Erprobung von Kolbenmaschinen

Tribologie ist eine Schlüsseltechnologie für Kältemittelverdichter. Insbesondere für die Gewährleistung der dauerhaften Funktionstüchtigkeit der Verdichter und bspw. für die Erweiterung des Einsatzbereichs von Wärmepumpen sind die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von herausragender Bedeutung.

Um das tribologische Verhalten der Reibkontakte in Kältemittelverdichtern zu verbessern und weiterzuentwickeln, sollen neuartige tribologische Ansätze (Materialien, Technologien, Schmierstoffe) in einem geeigneten Hochtemperatur-Tribometer untersucht werden. In Rahmen dieser studentischen Arbeit sollen erste Entwicklungsschritte zu diesem Tribometer geleistet werden.

Folgende Teilaufgaben sind hierbei zu bearbeiten:

• Einarbeitung in den Themenbereich Tribometrie
• Recherche zum Stand der Technik bei Tribometer (insbesondere  Hochtemperatur-Tribometer)
• Erarbeitung und Evaluierung verschiedener Konzepte
• Auswahl und Ausarbeitung eines Vorzugskonzeptes

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche

Scroll-Verdichter werden in den verschiedensten Anwendungen (Druckluft, Vakuum, Kälte- und Klimatechnik) eingesetzt. Hierbei stellt insbesondere die ölfreie Verdichtung von Gasen eine Herausforderung in Hinblick auf Abdichtung und Wärmehaushalt dar. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Recherche (insb. Patente) durchgeführt werden, um die konstruktiven / maschinentechnischen Besonderheiten trockenlaufender (ölfreier) Scroll-Verdichter, vor allem im Bereich der Vakuumtechnik zusammenzutragen. Dabei sollte der Fokus auf der Abdichtung, dem Wärmetransport und der Scroll-Spiralgeometrie liegen.

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Getrieben durch die EU-F-Gase-Verordnung orientieren sich Kälteanlagen- und Wärmepumpenhersteller hin zu alternativen, klimafreundlichen Kältemitteln. Ein Ansatz sind dabei Kohlenwasserstoffe, welche allerdings neben ihren hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften brennbar sind. Um die potentielle Gefährdung am Aufstellungsort zu minimieren, sind gesetzlich Höchstfüllmengen definiert, unterhalb derer keine Sicherheitseinrichtungen zur Vermeidung von Explosionen notwendig sind. Ein Ansatz zur Füllmengenreduzierung ist die Vermeidung von Öl im Kältemittelkreislauf. Hierzu werden jedoch trockenlaufende Kältemittelverdichter, das heißt ohne Schmiermittel im Verdichtungsraum, benötigt. Es sollen vorhandene Konzepte zu trockenlaufenden Verdichtern und die Übertragbarkeit auf Verdichter für Wärmepumpen untersucht werden.

Folgende Teilaufgaben sind zu bearbeiten:

• Erarbeitung gesetzlicher und normativer Vorgaben zur Kältemittelfüllmenge
• Erarbeitung Stand der Technik trockenlaufender Verdichter und Verdichtertypen
• Untersuchung der Übertragbarkeit der Technologien auf Kältemittelverdichter für Wärmepumpen im Wohngebäudesektor

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche

Aktuell wird auf europäischer Ebene ein breites Verbot von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (kurz PFAS) unter der REACH-Verordnung diskutiert. Solche Substanzen fallen unter anderem bei der Herstellung und Verwendung von Polytetrafluorethylen (PTFE) an. Werden sie freigesetzt, reichern sie sich im Menschen und der Umwelt an und können aufgrund ihrer Langlebigkeit nur sehr langsam abgebaut werden.

Ein Verbot würde auch die Verwendung von PTFE in ölfreien Hubkolbenverdichtern betreffen. Dieser wird dort für Kolbenringe und Kolbenstangen-Dichtungen eingesetzt. Der Vorteil liegt darin, dass das Polymer selbstschmierend ist und eine Ölkontamination des Fördergases durch geschmierte Dichtungen vermieden werden kann. Dies ist beispielsweise bei Luft- und insbesondere bei Wasserstoffverdichtern relevant.

