Kälteanlagen/Wärmepumpen

Ejektoren sind zentrale Komponenten in vielen thermodynamischen Anwendungen, insbesondere in der Kältetechnik, wo sie zur Effizienzsteigerung von Kältesystemen beitragen können. In einer vorangegangenen Arbeit wurde bereits das Strömungsverhalten eines R-718-Dampf-Ejektors für Hochtemperaturwärmepumpen mithilfe von CFD-Simulationen in ANSYS untersucht. Dabei lag der Fokus auf einphasigen und mehrphasigen Modellierungsansätzen sowie der Identifikation von Optimierungspotenzialen für die Auslegung und den Betrieb von Wasserdampf-Ejektoren. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen soll nun das in ANSYS integrierte Nassdampfmodell für die Simulation eines Ejektors mit R-290 (Propan) als Arbeitsmedium eingesetzt werden. Ziel ist es, die Übertragbarkeit des Modells von R-718 auf R-290 zu bewerten, die Besonderheiten und Grenzen des Modells für Propan herauszuarbeiten und Optimierungspotenziale für Propan-Ejektoren zu identifizieren. Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Literaturrecherche zum Einsatz des ANSYS-Nassdampfmodells und dessen Übertragbarkeit auf verschiedene Kältemittel
• Einarbeitung in das ANSYS-Nassdampfmodell und Analyse der bisherigen R-718-Ergebnisse als Referenz
•  Ausprobieren der Möglichkeit der Implementierung der Stoffdaten für Propan (R-290) sowie einer gegebenen Ejektorgeometrie in ANSYS
• Auswahl und Anwendung des ANSYS-Nassdampfmodells für die Simulation von R-290
• Vergleich der Simulationsergebnisse mit den bisherigen R-718-Ergebnissen und Untersuchung der Übertragbarkeit des Modells
• Bewertung der Eignung und Grenzen des ANSYS-Nassdampfmodells für Propan

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Für Untersuchungen an R-290-Kältekreisläufen wurde ein kapazitiver Sensor entwickelt. Er misst den Dampfvolumenanteil einer Zweiphasenströmung über die Permittivität im Ringspalt zwischen Stabelektrode und Rohrwand. Bevor der Sensor in den Kältemittelkreis eingebaut wird, soll das Messprinzip an einer Ersatzströmung aus Luft und Kältemittelöl nachgewiesen werden. Ziel der Arbeit ist es, einen Prüfstand zu konzipieren, aufzubauen und in Betrieb zu nehmen. An ihm soll der Sensor bei bekannten Massenströmen von Luft und Öl kalibriert und bewertet werden. Dazu ist ebenfalls eine transparente Rohrstrecke zur visuellen Untersuchung des Gemisches vorgesehen.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Literaturrecherche zu kapazitiven Messverfahren für Zweiphasenströmungen und zu Modellen für den Dampfvolumenanteil (Mischungsmodelle für die effektive Permittivität und Schlupfmodelle)
• Voruntersuchung des Sensors im Ölbad: Bestimmung von εᵣ von zwei unterschiedlichen Kältemittelölen, Linearität & Auflösung
• Konzeptionierung, Aufbau und Inbetriebnahme des Prüfstandes
• Aufnahme von Messreihen bei variierten Betriebsparametern (bspw. Massenströmen und Drücken) mit visueller Aufnahme des Strömungsbilds
• Auswertung: Vergleich des Sensorsignals mit dem aus den Massenströmen bestimmten Dampfgehalt und Ableitung einer Kalibrierkennlinie
• Dokumentation

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

In einer vorangegangenen studentischen Arbeit wurde ein semiempirisches Ejektorzellenmodell in Dymola zur Simulation von Zweiphasen-Ejektoren für Kälte-, Klima- und Wärmepumpensysteme entwickelt und anhand stationärer Messdaten validiert. Das Modell besteht aus Teilmodellen für Treibdüse, Saugdüse, Mischkammer und Diffusor und ist für die Integration in Kreislaufsimulationen mit der TIL-Bibliothek vorgesehen. Ziel der Arbeit ist es, das bestehende Ejektormodell um einen eindimensionalen Ansatz zur Beschreibung des doppelt versperrten Mischkammerverhaltens zu erweitern. Dabei soll insbesondere untersucht werden, wie die zweite Versperrung innerhalb der Mischkammer physikalisch sinnvoll abgebildet und numerisch stabil in das vorhandene Dymola-Modell integriert werden kann.

