Optimierung der Füllmengenberechnung in Plattenwärmeübertragern zur Kältemittelreduktion von Kältekreisen der Kaltdampfkompression

Stipendiatin/Stipendiat: Torsten Will

Kälteanlagen sind für verschiedenste Anwendungen (bspw. Lebensmittelkühlung, Gebäudeklimatisierung und -beheizung) unverzichtbar. Technische Grundlage der meisten Kälteanlagen ist ein Kältekreis nach dem Kaltdampfkompressionsprozess, der die vier Hauptkomponenten Verdichter, Verflüssiger, Expansionsventil und Verdampfer beinhaltet. Innerhalb dieses Kältekreises zirkuliert ein Kältemittel zum Transport der thermischen Energie von der Wärmequelle zur Wärmesenke. Das Kältemittel ist die für die Effizienz einer Kälteanlage entscheidende Komponente, die Auswahl eines geeigneten Kältemittels deshalb überaus relevant.

Thermodynamisch gut geeignete Kältemittel sind oft toxisch, umweltgefährdend oder brennbar. Regulierungen der EU (F-Gas-Verordnung) verbieten den Einsatz von vielen, bislang standardmäßig eingesetzten aber umweltgefährdenden Kältemittel. Alternative Kältemittel dürfen - beispielsweise aufgrund von Sicherheitsvorschriften - nur mit sehr geringer Füllmenge eingesetzt werden.

Zur Verringerung der Kältemittelfüllmenge in Kälteanlagen ist es sinnvoll, bereits während der Auslegung die Kältemittelfüllmenge in jeder Komponenten zu kennen, um Optimierungen anzustreben, vor allem im zweiphasig durchströmtem Kondensator und Verdampfer, die die größten inneren Volumina einer Kälteanlage aufweisen. Die Kältemittelmasse im Bauteil ist dabei vom Volumen der gasförmigen und der flüssigen Kältemittelphase abhängig. Je nach Strömungsregime, das von verschiedenen Faktoren wie Massenstrom, Geometrie, Orientierung und Kanalgröße, dem auf das Fluid wirkenden Kräftefeld sowie den Fluideigenschaften beeinflusst wird, sind unterschiedliche Anteile gasförmig und flüssig. Der gasförmige Anteil in der Strömung wird bei bestimmtem Massendampfanteil durch den Volumendampfanteil (auch Dampfblasenanteil, engl. Void-Fraction) beschrieben.

In Anlagen mit Wasser oder Sole als Wärmequelle oder -senke werden - aufgrund ihrer Kompaktheit - Plattenwärmeübertrager am häufigsten eingesetzt. Ein Plattenwärmeübertrager besteht aus einer Vielzahl speziell geprägter Platten, die jeweils um 180° gedreht nacheinander aufgereiht, kraftschlüssig miteinander verlötet sowie von den beiden Fluiden alternierend durchströmt werden. Die Prägung ist meist ein sinusförmiges Wellenmuster, die Zwischenräume besitzen bei dieser Prägung immer gleiche innere Volumina. Daneben sind asymmetrische Prägungen entwickelt worden, bei denen die Kältemittelseite bei ähnlicher Wärmeübertragungsleistung zur symmetrischen Prägung ein geringeres inneres Volumen aufweist, was zur Einsparung von Kältemittel führt. Hersteller von Plattenwärmeübertragern geben jedoch keine Daten zur Kältemittelfüllmenge in ihren Auslegungstools an, daneben sind nahezu keine validierten Berechnungsmethoden für die Füllmenge in Plattenwärmeübertragern publiziert.

In der Doktorarbeit sollen verschiedene Modelle zum Volumendampfgehalt, die zum Großteil für runde Geometrien und bestimmte weitere Randbedingungen aufgestellt wurden, recherchiert, miteinander verglichen und für den Fall des Plattenwärmeübertragers validiert werden. Eine Beschreibung von symmetrischer und asymmetrischer Plattenprägung allein mit Herstellerangaben soll erreicht werden. Die Modellberechnung und Validierung der Modelle wird in Modelica/-Dymola realisiert. Zur Validierung der Wärmeübertrager wird ein Teststand in Betrieb genommen, mit dem maximal sechs unterschiedliche Plattenwärmeübertrager, deren Auswahl in der Doktorarbeit erfolgt, sowohl als Verdampfer als auch als Kondensator bei unterschiedlichen Betriebspunkten vermessen werden. Die Plattenwärmeübertrager werden als komplettes Bauteil, inklusive Zu- und Abläufen vermessen. Dabei wird einerseits die Kältemittelmasse durch Gravimetrie nach Schließen pneumatischer Ventile an Zu- und Ablauf des Wärmeübertragers bei stationären Betriebsbedingungen sowie mit Thermografie und andererseits die örtliche Kältemittelverteilung durch eine Messmethode wie 3D-Röntgencomputertomografie oder einem  ähnlichen Verfahren, welches in der Doktorarbeit identifiziert werden muss, bestimmt. Zuletzt erfolgt eine Validierung der recherchierten Volumendampfgehaltmodelle mit den Messergebnissen.

Förderzeitraum:
01.10.2019 - 30.09.2022

Institut:
Technische Universität Braunschweig
Fakultät Maschinenbau
Institut für Thermodynamik

Betreuer:
Prof. Jürgen Köhler

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URL: www.ise.fraunhofer.de