Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Bei Omnibussen wird j\u00e4hrlich durchschnittlich 23 % der K\u00e4ltemittelf\u00fcllmenge der Klimaanlage in die Atmosph\u00e4re freigesetzt. Serienklimaanlagen mit dem K\u00e4ltemittel R134a leisten somit einen beachtlichen Beitrag zur direkten Emission von Treibhausgasen, der durch die Verwendung des alternativen K\u00e4ltemittels CO2 vermieden werden k\u00f6nnte.
\nDer so genannte indirekte Beitrag einer Klimaanlage an der Emission von Triebhausgasen entsteht durch den Kraftstoffmehrverbrauch zum Antrieb der Anlage. Somit w\u00e4re bei einer Optimierung einer CO2-Klimaanlage auch eine Reduzierung der indirekten Emission von Treibhausgasen m\u00f6glich.
\nIm Rahmen des gef\u00f6rderten (Gesamt-) Projekts wird daher erstmals untersucht, wie durch Verwendung eines Ejektors eine COP-Verbesserung f\u00fcr eine CO2-Omnibus-Klimaanlage erzielt, und ein entsprechender CO2-Ejektorkreislauf f\u00fcr Busklimaanlagen optimiert werden kann.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn enger Kooperation der Konvekta AG und des IfTs werden zun\u00e4chst verschiedene Einsatzm\u00f6glichkeiten f\u00fcr einen Ejektor in einer CO2-Omnibusklimaanlage untersucht. Zu diesem Zweck werden f\u00fcr die von der Konvekta AG identifizierten m\u00f6glichen Schaltungsvarianten am IfT numerischen Simulationen mittels einer Modelica-Simulationsplattform durchgef\u00fchrt, um die m\u00f6gliche Effizienzsteigerung der Anlagenvarianten beurteilen zu k\u00f6nnen.
\nUm eine bestm\u00f6gliche Steigerung der Energieeffizienz und des COP-Wertes f\u00fcr die reale CO2-Ejektorklimaanlage zu erzielen, ist eine optimale Auslegung der Anlagenkomponenten erforderlich. Daher soll bei der Untersuchung des Ejektor-Kreislaufs erstmalig ber\u00fccksichtigt werden, dass ein gewisser Anteil des Schmier\u00f6ls aus dem Verdichter mit dem K\u00e4ltemittel durch die Anlage zirkuliert, und somit die Eigenschaften und die Effizienzen aller Anlagenkomponenten beeinflusst. Daf\u00fcr sind geeignete Stoffdatenmodelle f\u00fcr Gemische aus K\u00e4ltemitteln und Schmier\u00f6len zu identifizieren, mit denen die Eigenschaften der Gemische in den verschiedenen Anlagenkomponenten vorhergesagt werden k\u00f6nnen.
\nF\u00fcr eine ausgew\u00e4hlte Schaltungsvariante zur Integration des Ejektors in die Omnibus-Klimaanlage wird dann ein Ejektor ausgelegt, und zur weiteren Optimierung am Ift vermessen.
\nZur Optimierung der Prozessf\u00fchrung wird zudem eine geeignete Regelstrategie entwickelt, um den Ejektor-Kreislauf in einem breiten Spektrum an Betriebspunkten optimal betreiben zu k\u00f6nnen. Zu diesem Zweck werden auch m\u00f6gliche Stellglieder und Regelziele identifiziert.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Zur Untersuchung, wie ein Ejektor effizient in eine CO2-Omnibusklimaanlage integriert werden kann, wurden Systemsimulationen zu verschiedenen Verschaltungen durchgef\u00fchrt. Als \u201aDefender diente eine CO2-Klimanlage ohne Ejektor, f\u00fcr die die Simulationsmodelle derart angepasst wurden, dass sie die reale, bei Konvekta vermessene Anlage, korrekt beschreiben. Als m\u00f6gliche Verschaltungsvarianten f\u00fcr einen Kreislauf mit Ejektor wurden sowohl eine 1-Verdampferanlage, als auch verschiedene Varianten einer 2-Verdampferanlage untersucht. Als besonders effizient – mit einer COP-Steigerung bis zu 3,8 % – hat sich eine kompakte 2-Verdampferanlage erwiesen, bei der sich zwei Verdampfer am Heck des Busses befinden, die einen einzigen Luftstrom zur Klimatisierung des gesamten Businnenraums k\u00fchlen. Eine weitere deutliche Effizienzsteigerung der Ejektor-Klimaanlage ist zudem m\u00f6glich, wenn alle Anlagenkomponenten f\u00fcr die gew\u00e4hlte Verschaltung optimiert werden. F\u00fcr diese Kompaktanlage existiert auch eine Vielzahl an m\u00f6glichen Regelungsstellgliedern, um den Ejektor-K\u00e4ltekreislauf in einem breiten Spektrum an Betriebspunkten optimal betreiben zu k\u00f6nnen. Eine Patentrecherche hat ergeben, dass bei einer solchen Ausf\u00fchrung des K\u00e4ltekreises derzeit auch keine Verletzungen von Patentrechten zu bef\u00fcrchten sind.
