Projekt 05279/01

Untersuchung der Eignung einer Kältemaschine mit CO2 als Arbeitsmedium zur Fahrzeugklimatisierung

Projektträger

Universität KasselFachbereich 24 Produkt-Design
Menzelstr. 15
34121 KasselZielsetzung und Anlass des Vorhabens Die Nutzung des K√§ltemittels R 134a in Fahrzeugklimaanlagen ist wegen des betr√§chtlichen Treibhauspotentials dieses Stoffes problematisch. Eine interessante Alternative stellt der Kaltdampfproze√ü mit CO2 als K√§ltemittel dar. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Eignung von CO2 nachzuweisen, Betriebserfahrung mit einer Versuchsanlage zur Busklimatisierung zu sammeln und die Anforderungen an Komponenten, wie beispielsweise Verdichter und Gask√ľhler, n√§her zu bestimmen. Zu diesem Zweck soll ein Funktionsmuster einer solchen Anlage aufgebaut und experimentell untersucht werden. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAls erster Schritt wurde ein Anlagenkonzept erarbeitet. Da bei dem Kooperationspartner Konvekta schon eine einfache Versuchsanlage aufgebaut wurde, wurde f√ľr dieses Projekt eine erweiterte Variante mit einem Sammler nach dem Verdampfer und einem inneren W√§rme√ľbertrager gew√§hlt. Zur genaueren Messung der im Betrieb auftretenden W√§rmestr√∂me wurden der Gask√ľhler und der Verdampfer nicht gegen Luft sondern gegen Wasser betrieben. Um die G√ľte des eingesetzten K√§ltemittelverdichters FK3-CO2 der Fa. Bock besser bestimmen zu k√∂nnen, wurden in beiden Zylindern Me√üaufnehmer zur Indizierung angebracht. Nach dem Aufbau der Anlage wurden verschiedene Versuchsreihen durchgef√ľhrt. Es wurde jeweils ein bestimmtes Raster mit verschiedenen festen Drehzahlen, Verdichterhochdr√ľcken und Gask√ľhleraustrittstemperaturen des K√§ltemittels angefahren und an diesen Punkten alle interessanten Druck-, Volumenstrom- und Temperaturwerte gemessen. Diese Me√üwerte wurden nur w√§hrend des station√§ren Betriebs des K√§ltekreislaufs aufgenommen, d.h. wenn sich √ľber einen bestimmten Zeitraum die Me√üwerte nicht mehr ver√§ndert haben. F√ľr die erste Me√üreihe wurde in den Verdichter eine Gleitringdichtung AX-40K von Simrax eingebaut und das √Ėl Reniso CO2-150-E von Fuchs eingef√ľllt. Die zweite Me√üreihe wurde mit gleichem √Ėl, aber mit der originalen Gleitringdichtung des Verdichters durchgef√ľhrt. Bei der dritten Me√üreihe wurde auch noch das √Ėl ge√§ndert, hier wurde ein CO2-K√§ltemaschinen√∂l von Anderol verwendet. Ergebnisse und Diskussion Bei den Kalorimetermessungen der ersten beiden Me√üreihen wurden K√§lteleistungszahlen zwischen 1,2 und 2,8 gemessen. Diese K√§lteleistungszahlen hingen nur von der Drehzahl und von der Gask√ľhleraustrittstemperatur ab, es gab keinen merklichen Unterschied zwischen den beiden Me√üreihen mit unterschiedlichen Gleitringdichtungen. Bei der dritten Me√üreihe, bei der ein anderes K√§ltemaschinen√∂l verwendet wurde, wurden K√§lteleistungszahlen zwischen 1,0 und 2,1 gemessen. Diese waren in allen Drehzahl- und Temperaturbereichen schlechter als in den ersten beiden Me√üreihen. Auch die K√§lteleistung war bei den Messungen mit dem zweiten √Ėl geringer. Die Indizierung des K√§ltemittelverdichters f√ľhrte zu mehreren interessanten Ergebnissen. Bei den verschiedenen Messungen wurden sehr gute indizierte Wirkungsgrade gemessen, die zwischen 0,75 und 0,9 lagen. Auch die indizierten Liefergrade, die zwischen 0,8 und 0,92 lagen, waren sehr gut. Weiterhin konnte aus den Verl√§ufen der Verdichtungs- und der R√ľckexpansionslinie geschlossen werden, da√ü nur sehr geringe Leckageverluste