraleitung (HTS) sowie zur Verflüssigung bzw. Rückverflüssigung tiefsiedender Gase sind die Eigenschaften kryogener Stoffgemische von grundlegender Bedeutung. Kryogene Gemischkältekreisläufe (Engl. cryogenic mixed-refrigerant cycles, CMRC), die mit solchen Stoffgemischen als Kältemittel betrieben werden, bieten das Potential für erhebliche Steigerungen der Energieeffizienz sowie zum Schließen einer Technologielücke im mittleren Kälteleistungsbereich, die einerseits einen Großteil der HTS-Anwendungen in der Energietechnik und andererseits dezentrale und mobile Anwendungen einer Wasserstoffökonomie betrifft. Das Neon-Helium-System steht hierbei für eine Reihe kryotechnischer Anwendungen im Fokus, insbesondere zur Senkung der Verflüssigungskosten von Wasserstoff als nachhaltigem Energieträger. Deshalb wird eine Zustandsgleichung für das Neon-Helium-System benötigt, die die thermischen und kalorischen Eigenschaften gleichermaßen präzise beschreibt.Für das Neon-Helium-System liegen keine kalorischen Messdaten zur Parameteranpassung einer Zustandsgleichung vor. Die wenigen existierenden Phasengleichgewichtsdaten sind z.T. widersprüchlich und im Umfang unzureichend. Zur simultanen Messung kalorischer und thermischer Zustandsgrößen wird deshalb ein kryogener Phasengleichgewichtsprüfstand um eine Methode zur Messung der spezifischen Wärmekapazität ergänzt. Diese basiert auf der Kombination eines neuen kryogenen Durchflussmessverfahrens mit einer Coriolis-Durchflussmessung bei Raumtemperatur, womit Messunsicherheiten von unter 1 % erreicht werden können. Die Validierung der cp-Messung erfolgt mit reinem Helium. Danach werden Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichte und die Wärmekapazität von reinem Neon gemessen und die Messunsicherheiten anhand von Referenzdaten aus REFPROP validiert. Für das Neon-Helium-System werden im Anschluss präzise Phasengleichgewichtsdaten und simultan die spezifische Wärmekapazität der Dampfphase gemessen. Zusätzlich werden einphasige Messungen mit unterkühlter Flüssigkeit und bei überkritischen Zuständen mit Drücken bis 10 MPa und Temperaturen bis 300 K durchgeführt.Bei der Entwicklung der Zustandsgleichung liegt der Fokus zunächst auf der Anpassung der Reinstoffparameter von Neon, der Weiterentwicklung von Mischungsregeln und der Parameteranpassung an die gemessenen Daten. Die Eignung kubischer Zustandsgleichungen, Virialgleichungen und SAFT-Zustandsgleichungen wird gleichermaßen untersucht. Neben allgemein bekannten Ansätzen werden zusätzlich Beiträge der Debye-Theorie untersucht, die die kubische Abhängigkeit der Wärmekapazität im Bereich des Tieftemperaturlimits beschreibt. Eine Debye-Zustandsgleichung existiert bereits für Helium-3. Ebenso ist die zugrunde liegende Phononen-Theorie für Festkörper bereits zur Beschreibung der kalorischen Eigenschaften von Flüssigkeiten im klassischen und Quantenregime eingeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen