Dynamische Optimierung von mobilen CO2-Klimaanlagen mit innovativen Komponenten

Bockholt, Marcos

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulations- und Optimierungstechnik von umweltfreundlichen Kältekreislaufkomponenten fur die mobile Anwendung. Neben der Modellerstellung und Simulation für die Untersuchung der Komponenten ist eine dynamische Optimierung der Komponenten von Interesse. Die Komponentenmodelle sind in der objektorientierten gleichungsbasierten Modellierungssprache Modelica geschrieben. Die Optimierungzpotentiale eines Speicherverdampfers und eines steuerbaren Niederdrucksammlers für CO2-Kältekreisläufe werden identifziert. Ein hohes Optimierungspotential kann im Klimatisierungssystem mit Speicherverdampfer in der rationalen Steuerung des Innenraumgebläses identiefziert werden. Bei dem steuerbaren Niederdrucksammler konnte eine tendenzielle Maximierung der Systemleistungszifer durch die Erhöhung des Abscheide-Wirkungsgrads identifziert werden. Es wird gezeigt, dass die Erhöhung des Abscheide-Wirkungsgrads mit einer gleichzeitigen Erhöhung der Kältemitteltemperatur am Verdichteraustritt verbunden ist. Dieser Nebeneffekt wird bei der Formulierung des dynamischen Optimierungsproblems behandelt. Bei der Modellerstellung der Komponenten werden Betriebspunkt-Diagramme eingeführt. Für den Speicherverdampfer werden dynamische Effekte während des Trocknungsvorgangs identifiziert. Das dynamische steuerbare Niederdrucksammlermodell wird anhand eines Betriebspunkt-Diagramms beschrieben, das den Zusammenhang zwischen Füllstand und Austrittsenthalpie wiedergibt. Diese Ansätze verkürzen die Rechenzeit, ohne die Modellgenauigkeit massiv zu beeinflüssen. Die Optimierungsbibliothek wird in zwei Applikationen erfolgreich eingesetzt. Beim ersten Einsatz werden die Gebläsedrehzahl und die Frischluftklappe des Innenraumgebläse-Speicherverdampfer-Systems auf die Behaglichkeitsbedingungen in der Fahrgastzelle optimal gesteuert. Beim zweiten Einsatz wird der Abscheide-Wirkungsgrad des steuerbaren Niederdrucksammlers auf die Systemleistungsziffer und Verdichtungsendtemperatur optimal bestimmt.

The following work is concerned with the simulation and optimization techniques of environmentally-friendly air-conditioning components for mobile applications. In addition to the development and simulation of the models for the investigation of the components, a dynamic optimization of the components is also of interest. The component models were written in the object-oriented, equation-based Modelica modelling language. The optimization of a PCM (phase chnage material) evaporator and a controllable low-pressure accumulator is identified for CO2 refrigeration cycles. A high optimization potential can be identified in an air-conditioning system with a PCM evaporator in the rational control of the cabin fan. For the controllable low-pressure accumulator, a tendential maximization of the coefficient of performance through an increase in the separation efficiency is identified. It is also shown that the increase of the separation efficiency is connected with a simultaneous increase of the refrigerant temperature at the compressor output. This side-effect is treated during the formulation of the optimization problem. Operating point diagrams were used for the development of the component models. For example, dynamic effects during the drying process were identified for the PCM evaporator. In addition, the dynamic, controllable low-pressure accumulator model was described by means of an operating point diagram that depicts the relation between filling level and enthalpy at the accumulator outlet. These approaches shorten the computational time without having a large influence on the model accuracy. The optimization library is successfully used in two applications. In the first application, the fan speed and fresh-air flaps of a system with integrated cabin fan and PCM evaporator are controlled for optimal comfort conditions in the passenger compartment. In the second application, the optimal separation efficiency of the controllable low-pressure accumulator is determined considering the coefficient of performance and outlet temperature of the compressor.

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Bockholt, Marcos: Dynamische Optimierung von mobilen CO2-Klimaanlagen mit innovativen Komponenten. 2009.

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