Kolben- und Kolbenstangen­kühlung

Ansatz

Beim Verdichtungsprozess eines Gases kommt es naturgemäß zu einer Temperaturerhöhung. Je größer der Anstieg der Temperatur bei der Verdichtung, desto ineffizienter erfolgt der Prozess aus energetischer Sicht. Das heißt, dass mehr Energie für die Druckerhöhung je angesaugter Masse benötigt wird. Dies kann anschaulich im für Kolbenmaschinen charakteristischen p,V-Diagramm gezeigt werden.

Die eingeschlossene Fläche ist hier die sogenannte indizierte Arbeit für eine Kurbelumdrehung, die von der Kolbenoberfläche auf das Gas übertragen wird. Je geringer hierbei die Endtemperatur der Verdichtung ist, desto kleiner ist die benötigte indizierte Arbeit.

Gelingt es hingegen, das Gas hierbei zu kühlen, könnte Energie eingespart werden. Weitere Vorteile ergeben sich für die Dichtungen, z. B. Kolbenringe, deren Verschleiß und Dichtwirkung bei geringeren Temperaturen verbessert werden könnten. Insbesondere bei sogenannten trocken laufenden Verdichtern, deren gasführende Komponenten ölfrei ausgeführt werden, spielt die Temperatur im Dichtspalt eine zentrale Rolle für die Standzeit der Dichtungselemente.

Forschungsarbeiten

Eine Methode zur Kühlung des bewegten Systems - Kolben, Kolbenstange und Dichtungselemente - sowie der angrenzenden Komponenten ist an der Bitzer-Professur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik entwickelt worden. Hierbei wird die entstehende Wärme durch ein in der Kolbenstange und/oder im Kolben eingeschlossenes Kühlmedium aufgenommen und am ölgeschmierten kälteren Kreuzkopf wieder abgegeben. Als vorteilhaft zeigt sich dabei der stoffgebundene Wärmetransport, der durch die oszillierende Bewegung der Kolbenstange um Größenordnungen höher ist als bei der Wärmeleitung in einer Vollstange.

Zur experimentellen Untersuchung dieser Kühltechnologie stehen am Lehrstuhl zwei Versuchsstände zur Verfügung. Zum einen ein Versuchsverdichter in Boxer-Ausführung, an dem die relevanten Messgrößen, wie Temperaturen, Drücke und Medienströme gemessen werden können. Der Verdichtungsprozess und das thermische Verhalten des Verdichters und seiner Komponenten können somit sehr präzise analysiert werden.

An einem zweiten Versuchsstand ist die Kolbenstange eines Hubkolbenverdichters mittels einer oszillierenden Hohlstange nachempfunden, an der die Temperaturverteilung im bewegten System gemessen werden kann. Hierdurch können die verschiedenen Einflussfaktoren auf den Wärmetransport genauer untersucht und die Kühltechnologie optimiert werden.