durch die Ventile oder durch die Kolbendichtungen auftraten. Ein Schwachpunkt des Verdichters war an den p-V-Diagrammen sehr gut zu erkennen. Die Druckerh√∂hung beim Ausschieben des komprimierten K√§ltemittels aus dem Zylinder war mit 15 - 25 bar sehr hoch. Dies ist ein deutlicher Hinweis auf hohe Str√∂mungsverluste in den Ventilen, die durch eine ung√ľnstige Ventilgeometrie entstehen. Durch eine Ver√§nderung dieser Ventilgeometrie k√∂nnten diese Verluste verringert und dadurch der Wirkungsgrad des Verdichters gesteigert werden. Die Ansaugdruckverluste waren mit 2 - 4 bar gering, so da√ü diese durch eine √Ąnderung der Geometrie der Saugventile nur noch geringf√ľgig verbessert werden k√∂nnten. Nach einer Betriebszeit von ca. 100 Stunden wurde ein Teil des K√§ltemaschinen√∂ls Reniso CO2 150E dem Hersteller zur Untersuchung zur√ľckgegeben. Dieser stellte fest, da√ü das √Ėl mit gel√∂stem bzw. feinverteiltem Aluminium und Eisen versetzt war, nach Abfiltern dieser Bestandteile aber mit Frisch√∂l nahezu identisch war. Beim Hersteller der in der ersten Me√üreihe eingesetzten Gleitringdichtung AX40K wurden deren Reibleistungen unter den in den Messungen gegebenen Voraussetzungen gemessen. Diese lagen je nach Druck und Drehzahl zwischen 15 und 36 kW. Bei in den Messungen aufgetretenen Antriebsleistungen zwischen 3 und 9 kW spielen daher die ben√∂tigten Reibleistungen in der Gleitringdichtung keine Rolle. Beide eingesetzten Gleitringdichtungen wiesen eine sehr geringe Leckage auf, auch konnte bei den kurzen Laufzeiten an den Dichtfl√§chen kein merklicher Verschlei√ü festgestellt werden. Bei der Gleitringdichtung AX40K traten Probleme an eingesetzten O-Ringen auf. Diese Gummiringe waren schon nach kurzer Einsatzzeit zerst√∂rt, was an bei den schwankenden Dr√ľcken in die Ringe eindringenden und wieder austretenden Kohlendioxid liegt. Bei der Untersuchung des zu erwartenden TEWI-Wertes einer CO2-K√§lteanlage wurde festgestellt, da√ü dieser Wert voraussichtlich besser ist als bei einer vergleichbaren R134a-Anlage. Allerdings h√§ngt ein berechneter TEWI-Wert sehr stark von den Annahmen ab, die bez√ľglich der Klimaanlagen getroffen werden. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation Teile der Ergebnisse wurden w√§hrend des CO2 Technology Workshop in Trondheim, Norwegen, vom 13 -14. Mai 1997 vorgetragen. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Studie √ľber das TEWI-Konzept als Bewertungskriterium mobiler Klimaanlagen durchgef√ľhrt und in der Zeitschrift KK Die K√§lte- und Klimatechnik im M√§rz 1997 ver√∂ffentlicht. Fazit Die Ergebnisse zeigen, da√ü Kohlendioxid ein sehr gut geeignetes K√§ltemittel f√ľr die mobile Klimatisierung darstellt. Um dieses jedoch in Zukunft serienm√§√üig in der mobilen K√ľhlung einsetzen zu k√∂nnen, mu√ü vor allem der Verdichter verbessert werden. Eine Steigerung des Verdichterwirkungsgrades w√§re durch eine Ver√§nderung der Ventile zu erreichen. Weiter m√ľ√üten Ver√§nderungen am Verdichter durchgef√ľhrt werden, die zu einer l√§ngeren Lebensdauer f√ľhren. Die Auswahl eines geeigneten K√§ltemaschinen√∂les ist wichtig, da ein Einflu√ü des √Ėles auf die K√§lteleistungszahl der K√§lteanlage eindeutig nachweisbar ist. Zur Abdichtung der Kurbelwelle reicht durchaus eine einfache Gleitringdichtung, wie sie schon in anderen K√§ltemittelverdichtern eingesetzt wird.

√úbersicht

Telefon

0561/23088

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Bundesland

Hessen

Fördersumme

166.169,86 ‚ā¨

Förderzeitraum

02.09.1994 - 06.05.1998