Wasserspeicherung in einem PkW-Klimagerät

Böttcher, Christof

In einer Pkw-Klimaanlage kommt es zu einer Abkühlung der Luft, indem diese über die kalte Oberfläche eines Wärmetauschers geführt wird. Bei Unterschreitung der Taupunkttemperatur durch den Abkühlprozess, findet eine Abscheidung von Wasserdampf aus der Luft statt. In modernen Klimaanlagen mit hoher Kälteleistung auf kleinem Bauraum ist die Abfuhr des abgeschiedenen Wassers erschwert und es kommt zur Speicherung von Wasser. Dies kann zu negativen Effekten wie Scheibenbeschlag und Geruch führen. Ansatz der vorliegenden Arbeit ist das Herausstellen eines Weges, der zu einer Umsetzung von Maßnahmen zur Reduzierung des gespeicherten Wassers in serienmäßigen Pkw-Klimageräten führt. Dazu werden zuerst die besonderen Anforderungen an Pkw-Klimaanlagen und deren Aufbau betrachtet. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem Verdampfer und den Prozessen bei der Abscheidung und dem Ablauf von Wasser. Eine Literatur- und Patentrecherche zeigt, dass eine Vielzahl von Maßnahmen zur Reduzierung des gespeicherten Wassers in Pkw-Klimaanlagen bereits bekannt sind. Zu unterscheiden sind Lösungen, die direkt am Verdampfer und solche die am Klimagerät ansetzen. Es wird deutlich, dass eine starke Diskrepanz zwischen der Anzahl der bekannten und umgesetzten Lösungen besteht. Grund dafür ist das Fehlen eines Testverfahrens, welches das gespeicherte Wasser in Verdampfern und Klimageräten quantifizierbar macht. Eine Betrachtung der bekannten Verfahren zur Ermittlung des gespeicherten Wassers zeigt, dass diese nur auf den Verdampfer fokussiert sind und die wissenschaftliche Literatur keine Methode kennt, die auch auf ein vollständiges Klimagerät anwendbar ist. Diese Lücke wird durch die Ergebnisse dieser Arbeit geschlossen. Vorgestellt wird ein Verfahren, das zur Quantifizierung des gespeicherten Wassers in Verdampfern, in gesamten Klimageräten und auch bei im Fahrzeug installierten Klimageräten angewendet werden kann. Auf diese Weise wird die Grundlage für die Umsetzung von Methoden zur Reduzierung des gespeicherten Wassers in Serienprodukten geliefert, weil Grenzwerte formuliert und überprüft werden können. Bei diesem neuartigen Testverfahren erfolgt die Benetzung des Verdampfers, bzw. des Klimagerätes durch den Kühlbetrieb in einem feucht-warmen Luftstrom. Zur Bestimmung des gespeicherten Wassers wird die Differenz des Wassergehaltes vor und nach dem Verdampfer während eines Trocknungsvorganges mit einem trocken-warmen Luftstrom herangezogen. Durch Integration der Differenz des Wassergehaltes über den Trocknungszeitraum und Multiplikation mit dem Luftmassenstrom kann aus den Messwerten die gespeicherte Wassermenge berechnet werden. Als Referenzwert wird die Massendifferenz zwischen Nass- und Trockengewicht des Verdampfers, der ebenfalls im feucht-warmen Luftstrom betrieben und anschließend ausgebaut und gewogen wurde, herangezogen. Es wird dargelegt, dass die Trägheit der Feuchtemessung nach dem Verdampfer entscheidend für die Genauigkeit der Trocknungsmethode ist und es werden Methoden für den Versuchsaufbau und die Art der Auswertung vorgestellt, die dem Rechnung tragen. Abschließend wird gezeigt, dass die Trocknungsmethode zur Bestimmung des gespeicherten Wassers auch für die Anwendung an vollständigen Klimageräten und im Fahrzeug praktikabel ist.

In an automotive air conditioning (AC) unit, cooling of the air occurs while it flows over the colder surface of a heat exchanger. By going below the dew point temperature during the cooling process, water vapour precipitates out of the air. In modern AC units with large cooling capacity within small spaces, the removal of condensated water is complicated and therefore water retention occurs. This could result in negative effects such as window fogging and bad odours. The approach of this work is to show a way of transferring the methods of reducing water retention in series production AC units. Firstly the particular requirements of automotive AC units and their construction were investigated, especially the evaporator and the process of condensation and draining of water. A literature and patent search shows that many methods of reducing water retention in automotive AC units are already known. The solutions can be separated into those related to the evaporator and others to the AC unit. It becomes obvious that there is a strong discrepancy between the number of known and transferred solutions. The reason for this is a lacking of a test process, in which the amount of retained water in the evaporator and the AC unit could be quantified. Considering the known processes of quantifying the amount of retained water shows that these are only focused on the evaporator. In the scientific literature no method is known in which a complete AC unit could be evaluated. Through the results of this work this gap is closed. Presented is a test procedure, in which the water retention in the evaporator, in the AC unit and in a vehicle installed AC unit could be quantified. In this way the basis for transferring the methods of reducing the retained water in series units is given due to the possibility to define and check threshold values. Within this new test procedure the wetting of the evaporator, and the AC unit respectively is carried out during operating conditions with humid-warm air flow. To determine the amount of retained water, the difference between the absolute humidity before and after the evaporator during a drying process with a dry-warm air flow is measured. Through integration of the difference of the absolute humidity during the drying period and multiplying with the air mass flow the amount of retained water can be calculated. As a reference value the mass difference between the wet and dry weight of the evaporator is used. This was done by wetting the evaporator in a humid-warm air flow, deinstalling and weighing it. It is shown that the sluggish behaviour of the humidity sensor after the evaporator is a decisive issue for the accuracy of the drying method. Solutions are presented for the method of the experimental assembly and the data analysis. Finally it can be proved that the drying method to determine the amount of retained water is also practical for the evaluation of complete AC units and installed AC units.

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Böttcher, Christof: Wasserspeicherung in einem PkW-Klimagerät. 2006.

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