Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Durch Leckage bei mobilen Klimaanlagen gelangen zur Zeit gro\u00dfe Mengen der als K\u00e4ltemittel eingesetzten FKW in die Atmosph\u00e4re, wo sie als starkes Treibhausgas wirken. Ziel dieses Projektes ist, eine seriennahe Omnibusklimaanlage mit dem nat\u00fcrlichen K\u00e4ltemittel Kohlendioxid (CO2) zu entwickeln und zu testen. Diese Klimaanlage soll in den Punkten Effizienz, Gewicht, Gr\u00f6\u00dfe und dynamisches Verhalten gleich den zur Zeit eingesetzten R134a-Anlagen sein. Der Schwerpunkt dieses Projektes liegt dabei auf der Entwicklung eines seriennahen Verdichters f\u00fcr die Hochdruckanwendung mit Kohlendioxid, der in Dichtigkeit, Vibrationsfreiheit und Lebensdauer den herk\u00f6mmlichen Verdichtern entspricht.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenKonvekta beginnt mit Feldversuchen mit einer vorhandenen, in einen Bus eingebauten CO2-Klimaanlage. W\u00e4hrend des Fahrbetriebs werden Temperaturen, Dr\u00fccke und Treibstoffverbrauch aufgezeichnet. An der GH Kassel wird an der optimierten Version eines schon gebauten CO2-Verdichters mit Kalorimetermessungen und der Verdichterindizierung begonnen. Diese sollen Aufschluss dar\u00fcber geben, inwieweit die Ver\u00e4nderungen zu einer Wirkungsgradverbesserung gef\u00fchrt haben. Parallel zu den experimentell gewonnenen Daten werden numerische Untersuchungen vorgenommen, um ein mathematisches Modell des Verdichters zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit der Firma Bock, der GH Kassel und eines Unterlieferanten wird f\u00fcr den neuen Verdichter eine Parameterstudie \u00fcber Triebwerkskonzepte angefertigt, ein geeignetes Konzept f\u00fcr die Entwicklung des neuen Verdichters festgelegt, die Auslegung der Berstdr\u00fccke, Wandst\u00e4rken und Sicherheitseinrichtungen vorgenommen und die verdichterspezifischen Komponenten konstruiert und berechnet.
\nNach der Auslieferung des neuen Verdichters nimmt Konvekta Messungen am station\u00e4ren Versuchsstand vor und f\u00fchrt Feldversuche durch. An der GH Kassel werden mit dem neuen Verdichter Indikatordiagramme aufgenommen und Kalorimetermessungen vorgenommen. Bei Firma Bock werden ebenfalls Untersuchungen an den firmeneigenen Pr\u00fcfst\u00e4nden vorgenommen. Hier werden vorrangig Dauerlaufversuche durchgef\u00fchrt und Einsatzgrenzen des neuen Verdichters bestimmt. Alle Ergebnisse flie\u00dfen in die laufende Fortentwicklung des neuen Verdichters ein.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
In Zusammenarbeit mit der Firma Peter-Reisen, die den \u00f6ffentlichen Nahverkehr in der Stadt Bad Hersfeld betreibt, wurden bei Konvekta zwei baugleiche Busse jeweils mit einer Klimaanlage versehen. W\u00e4hrend der eine Bus mit dem Prototyp einer Kohlendioxid-Klimaanlage ausgestattet wurde, kam in dem zweiten Bus eine herk\u00f6mmliche R134a-Klimaanlage zum Einsatz. Dadurch war es m\u00f6glich, die CO2-Klimaanlage mit einer R134a-Anlage bez\u00fcglich Stra\u00dfentauglichkeit, Leistung und dynamischem Verhalten im gew\u00f6hnlichen Stra\u00dfenverkehr bei realen Einsatzbedingungen zu vergleichen. Die Messungen, die w\u00e4hrend des gew\u00f6hnlichen Stra\u00dfeneinsatzes durchgef\u00fchrt wurden, belegen, dass mit Hilfe der CO2-Klimaanlage bei ganz \u00e4hnlichem dynamischem Verhalten etwa die gleiche Abk\u00fchlung des Fahrgastraumes erzielt werden kann. Das deutet auf eine \u00e4hnliche K\u00e4lteleistung wie bei der R134a-Anlage hin.
\nDie CO2-Klimaanlage ist mit einem Verdichter der Firma Bock ausgestattet, der sich in der zweiten Entwicklungsstufe befindet. Die Version 2 dieses Verdichters wurde an der GH Kassel an einem Verdichterpr\u00fcfstand detailliert auf seine Laufeigenschaften und Leistungsf\u00e4higkeit hin untersucht. Messungen ergaben, dass die G\u00fcte- und Liefergrade bei moderaten Druckverh\u00e4ltnissen und Drehzahlen unter 1200 min-1 hohe Werte aufweisen. F\u00fcr Klimaanwendungen mit einem Druckverh\u00e4ltnis von 2,5 wird ein Liefer- und G\u00fctegrad von bis zu 75% erzielt. Der effektive Liefergrad liegt bei etwa 85%. Die geringen mechanischen Verluste ( ) deuten auf gute Laufeigenschaften mit geringen Lagerverlusten und eine effizient arbeitende \u00d6lversorgung hin.
