Projekt 27385/01

Untersuchung eines CO2-Ejektorkreislaufes für Omnibusklimaanlagen

Projektträger

Technische Universität Braunschweig Institut für Thermodynamik
Hans-Sommer-Str. 5
38106 Braunschweig
Telefon: 0531/391-2627 (Sekre

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei Omnibussen wird jährlich durchschnittlich 23 % der Kältemittelfüllmenge der Klimaanlage in die Atmosphäre freigesetzt. Serienklimaanlagen mit dem Kältemittel R134a leisten somit einen beachtlichen Beitrag zur direkten Emission von Treibhausgasen, der durch die Verwendung des alternativen Kältemittels CO2 vermieden werden könnte.
Der so genannte indirekte Beitrag einer Klimaanlage an der Emission von Triebhausgasen entsteht durch den Kraftstoffmehrverbrauch zum Antrieb der Anlage. Somit wäre bei einer Optimierung einer CO2-Klimaanlage auch eine Reduzierung der indirekten Emission von Treibhausgasen möglich.
Im Rahmen des geförderten (Gesamt-) Projekts wird daher erstmals untersucht, wie durch Verwendung eines Ejektors eine COP-Verbesserung für eine CO2-Omnibus-Klimaanlage erzielt, und ein entsprechender CO2-Ejektorkreislauf für Busklimaanlagen optimiert werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn enger Kooperation der Konvekta AG und des IfTs werden zunächst verschiedene Einsatzmöglichkeiten für einen Ejektor in einer CO2-Omnibusklimaanlage untersucht. Zu diesem Zweck werden für die von der Konvekta AG identifizierten möglichen Schaltungsvarianten am IfT numerischen Simulationen mittels einer Modelica-Simulationsplattform durchgeführt, um die mögliche Effizienzsteigerung der Anlagenvarianten beurteilen zu können.
Um eine bestmögliche Steigerung der Energieeffizienz und des COP-Wertes für die reale CO2-Ejektorklimaanlage zu erzielen, ist eine optimale Auslegung der Anlagenkomponenten erforderlich. Daher soll bei der Untersuchung des Ejektor-Kreislaufs erstmalig berücksichtigt werden, dass ein gewisser Anteil des Schmieröls aus dem Verdichter mit dem Kältemittel durch die Anlage zirkuliert, und somit die Eigenschaften und die Effizienzen aller Anlagenkomponenten beeinflusst. Dafür sind geeignete Stoffdatenmodelle für Gemische aus Kältemitteln und Schmierölen zu identifizieren, mit denen die Eigenschaften der Gemische in den verschiedenen Anlagenkomponenten vorhergesagt werden können.
Für eine ausgewählte Schaltungsvariante zur Integration des Ejektors in die Omnibus-Klimaanlage wird dann ein Ejektor ausgelegt, und zur weiteren Optimierung am Ift vermessen.
Zur Optimierung der Prozessführung wird zudem eine geeignete Regelstrategie entwickelt, um den Ejektor-Kreislauf in einem breiten Spektrum an Betriebspunkten optimal betreiben zu können. Zu diesem Zweck werden auch mögliche Stellglieder und Regelziele identifiziert.


Ergebnisse und Diskussion

Zur Untersuchung, wie ein Ejektor effizient in eine CO2-Omnibusklimaanlage integriert werden kann, wurden Systemsimulationen zu verschiedenen Verschaltungen durchgeführt. Als ‚Defender diente eine CO2-Klimanlage ohne Ejektor, für die die Simulationsmodelle derart angepasst wurden, dass sie die reale, bei Konvekta vermessene Anlage, korrekt beschreiben. Als mögliche Verschaltungsvarianten für 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 kühlen. Eine weitere deutliche Effizienzsteigerung der Ejektor-Klimaanlage ist zudem möglich, wenn alle Anlagenkomponenten für die gewählte Verschaltung optimiert werden. Für diese Kompaktanlage existiert auch eine Vielzahl an möglichen Regelungsstellgliedern, um den Ejektor-Kältekreislauf in einem breiten Spektrum an Betriebspunkten optimal betreiben zu können. Eine Patentrecherche hat ergeben, dass bei einer solchen Ausführung des Kältekreises derzeit auch keine Verletzungen von Patentrechten zu befürchten sind.
Da sich jedoch im Laufe des Projekts hergestellt hat, dass eine Kälteanlage für den reinen Klimaanlagebetrieb nicht mehr den Kundenwünschen der Konvekta AG entspricht, wurde darauf verzichtet, einen Ejektor zu entwickeln und zu optimieren, der allein für den hier untersuchten Klimaanlagenbetrieb ausgelegt ist. Stattdessen wurden im Rahmen der experimentellen Arbeiten am IfT grundsätzliche Untersuchungen zu den Strömungsverhältnissen im Ejektor durchgeführt, die für zukünftige Arbeiten, z. B. für ein geplantes Projekt zur umschaltbaren CO2-Ejektor-Klimaanlage-Wärmepumpe, grundlegende Erkenntnisse zu den Strömungsverhältnissen im Ejektor liefern konnten. So wurden wichtige Korrelationen zwischen den Eintrittsbedingungen am Ejektor und der Strahleinschnürung und -aufweitung ermittelt, die künftig als Basis zur optimierten Auslegung von Treibdüse und Mischrohr dienen können.
Es konnte gezeigt werden, dass die PC-SAFT-Zustandsgleichung grundsätzlich in der Lage ist, das Phasenverhalten und die Dichten des CO2-Öl-Gemisches gut zu beschreiben. Voraussetzung ist aller-dings die Verfügbarkeit von experimentellen Daten für die Reinstoffe und das Gemisch um die Modellparameter anpassen zu können. Die Ergebnisse aktueller Ansätze für die Vorhersage von Gemischviskositäten sind allerdings mit großen Unsicherheiten behaftet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

TISCHENDORF, C, LUCAS, C. KÖHLER, J. und TEGETHOFF, W.: Visual Investigation of an Ejector Motive Nozzle, ASME Conference, Vancouver, Kanada, 2010.
RAABE, G. und KÖHLER, J.: Modeling of the thermophysical properties of CO2-lubricant oil mixtures, angenommene Posterpräsentation, 19th ETCP, Thessaloniki, Griechenland, August 2011.


Fazit

Durch das Vorhaben konnte grundsätzlich gezeigt werden, dass durch den Einsatz eines Ejektors eine Erhöhung des COPs einer CO2-Omnibusklimaanlage möglich ist. Systemsimulationen für verschiedene Verschaltungen haben verdeutlicht, dass der Ejektor insbesondere bei Mehrverdampferanlagen vorteilhaft ist, da er dort eine geschickte Kopplung der Teilströme ermöglich. Durch den Einsatz des Ejektors ließen 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 möglich, wenn alle Anlagenkomponenten für die gewählte Verschaltung optimiert werden.
Würde man in allen Omnibussen in Deutschland die R134a- durch CO2-Ejektor-Anlagen ersetzen, ließe 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 würde.
Allerdings sind derzeit bei den Kunden der Konvekta AG nicht mehr reine Klimaanlagen, sondern vielmehr umschaltbare Kreisläufe gefragt sind, die im Sommer als Klimaanlagen, im Winter jedoch als Wärmepumpen betrieben werden können. Es wird daher erforderlich sein, die im Projekt gewonnen Erkenntnisse zur optimalen Integration eines Ejektors und zu dessen optimaler Gestaltung auf diesen Anwendungsfall zu übertragen und zu überprüfen. Die Anlagenkomponenten sind dann auch für diese Anwendung zu optimieren.