Erprobung von Kolbenmaschinen

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

Bei Hubkolbenkompressoren werden durch das oszillierende Funktionsprinzip unvermeidlich Pulsationen erzeugt. Ihre Ausbreitung in die peripheren Leitungen und Anlagenteile kann verschiedene nachteilige Auswirkungen nach sich ziehen. Daher werden üblicherweise Maßnahmen getroffen, um die Pulsationen zu beeinflussen bzw. auf ein ausreichend niedriges Niveau zu verringern.

Um hierzu einen detaillierten Überblick zu bekommen, soll im Rahmen diese Arbeit der Stand der Forschung und Technik auf dem Gebiet der Pulsationen in gasführenden Anlagen sowie Maßnahmen zur Vermeidung bzw. Unterdrückung recherchiert, dargestellt und bewertet werden. Es sollen dabei aktive und passive Möglichkeiten zur Pulsationsbeeinflussung betrachtet werden und in Bezug auf Effektivität, Einsatzbereich und -breite, Robustheit und Aufwand bewertet werden. Insbesondere sollen Anlagen betrachtet werden, in denen mehrstufige Hubkolbenkompressoren eingesetzt werden. Neben wissenschaftlichen und technischen Publikationen sollen insbesondere auch Patente und Firmenpublikationen mit betrachtet werden. Aus diesen Ergebnissen sollen Handlungsempfehlungen für weiterführende Forschungsarbeiten abgeleitet werden.

Hierzu sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in die Thematik der Kreuzkopfkompressoren und gasführender Anlagen
• Recherche zu Pulsationen sowie Maßnahmen und Verfahren zu deren Beeinflussung
• Dokumentation aller relevanten Recherche-Ergebnisse
• Erstellung einer zusammenfassenden Präsentation

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche

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

Schraubenverdichter werden zur Verdichtung von Gasen in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt, wie bspw. für Druckluftwerkzeuge, industrielle Prozesse und HVAC-Systeme. Sie werden u.a. wegen der hohen realisierbaren Volumenströme, der vergleichsweisen pulsationsarmen Verdichtung sowie ihrer Energieeffizienz eingesetzt. Die Arbeit umfasst interdisziplinäre Tätigkeiten wie (Reverse Engineering, Kompressorentechnik, Konstruktion, additive Fertigung.

Das Ziel der studentischen Arbeit ist es, ein Demonstrationsmodell für Lehrveranstaltungen aufzubauen (30cm x 30 cm x 30 cm), an dem die Funktionsweise dieses Verdichtertyps anschaulich erklärt werden kann. Die additive Fertigung ermöglicht eine kostengünstige und kompakte Anfertigung eines Demonstrators. Folgende Teilaufgaben sind zu erfüllen:

© printables.com

• Literaturrecherche zu Schraubenverdichtern und additiven Fertigungsverfahren
• Entwurf eines 3D-CAD-Modells eines Schraubenverdichters mit SolidWorks, welches folgende Bauteile beinhaltet: zwei Läufer, Gehäuse mit Ein- und Auslass sowie Vorrichtungen zur Lagerung der Läufer, Synchronisierungsgetriebe (Zahnräder) und Schraubenverbindungen
• Auswahl eines geeigneten additiven Fertigungsverfahrens
• Montage und Aufbau der selbst-konstruierten Baugruppe

Die Professur ist für die Bestellung der von den Studierenden entworfenen Teile verantwortlich.

Grundkenntnisse in SolidWorks und additiver Fertigung, sowie Grundlagen der Kolbenmaschine sind nötig.

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

Betreuer: Dipl.-Ing. S. Tuffaha

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