Es sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Literaturrecherche zu 1-D-Modellierungsansätzen für Zweiphasen-Ejektoren, insbesondere zum doppelt versperrten Betrieb innerhalb der Mischkammer
• Analyse des bestehenden Ejektormodells in Dymola mit Fokus auf das Mischkammermodell, die Umschaltung zwischen einfach und doppelt versperrtem Betrieb sowie die Modellierung der Schallgeschwindigkeit und Versperrung
• Aufbau eines 1-D-Mischkammermodells in Dymola, dass das doppelt versperrte Verhalten des Ejektors physikalisch abbildet und in die bestehende Modellstruktur integriert werden kann
• Validierung des Modells anhand von Literaturdaten
• Dokumentation

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden

Kaltdampfprozesse bilden die Grundlage von Kälte- und Wärmepumpenanwendungen.
Eine effiziente und betriebssichere Leistungsregelung ist dabei unerlässlich, um schwankende Lasten auszugleichen, Energieverbräuche zu minimieren und Bauteile zu schützen. Voraussetzung für die systematische Auslegung solcher Regelungskonzepte ist ein fundiertes Verständnis der physikalischen Zusammenhänge innerhalb des Kreisprozesses.

Die vorliegende Arbeit bildet eine Schnittstelle zwischen der Systemtheorie und der Prozessthermodynamik. Sie befasst sich mit der physikalischen Modellierung eines Kaltdampfprozesses, um eine regelungstechnische Analyse der Kälteleistungsregelung vorzubereiten, sowie Wechselwirkungen im Prozess zu identifizieren.

Folgende Teilaufgaben sind zu bearbeiten:

• Recherche der thermodynamischen Grundlagen des Kaltdampfprozesses und Stoffdatenmodellierung (Reinstoffe)
• Analyse bestehender physikalische Modelle eines Kaltdampfprozesses (Verdichter, Kondensator, Expansionsorgan und Verdampfer) und der Regelstrategien
• Identifikation von Wechselwirkungen im Hinblick auf die Leistungsregelung und Erstellung von Blockdiagrammen zur Darstellung der Signal- und Wirkungsflüsse zwischen den Komponenten
• Entwicklung eines Regelungskonzepts für die Anwendung auf den Kaltdampfprozess

Die Beschreibung des physikalischen Modell erfordert Kenntnisse in einer geeigneten
Modellierungs- bzw. Programmiersprache (z.B. Modelica, Matlab/Simulink oder Python)
und die Bereitschaft, sich in über den Studienstoff hinausgehende Thematiken einzuarbeiten. Die nötigen Hilfestellungen werden selbstverständlich gegeben.

Das Thema wird in enger Kooperation mit dem Institut für Regelungs- und Steuerungstheorie der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik bearbeitet.

Betreuer: Dr.-Ing. Y. Xu

Die Vermessung der Viskosität und Dichte von Schmierstoffen und Kältemittel-Schmierstoff-Gemische hat insbesondere für die Entwicklung von nachhaltigen effizienten Lösungen im Bereich der Kälte- und Wärmepumpe Technologie eine entscheidende Bedeutung. Insbesondere im Bereich der Hochtemperaturwärmepumpe, welche für den Umbau des Wärmenetzes als auch der Umbau der Industrie für die Erreichung der Klimaziele notwendig ist, sind viele Stoffeigenschaften von den Gemischen nicht ausreichend bekannt. Um die Herausforderungen von Hochtemperaturwärmepumpen begegnen zu können, ist eine Erweiterung des Messverfahrens für Temperaturen deutlich oberhalb von 100°C notwendig. Innerhalb dieser Arbeit soll eine bestehende Prüfanlage – Vermessung der Viskosität, Dichte und Schallgeschwindigkeit in der inline Methode für Temperaturen bis 100°C – erweitert werden. Dafür muss die Messtechnick verstanden werden und eine Möglichkeit der Temperierung der Fluide erarbeitet werden. Ebenfalls sind notwendig Konzeptionelle Änderungen wie auch konstruktive Änderungen aufzeichnen und wenn notwendig mittels technischer Zeichnung darzulegen. Ein Reglungskonzept sowie eine Integration in die bereits vorhandene Automatisierung der Messung soll, wenn möglich erfolgen.

