Untersuchung von Energie- und Massespeicherungsvorgängen in Pkw-Kälteanlagen (PDF)

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.