1 Beschreibung der Versuchsanlage

Die Versuchsanlage besteht aus einem einstufigen Kompressions-Kältekreislauf und wurde im Rahmen einer Diplomarbeit entwickelt und gebaut [Se91].

Der luftgekühlte, halbhermetische Kompressor der Firma DWM COPELAND, Typ DLSG 401, wurde für den Betrieb mit R22 und R502 ausgelegt. Er erreicht nach Herstellerangaben bei Tc = +30°C und T0 = -20°C eine Kälteleistung von 8,8 kW (R22) bzw. 9,4 kW (R502) [Co89]. SEUTE ermittelte für die Auslegungsgrenze der Anlage durch Extrapolation eine Kälteleistung von 14 kW bei T0 = -8°C, sowie eine Klemmenleistung von 4 kW [Se91].

Dem Kompressor ist ein Ölabscheider nachgeschaltet, der das Kältemittel von mitgerissenem Öl befreit, das über den Rücklauf wieder dem Kompressor zugeführt wird.

Der Kondensator wurde als senkrechtes Doppelrohrregister mit neun horizontalen Rohr segmenten (je 1100 mm berippte Länge) und einer maximalen Kondensationsleistung von 19 kW ausgelegt. Das Kühlwasser strömt im Kernrohr, während das Kältemittel im Mantelraum kondensiert. Der Kondensator wurde so geschaltet, daß eine Gegenstromführung realisiert wird und somit eine Nutzung der Temperaturdifferenzen während der Kondensation von Gemischen möglich ist. Die Umlenkungen, die die einzelnen Rohre verbinden, sind als Temperaturmeßstellen ausgebildet, so daß der Verlauf der Kältemittel- und Wärmeträgertemperaturen während der Kondensation beobachtet werden kann.

Nach der Kondensation und Unterkühlung wird das Kältemittel durch eine Trockenpatrone geleitet und von eventuell vorhandener Restfeuchte befreit. Anschließend werden in einem Siebkorbfilter mögliche Feststoffpartikel abgetrennt. Dadurch wird gleichzeitig der nachgeschaltete Ovalradzähler vor Schäden geschützt. Um sicherzustellen, daß keine Zweiphasenströmung im Ovalradzähler auftritt, welche das Meßergebnis verfälschen könnte, sind jeweils vor und nach dem Zähler Schaugläser zur Kontrolle vorgesehen.

Die Entspannung des Kältemittels erfolgt wahlweise in einem thermostatisch geregelten oder in einem manuell einstellbaren Drosselventil.

Der Verdampfer wurde analog zum Kondensator als Rohrregister mit sechs horizontalen Segmenten (je 1260 mm innenberippte Länge) und einer maximalen Verdampferleistung von 15 kW ausgelegt. Der Kälteträger (Wasser-Ethylenglykol-Gemisch) strömt durch den Mantelraum und wird im Gegenstrom zum im Kernrohr verdampfenden Kältemittel geführt.

Wahlweise kann ein innerer Wärmeübertrager zugeschaltet werden, um die Möglichkeit einer Leistungssteigerung zu überprüfen.

 

Bild 1: Anlagenschema des Prüfstandes

2 Versuchsdurchfürung

Um die Ergebnisse dieser Arbeit mit denjenigen der vorangegangenen vergleichen zu können, wurde darauf geachtet, daß dieselben Randbedingungen der Betriebszustände eingehalten werden. Wie in Abschnitt 3.2.2 erläutert, spielt bei Gemischen hierbei die Wahl der Bezugstemperaturen eine entscheidende Rolle. Da aufgrund der Konstruktion der Versuchsanlage eine Verdampfung und Kondensation des Kältemittels im Gegenstrom zu einem Kälte- / Wärmeträger realisiert wurde, sind die auftretenden Temperaturänderungen beim Phasenwechsel als nutzbar zu betrachten. Deshalb wurde in der vorangegangenen Arbeit [Br93] der Bezugspunkt "Eintrittszustand" gewählt.