\nDa sich jedoch im Laufe des Projekts hergestellt hat, dass eine K\u00e4lteanlage f\u00fcr den reinen Klimaanlagebetrieb nicht mehr den Kundenw\u00fcnschen der Konvekta AG entspricht, wurde darauf verzichtet, einen Ejektor zu entwickeln und zu optimieren, der allein f\u00fcr den hier untersuchten Klimaanlagenbetrieb ausgelegt ist. Stattdessen wurden im Rahmen der experimentellen Arbeiten am IfT grunds\u00e4tzliche Untersuchungen zu den Str\u00f6mungsverh\u00e4ltnissen im Ejektor durchgef\u00fchrt, die f\u00fcr zuk\u00fcnftige Arbeiten, z. B. f\u00fcr ein geplantes Projekt zur umschaltbaren CO2-Ejektor-Klimaanlage-W\u00e4rmepumpe, grundlegende Erkenntnisse zu den Str\u00f6mungsverh\u00e4ltnissen im Ejektor liefern konnten. So wurden wichtige Korrelationen zwischen den Eintrittsbedingungen am Ejektor und der Strahleinschn\u00fcrung und -aufweitung ermittelt, die k\u00fcnftig als Basis zur optimierten Auslegung von Treibd\u00fcse und Mischrohr dienen k\u00f6nnen.
\nEs konnte gezeigt werden, dass die PC-SAFT-Zustandsgleichung grunds\u00e4tzlich in der Lage ist, das Phasenverhalten und die Dichten des CO2-\u00d6l-Gemisches gut zu beschreiben. Voraussetzung ist aller-dings die Verf\u00fcgbarkeit von experimentellen Daten f\u00fcr die Reinstoffe und das Gemisch um die Modellparameter anpassen zu k\u00f6nnen. Die Ergebnisse aktueller Ans\u00e4tze f\u00fcr die Vorhersage von Gemischviskosit\u00e4ten sind allerdings mit gro\u00dfen Unsicherheiten behaftet.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
TISCHENDORF, C, LUCAS, C. K\u00d6HLER, J. und TEGETHOFF, W.: Visual Investigation of an Ejector Motive Nozzle, ASME Conference, Vancouver, Kanada, 2010.
\nRAABE, G. und K\u00d6HLER, J.: Modeling of the thermophysical properties of CO2-lubricant oil mixtures, angenommene Posterpr\u00e4sentation, 19th ETCP, Thessaloniki, Griechenland, August 2011.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Durch das Vorhaben konnte grunds\u00e4tzlich gezeigt werden, dass durch den Einsatz eines Ejektors eine Erh\u00f6hung des COPs einer CO2-Omnibusklimaanlage m\u00f6glich ist. Systemsimulationen f\u00fcr verschiedene Verschaltungen haben verdeutlicht, dass der Ejektor insbesondere bei Mehrverdampferanlagen vorteilhaft ist, da er dort eine geschickte Kopplung der Teilstr\u00f6me erm\u00f6glich. Durch den Einsatz des Ejektors lie\u00dfen sich CO2-Klimaanlagen realisieren, die in ihrer Energieeffizienz mit modernen und hocheffizienten R134a-Anlagen vergleichbar sind. Zudem ist eine weitere deutliche Effizienzsteigerung der CO2-Ejektor-Klimaanlage m\u00f6glich, wenn alle Anlagenkomponenten f\u00fcr die gew\u00e4hlte Verschaltung optimiert werden.
\nW\u00fcrde man in allen Omnibussen in Deutschland die R134a- durch CO2-Ejektor-Anlagen ersetzen, lie\u00dfe sich die direkte Emission des Treibhausgases R134a um mindestens (76-83,6) t\/a reduzieren, ohne dass die indirekte Emission durch den Kraftstoffverbrauch zum Antrieb der Klimaanlage zunehmen w\u00fcrde.
\nAllerdings sind derzeit bei den Kunden der Konvekta AG nicht mehr reine Klimaanlagen, sondern vielmehr umschaltbare Kreisl\u00e4ufe gefragt sind, die im Sommer als Klimaanlagen, im Winter jedoch als W\u00e4rmepumpen betrieben werden k\u00f6nnen. Es wird daher erforderlich sein, die im Projekt gewonnen Erkenntnisse zur optimalen Integration eines Ejektors und zu dessen optimaler Gestaltung auf diesen Anwendungsfall zu \u00fcbertragen und zu \u00fcberpr\u00fcfen. Die Anlagenkomponenten sind dann auch f\u00fcr diese Anwendung zu optimieren.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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