FOR 5507: ExRef: Explosionsgefahren von Kältemitteln mit geringem Treibhauspotenzial
Coordinator
Dr.-Ing. Detlev Markus
Grant period
2023 -
Funding body
Deutsche Forschungsgemeinschaft
DFG
Identifier
G:(GEPRIS)497007546
Note: Die zunehmende Nachfrage nach Kälte- und Klimaanlagen lässt den Bedarf an Kältemitteln in Deutschland weiter steigen. Dabei kommen für verschiedene Anwendungen bislang sowohl natürliche wie auch synthetische Kältemittel zum Einsatz. Der Einsatz vieler Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) wurde 2016 aufgrund ihres hohen Treibhauspotenzials (Global Warming Potential - GWP) stark eingeschränkt. Aufgrund der oftmals hohen sicherheitstechnischen Anforderungen bei Verwendung natürlicher Kältemittel werden bei dem Umstieg der Kälte- und Klimatechnik auf Kältemittel mit geringem GWP weiterhin synthetische Kältemittel eine bedeutende Rolle spielen. Diese umfassen neben Difluormethan vor allem ungesättigte FKW, sei es als Reinstoff oder auch in Mischungen verschiedener ungesättigter FKW. Diese Substanzen werden in der europäischen Union die Fluorkohlenwasserstoffe mit hohem GWP bis zum Jahr 2050 ersetzen. Für eine Sicherheitsbewertung von fluorierten Kältemitteln werden diese in der Regel nach ISO 817 in verschiedene Sicherheitsklassen eingeteilt, die der Toxizität und Entzündbarkeit des betrachteten Kältemittels entsprechen. Viele der neuen fluorierten Kältemittel mit geringem GWP sind ungiftig und besitzen eine laminare Brenngeschwindigkeit unter 10 cm/s. Damit fallen sie in die Klasse A2L. Die geringen Flammengeschwindigkeiten und die hohen Mindestzündenergien dieser Substanzen führen zu sehr großen Unsicherheiten bei der Bestimmung der sicherheitsrelevanten Parameter basierend auf empirischen Untersuchungen. Daher soll in der vorgeschlagenen Forschungsgruppe eine methodische Untersuchung durchgeführt werden, um die sicherheitstechnische Bewertung der FKW mit geringem GWP zukünftig durch einen wissensbasierten Ansatz schnell und effektiv zu ermöglichen. Dieser Ansatz beinhaltet automatisch erzeugte Reaktionsmechanismen sowie Molekülstruktur-basierte Modelle, welche durch maschinelles Lernen generiert werden. Dazu müssen der Zündprozess und die sich anschließende Flammenausbreitung detailliert untersucht werden, um die Wechselwirkung der chemischen Prozesse mit den Transport- und Strömungsvorgängen im Detail zu verstehen. Dieses umfasst sowohl die Interaktion von durch Druckgradienten induzierten Wirbeln mit der sich vom Funkenkanal ablösenden Flamme als auch die Phase der sich selbst erhaltenden Flammenausbreitung, da aufgrund der geringen Flammengeschwindigkeiten Verlustprozesse z.B. durch Strahlung sowie der Auftrieb eine signifikante Rolle spielen. Darüber hinaus müssen auch die chemischen Reaktionen besser verstanden werden, um so geeignete Reaktionsmechanismen zu entwickeln. Dieses erfordert die gemeinsame und eng verknüpfte Erarbeitung verschiedener wissenschaftlicher Grundlagen über einen mittelfristigen Zeitraum. Daher umfasst die beantragte Forschungsgruppe sechs Teilprojekte, um so die oben genannten Fragestellungen mit sich ergänzenden experimentellen und numerischen Untersuchungen im Verbund zu beantworten.
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