Berechnung und Simulation von Verdichtern und Expandern

In Kältemittelkreisläufen für mobile Anwendungen (bspw. automotive) werden vornehmlich Scrollverdichter mit integriertem Elektromotor eingesetzt. Für die Bewertung der Leistung und Effizienz solcher Verdichter stellt die anliegende Druckdifferenz am Scrollset eine wichtige Kennzahl dar. Diese wiederum ist abhängig vom verwendeten Backpressure-Systemkonzept.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung und simulative Untersuchung verschiedener Backpressure-Systemkonzepte anhand eines vorgegebenen Scrollverdichter-Modells in GT-Suite. Die Konzepte sollen miteinander verglichen und der Einfluss auf wichtige Kreislauf-Kenngrößen unter definierten Lastbedingungen untersucht werden. Als Kältemittel soll R-290 (Propan) im Vergleich zu R-1234yf untersucht werden.

Folgende Teilaufgaben sind zu bearbeiten:

• Literaturrecherche zu möglichen Backpressure-Systemkonzepten in automotive Scrollverdichtern und Methoden für die Bestimmung der Drücke und Kräfte in einem Scrollverdichter
• Erweiterung eines vorhandenen GT-Suite-Modells eines Scrollverdichters (Referenzsystem) um ein ausgewähltes Backpressure-System inkl. Regelventil
• Untersuchung des modifizierten Referenzsystems in Abhängigkeit vorgegebener Lastfälle und unter Berücksichtigung der notwendigen Abdichtung und des Öleinflusses
• Bewertung des modifizierten Simulationsmodells in einer Parameterstudie unter Berücksichtigung von ausgewählten Parametern des untersuchten Verdichters.
• Ausführliche Diskussion und Dokumentation des Vorgehens und der Ergebnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Küçükkaya; Dipl.-Ing. T.-A. Müller

Der Verschleiß der Dichtringe in Kolbenstangendichtungen (Packungen) von Prozessgasverdichtern wirkt sich negativ auf deren Verfügbarkeit aus und wird v.a. durch hohe Temperaturen in den Reibkontakten verstärkt. Bisherige Kühlkonzepte gewährleisten nur eine limitierte Wärmeabfuhr, sodass ein Bedarf an einer wirk­sam­en Alternative besteht.

Der Einsatz einer hoch-wärmeleitfähigen Beschichtung der Kolbenstange würde die Kühlung der Packungsringe wesentlich verbessern und deren Lebensdauer erhöhen. Zur Vorbereitung eines umfangreichen Promotionsvorhaben dieses sogenannten „CoolSkin“-Kon­zeptes soll zunächst in Rahmen einer studentischen Arbeit eine Recherche, Analyse und Beurteilung verfügbarer und potentiell geeigneter Beschichtungstechnologien durch­geführt werden. Hierbei stehen in Frage kommende Werkstoffe und Fertigungsverfahren im Fokus. Darüber hinaus ist die Auswirkung der Beschichtungsoptionen auf die Wärmeabfuhr aus dem Packungsbereich mittels eines Berechnungsmodells zu ermitteln.

Folgende Teilaufgaben:

• Einarbeitung in die Themen Kolbenstangendichtungen und Packungskühlung
• Erarbeitung der Anforderungsliste für die Beschichtungstechnologien
• Recherche potentieller Beschichtungstechnologien und zugehöriger Werkstoffe sowie Kontaktaufnahme mit den Ansprechpartner:innen
• Zusammenstellung relevanter Eigenschaften und Bewertung der Eignung der Beschichtungstechnologien
• Erstellung eines Berechnungsmodells des relevanten Kolbenstangenabschnitts zur Berechnung dessen Wärmehaushalts
• Schriftliche Darstellung der Bearbeitung, Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche

Schraubenverdichter werden zur Verdichtung von Gasen in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt wie bspw. für industrielle Kälte-, Klima- und Wärmepumpen-Anwendungen. Sie werden u.a. wegen der hohen realisierbaren Volumenströme, der vergleichsweisen pulsationsarmen Verdichtung eingesetzt.

