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Effiziente Eisbreikälteanlagen

Mit Spülverdampfung zur Eiskristallablösung sparen Energie- und Wartungsaufwand

Prof. Dr. Michael Kauffeld
Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik

Eisbrei (Flüssigeis) ist ein umweltfreundliches Kältemittel, welches eine mehrfach höhere Energiedichte als flüssige Wasser-Gemische besitzt. Dies macht Eisbreikälteanlagen, die ohne klimaschädliche Mittel wie Fluor-Kohlenwasserstoffe auskommen, zu wichtigen Alternativen. Eisbrei ist ein Gemisch aus Wasser und gefrierpunktsenkenden ungiftigen Stoffen wie Ethanol, Glykol oder Salz. So entsteht je nach Alkohol oder Salzgehalt ein flüssiger Brei mit kleinen, rund 0,1 bis 0,5 Millimeter großen Eispartikeln, der eine Temperatur von -2 bis -5 Grad Celsius hat. Die hohe Energiedichte ermöglicht es Pufferspeicher mit hohem Speichervermögen und sehr geringem Raumbedarf zu nutzen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kälteanlagen lassen sich Kälteerzeugung und -verbrauch zeitlich nahezu komplett unabhängig voneinander handhaben und der Eisbrei in den kühlen Abendstunden bei geringen Stromkosten erzeugen. Durch den hohen Wirkungsgrad und die flüssigen Eigenschaften können zudem die Rohrdimensionen für die Kälteverteilung deutlich verringert und die benötigte Pumpleistung um eine Größenordnung reduziert werden. Optimierungspotenzial gibt es allerdings bei der Herstellung des Flüssigeises. Hierbei entsteht ein hoher Energieaufwand, da ein großer rührender Schaber eingesetzt wird, der die Eispartikel vom kühlen Rand eines Gefäßes, der sogenannten Wärmeübertragerfläche abkratzt. Darüberhinaus muss der Schaber regelmäßig gewartet oder erneuert werden. Wir haben ein neues Verfahren zur Eiskristallablösung entwickelt. Beim sogenannten Spülverdampfer wird in der Produktion mit geringeren Temperaturdifferenzen gearbeitet, so dass die Eispartikel nicht fest anliegen, sondern als lose Eisschicht auf der Wärmeübertragerfläche liegen und sich einfach abwaschen lassen. Der Energieverbrauch kann im Vergleich zum mechanischen Verfahren um rund 20 Prozent gesenkt werden, zudem entfallen Zeit- und Kostenaufwand für die Wartung des Schabers. Dadurch werden Eisbreikälteanlagen wirtschaftliche und umweltfreundliche Systeme für zahlreiche bestehende und neue Anwendungen. Bei einem anderen von der Hochschule Karlsruhe entwickelten Verfahren werden die Eiskristalle von der Wärmeübertragerwand abgelöst, indem diese induktiv erwärmt wird. Und in einem weiteren Verfahren wird im Wärmeübertrager die Flüssigkeit zunächst nur unter ihren Gefrierpunkt abgekühlt, ohne dass Kristallisation auftritt. Erst in einem nachgeschalteten Kristallisator wird dann Eis erzeugt.

Unsere Eiserzeugungsverfahren machen die Eisbreitechnologie effizienter.

Anwendungsmöglichkeiten

  • Energieffizienter Einsatz für Kühllager und Gebäudeklimatisierung sowie in der Labortechnik

  • Kühlmittel für Gefrieranalgen zur Meerwasserentsalzung

  • Kühlung von Organen in der Medizintechnik

  • Neue Verfahren für Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs Anlagen für die Industrie

Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik

Hochschule Karlsruhe

Im 2006 gegründeten IKKU - Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik forschen fakultäts-übergreifend acht Professoren. Themenschwerpunkte sind Kälte- und Klimatechnik, thermische Energiesysteme, Thermofluiddynamik und Wasseraufbereitung. Die meisten Forschungsprojekte des IKKU werden in Zusammenarbeit mit einer oder mehreren Firmen durchgeführt, um die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse in die Industrie zu gewährleisten. Die bisherige und geplante weitere Entwicklung des Instituts macht dieses zu einem bundesweit einzigartigen Forschungszentrum der Kälte-, Klima- und Umwelttechnik.

Ihr Ansprechpartner
Prof. Dr. Michael Kauffeld
Institutssprecher

Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld ist seit 2002 Professor für Kältetechnik an der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik an der Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft, wo er das Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik (IKKU) leitet. Er arbeitet seit 1986 an Forschungs- und Entwicklungsprojekten auf dem Gebiet der Kältetechnik: Zunächst am National Institute of Standards and Technology, NIST (USA), dann an der Universität Hannover, Institut für Kältetechnik und Angewandte Wärmetechnik, wo er 1992 seine Promotion auf dem Gebiet „Luft als Kältemittel" abschloss, danach für eine norwegische Aluminiumfirma und von 1994 bis 2002 beim Dänischen Technologischen Institut, DTI in Aarhus. Dort war er seit 1998 Leiter des Eisbreizentrums. Auch an der Hochschule Karlsruhe erforscht Michael Kauffeld weiterhin Kältespeicher, natürliche Kältemittel und insbesondere Supermarktkälteanlagen. Mit diesem Thema habilitierte er sich auch 2008 an der TU Dresden. Er ist Verfasser von mehr als 100 wissenschaftlichen Veröffentlichungen und konnte bereits mehrere Erfindungen zum Patent anmelden. Er ist Mitglied in verschiedenen internationalen Komitees des Umweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP) und des Internationalen Kälteinstituts (IIR/IIF).

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