Titelbild Teilprojekt 3

Probleme und Motivation

Für die Auslegung und Dimensionierung kältetechnischer Anlagen muss das thermophysikalische Verhalten der eingesetzten Kältemittel genau bekannt sein. Während dieses Verhalten für die meisten Kältemittel als Reinstoffe vergleichsweise gut bekannt ist, gibt es erhebliche Defizite für Mischungen, insbesondere wenn diese mehrphasig auftreten. Zudem müssen die Verdichter in den jeweiligen Anlagen geschmiert werden, sodass sich Kältemittel-Öl-Stoffsysteme ergeben, die sich nur sehr schwer thermophysikalisch charakterisieren lassen. Trotzdem muss eine experimentelle Charakterisierung erfolgen, damit darauf basierend Stoffdatenmodelle für die Prozesssimulation und Anlagenauslegung entwickelt werden können.

Abbildung 1 zeigt ein p,T-Diagramm, in dem berechnete Dampfdruckkurven unterschiedlicher Kältemittel [1] dargestellt sind, um das unterschiedliche Phasenverhalten zu veranschaulichen. Darüber hinaus ist die Sättigungslinie einer Mischung gezeigt (1 mol-% C10H22 im Kältemittel R1234yf), um einen Eindruck darüber zu vermitteln, dass bereits eine geringe Menge an Schmierstoff/Öl im Kältemittel (hier C10H22 stellvertretend gewählt, weil die derzeit genauesten Stoffdatenmodelle nicht mit Schmierstoffen rechnen können) eine signifikante Veränderung des Phasenverhaltens hervorrufen kann. Im Gegensatz zum reinen Stoff sind Siede- und Taulinie für eine Mischung im p,T-Diagramm nicht mehr kongruent.

Abbildung 1: p,T-Diagramm mit berechneten Dampfdruckkurven [1] unterschiedlicher Kältemittel

Ansatz und Aufgaben

In realen kältetechnischen Prozessen ist die Zusammensetzung des eingesetzten Stoffsystems während der einzelnen Prozessschritte nicht konstant. Dieses dynamische Stoffverhalten soll gezielt untersucht werden, indem Maschinen für Forschungszwecke so instrumentiert werden, dass die relevanten Stoffdaten während des Betriebs mit hinreichender Messunsicherheit ermittelt werden können. Es sollen mehrere Maschinen parallel (z. B. mit unterschiedlichen Verdichtern) mit verschiedenen Kältemitteln betrieben werden, um die Unterschiede im thermophysikalischen Stoffverhalten und eine damit verbundene Veränderung der Maschinenperformance untersuchen zu können.

Für diese Aufgabestellung sind geeignete Untersuchungsmethoden und eine hinreichend genaue Inline-Messtechnik im Wesentlichen nicht verfügbar. Deswegen müssen spezielle Messmessmethoden auf den Weg gebracht werden.
Die gewonnenen Messdaten sollen für die Entwicklung von Stoffdatenmodellen genutzt werden, die schließlich in einschlägige Prozess-Simulationssoftware (wie z. B. EBSILON Professional) eingebunden werden sollen. Es ist beabsichtigt, die Voraussetzung zu schaffen, den Betrieb existierender Maschinen realitätsnah zu untersuchen und zu optimieren, die Energieeffizienz zu steigern und letztlich bessere Maschinen zu entwickeln.

Aktueller Stand

Nach der erfolgreichen Planungsphase der Kältemaschine mit Propan als Arbeitsmedium (Abb. 2) befindet sich die Anlage nun im Aufbau an der Technischen Universität Chemnitz. Als zentraler Bestandteil gilt die Integration der speziellen Inline-Messtechnik zur Erfassung des thermo-physikalischen Verhaltens im Kältemittelkreislauf. Dies beinhaltet die Kalibrierung unter Betriebs- und Messbedingungen sowie die Überprüfung der Kommunikation mit der Steuereinheit. Um bei der Kommunikation Messunsicherheiten durch Störsignale zu reduzieren, kommt das Kommunikationsprotokoll RS485 Modbus RTU zum Einsatz. Die Kalibrierung der individuell abgestimmten Inline-Messtechnik umfasst einen Sonderaufbau zur Vermessung der im Kälte-mittelkreislauf zum Einsatz kommenden Reinstoffe unter Betrachtung folgender Stoffgrößen:
  • Schallgeschwindigkeit,
  • Dichte,
  • Viskosität,
  • Druck und Temperatur.

