Kältemittel CO2

Verdichter für Kaltdampfprozesse sind in der Regel ölgeschmiert. Das Öl gelangt konstruktionsbedingt in den Arbeitsraum des Verdichters und wird anteilig mit dem verdichteten Kältemitteldampf aus dem Verdichter ausgetragen, so dass immer von einer im Kältekreislauf zirkulierenden Teilmenge an Öl auszugehen ist (Ölumlauf). Typischerweise sind die gleichzeitig eingesetzten Kältemittel mit dem eingesetzten Öl über weite thermische Zustandsbereiche gut mischbar. Die Öltransportmechanismen sind davon direkt betroffen. In der Folge kann es je nach Betriebspunkt zu einem unzureichenden Ölrücktransport und damit zu einer Ölverlagerung aus dem Verdichter in die anderen Komponenten des Kältekreislaufs kommen.

Ziel dieser Arbeit soll eine experimentelle Untersuchung der Ölabscheidung in einer transkritischen CO₂-Kälteanlage für Gewerbeanwendungen.

Diese Aufgabenstellung wird von der externen Firma ESK-Schultze angeboten. Die Messungen können bei ESK vor Ort (Velten) oder auch im Homeoffice ausgeführt werden.

Ihre Aufgaben:

• Unterstützung bei der Inbetriebnahme der Versuchsanlage
• Erstellung eines Messplanes zur Untersuchung des Ölabscheidegrades bei unterschiedlichen Betriebsparametern
• Durchführung von Messungen gemäß des erstellten Messplanes
• Erstellung eines Tools (z.B. Excel) zur Auswertung der Messdaten
• Vergleich von unterschiedlichen Funktionselementen zur Ölabscheidung anhand der Messdaten
• Optimierung und Weiterentwicklung des Ölabscheiders
• Interdisziplinäre Kommunikation mit den internen Fachbereichen

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Natürliche Kältemittel, insbesondere CO₂, werden aufgrund der EU-F-Gase-Verordnung und des damit verbundenen „Phase-Downs“ zunehmend als Kältemittel in gewerblichen Kälteanlagen eingesetzt. Aufgrund des hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Drosselverluste haben transkritische CO₂-Kälteanlagen typischerweise niedrigere Wirkungsgrade als andere gängige Kältemittel. Um die auftretenden Expansionsverluste im Kältekreislauf zu reduzieren damit die Leistungszahl der Kälteanlage zu verbessern, werden u.a. Ejektoren eingesetzt.

Um ein umfassendes und detailliertes Verständnis des Strömungsverhaltens innerhalb eines Zwei-Phasen-Ejektors mit großem Druckhub zu erhalten, soll im Rahmen dieser Arbeit eine Testanlage mit CO₂ als Arbeitsfluid erstellt werden, welche einen transparenten Zwei-Phasen-Ejektor enthält. Bei den meisten in der Literatur verfügbaren Visualisierungsexperimenten handelt es sich um einphasige Ejektoren, die mit Luft, Stickstoff oder Dampf bei niedrigem bis mittlerem Druck untersucht wurden. Mit Hilfe des transparenten Ejektormodells sollen die inneren Strömungsvorgänge, speziell der Mischprozess, sowie die Ausbildung von Schockwellen bei unterschiedlichen Betriebsparametern sichtbar gemacht werden. Dazu soll ein zweiphasiger Ejektor mit großen Druckhub untersucht werden, wie er in Systemen zur Unterkühlung Anwendung findet.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in bestehende Literatur zur Auslegung von Ejektoren und Möglichkeiten zur Einbindung von Ejektoren in Kälteanlagen
• Definition der relevanten Versuchsparameter und Ejektorgeometrien
• Entwicklung eines R&I Schaltbildes zur Gesamtanlage
• Auslegung und Auswahl der Einzelkomponenten (inkl. Messtechnik)
• Entwicklung einer CAD Zeichnung (3D und 2D) des transparenten Ejektors mithilfe von SolidWorks
• Optimierung

