Betriebsverhalten von Verflüssigern in automobilen Kältekreisläufen

Strupp, Nils Christian

Die Arbeit untersucht Einflussfaktoren auf das Betriebsverhalten automobiler Verflüssiger mit dem Kältemittel R-134a sowohl experimentell als auch simulativ und entwickelt auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse alternative Betriebsstrategien. Mittels einer Methodik zur luftseitigen Bilanzierung des Verflüssigers sowie dessen Wiegung wird das Betriebsverhalten des integrierten Sammlers charakterisiert und der Einfluss nichtkondensierbarer Gase auf den Kondensationprozess quantifiziert. Zur Ermittlung der Betriebsbedingungen automobiler Klimaanlagen schlägt die vorliegende Arbeit eine Methodik vor. Diese kombiniert Daten zu Klimabedingungen, PKW-Nutzungshäufigkeit und PKW-Dichte in hoher regionaler Auflösung und liefert für einen geographischen Bezugsraum und Kombinationen von Temperatur, Luftfeuchte und Solarstrahlung eine prozentuale PKW-Nutzungshäufigkeit. Die Methodik wird desweiteren auf die Beschreibung des Verflüssigermikroklimas erweitert. Es werden zwei alternative Betriebsstrategien für automobile Verflüssiger vorgeschlagenen und experimentell wie simulativ untersucht: (1) die Anwendung der nicht-adiabaten Verdunstungskühlung, (2) eine Unterkühlungsregelung in Anlehnung an die Hochdruckregelung transkritischer Kälteprozesse. Es kann gezeigt werden, dass der Kondensationsdruck durch die Beregnung des Verflüssigers, auch bei kleinen Beregnungsmassenströmen, effektiv gesenkt und so eine Hochdruckabschaltung verhindert werden kann. Die COP-Optimierung unter Fahrzeugstillstandsbedingungen zeigt, dass durch die Beregnung des Verflüssigers in Bezug auf die elektrischen Verbraucher eine Einsparung von 80% Antriebsenergie möglich ist. Zur simulativen Untersuchung der beiden vorgeschlagenen alternativen Betriebsstrategien wird in der Modellierungssprache Modelica ein Verflüssiger modelliert. Mit Hilfe der Untersuchungen kann gezeigt werden, dass das größte Kraftstoffeinsparpotential durch die Anwendung der nicht-adiabaten Verdunstungskühlung bei hohen Luftansaugtemperaturen und niedrigen Luftfeuchten besteht, also unter Bedingungen, wie sie vor allem im Fahrzeugstillstand auftreten. Bezogen auf die Unterkühlungsregelung wird gezeigt, dass deren Potential vor allem bei niedrigen Außenlufttemperaturen gegeben ist.

The thesis examines factors influencing the performance of automobile condenser with refrigerant R-134a, both by experiments and simulations and develops alternative operating strategies. Using a methodology for air-side energy balance and online weighing of the condenser, operating characteristics of the integrated receiver dryer are deduced as well as the influence of non-condensable gas on condensation process. To address relevant operating conditions for mobile air-conditioning systems and condensers, the published test standards are discussed and a methodology for determining average operating conditions is proposed. This methodology combines data on climate conditions, frequency of car use and car registration density in high regional resolution for a geographic reference area, giving a percentage of car use frequency for combinations of temperature, humidity and solar radiation. The methodology is extended to describe condenser micro climate. Based on the finding that local flow conditions, while not generalizable, can decrease dissipatable heat in the air-cooling module, two alternative operating strategies for automotive condenser are proposed and studies employing experiments and simulations conducted: (1) the use of non-adiabatic evaporative (2) the a sub-cooling system similar to the high pressure control transcritical refrigeration processes. It can be shown that the condensation pressure can be lowered significantly by irrigation of the condenser, even for small irrigation mass flows, preventing a high pressure shut-off. COP-optimization via non-adiabatic evaporative cooling of the condenser at vehicle standstill conditions yields an electric energy saving potential of 80% compared to conventional cooling. For simulative studies of the two proposed alternative operating strategies, the condenser is modeled using the modeling language Modelica. With the help of simulative investigations it can be shown that the greatest fuel savings potential is through the application of non-adiabatic evaporative cooling at high air intake temperature and low humidity. These conditions typically occur at vehicle standstill. Regarding subcool control, simulations show the highest energy saving potential at low ambient temperatures.

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Strupp, Nils Christian: Betriebsverhalten von Verflüssigern in automobilen Kältekreisläufen. 2011.

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