Entwicklung eines Modells zur schnellen, einfachen und systemorientierten Auslegung von Ejektoren für CO2-Kältekreisläufe
Projektträger
Technische Universität Braunschweig Institut für Thermodynamik (IfT)Hans-Sommer-Str. 5
38106 Braunschweig
Telefon: +49 531 391 2627
Zielsetzung
Einer weiteren Verbreitung von CO2 als Arbeitsmittel für Kälteanlagen und Wärmepumpen steht im Wege, dass Kreisläufe mit CO2 vor allem bei hohen Temperaturen der Wärmeabgabe ein vergleichsweise niedriges Verhältnis von Nutzwärme zu Antriebsenergie aufweisen, das als Coefficient of Performance (COP) bezeichnet wird. Der Grund dafür sind die im Vergleich zu anderen Kältemitteln überproportional hohen Verluste bei der Drosselung im Expansionsventil. Deshalb sollten bei Kreisläufen mit CO2 als Arbeitsmittel Maßnahmen zur Verringerung oder zum Rückgewinn der Druckverluste ergriffen werden. Eine Möglichkeit stellt die Integration eines Ejektors dar.
Weil nach dem Stand der Technik die Geometrie eines Ejektors aus pragmatischen Gründen nur hinsichtlich der eignen Bauteileffizienz ausgelegt und optimiert wird, wurde im Rahmen dieses Projekts das Ziel verfolgt ein schnelles und invertierbares Ejektormodell zur systemoptimalen Auslegung von Ejektoren zu entwickeln. Dazu ist es notwendig ein Modell zur Systemsimulation zu entwickeln, bei dem die Geometrie nicht als Eingangsgröße vorgegeben wird sondern unter Vorgabe der thermodynamischen Randbedingungen berechnet wird. Zur Erstellung dieses Modells sollte die isoenergetische Methode der Charakteristiken für ein ideales Gas zur Beschreibung der zweiphasigen Nachexpansion des Treibstrahls in der Mischkammer genutzt werden.
Arbeitsschritte
Zunächst ist eine Modifikation des bestehenden Ejektorprüfstands erforderlich, um Messungen, bei denen alle Zustände überhitzt sind, durchführen zu können. Hierfür müssen Heiz- und Kühlkreisläufe eingesetzt werden, die es erlauben, das Kältemittel nach dem Verdichten zu heizen und auf dem Mitteldruck zu kühlen. Dadurch wird es möglich, paarweise Messungen von zweiphasigen Zuständen und komplett überhitzten Zuständen durchzuführen.
Für die Validierung der Charakteristikenmethode sind der Aufbau eines optischen Schlierenprüfstandes und die Konstruktion eines transparenten Ejektors vorgesehen. Der Schlierenprüfstand wird im sogenannten Z-Ausbau ausgeführt, durch den optische Fehler reduziert werden, so dass Aufnahmen mit hoher Auflösung möglich sein sollten.
Der transparente Ejektor wird als Rundejektor ausgeführt, bei dem die Mischkammer und das Mischrohr transparent aus Glas hergestellt sind.
Es soll nun ein Ejektormodells auf Grundlage der Charakteristikenmethode entwickelt werden, dass unter Einbeziehung der Geometrieparameter des Ejektors die Ejektoreffizienz modelliert und analytisch invertierbar ist. Dadurch soll eine systemoptimale Auslegung des Ejektors möglich sein. Das Modell soll anhand des mit dem Ejektorprüfstand erzeugten Messdatensatzes validiert werden. Abschließend soll beispielhaft eine systemoptimale Auslegung demonstriert werden.
Ergebnisse
Das Ziel war es ein Ejektormodell auf Grundlage der Charakteristikenmethode zu erstellen. Hierfür sollte die Form des Treibstrahls durch die Charakteristikenmethode ermittelt werden und anschließend mit einer Modellierung von Saugrohr, Mischrohr und Diffusor unter Einbezug von deren Geometrien vereint werden. Es war möglich die Form der ersten Strahlzelle des Treibstrahls über eine Umsetzung der Charakteristikenmethode zu modellieren. Die Vereinbarkeit der verschiedenen Modelle stellte sich dabei als Herausforderung heraus, so dass es in der Projektlaufzeit nicht möglich war, ein abschließendes Modell zu erstellen und zu validieren.
Es wurde ein Prüfstand für Ejektormessungen umgesetzt, der zur Ermittlung hochwertiger Messdaten genutzt wurde und auch weiterhin genutzt werden wird. Die ermittelten Messdaten stehen auch für zukünftige Projekte zur Verfügung.
Das Ziel einen transparenten Ejektor herzustellen und im Prüfstand zu betreiben wurde erreicht. Es wurde ein Optikprüfstand zur Aufnahme von Schlierenbildern aufgebaut, dessen generelle Funktion nachgewiesen wurde. Bei der Aufnahme von Schlierenbildern der Ejektorströmung im Betrieb gab es allerdings bisher ungelöste Herausforderungen, so dass die Anwendung der Charakteristikenmethode für den Ejektor auf diesem Weg bisher nicht validiert werden konnte.
Fazit
Das Ziel des Projektes, ein Ejektormodell auf Grundlage der Charakteristikenmethode unter Berücksichtigung der geometrischen Parameter des Ejektors zu entwickeln, konnte nicht erreicht werden. Es war möglich die Form des Treibstrahls mit der Charakteristikenmethode zu bestimmen. Aus der Form des Treibstrahls konnte jedoch bisher kein Modell erstellt werden, dass die zur Validierung genutzten Messdaten zufriedenstellend darstellen kann.
Im Verlauf der Modellentwicklung zeigte sich auch, dass durch die Anwendung der Charakteristikenmethode für den dreidimensionalen Fall im Gegensatz zu einer Betrachtung des ebenen Falls eine analytische Invertierbarkeit unmöglich wird.
Der neuartige Ejektorprüfstand wurde umgesetzt und für die Ermittlung neuer hoch aufgelöster Messdaten genutzt. Es war möglich, alle vorgesehenen Betriebsweisen des Ejektors umzusetzen und Messdaten guter Qualität zu erzielen.
Ein Optikprüfstand für die Aufnahme von Schlierenbildern wurde aufgebaut und seine generelle Funktionsweise gezeigt. Es war möglich, einen transparenten Ejektor aus Glas zu entwickeln, herzustellen und in den Einsatz zu bringen.
Es war nicht möglich, mit diesem Aufbau Schlierenaufnahmen der Strömung im Ejektor zu erzeugen, da der vorhandene Aufbau und insbesondere der Glaskörper des Ejektors die sehr hohen optischen Anforderungen nicht erfüllen konnte. Es wurde konventionelle optische Untersuchungen durchgeführt, diese ergaben jedoch keine neuen Erkenntnisse.