Die additive Fertigung bietet einen revolutionären Ansatz zur Herstellung komplexer Bauteile. Diese Methode ermöglicht eine größere Designfreiheit und erlaubt die Erstellung optimierter Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht realisierbar sind. Die additive Fertigung und die Finite-Elemente-Methode (FEM) kann zur Entwicklung von effizienten und robusten additiv-gefertigten Schraubenverdichterrotoren vorteilhaft eingesetzt werden. Im Rahmen der Arbeit sind folgende Schwerpunkte zu bearbeiten:

Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Konstruktion eines Schraubenverdichterrotors mit Hilfe fortschrittlicher CAD-Software und die Durchführung einer detaillierten FEM-Analyse zur Bewertung seiner Wärmeleitfähigkeit und strukturellen Integrität. Aufgaben sind:

• Durchführung einer Literaturrecherche zum Stand der Technik bei Schraubenverdichtern und additiven Fertigungstechnologien
• Literaturrecherche hinsichtlich möglicher Materialien und Füllstrukturen für verschiedene Einsatzfälle
• Entwurf eines für die additive Fertigung optimierten Schraubenverdichterrotors mit verschiedenen Füll-Strukturen für einen zu spezifizierenden Einsatzfall und Betriebspunkt
• Durchführung von FEM-Analysen zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften der Rotoren mit verschiedenen Füll-Strukturen (inkl. Spannungsverteilung und Verformung unter Betriebsbedingungen)

Erforderlich: Grundkenntnisse in CAD-Konstruktion und FEM

Eine kontinuierliche Zusammenarbeit und ein regelmäßiger Austausch mit dem Betreuer sind erforderlich.

Betreuer: Dipl.-Ing. S. Tuffaha

Hubkolbenkompressoren spielen in verschiedenen Industriezweigen eine wichtige Rolle, da sie in der Lage sind, Gase mit hohem Druck effizient zu verdichten. Herkömmliche Herstellungsverfahren für Kolben können arbeitsintensiv und kostspielig sein, insbesondere wenn es um die Herstellung komplexer Designs zur Optimierung der Kolbeneigenschaften geht.

Die additive Fertigung, bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Herstellung komplexer Bauteile. Diese Technologie ermöglicht die Herstellung optimierter Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer oder gar nicht zu erreichen wären. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Konstruktion eines Leichtbau-Kolbens mit Hilfe fortschrittlicher CAD-Software und die Durchführung einer detaillierten FEM-Analyse zur Bewertung seiner Wärmeleitfähigkeit und strukturellen Integrität. Aufgaben sind:

• Durchführung einer Literaturrecherche zum Stand der Technik bei Hubkolbenverdichter, additiven Fertigungstechnologien
• Literaturrecherche hinsichtlich möglicher Materialien und Füllstrukturen für verschiedene Einsatzfälle
• Entwurf eines für die additive Fertigung optimierten Leichtbau-Kolbens in Prozessgasverdichtern mit verschiedenen Füll-Strukturen
• Durchführung von FEM-Analysen zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften des Kolbens, einschließlich Spannungsverteilung und Verformung unter entsprechenden Randbedingungen

Erforderlich: Grundkenntnisse in CAD-Konstruktion und FEM

Eine kontinuierliche Zusammenarbeit und ein regelmäßiger Austausch mit dem Betreuer sind erforderlich.

Betreuer: Dipl.-Ing. S. Tuffaha

Im Rahmen eines Forschungsprojektes bei J.P. Sauer & Sohn wird aktuell eine Kompressoranlage zur Verdichtung von CO₂ speziell unter den dynamischen Randbedingungen überkritischer Anwendungen entwickelt. Neben einem experimentellen Versuchsaufbau der zu einem späteren Zeitpunkt realisiert wird, soll ein modulares Simulationsmodell in der Software Dymola von Dassault Systemes unter Verwendung der TIL-Suite von TLK-Thermo aufgebaut werden, mithilfe dessen sich das Verhalten des Kompressors abbilden lässt.

