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E-Book

Untersuchung von Energie- und Massespeicherungsvorgängen in Pkw-Kälteanlagen

AutorKatrin Prölß
VerlagCuvillier Verlag
Erscheinungsjahr2009
Seitenanzahl158 Seiten
ISBN9783736930292
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis16,10 EUR
In der vorliegenden Arbeit wird mit Hilfe von Simulationsmodellen in der Modellierungsprache Modelica das Systemverhalten eines automobilen Kältekreises anhand zweier Fragestellungen beleuchtet, die eine Berücksichtigung transienter Vorgänge erforderlich machen. Die Speicherung von thermischer Energie in einem Phasenwechselmedium, das in den Kältemittelverdampfer eingebracht wird, bildet die Grundidee für eine Überbrückung des fehlenden Kompressordrehmomentes während kurzer Stopp-Phasen eines Fahrzeuges mit Mild-Hybrid- Antrieb. Die Komponente wird anhand von Daten einer realisierten Variante modelliert und im Gesamtprozess simuliert. Der zweite Anwendungsfall beschäftigt sich mit dem charakteristischen Prozessverhalten einer Pkw-Kälteanlage bei Kältemittelverlust und dem Ziel, diesen anhand von ausgewählten Prozessgrößen zu erfassen. Die Verteilung der Kältemittelmasse im System und das spezifische Massespeicherverhalten der einzelnen Prozesskomponenten wird dabei ebenfalls auf Basis transienter Modellansätze untersucht. Zu Beginn der Arbeit werden zunächst die theoretischen Grundlagen der verwendeten Modelle vorgestellt. Die Komponentenmodelle bauen auf vorhandenen Basismodellen auf, die darin implementierten Erhaltungsgleichungen für Masse, Energie und Impuls werden für die eindimensional betrachtete Fluidströmung aufgestellt. Das angewendete Finite-Volumen-Verfahren ordnet die Energie- und Massenbilanzen einerseits und die Impulsbilanz andererseits auf einem versetzten Gitter an, die Bilanzgrenzen sind daher jeweils um ein halbes Volumen zueinander verschoben. Da jedes Volumen als ideal durchmischt angesehen wird, besteht an der Volumengrenze gleichzeitig eine Diskontinuität im Verlauf der thermodynamischen Zustandsgrößen, die insbesondere bei groben Diskretisierungen stark ausgeprägt sein kann. Während die komponentenbasierte Modellierung durch die strukturelle auch graphisch erkennbare Trennung der einzelnen Komponentenmodelle den Anschein von klaren Systemgrenzen erweckt, ist nicht immer auf Anhieb erkennbar, welcher Seite der Systemgrenze die in einer Konnektorverbindung gleichgesetzten Zustandsgrößen zuzuordnen sind. Eine Vorstellung von Schnittstellenkonzepten, die in weiteren Fluid-Bibliotheken realisiert wurden, verdeutlicht die Auswirkungen eines jeden Ansatzes und ordnet das im weiteren Verlauf der Arbeit verwendete Konzept ein. Die Auflösung örtlicher Gradienten der thermodynamischen Zustandsgrößen in eine Raumrichtung beschränkt die abzubildenden Fluidströmungen auf konvektive Ströme mit einer eindeutig dominierenden Hauptströmungsrichtung. In Wärmeübertragern kommt die Wärmeleitung im Wandmaterial und eine Aufteilung der eintretenden Fluidströme in mehrere parallele Stränge hinzu. Bei den in automobilen Kälteanlagen zum Einsatz kommenden kompakten Ausführungen ensteht durch die entsprechende thermische Verknüpfung schnell eine dreidimensionale Struktur mit einer Vielzahl von dynamischen Zuständen. In dieser Arbeit werden die vereinfachenden Annahmen vorgestellt, die ein Modell eines Kreuzgegenstromwärmeübertragers für die Systemsimulation tauglich machen und die gleichzeitig die Grenzen des Modells aufzeigen. Dieser Sachverhalt wird besonders an dem vorgestellten Modell des Speicherverdampfers deutlich. Hier wird eine herkömmliche Kreuz-Gegenstrom-Führung zwischen Luft und Kältemittel ergänzt um ein Phasenwechselmaterial, das zwischen den beiden Medien angeordnet ist. Das Bauteil wird in einem Fahrzeugkältekreis mit dem Ziel eingesetzt, die erforderliche Austrittstemperatur der Verdampferluft auch während kurzer Stoppzeiten des Motors, in denen kein Drehmoment an der Kompressorwelle zur Verfügung steht, zu gewährleisten. Zwar kann dank vorhandener Symmetriegrenzen die mehrdimensionale Wärmeleitung in dem Speichermaterial abgebildet werden. Sobald jedoch die gerichtete Strömung des Kältemittels einbricht, wird die fluidgebundene Energieverteilung in der Komponente nicht mehr korrekt wiedergegeben. Aus den Simulationsergebnissen wird deutlich, dass die verwendete Menge an PCM kaum dazu ausreicht, genügend Wärme zu speichern, sollte nicht eine zusätzliche bewegliche Kapazität für die Wärmeaufnahme im Bauteil vorhanden sein. Daher ist der Einsatz des Modells beschränkt auf Situationen, die eine minimale Kältemittelströmung als Randbedingung vorgeben. Dafür wäre in einem Kreisprozess