Aufgaben:

• Verstehen und Aufarbeitung der Aktuellen Messmethode
• Erweiterung des möglichen Messbereiches bezüglich der Temperatur
  • Erarbeitung von Temperierungskonzepten
  • Anpassung der Anlagen evtl. Konstruktiv
  • Evtl. Anfertigung von technischen Zeichnungen
• Ableitung eines Reglungskonzepts und Integration in die Vorhanden Steuerung des Messaufbaus

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Für die Anwendung von Kältemittel in einem kältetechnischen Kreislauf bzw. Wärmepumpe ist das Wissen über die Löslichkeit vom Kältemittel im Schmierstoff in Abhängigkeit von Druck und Temperatur unerlässlich.  Mithilfe der Löslichkeit kann durch das Vermessen der Viskosität festgestellt werden ob die minimale Viskosität für die Verdichter sichergestellt werden kann. Insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen, welche für den Umbau des Wärmenetzes als auch der Umbau der Industrie für die Erreichung der Klimaziele notwendig ist, sind viele Stoffeigenschaften von den Gemischen nicht ausreichend bekannt.

Eine Vermessung der Eigenschaften bei Temperaturen deutlich oberhalb von 100°C ist angestrebt und ein bestehendes Messsystem soll in diesem Bereich erweitert werden. Im Fokus dieser Arbeit liegt insbesondere die Temperierung des Messsystems auf das hohe Temperaturniveau sowie die Überprüfung der Möglichkeiten zur Messung von dem Druck bei den Temperaturen. Falls konstruktive Änderung notwendig werden müssen diese ebenfalls durchgeführt werden. Eine Überprüfung des Konzepts mittels Testmessungen ist vorgesehen.

Aufgaben:

• Verstehen und Aufarbeitung der theoretischen Grundlagen und des aktuellen Messmethode
• Ausarbeitung von Temperierungsmöglichkeiten und Umsetzung des besten Konzepts
• Recherche nach Druckmessmethoden bei hohen Temperaturen (> 100°C)
• Evtl. Konstruktive Anpassungen des Messaufbaus mit technischen Zeichnungen
• Durchführung von Testmessungen    

Betreuer: Dipl.-Ing. K. Stöckel

Eine geeignete Überwachung von Klimaanlagen in Schienenfahrzeugen wird aufgrund der immer höheren Belastung dieser Systeme immer wichtiger. Dabei liefert der Ansatz der Zustandsbasierten Instandhaltung (Conditional Based Maintenance, CBM) einen deutlichen Vorteil für die Instandhaltung (Fahrzeughersteller, Betreiber, etc.) derartiger Fahrzeuge, da ein Fehlerfall von Komponenten oder des gesamten Systems schneller erfasst wird. Somit kann eine effizientere Wartung sowie Verfügbarkeit von Komponenten gewährleistet werden.

Dabei geht der Trend bei Wabtec Germany, einem global agierenden Hersteller von Schienenfahrzeug-Klimaanlagen, dahin, den aktuellen Zustand von Komponenten wie Lüftern und Verdichtern zu erfassen und weiterzuverarbeiten. Jedoch besteht hierbei noch kein globaler Ansatz, um diese Informationen gebündelt für eine Klimaanlage zu sammeln, zu verarbeiten und daraus Informationen für die Instandhaltung abzuleiten. Hierbei steht eine Vielzahl von Ansätzen, wie KI-basierten Vorhersagen oder dem Überschreiten von Grenzwerten.
Ziel dieser Arbeit ist es, eine derartige Verarbeitung in einem Model zu erfassen und dieses zu bewerten.
Folgende Teil-Aufgaben sind dabei zu erfüllen:

• Einarbeitung in das System Schienenfahrzeugklimaanlage sowie in unterschiedliche prädiktive Berechnungsmodelle für die Vorhersage von Fehlerfällen
• Bewertung und Auswahl eines bzw. mehrere geeigneter prädiktiver Modelle
• Überführung des Modells in ein Berechnungsprogramm, vorzugsweise Python
• Bewertung des Modells anhand von vorher definierten Testdaten
• Dokumentation der erhaltenen Ergebnisse

Die Arbeit wird in Zusammenarbeit mit Wabtec Germany durchgeführt.

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Kunath