Analyse des unterstützenden Einsatzes einer Adsorptionskälteanlage für die PKW-Klimatisierung

Enke, Lukas

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Potenzial zur Verringerung des PKW-Kraftstoffverbrauchs durch Einsatz eines abwärmebetriebenen Kälteprozesses für die Fahrzeugklimatisierung zu bewerten. Da sowohl das verfügbare Abwärmeangebot des Verbrennungsmotors als auch die erzielbaren Leistungsdichten sorptiver Kälteprozesse einen vollständigen Ersatz des Kompressionskälteprozesses verhindern, wird zunächst ein geeignetes Anlagenkonzept für den unterstützenden Betrieb durch eine Sorptionskälteanlage entworfen. Hierbei fällt die Wahl auf eine luftseitige serielle Anordnung einer Kompressionskälteanlage und einer abgasbetriebenen Zwei-Kammer-Adsorptionskälteanlage der Stoffpaarung Zeolith-Wasser. Um das Betriebsverhalten einer Adsorptionskälteanlage für den angedachten Verwendungszweck zu charakterisieren, werden zwei Adsorbersysteme experimentell vermessen, in welche das gewählte Sorptionsmittel in Form einer Schüttung bzw. in Form einer Beschichtung integriert wurde. Für die Bewertung des Betriebsverhaltens des Klimatisierungssystems innerhalb des Fahrzeugs wird eine Simulationsumgebung erstellt, welche neben beiden Kälteprozessen das fahrzyklusabhängige Abwärmeprofil des Abgasstranges sowie den Kraftstoffverbrauch ermittelt. Im Vergleich zu der Zeolith-Schüttung, erreicht das beschichtete Adsorbersystem trotz geringfügig niedrigerer Wärmeverhältnisse und geringerer integrierter Zeolithmenge einen höheren Anteil an der Kältebereitstellung. Grund hierfür ist die höhere Verfügbarkeit des Systems infolge der deutlich schnelleren Ansprechzeiten. Innerhalb normierter Fahrzyklen sind beide Adsorbersysteme, infolge des diskontinuierlichen Abwärmeangebots und dem elektrischen Energiebedarf der Systemperipherie, nicht in der Lage den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs zu senken. Der letzte Abschnitt der Arbeit beschäftigt sich mit der Bewertung leistungs- und effizienzsteigernder Maßnahmen durch Veränderung der Systemperipherie im Fahrzeug. Die Untersuchung zeigt, dass durch ein erhöhtes Abwärmeangebot, im Falle der Integration in ein größeres Fahrzeug, in Kombination mit einem beregneten Rückkühler, eine Kraftstoffverbrauchsreduktion von 2% erzielt werden kann.

The objective of this thesis is to evaluate the potential of reducing fuel consumption of a car by application of an exhaust heat driven sorption process for cabin cooling. As available exhaust heat and achievable power density of sorption cooling systems are not sufficient to completely substitute the vapor compression cycle in a car application, a system concept is designed where the sorption process operates as an assistant cooling device. Therefore an exhaust heat driven two-bed-adsorption system using the working pair zeolite/water is chosen For the characterisation of the dynamic behavior of the adsorption chiller and to assess achievable power densities, two adsorber types (zeolite-pellet and coating) were built and experimentally tested on a test bench. Based on the measurements the validation of a simulation model of the adsorption chiller is undertaken. In order to assess the operating behavior of the designed air conditioning system as being integrated in the vehicle, a simulation environment is built which calculates the available exhaust heat and fuel consumption depending on the driving cycle. Comparing the two adsorber types, the coated system reaches a higher share of cold production despite slightly lower thermal ratios and lower mass of integrated zeolite. The reason for this is a higher level of system availability due to shorter response times. Within standardized driving cycles both adsorber systems are not able to reduce fuel consumption of a passenger car because of discontinuous heat supply and increased energy demand of the air conditioning system´s peripheral equipment. The last section of this work addresses the evaluation of power and efficiency increasing measures by modifying the systems periphery within the vehicle. The analysis shows that an increase of available exhaust heat in case of integration in a bigger car in combination with a spray recooling system leads to a decrease of fuel consumption in range of 2%.

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Enke, Lukas: Analyse des unterstützenden Einsatzes einer Adsorptionskälteanlage für die PKW-Klimatisierung. 2014.

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