Teilprojekt 3

Parallel zu den Entwicklungen an der Kältemaschine entsteht eine Berechnungssoftware, die zur Berechnung thermophysikalischer Eigenschaften von Ölen, gängigen Fluiden und deren Mischungen eingesetzt wird. Die Software heißt OilMixProp und ist ein in MATLAB geschriebenes Softwarepaket (Abbildung 3). Mit der Software lassen sich alle für die thermodynamische Kreislaufanalyse erforderlichen Eigenschaften wie Dichte, Phasengleichgewichte, Wärmekapazität, Entropie, Enthalpie, Schallgeschwindigkeit, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit usw. bestimmen. Anwender können ein Öl definieren, indem sie Fluidkonstanten mit Hilfe von eingebetteten Anpassungswerkzeugen bestimmen. Bislang sind ca. 632 reine Fluide verfügbar und diese Zahl wird sich in der nächsten Version auf ca. 1500 erhöhen.

Grundsätzlich basiert OilMixProp auf der kubischen Zustandsgleichung, der isobaren Wärmekapazität als lineare Funktion der Temperatur und der residuellen Entropieskalierung. Für die Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewichtsberechnungen, insbesondere für Mischungen, ist ein robuster Flash-Algorithmus implementiert. In der nächsten Version werden auch Berechnungen des Flüssig-Flüssig-Dampf-Gleichgewichts möglich sein.

OilMixProp soll auch für Berechnungen von Zuständen in der Propan-Kältemaschine zum Einsatz kommen. Die parallele Entwicklung (theoretische und experimentelle Arbeiten) generiert dabei diverse Synergieeffekte. Beispielsweise ist für die Bestimmung der Ölumlaufrate in der Anlage, die Kenntnis über die Dichte des Kältemittel-Öl-Gemisches erforderlich. Die bereits an der Kältemaschine durchgeführten Dichtemessungen der Kältemittel-Öl-Gemische werden hier zur Optimierung der Berechnungssoftware OilMixProp eingesetzt. Unterdessen erfolgt auch die Implementierung von OilMixProp in ein eigenes EBSILON-Modell. In Zukunft soll der digitale Zwilling zum Beispiel Ölumlaufrate modellieren. Die Bestimmung der Ölumlaufrate ist auch Ziel des Einsatzes der optischen Messtechnik.

Erste Messungen mit der hinter dem Kompressor am Schauglas installierten optischen Messtechnik ermöglichen Einblicke in das Strömungsverhalten sowie die Zusammensetzung des Kältemittel-Öl-Gemischs (Abbildung 4). Die Aufnahmen zeigen kleine Öltropfen, welche sich von Bild zu Bild bewegen und somit einen Teil des umlaufenden Öls darstellen (rote Markierung). Die Zeitspanne zwischen den einzelnen Bildern beträgt lediglich 7 µs. Die dunklen Flecken, die zum Teil wellenartige Muster ausbilden, sind dem Ölfilm an der Scheibe des Schauglases zuzuordnen. Dieser Film verläuft vermutlich ringförmig an der Rohrinnenwand, bewegt sich deutlich langsamer als die Öltropfen und verändert sich dadurch nur geringfügig zwischen den Aufnahmen. Die Messergebnisse belegen die Leistungsfähigkeit des Messsystems, zeigen jedoch auch neue Herausforderungen auf. So verschattet der Ölfilm teilweise die Sicht auf die Ölpartikel und ist selbst in Bezug auf Geschwindigkeit und Filmdicke nur bedingt zu quantifizieren. Durch Modifikationen am Schauglas wird nun versucht, den Ölfilm von der Scheibe zu lösen, um die Messbedingungen zu verbessern.