\nIm Vergleich zur ersten Version des Verdichters treten bei niedrigen Drehzahlen deutlich geringere Druckverluste beim Ausschiebevorgang auf. Das h\u00e4ngt mit der vergr\u00f6\u00dferten Str\u00f6mungsfl\u00e4che im Druckventil zusammen. Indikatormessungen ergeben, dass das Ventilsystem wegen der Ventilverluste bei Drehzahlen oberhalb von 1200 min-1 modifiziert werden sollte, damit bessere Liefergrade im mittleren und oberen Drehzahlbereich bis 3000 min-1 erzielt werden k\u00f6nnen. Da nach einer relativ kurzen Betriebszeit schon ein deutlicher Verschlei\u00df der Ventilpl\u00e4ttchen erkennbar ist, m\u00fcssen bei der weiteren Entwicklung neue Materialien erprobt werden. Parallel zu diesen Untersuchungen wurde ein mathematisches Modell des Verdichters entwickelt und mittels numerischer Methoden gel\u00f6st. Innerhalb einer durchgef\u00fchrten Parameterstudie konnte theoretisch gezeigt werden, dass der Kohlendioxid-Verdichterprototyp im Vergleich zu einem R134a-Verdichter einen g\u00fcnstigeren indizierten Liefergrad aufweist.
\nBei der Firma Bock wurde die Version 3 des Kohlendioxidverdichters entwickelt. Bei dieser Version handelt es sich schon um einen seriennahen Prototypen f\u00fcr die Fahrzeugklimatisierung. Der Prototyp der Version 3 unterscheidet sich von der Version 1 und 2 vor allem durch einen vergr\u00f6\u00dferten Hubraum. Bei gleichem Kolbenhub ergibt sich durch einen von 28 mm auf 38 mm vergr\u00f6\u00dferten Zylinderdurchmesser ein Hubvolumen von 110 cm\u00b3. Dadurch verringert sich das Hub-zu-Bohrungsverh\u00e4ltnis auf 1.29. Um die dadurch vergr\u00f6\u00dferten Triebwerkskr\u00e4fte aufnehmen zu k\u00f6nnen, musste die Kurbelwelle entsprechend verst\u00e4rkt werden. Eine Gewichtsoptimierung erfolgte in aufwendigen Versuchsreihen zur Minimierung der Wandst\u00e4rken und der erforderlichen Schraubenzahl. Optimierungsschritte sind bei den Lagerkonstruktionen, der Geh\u00e4usebauart und der Ventilauslegung erforderlich.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ergebnisse wurden auf zahlreichen nationalen und internationalen Tagungen vorgetragen und ver\u00f6ffentlicht, u. a.:
\nJ. Koehler, N. Lemke, M. Sonnekalb, H. Kaiser:
\nA Transcritical Refrigeration Cycle with Carbon Dioxide for Bus Air Conditioning and Transport Refrigeration. IAA – Technical Congress: Innovations in the Commercial Vehicle Industry, 07. – 08. Sept. 1998, Hannover, Conference Proceedings, S. 202 – 207.
\nJ. Koehler, N. Lemke, M. Sonnekalb:
\nSecond Year of City Busses with Transcritical CO2 Air Conditioning Units in Germany. SAE Phoenix July 1999.
\nS. F\u00f6rsterling, B. Lauterbach, H. Kaiser, J. K\u00f6hler:
\nExperimentelle Untersuchungen eines Verdichters f\u00fcr Busklimaanlagen und Transportk\u00e4lteanlagen mit Kohlendioxid als K\u00e4ltemittel. Deutsche K\u00e4lte-Klima-Tagung 1999, Berlin, 17. – 19. November 1999.
\nH. Kaiser:
\nAuswirkungen auf die Konstruktion von K\u00e4ltemittelverdichtern bei Einsatz sogenannter Hochdruckk\u00e4ltemittel R410A\/CO2. Deutsche K\u00e4lte-Klima-Tagung 1999, Berlin, 17. – 19. November 1999.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Der Einsatz von Kohlendioxid in der Klimatisierung von Omnibussen stellt eine umweltfreundliche Alternative zu dem Einsatz von HFKW-K\u00e4ltemitteln wie R134 dar. Die Erfahrungen mit zwei Prototypenanlagen in zwei Stadtbussen \u00fcber einen Zeitraum von je 1.000 Betriebsstunden und mehr belegen im Stadtverkehr eine gute Funktionst\u00fcchtigkeit und hohe Zuverl\u00e4ssigkeit. Hinsichtlich der K\u00e4lteleistung und des dynamischen Verhaltens werden \u00e4hnliche Ergebnisse wie mit einer R134a-Serienanlage erzielt. Obwohl die Anlage ohne Sammler und nicht mit einer speziellen Hochdruckregelung ausgestattet ist, kann trotzdem bei den verschiedenen Betriebszust\u00e4nden die Anlage nahezu mit optimalen COP betrieben werden.
\nDer verwendete Verdichter weist g\u00fcnstige Eigenschaften bez\u00fcglich des Liefer- und Wirkungsgrades auf, besitzt aber noch einen gewissen Entwicklungsbedarf im Bereich der Ventilauslegung besonders f\u00fcr h\u00f6here Drehzahlen. Das speziell f\u00fcr Kohlendioxid entwickelte K\u00e4ltemaschinen\u00f6l wies ausgezeichnete Schmiereigenschaften auf. Allerdings muss die Best\u00e4ndigkeit des verwendeten \u00d6ls bei hohen Verdichtungsendtemperaturen noch weiter untersucht werden.
\nZur Weiterentwicklung der bisher eingesetzten Prototypenanlage sind sowohl im Bereich der Verdichter- bzw. Schmiermittelentwicklung als auch bei der Anlagenkonstruktion weitere Entwicklungsschritte erforderlich. Wichtig ist vor allem eine begleitende Untersuchung durch Langzeittests, um die Lebensdauer der einzelnen Anlagenkomponenten zu ermitteln und zu \u00fcberpr\u00fcfen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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