Die Aufgabenstellung kann bei Bedarf im Laufe der Arbeit modifiziert werden. Je nach Art der Arbeit kann der Umfang der Aufgabenstellung erweitert oder minimiert werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Infolge der EU F-Gase Verordnung und des damit einhergehenden „Phase-Down“ werden vermehrt natürliche Stoffe, insbesondere CO₂, als Kältemittel in gewerblichen Kälteanlagen eingesetzt. Dabei weisen transkritisch betriebene CO₂-Kälteanlagen, infolge der hohen Drucklage und den damit verbundenen hohen Drosselverlusten, meist geringere Effizienzwerte als andere gängige Kältemittel auf. Um die Effizienz solcher Kälteanlagen zu erhöhen werden neben Parallelverdichtern, externer Unterkühlung, Expandern auch Ejektoren eingesetzt. Ejektoren ermöglichen eine Reduzierung der Expansionsverluste und damit verbunden eine Effizienzsteigerung der Kälteanlage, wenn diese anstelle des Expansionsventil eingesetzt werden.  Im Rahmen dieser Arbeit soll ein CFD-Modell eines Ejektors erstellt werden, welches das komplexe Strömungsverhalten, speziell die Mischvorgänge von mehrphasigem CO₂ möglichst genau abbildet. Anschließend soll mit dem Modell der Einfluss unterschiedlicher Schlüsselgeometrien auf die Betriebsweise des Ejektors untersucht werden.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in bestehende Literatur zur Auslegung von Ejektoren und Möglichkeiten zur Einbindung von Ejektoren in Kälteanlagen
• Literaturrecherche zu bestehenden CFD-Modellen (einphasig und zweiphasig)
• Erstellen eines CFD-Modells für einen zweiphasigen Ejektor
• Untersuchung des Einflusses von Geometrieänderungen und Rauigkeiten auf das Strömungsverhalten im Ejektor
• Ausarbeitung eines Validierungsplans des CFD-Modells
• Optimierung

Die Aufgabenstellung kann bei Bedarf im Laufe der Arbeit modifiziert werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Verdichter für den Einsatz in Kaltdampfprozessen sind üblicherweise ölgeschmiert. Konstruktions­bedingt gelangt das Öl in den Arbeitsraum des Verdichters und wird anteilig mit dem komprimierten Kältemitteldampf aus dem Verdichter ausgetragen, so dass stets von einer im Kältekreislauf zirkulie­renden Teilmenge an Öl auszugehen ist (Ölumlauf). Typischerweise sind die gleichzeitig eingesetzten Kältemittel über weite Bereiche thermischer Zustände gut mischbar mit dem eingesetzten Öl. Die Öltransportmechanismen sind davon unmittelbar betroffen. Folglich kann es betriebspunktab-hängig zu einem unzureichenden Ölrücktransport und somit zu einer Ölverlagerung aus dem Verdichter in die anderen Komponenten des Kältekreislaufs kommen. Die Ölrückhaltung innerhalb der Anlagenkomponenten kann wiederum die Anlageneffizienz beeinflussen.

In einer Literaturrecherche soll daher der derzeitige wissenschaftliche und technische Stand zu Fra­gen des Ölwurfs, des Öltransports sowie zu dem daraus abzuleitenden Einfluss auf das Betriebsver­halten der Anlage als auch bzgl. der (meist konstruktiv-, aber auch betriebsbedingten) Einfluss­größen auf den Ölwurf zusammen getragen werden. Die Basis für die Recherche bilden dabei wissenschaftliche Veröffentlichungen, Tagungsunterlagen, Fachliteratur und -zeitschriften usw.

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

CO₂-Kälteanlagen gewinnen in verschiedensten Bereichen zunehmend an Attraktivität für die Bereitstellung von Kälte. CO₂ als einziges natürliches A1-Kältemittel weist dabei einige Besonderheiten auf, z.B. die niedrige kritische Temperatur von 31 °C. Daher laufen diese Anlagen bei höheren Wärmeabgabetemperaturen im transkritischen Betrieb, was u.a. Besonderheiten für die Regelung mit sich bringt. Um diese Besonderheiten demonstrieren zu können soll ein Praktikumsversuchsstand für Ausbildungszwecke ausgelegt und konstruiert werden.

Es sind dabei folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in Systemkonzepte von transkritischen CO₂-Kälteanlagen
• Ausarbeitung des Praktikumsinhalts
• Recherche zu verfügbaren Komponenten und Auslegung des Versuchsstands
• Kostenkalkulation
• CAD-Konstruktion des Versuchsstands

Diese Aufgabe kann auch als Gemeinschaftsarbeit von 2 Studierenden bearbeitet werden.

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Für den Sublimationskreislauf wird ein spezielles Drosselorgan bzw. eine Düsenbaugruppe eingesetzt. Währende des Sublimationsbetriebs wird die Baugruppe durch das entstehende feste CO₂ nach der Düse abgekühlt. Fällt die Oberflächentemperatur unter die Tripeltemperatur des CO₂, könnte das flüssiges CO₂ im engsten Querschnitt der Düse oder bereits vor der Düse beim Kontakt mit den kalten Oberflächen gefrieren, was zur Verblockung führen könnte. Deswegen ist die Kenntnis der Temperaturverteilung innerhalb des Drosselorgans wichtig.

lm Einzelnen sind folgende Arbeitspunkte geplant:

• Erstellen des numerischen Modells in ANSYS mit der vorgegebenen Geometrie eines Expansionsorgans
• Festlegung der Randbedingungen
• Durchführung der Simulation
• Untersuchung verschiedenen Einflussfaktoren z.B. Material, CO₂-Massenstrom auf die Temperaturverteilung
• Festlegung der Einsatzgrenze und Ableitung der Optimierungsansätze für die Geometrie
• Dokumentation der Ergebnisse

Betreuer:  Dipl.-Ing. Y. Xu