Vorgesehen ist hierzu ein semi-empirisches Modell das im ersten Schritt die Reproduktion des erwarteten stationären Verdichterverhaltens aus der Vorauslegung erlaubt. Dabei ist die Anpassung des Modells mithilfe messtechnisch erfasster Daten aus dem Versuch vorzubereiten.

Zudem soll die Erweiterung des Modells auf instationäre Betriebszustände und Schaltvorgänge während des Betriebs konzeptionell ausgearbeitet werden, sodass eine spätere Integration in ein übergeordnetes Anlagenmodell ermöglicht wird.

Die Aufgabenstellung umfasst:

• Die Einarbeitung in die Softwares Dymola und TIL, sowie die Programmierumgebung Modelica.
• Den Aufbau eines semi-empirischen stationären Modells des Verdichters, das die Anpassung über später zu ermittelnde Messwerte am Versuchsaufbau ermöglicht.
• Die Konzipierung einer späteren Erweiterung des Modells auf instationäre Betriebsfälle.
• Die Präsentation der Ergebnisse im Hause Sauer, sowie die Übergabe des Simulationsmodells.

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche, Dipl.-Ing. B. Bederna

Für die thermodynamische Berechnung von Verdrängermaschinen (insb. vom Typ Hubkolben, Wankel und Schrauben-Spindel) liegt eine intern entwickelte Software KVA (Kolbenverdichteranlagen) vor. Mit dieser Software können Verdrängermaschinen im Rahmen eines thermodynamischen 0D-Kammermodells sehr detailliert beschrieben und schnell berechnet werden. Die Software bzw. die dort verwendeten Methoden/Funktionen selbst basieren auf Skripten der Programmiersprache Fortran und sollen im Rahmen einer studentischen Arbeit auf die Programmiersprache Python übertragen werden. Um die Vorteile von Fortran weiterhin zu nutzen, soll der Code weitestgehend erhalten bleiben und als neue Python-Bibliothek umgesetzt werden (z.B. mittels F2PY = Fortran to Python interface generator). Ziel dieser Bibliothek ist es, ein komplettes Verdrängermaschinenmodell in Python auf Basis von Fortran-(bzw. KVA-)modulen erstellen zu können. Die Aufgabe umfasst folgende Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in die bisherige Software KVA und die programmatischen Zusammenhänge (z.B. Klassen, Kapselung, …) und Parameter
• Einarbeitung in die Schnittstelle Fortran/Python (z.B. F2PY) und die notwendigen Deklarationen zur Einbindung von Fortran-Code in Python
• Erstellung einer Python-Bibliothek auf Basis der Fortran-Module unter Beachtung einer guten Benutzerfreundlichkeit (z.B. Parameterbezeichnungen und Dokumentation)
• Erstellung eines exemplarischen Verdichtermodells (auf Basis eines bestehenden Fortran-Modells) in Python
• Vergleich des Python basierten Verdichtermodells mit dem Fortran-Modell hinsichtlich Berechnungszeit und Ergebnisgüte

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Die Europäische Union verfolgt mit dem European Green Deal das Ziel einer ressourceneffizienten Wirtschaft. U.a. wird die Verbesserung der Ressourceneffizienz und Langlebigkeit von Produkten angestrebt. Bei Kältemittelverdichtern spielt hierfür die Verringerung der genutzten Ressourcen wie Schmieröl eine entscheidende Rolle. Da es im Stand der Technik bisher nur vereinzelte Untersuchungen zu ölfreien Kälteanlagen und Wärmepumpen gab, sollen mittels eines Demonstrators die Potentiale des ölfreien Betriebs aufgezeigt werden.

