Luft als Kältemittel: Technik, Chancen und Grenzen

Luft als natürliches Kältemittel erlebt im Zuge strenger Klimaschutzanforderungen neue Aufmerksamkeit. Ihr grosser Vorteil liegt in der Umweltverträglichkeit: Luft besitzt kein Treibhauspotenzial (GWP ≈ 0), ist ungiftig, nicht brennbar und weltweit verfügbar. Damit entfallen viele regulatorische Risiken anderer Kältemittel.

Technisch werden Luftkreislauf-Kältemaschinen meist als Reverse Turbo-Brayton (RTB) realisiert: Die Luft wird verdichtet, gekühlt und anschliessend über einen Expander entspannt, wodurch tiefe Temperaturen erzeugt werden. Dieser Prozess lässt sich durch einen rekuperativen Wärmeübertrager ergänzen, wodurch das Tieftemperaturniveau nochmals abgesenkt werden kann. Dabei können zwei Bauformen und Anwendungen unterschieden werden:

• Anwendungen in denen direkt kalte Luft benötigt wird: Hier kann die Kälte direkt durch das Kältemittel Luft bereitgestellt werden, ohne weiteren Wärmeübertrager. Ein Beispiel hierfür ist die Kühlung von Materialproben durch kalte Luft für Messzwecke.
• Anwendungen, in denen die Kälte über einen weiteren Wärmeübertrager von der Luft an den Prozess abgegeben wird, beispielsweise an eine Kühlflüssigkeit oder einen Kühlkörper. Ein typisches Einsatzgebiet sind dabei Luftkreislauf-Kältemaschinen, bei denen aus technischen Gründen (z. B. sehr tiefe Temperaturen) oder regulatorischen Gründen (z. B. Ausschluss brennbarer Kältemittel) – oder aus einer Kombination beider – keine konventionellen Kältemittel oder Kältemittelgemische verwendet werden können.

Moderne Kompressor- und Expandertechnologien verbessern die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme deutlich. Turbo Kompressoren und Expander von Celeroton ermöglichen hohe Effizienzen und dank der hohen Drehzahlen eine sehr kompakte Bauweise. Dank kontaktfreier Gaslager arbeiten die Maschinen zudem ölfrei und verschleissfrei. Das ist vorallem vorteilhaft für Kälteprozesse und Anwendungen mit hohen Reinheitsanforderungen.

Ein interessantes Einsatzfeld ist die Halbleiterindustrie. In der Chipfertigung werden stabile und sehr tiefe Temperaturen für Lithografieanlagen, Ätzprozesse, Waferkühlung und präzise Prozessstabilisierung benötigt. Gleichzeitig gelten höchste Anforderungen an Reinheit, Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit. Luftbasierte Kältesysteme bieten hier Vorteile, da keine brennbaren oder umweltschädlichen Kältemittel eingesetzt werden und ölfreie Turbo Kompressoren Kontaminationsrisiken minimieren. Die kompakten Turbo Kompressoren und Expander von Celeroton ermöglichen zudem platzsparende Kühlsysteme mit hoher Leistungsdichte. Ein wichtiger Faktor in modernen Halbleiter-Fertigungsstätten und Reinraumumgebungen.

Weitere Anwendungen finden sich in der Tieftemperaturtechnik, z.B. in der Lebensmittelindustrie, Pharma- und Medizinindustrie, in der IT und Telekommunikation und der Elektronikfertigung. Auch in der chemischen Industrie und der Umwelt und Energietechnik wird Luft als Kältemittel eingesetzt, da sie sicher gegenüber Leckagen ist, nicht brennbar und den jüngsten regulatorischen Anforderungen entspricht.

Im Vergleich zum klassischen Zweiphasen-Kältemittelkreislauf ist die Effizienz von Luftkreislauf-Kältemaschinen häufig geringer, da Luft im Prozess gasförmig bleibt und hohe Kompressionsarbeit erforderlich ist. Dadurch werden diese Anlagen tendenziell grösser und schwerer. Sie können jedoch wirtschaftlich interessante Lösungen für einen Temperaturbereich von ca. -50 bis -120°C kombiniert mit hohen Sicherheitsanforderungen sowie GWP = 0 Anforderungen darstellen. Moderne Komponenten wie mehrstufige Verdichtung, Rekuperation sowie hocheffiziente Turbo Kompressoren und Expander verbessern die Leistungszahlen.

Luft ist kein Ersatz für alle klassischen Zweiphasen-Kältemittelprozesse, aber eine robuste, sichere und klimafreundliche Alternative für spezielle Anwendungen. Besonders in der Halbleiterindustrie eröffnen moderne Luftkreislauf-Kältemaschinen neue Möglichkeiten für saubere, sichere und leistungsstarke Prozesskühlung ohne negative Auswirkungen auf das Treibhauspotential. Durch moderne Turbo Kompressor- und Expandersysteme von Celeroton werden solche Anlagen kompakter, effizienter, wartungsärmer und wirtschaftlich attraktiver.

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