Im Rahmen dieser Aufgabenstellung sollen daher alternative Werkstoffe und deren Fertigungsmethoden recherchiert werden. Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themengebiete Hubkolbenverdichter und Tribologie
• Erfassung des Stands der Technik hinsichtlich der Eigenschaften von PTFE und dessen Einsatz im Hubkolbenverdichter
• Recherche zu alternativen Werkstoffen und Vergleich dieser mit den bisher eingesetzten PTFE-Werkstoffen insbesondere hinsichtlich ihrer tribologisch relevanten Eigenschaften (Temperaturstabilität, mechanische Festigkeit, Selbstschmierung)
• Recherche zu Fertigungs- und Verarbeitungsmethoden der Werkstoffe und ihrer tribologischen Relevanz

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig

Lamellenventile werden als Ein- und Auslassorgane in Kältemittelverdichtern in milliardenfacher Stückzahl eingesetzt und sind von entscheidender Bedeutung für deren Funktionsweise und energieeffizienten Betrieb. Sie sind gleichzeitig hohen Anfor­de­rung­en sowie verschiedenen Optimierungsproblemen ausgesetzt.

Um das Verhalten derzeitiger Ventile gegenüber diesen Herausforderungen zu verbessern, existiert die Idee, anstelle des bisher verwendeten Flachstahls mehrschichtige Lamellenventile einzusetzen. Hierdurch soll u.a. die Lebensdauer sowie das Bewegungs- und Schließverhalten der Ventile durch den maßgeschneiderten Aufbau der Werkstoff­schichten und deren Eigenschaften optimiert werden. Um das Verhalten mehr­schichtiger Lamellenventile erstmals experimentell untersuchen und mit konven­tionellen Ausführ­ungen vergleichen zu können, soll ein entsprechender Versuchs­stand entworfen, aufge­baut und in Betrieb genommen werden.

Hierzu sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Recherche zum Stand der Technik und des Wissens bez. der Themenbereiche Kältemittelverdichter und Lamellenventile, insb. deren Aufbau und Erprobung
• Erarbeitung des Lastenheftes zum Versuchsstand
• Konstruktion des Versuchsstands
• Aufbau und Inbetriebnahme des Versuchsstands
• Erstellung erforderlicher Versuchsstand-Dokumente (Bedienungsanleitung, Gefährdungs­beurteilung, Betriebsanweisung)
• Schriftliche Dokumentation der Arbeiten, Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche

Durch die EU-F-Gas-Verordnung werden die verfügbaren Mengen fluorierter Kältemittel seit 2014 schrittweise reduziert. Die aktuell diskutierte Novellierung dieser Verordnung wird diese Reduzierung voraussichtlich weiter beschleunigen. Bereits heute werden daher natürliche Kältemittel wie CO₂ (R-744) oder Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Propan (R-290), für Anwendungen in der Kälte- und Wärmepumpentechnik eingesetzt.

Beim Einsatz solcher Anlagen zeigen sich Schadensfälle an den Kältemittelverdichtern, die unter anderem auf Probleme bei der Schmierung hindeuten. Im Rahmen dieser Aufgabenstellung soll daher ein Versuchsstand konzeptioniert werden, der Degradationstests von Kältemittelverdichtern ermöglicht.  

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themenfelder natürliche Kältemittel, Kältemittelverdichter und Degradationstest
• Recherche zu bestehenden Normen und Abläufen zu Degradationstests
• Konzeption eines Heißgas-Dreiecks-Prozesses unter Berücksichtigung des ausgewählten Kältemittels und Kältemittelverdichters sowie der vorhandenen Komponenten
• Auswahl und Anordnung der benötigten Messtechnik zur Überwachung des Kreislaufes
• Erarbeitung eines Regelkonzeptes für den Kreislauf
• Erarbeitung eines automatisierten Testablaufs
• Sorgfältige Dokumentation der Ergebnisse

Betreuer: Dipl-Ing. M. Joswig

Die aktuelle Verschärfung der EU-F-Gas-Verordnung schränkt schrittweise die Verwendung fluorierter Kältemittel ein. Bereits heute werden daher natürliche Kältemittel wie CO₂ (R-744) oder Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Propan (R-290), für Anwendungen in der Kälte- und Wärmepumpentechnik eingesetzt.

