Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul FRIG stellt Stoffwerte von Kältemitteln für die thermische Auslegung von Verdampfern, Verflüssigern und Kälteanlagen bereit. Wer Kältemittel-Stoffwerte berechnen muss – etwa Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität, Oberflächenspannung oder Verdampfungsenthalpie – erhält sie hier temperatur- und druckabhängig für Flüssigkeit und Dampf, wahlweise auch direkt im Siedezustand auf der Sättigungslinie.
Verfügbar sind die klassischen und die heute gebräuchlichen Arbeitsstoffe: die HFKW R 23, R 32, R 134a, R 152a und R 142b, das HFCKW R 22 (für Bestandsanlagen), die natürlichen Kohlenwasserstoffe R 290 (Propan), R 600 (n-Butan), R 600a (Isobutan) und i-Pentan sowie die Gemische R 404A, R 410A und R 507. Die Berechnungsmethoden stützen sich auf das Standardwerk Reid/Prausnitz/Poling, "The Properties of Gases and Liquids" (McGraw-Hill, 4. und 5. Auflage).
Neben den Transport- und kalorischen Größen liefert das Modul abgeleitete Kennzahlen wie Prandtl-Zahl, Temperaturleitfähigkeit, Isentropenexponent und Realgasfaktor sowie die kritischen Daten und die Molmasse – die Eingangsgrößen für Wärmeübergangskorrelationen beim Sieden und Kondensieren und für die Kreisprozessrechnung.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Reid R. C., Prausnitz J. M., Poling B. E. "The Properties of Gases & Liquids", McGraw Hill, 4. Auflage 1987 Poling Bruce E., Prausnitz John M., O'Connell John P. "The Properties of Gases & Liquids", McGraw Hill, 5. Auflage 2001
So läuft die Berechnung ab
- Kältemittel auswählen: Aus der hinterlegten Stoffdatenbank wird das Kältemittel über den Stoffnamen gewählt, z. B. R 134a, R 290 oder das Gemisch R 410A. Damit sind Molmasse, spezifische Gaskonstante und die kritischen Daten (kritische Temperatur, kritischer Druck, kritische Dichte) festgelegt.
- Zustand vorgeben: Der Anwender gibt Temperatur und Druck für die flüssige und/oder die dampfförmige Phase vor. Alternativ wird über die Option "Siedezustand berechnen?" der Sättigungszustand angesteuert: Dann genügt eine der beiden Größen, die zugehörige Sättigungsgröße wird aus der Dampfdruckkurve ermittelt.
- Thermische und kalorische Stoffwerte berechnen: Das Modul berechnet Dichte, spezifische Wärmekapazität (cp und cv), spezifische Enthalpie, Isentropenkoeffizient cp/cv, Realgasfaktor und thermischen Ausdehnungskoeffizienten für beide Phasen nach den Korrelationen aus Reid/Prausnitz/Poling.
- Transportgrößen und Kennzahlen ermitteln: Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität sowie die Oberflächenspannung werden bestimmt; daraus folgen Prandtl-Zahl und Temperaturleitfähigkeit als dimensionslose bzw. abgeleitete Kenngrößen für Wärmeübergangsrechnungen.
- Ergebnisse in Folgerechnungen übernehmen: Die Stoffwerte dienen als Eingang für die Auslegung von Verdampfern und Verflüssigern (z. B. Blasensiede- und Kondensationskorrelationen), für Druckverlustrechnungen in Kältemittelleitungen und für die energetische Bewertung des Kältekreislaufs.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Stoffname | Stoffname | - |
| Temperatur | ϑ1 ϑ2 | °C |
| Temperatur | ϑ1 ϑ2 | °C |
| Druck | p1 p2 | Pa |
| Druck | p1 p2 | Pa |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Kinematische Viskosität | ν1 ν2 | m²/s |
| Kinematische Viskosität | ν1 ν2 | m²/s |
| Kinematische Viskosität | ν1 ν2 | m²/s |
| Kinematische Viskosität | ν1 ν2 | m²/s |
| Wärmeleitfähigkeit | λ1 λ2 | W/(m·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λ1 λ2 | W/(m·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λ1 λ2 | W/(m·K) |
Berechnungsoptionen
Siedezustand berechnen?
Nein · Ja
Siedezustand berechnen?
Nein · Ja
Häufige Fragen
Was bedeutet "nahe-azeotropes Gemisch" bei R 404A und R 410A?
Gemischkältemittel verdampfen und kondensieren im Allgemeinen nicht bei konstanter Temperatur, sondern über einen Temperaturgleit (Glide) zwischen Siede- und Taulinie. Bei nahe-azeotropen Gemischen wie R 410A ist dieser Gleit sehr klein (unter ca. 0,2 K), bei R 404A etwas größer; das azeotrope R 507 verhält sich praktisch wie ein Reinstoff. Für die Apparateauslegung heißt das: Bei Gemischen mit merklichem Gleit müssen Sättigungstemperaturen für Taupunkt und Siedepunkt unterschieden werden, sonst werden Grädigkeiten von Wärmeübertragern falsch bewertet.
Warum sind Stoffwerte im Siedezustand für die Verdampferauslegung so wichtig?
Wärmeübergangskorrelationen für Blasensieden und Strömungssieden verlangen die Stoffwerte der siedenden Flüssigkeit und des gesättigten Dampfes bei Sättigungsdruck: Dichten beider Phasen, Verdampfungsenthalpie, Oberflächenspannung, Viskosität und Wärmeleitfähigkeit. Werden stattdessen Werte bei abweichender Temperatur oder unterkühltem Zustand eingesetzt, können die berechneten Wärmeübergangskoeffizienten erheblich von der Realität abweichen. Die Option "Siedezustand berechnen" stellt genau diese konsistenten Sättigungswerte bereit.
Darf R 22 noch für Neuauslegungen verwendet werden?
Nein. R 22 ist ein teilhalogenierter FCKW (HFCKW) und in der EU seit 2015 auch als Recyclingware für Service-Zwecke verboten; Neuanlagen damit sind unzulässig. Die Stoffdaten bleiben aber für die Nachrechnung und Umrüstung von Bestandsanlagen relevant, etwa wenn geprüft werden soll, wie sich ein Ersatzkältemittel auf Leistung und Druckverlust eines vorhandenen Verdampfers auswirkt. Auch die HFKW mit hohem GWP (z. B. R 404A) unterliegen dem F-Gas-Phase-down und werden zunehmend durch Alternativen mit niedrigem GWP ersetzt.
Was ist bei den Kohlenwasserstoffen R 290, R 600 und R 600a zu beachten?
Propan, n-Butan und Isobutan sind hervorragende Kältemittel mit sehr geringem Treibhauspotenzial, aber brennbar (Sicherheitsgruppe A3). Ihre Verwendung erfordert Füllmengenbegrenzung, Ex-Schutz-Betrachtungen und die Einhaltung der einschlägigen Sicherheitsnormen (z. B. EN 378). Thermodynamisch bieten sie hohe Verdampfungsenthalpien und günstige Transporteigenschaften, was oft kleinere Füllmengen und gute Wärmeübergänge ermöglicht.