Abbildung 2: Entwurf der geplanten Kältemaschine

Ergänzend zu dieser Inline-Messtechnik sind optische Messungen zur Strömungsanalyse vorgesehen, um das Verhalten von Öltropfen in der Gasphase des Kältemittels zu untersuchen. Als Messprinzip kommt die Shadowgraphie zum Einsatz. Eine Sichtzelle (Abb. 3) mit gegenüberliegenden planparallelen Fenstern am Kompressoraustritt gewährleistet die notwendige optische Zugänglichkeit, sodass die Messtechnik, bestehend aus einer Kamera mit Objektiv und einer LED-Lichtquelle, gemäß dem Schaubild angebracht werden kann.

abb3

Abbildung 3: geplante optische Messtechnik bestehend aus Kamera mit Objektiv und einer LED-Lichtquelle

Die Voruntersuchungen mit einer Sichtzelle ähnlicher Dimensionen, optischer Zugänglichkeit und mit künstlich erzeugter Öltropfen-Zerstäubung wurden erfolgreich durchgeführt. Die Planungsphase ist nun abgeschlossen, sodass die Integration in die Anlage als nächstes erfolgt.

Veröffentlichungen

Yang, X.; Xiao, X.; Thol, M.; Richter, M.; Bell, I. H.
Linking Viscosity to Equations of State Using Residual Entropy Scaling Theory
Int J Thermophys 2022, 43 (12), 183. https://doi.org/10.1007/s10765-022-03096-

Cikmaz, C.; Yang, X.; Oltersdorf, T.; Urbaneck, T.; Richter, M.
Design of a Refrigeration Machine with Accurate Inline Refrigerant-Oil Property Measurements for Operation Optimization
Proceedings of ICR2023- 26th International Congress of Refrigeration. https://doi.org/10.18462/iir.icr.2023.0198

Yang, X.; Xiao, X.; Thol,  M.; Bell, I. H.; Richter, M.
A residual entropy scaling approach for viscosity of refrigerants, other fluids and their mixtures
Proceedings of ICR2023- 26th International Congress of Refrigeration. https://doi.org/10.18462/iir.icr.2023.0516

Yang, X.; Hanzelmann, C.; Feja, S.; Trusler, M.; Richter, M.
Thermophysical Property Models of Lubricant Oils and their Mixtures with Refrigerants for Comprehensive Heat Pump Analysis
The 18th International Symposium on District Heating and Cooling, Peking, 03.09. bis 06.09. 2023. https://www.iea-dhc.org/fileadmin/public_documents/DHC2023_Conference_proceedings_CDHA.pdf

Yang, X.; Hanzelmann, C.; Feja, S.; Trusler, M.; Richter, M.
Thermophysical Property Modeling of Lubricant Oils and Their Mixtures with Refrigerants Using a Minimal Set of Experimental Data
Industrial & Engineering Chemistry, American Chemical Society 62. Jg. (2023) Heft 44 S. 18736-18749. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c02474

Cikmaz, C.; Yang, X.; Richter, M.
Thermo-Economic Analysis of Refrigeration Systems
Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e. V. DKV (Hrsg.): Deutsche Kälte‐ und Klimatagung 2023 Hannover. Hannover, 2023 Tagungsband (Datenträger). – ISBN 978-3-932715-56-3. https://dkv.org/index.php?id=161

Cikmaz, C.; Yang, X.; Richter, M.
Refrigeration Machine with Accurate Inline Sensor for Measuring Thermophysical Properties of Oil-Refrigerant Mixtures
16th International Institute of Refrigeration-Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants. University of Maryland, College Park, Maryland, USA, 2024. DOI:10.18462/iir.gl2024.1140

Quellen

  1. E.W. Lemmon, H.I. Bell, M.L. Huber, M.O. McLinden, NIST Standard Reference Database 23: NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Data (REFPROP): Version 10.0 (2018).

Kontakt

Bild - Markus Richter

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Richter

Teilprojektleiter 3

Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Maschinenbau
Professur Technische Thermodynamik
09107 Chemnitz

Bild - Thorsten Oltersdorf

Dr.-Ing. Thore Oltersdorf

 

Fraunhofer-Institut
für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

 
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