Die Kondensationstemperatur ist somit durch den Taupunkt im Kondensator festgelegt. Die Verdampfungstemperatur ist hingegen durch die Drosselaustrittstemperatur bestimmt. Während letztere im Anlagenbetrieb direkt durch Temperaturmessung kontrolliert werden kann, ist eine Messung der Tautemperatur im Kondensator nicht möglich. Deshalb wird der Taudruck am Kondensatoreintritt mit Hilfe von Zustandsgleichungen berechnet und als Regelgröße zur Einstellung der Kondensationstemperatur verwendet. Als Stellgröße wird der Massenstrom des Wärmeträgers benutzt, der mit den Schiebern S3 und S6 variiert und am Rotameter FI39 abgelesen werden kann. Die Verdampfungstemperatur wird an der Meßstelle TR33 abgelesen und mit Hilfe des manuellen Drosselventils V21 eingestellt. Das thermostatische Expansionsventil V22 wurde nicht verwendet, da die Kältemittelmassenströme hierbei zu stark schwankten und ein konstanter Betriebszustand der Anlage nicht möglich war.

Eine weitere wichtige Regelgröße während des Anlagenbetriebes ist die Überhitzung des Kältemittels am Verdampferaustritt. Die Überhitzung ist notwendig, um eine vollständige Verdampfung des Kältemittels zu gewährleisten und somit den Kompressor vor Flüssigkeits tröpfchen zu schützen. Sie wirkt sich annähernd linear auf die Verdichterendtemperatur aus hat somit einen entscheidenden Einfluß auf den Wirkungsgrad der Kompression. Deshalb ist eine konstante Überhitzung anzustreben. Die Überhitzung ist als Differenz der Verdampferaustritts temperatur (TR34) und der Tautemperatur bei Verdampferaustrittsdruck (PR34) definiert. Der Taupunkt im Verdampfer ist ebenfalls nicht direkt meßbar und muß über Zustandsgleichungen bestimmt werden. In der vorangegangen Arbeit [Br93] wurde die einzustellende Überhitzung auf 10K festgelegt. Als Stellgröße wird der Massenstrom des Kälteträgers verwendet, der mit den Schiebern S2 und S4 variiert und am Rotameter FI42 abgelesen werden kann.

Mit den noch unabhängigen Stellgrößen der Eintrittstemperaturen von Kälteträger bzw. Wärmeträger kann im Zusammenspiel mit den Massenströmen die Flächenbelastung von Verdampfer bzw. Kondensator eingestellt werden. Es wurde darauf geachtet, das im Kondensator der Taupunkt des Kältemittels in den ersten drei Wärmeübertragerrohren lag und sich im Verdampfer der Taupunkt in den letzten beiden Registern befand. Die Lage der Taupunkte kann mit Hilfe der Temperaturmeßstellen an den Umlenkungen der Doppelrohrwärmeübertrager ungefähr angegeben werden. Der Temperaturverlauf im Verdampfer und Kondensator ist exemplarisch für das Gemisch B3 in Bild 2 und Bild 3 dargestellt.

 

 
                Bild 2: Temperaturverlauf bei der Verdampfung                                   Bild 3: Temperaturverlauf bei der Kondensation

Da sich das Gemisch nahezu azeotrop verhält, sind in den Diagrammen auf der Kältemittelseite keine Temperaturänderungen beim Phasenwechsel zu beobachten. Die leichten Temperaturabfälle sind nur auf Druckverluste zurückzuführen.

 

Bild 4: Anordnung der wichtigsten Meßstellen

3 Literatur

Se91 Seute S.	Planung und Bau eines Kalroimeters zur Prufung von Komponenten eines Kältekreislaufes	DA ITTK 1992
Lo92 Loi, N.D.; Mößner, F.; Oellrich, L.R.	Ein Versuchsstand zur Untersuchung des Verhaltens von Kältemitteln und -gemischen	DKV-Jahrestagung 1992, Vol. II/2, p. 219-233
En94 Engler, T.	Experimentelle und theoretische Untersuchungen mit chlorfreien Kältemitteln	DA ITTK 1994