Untersuchungen zu thermostatischen Expansionsventilen

Aguilar Rojas, Joan Alberto

In der vorliegenden Arbeit wird das thermostatische Expansionsprinzip in einem automobilen Kompressionskältekreislauf experimentell und theoretisch untersucht. Sein Einfluss auf den gesamten R134a-Kältekreislauf wird beleuchtet, und die potenziellen Vorteile seiner Anwendung im R744-Kältekreislauf werden in Aussicht gestellt. Hierfür wird eine Methode zur transienten Modellierung von thermostatischen Expansionsventilen (TXV) mit physikalisch interpretierbaren Parametern, die anhand von Herstellerangaben oder durch einfache Messungen am TXV-Prüfling bestimmt werden können, entwickelt. Diese Methode wurde angewandt, um ein Serien-TXV mit der Simulationssprache Modelica abzubilden. Das erhaltene Modell wurde mittels der Simulationssoftware Dymola in einer Umgebung zur transienten Kältekreislaufsimulation integriert. Hiermit wurden Parametervariationen und Nachrechnung von Fahrzeugversuchen durchgeführt. Außerdem diente diese Modellierungsmethode dazu, eine neue Darstellungsform für den stationären Regelbereich eines TXV abzuleiten, die darauf basiert, Gleichgewichtszustände des TXV, sogenannte Iso-Hubkennlinien, im p-h-Diagramm des jeweiligen Betriebskältemittels abzubilden. Mit Hilfe dieser neuen Darstellungsform konnte erstens ein Optimierungspotenzial in der Auslegung eines automobilen TXV aufgedeckt werden, wodurch eine Ansammlung von flüssigem Kältemittel im Kältemittelverdichter bei ausgeschalteter Kälteanlage vermieden werden kann; zweitens ließ sich ein neuartiges TXV-Konzept zur Hochdruckregelung anhand der Temperatur am Ventileintritt einer R744-Kälteanlage entwickeln, das eine COP-optimierende Arbeitsweise mit einer Überdruckfunktion autark kombiniert. Dieses Ventilkonzept wurde in Form eines Prototyps umgesetzt, mit welchem sich dessen funktionelle Eignung zur optimalen Hochdruckregelung einer automobilen Kälteanlage zeigen ließ.

The purpose of the following investigation is to describe the thermostatic expansion principle in an automobile A/C system in a theoretical and experimental way. Its influence on the complete R134a A/C system will be described and a perspective of the potential advantages of its usage on the R744 A/C system will be given. In order to accomplish this, a transient modelling method was developed. This type of modelling method is based on physical interpreted parameters that can be obtained from the specifications of a thermostatic expansion valve (TXV) or through simple measurements on TXV samples. This method was applied in order to represent a series TXV using the Modelica simulation language. The obtained model was integrated into a transient A/C simulation envi-ronment. This approach allowed the realization of parameter variations, the recalculation of automobile experiments and the development of a new way to visualize the stationary control range of a TXV based on the conditions of equilibrium (also called iso-stroke characteristic lines) in a p-h diagram for every refrigerant. Using this new visualization way the following was achieved: a. The optimization potential during the dimensioning of an automobile TXV was discovered, in which the accumulation of refrigerant in a compressor of a switched-off A/C system can be avoided. b. A new concept for the high-pressure control, based on the temperature at the valve’s inlet in an R744 A/C system was developed. This concept combines the COP optimization function with a high pressure safety function. This valve concept was implemented in a new prototype, with which the functional adequacy for the optimal high pressure control could be shown.

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Aguilar Rojas, Joan Alberto: Untersuchungen zu thermostatischen Expansionsventilen. 2009.

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