Da bisher wenig Erfahrungen mit dem Betrieb ölfreier Scroll-Verdichter für Wärmepumpenanwendungen vorliegen, soll in einem ersten Schritt ein thermodynamisches Simulationsmodell für einen vorhandenen Verdichter erstellt werden.

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themengebiete Scroll-Verdichter, Wärmepumpen, ölfreie Verdichtung und Kaltdampfkompressionsanlagen
• Einarbeitung in die Open-Source-Simulationssoftware PDSim
• Geometrische Vermessung der vorhandenen Scroll-Geometrie
• Erstellung eines thermodynamischen Modells des Scroll-Verdichters
• Zusammenfassung und Dokumentation der Herangehensweise, der Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig

Die Europäische Union verfolgt mit dem European Green Deal das Ziel einer ressourceneffizienten Wirtschaft. U.a. wird die Verbesserung der Energieeffizienz und der Langlebigkeit von Produkten angestrebt. Bei Kältemittelverdichter spielt hierfür die Verringerung der auftretenden Reibverluste eine entscheidende Rolle. Da die Einzelreibverluste nicht ausreichend bekannt sind, sollen diese mittels eines Simulationsmodells ermittelt werden.

Mit dem Simulationsprogramm GT-Suite sind prädiktive Reibverlust-Modellierungen möglich. Im Rahmen dieser Aufgabenstellung soll ein Modell für einen Hubkolbenverdichter für natürliche Kältemittel aufgebaut und erste Simulationen durchgeführt werden.  Für die Bearbeitung steht ein PC mit notwendiger Software zur Verfügung.

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themenfelder Kältemittelverdichter, Einsatzgrenzen-Diagramm, Kältemaschinenöle, Schmierungstechnik und Simulation mit GT-Suite
• Literaturrecherche hinsichtlich Predictive Friction Modeling
• Erstellung eines CAD-Modells für die Simulation anhand vorgegebener Verdichterbauteile
• Aufbau des Simulationsmodells in GT-Suite und Implementierung von ausgewählten Reibkontakten und Lagerstellen unter Berücksichtigung der Schmieröl-Kältemittel-Interaktion
• Simulation der Reibverluste in verschiedenen Betriebspunkten des Verdichters
• Vergleich der Einzelreibverluste und Vergleich zur gesamten Maschine (indizierte Arbeit, mechanischer Wirkungsgrad, etc.)
• Durchführung einer Parameterstudie (Oberflächenrauhigkeit, Ölviskosität, Geschwindigkeit, etc.) in einem ausgewählten Betriebspunkt, um Optimierungspotentiale hinsichtlich der Reibverluste aufzuzeigen
• Zusammenfassung und Dokumentation der Herangehensweise, der Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig

Schrauben-Spindel-Verdichter stellen eine Sonderform von Schraubenverdichtern da. Sie werden typischerweise in der Vakuumtechnik eingesetzt. In vorhergehenden Arbeiten wurde zunächst ein Berechnungstool namens „KVA-Spindel“ erstellt und Messungen mit einer bestehenden Schrauben-Spindel-Vakuumpumpe durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Berechnungstool mithilfe der Messdaten validiert und durch gezielte Anpassung von Parametern optimiert werden. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in bisherige Arbeiten zur Messung und zum Programm „KVA-Spindel“ sowie in Normen zur Verdichterleistungsmessung / -kennfeldern
• Aufbereitung und Auswertung der Messergebnisse
• Durchführung von Berechnungskampagnen mithilfe von „KVA-Spindel“ und den Messergebnissen zugrundeliegenden Betriebsparametern
• Vergleich von Messung und Berechnung und iterative Anpassung ausgewählter Berechnungsparameter
• Erstellung von Verdichterleistungskennfeldern mithilfe von einer Parameterstudie in „KVA-Spindel“

Betreuer:  Dipl.-Ing. Th. Mösch