Beim Einsatz solcher Anlagen zeigen sich Schadensfälle an den Kältemittelverdichtern, die unter anderem auf Probleme  bei der Schmierung hindeuten. Im Rahmen dieser Aufgabenstellung soll daher ein Versuchsstand konzeptioniert werden, der die reibungs- und verschleißtechnische Untersuchung eines ausgewählten Hubkolbenverdichters für eine ausgewählte Kältemittelklasse (CO₂, A3-Kältemittel, o.ä.) ermöglicht.

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themenfelder Tribologie, natürliche Kältemittel, Kältemaschinenöle und Kältemittelverdichter
• Konzeption eines Heißgas-Dreiecks-Prozesses unter Berücksichtigung des ausgewählten Kältemittels und Kältemittelverdichters sowie der vorhandenen Komponenten
• Berechnung der relevanten kinematischen und tribologischen Größen des Kältemittelverdichters
• Auswahl und Anordnung der benötigten Messtechnik zur Überwachung des Kreislaufes
• Erarbeitung eines Regelkonzeptes für den Kreislauf
• Erarbeitung von in-situ-Methoden zur Bestimmung tribologischer Kenngrößen (z.B. Reibkraft, Anpresskraft, Verschleißweg) in den Hauptlagern der Kurbelwelle, im Pleuellager, des Kolbenbolzens und an den Kolbenringen und Auswahl der geeigneten Messtechnik
• Sorgfältige Dokumentation der Ergebnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig

Für die Milchindustrie wird derzeit eine Hochtemperaturwärmepumpe auf Basis eines R718- Kompressionskältemaschine erstellt. Als Verdichter werden zwei sogenannte Brüdenverdichter eingesetzt. Im Rahmen der studentischen Arbeit sollen diese Brüdenverdichter zunächst auf einem bereits konzipierten und aufgebauten Verdichterleistungsprüfstand vermessen werden. Die Messdaten sollen anschließend ausgewertet und daraus Verdichterkennfelder abgeleitet werden. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in einschlägige Normen zur Verdichterleistungsmessung, in das Steuerungs-/ Regelungs- / Messkonzept des Verdichterleistungsprüfstands und in die Datenblätter / die Literatur zu den ausgewählten Brüdenverdichtern
• Erstellung einer Checkliste zum Anfahren, Betreiben und Herunterfahren der Versuchsanlage
• Erste Inbetriebnahme der Versuchsanlage

Betreuer:  Dipl.-Ing. Th. Mösch

Kältemittelverdichter stellen in jeder Kaltdampfkompressionsanlage eine zentrale Komponente dar. Potentiale und Herausforderungen im Hinblick auf die Systemeffizienz und -leistung ergeben sich maßgeblich aus den Kenngrößen des Verdichters, speziell dem isentropen und volumetrischen Gütegrad. Die Ermittlung beider Kenngrößen erfordert dessen experimentelle Untersuchung, wofür spezialisierte Prüfstände Einsatz finden. Zur Auslegung und Optimierung solcher Prüfstände erweisen sich Prozesssimulationen als besonders hilfreich.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Vorauslegung, Modellierung und simulative Untersuchung eines Verdichter-Leistungsprüfstandes als Heißgasdreieck mit Teilkondensation in GT-Suite zur Untersuchung verschiedener Kältemittelverdichter. Damit einher geht die Untersuchung wichtiger Kreislauf-Kenngrößen und die Entwicklung einer geeigneten Regelungsstrategie.

Folgende Teilaufgaben sind zu bearbeiten:

• (Literatur-)Recherche zu Verdichter-Leistungsprüfständen
• Auslegung und Auswahl der notwendigen Komponenten zum Erstellen des Kältemittelkreislaufes und der Sekundärseite
• Aufbau des Simulationsmodells für den Gesamtkreislauf unter Vorgabe eines Verdichtermodells in GT-Suite inkl. Parametrierung der Komponenten beruhend auf Datenblättern und Hersteller-Tools
• Implementierung und Analyse einer geeigneten Regelungsstrategie
• Ausarbeitung eines Versuchsplans für die Validierung des Simulationsmodells
• Simulative Untersuchung ausgewählter Verdichterkenngrößen unter festgelegten Randbedingungen
• Dokumentation des Vorgehens und der Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. D. Herden