ein Ventilmodell erforderlich, das die Reaktion auf einen Kompressorstopp korrekt wiedergibt und den Zusammenhang zwischen sehr kleinen Massenströmen und geringen Druckdifferenzen abbilden kann. In einem weiteren Anwendungfall der beschriebenen Modell wird das charakteristische Prozessverhalten einer R134a-Kälteanlage bei einer Änderung der im Kreislauf enthaltenen Kältemittelmasse untersucht. An einer Versuchsanlage mit Standardkomponenten eines R134a-Fahrzeugkältekreises wurde schrittweise die enthaltene Kältemittelmenge erhöht und mit einem Systemmodell nachsimuliert. Die Modelle der Kältemittel führenden Komponenten wurden dafür um einen empirischen Dampfvolumen-Ansatz aus der Literatur erweitert, der den Schlupf zwischen den beiden Phasen berücksichtigt. Die in dem hochdruckseitigen Kältemittelsammler eingelagerte Masse wird über den Grad der Phasentrennung in dem Bauteil bestimmt. Anhand eines gläsernen durchsichtigen Sammlers im Experimentalsystem können Bereiche starker Durchmischung und auch ein deutlicher Phasentrennspiegel ausgemacht werden. Zusätzlich kann ein visueller Einblick in den Prozess an einer Stelle gewonnen werden, an der bei einer starken Unterfüllung des Kreislaufes eine Bestimmung des zweiphasigen Kältemittelzustandes anhand von Temperatur- und Druckmessungen nicht möglich ist. Das Modell der Komponente, aufgeteilt in Bereiche mit idealer Durchmischung der Phasen und mit einer idealen Phasentrennung, zeigt im Verlauf einer schrittweisen Anlagenbefüllung eine gute Übereinstimmung mit den visuellen Beobachtungen und dem registrierten Gewicht des Sammlers in der Versuchsanlage. Diese können ebenfalls herangezogen werden, um verschiedene Phasen der Masseeinlagerung in den einzelnen Bereichen des Kreisprozesses zu identifizieren. So zeigt sich deutlich, dass die betrachtete Anlagenkonfiguration mit einem hochdruckseitigen Sammler und einem thermostatischen Expansionsventil relativ tolerant innerhalb eines weiten Bereiches auf Unterfüllung reagiert, ohne dass eine starke Leistungseinbuße erfolgt. In dieser Phase wandert der Zustand am Kondensatoraustritt von einer Unterkühlung in den Zweiphasenbereich mit einem Haltepunkt auf der Phasengrenze, bei dem sich allein die Masse im Sammler ändert. Vorher verringert sich in erster Linie die Befüllung im Kondensator, danach in der Flüssigleitung zwischen Kondensator und Expansionsventil. Sobald aber der Zustand zwischen den beiden Bauteilen anfängt von der Sättigungsdichte stark abzuweichen, brechen Kälteleistung, Massenstrom und letztendlich auch die Kompressorschmierung ein. Da es auch andere Gründe für eine nicht erreichte Sollleistung bei Normalbefüllung gibt, etwa ein nicht ausreichendes Drehmoment an der Antriebswelle oder extreme Außenbedingungen, wird statt dessen vorgeschlagen, mit Hilfe zweier Temperatursensoren an der Abströmfläche des Verdampfers eine charakteristische Verschiebung des überhitzten Bereiches in demWärmeübertrager zu registrieren. Diese konnte sowohl im Experiment als auch in der Simulation nachgewiesen werden. Unter der Voraussetzung einer korrekten Wiedergabe des Anlagenverhaltens bei einem Kältemittelverlust, kann das Simulationsmodell verwendet werden, um den charakteristischen Betrieb eines beliebigen Systems mit unterschiedlichen Befüllungen zu untersuchen, und dabei Prüfstandsversuche einzusparen. Da installierte Messtechnik häufig das Anlagenvolumen verändert, kann in einigen Fällen sogar die Simulation das einzig mögliche Werkzeug sein. Trotz einer guten Übereinstimmung bezüglich des charakteristischen Verlaufes verschiedener Prozessgrößen und in weiten Bereichen auch ihrer absoluten Werte, treten einzelne Abweichungen zwischen Modell und Messung auf. Dies betrifft in erster Linie den stark unterfüllten Bereich, der einen deutlichen Druckabfall zur Folge hat und in der Simulation erst bei niedrigeren Befüllungen als im Experiment erreicht wird. Es wird vermutet, dass das verwendete Modell des Drosselorgans nur unzureichend den realen Betrieb bei sehr geringen Massenströmen und einem zweiphasigen Eintritt abbildet. Dennoch ist aufgrund der dynamischen und weitestgehend prozessunabhängigen Modellierung der Einzelkomponenten, insbesondere der Wärmeübertrager, eine Abbildung des Kältekreisbetriebes außerhalb der Normalbedingungen möglich. Anders als in stationären Prozessberechnungen ist die Vorgabe einer Überhitzung am Verdampferaustritt und einer Unterkühlung am Kondensatoraustritt nicht erforderlich, sondern diese folgen aus der eingefüllten Kältemittelmenge und nehmen im Verlauf der Befüllung im Vergleich zum Normalbetrieb stark abweichende Werte an.

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