Untersuchung von CO2-Ejektoren und deren Integration in Kälteprozesse zur energieeffizienten Gestaltung von Hochtemperaturwärmepumpen mit hohen Heizleistungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt hatte zwei wesentliche Ziele. Einerseits sollten die Effekte von Siedeverzügen und der Einfluss von Schmieröl auf das Betriebsverhalten von Ejektoren experimentell erfasst und die entsprechenden Gemischstoffdaten modelliert werden. Anderseits sollten diese Stoffdaten in die Entwicklung eines verbesserten Ejektormodells zur Verbessrung der Effizienz einer Hochtemperaturwärmepumpe einfließen. Für experimentellen Untersuchungen sollte ein bestehender Prüfstand verwendet werden. An Voruntersuchungen an einem transparenten Kapillarrohr wurde zunächst versucht abzuschätzen, welchen Einfluss Siedeverzüge und Schmieröl auf die Position des Siedepunkts und damit die Massenströme im Kapillarrohr haben. In einem solchen Rohr wird das Kältemittel über den Druckabfall auf dier Länge immer weiter bis zum Sieden angedrosselt. Der Punkt des einsetzten Siedens hängt von etwaigen Siedeverzügen ab. In den durchgeführten Untersuchungen konnte noch in Übereinstimmung mit der Literatur gezeigt werden gezeigt werden, dass es insbesondere bei Expansionen reinen Kältemittels bis zum einem Enddrucs nahe des kritischen Punkts zu Siedeverzügen kommt. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass mit der Zunahme der Ölkonzentrationsrate sich der Siedepunkt verschiebt und der Massenstrom ansteigt. Dies führt in Bezug auf die Treibdüse des Ejektors zur Einsicht, dass Siedeverzüge und Öleinfluss eine Wirkung auf das Betriebsverhalten des Ejektors haben könnten – die Einflüsse aber auch in Wechselwirkung stehen, was eine für eine experimentelle Untersuchung die Einstellbarkeit der Ölumlaufrate erfordert. Das gilt in Bezug auf die Betrachtung für den Ejektor sowohl für die Saug- als auch für die Treibseite. Im realen Betrieb kann es in Folge des Betriebsverhaltens des Separators zu unterschiedlichen Ölumlaufraten auf der Saug- und Treibseite zu kommen. Die Einstellung der Ölumlaufrate und gar getrennt nach Saug- und Treibseite war mit dem alten Prüfstand nicht darstellbar. Darüber hinaus sind den Berichterstattern im Laufe der Zeit weitere Anforderungen an als notwendig deutlich geworden. Darunter fällt die Einstellbarkeit des Mitteldruckniveaus, die Bilanzierbarkeit des Mischungspunkts und das Ermöglichen zweiphasiger Ansaugzustände wie bei einem gefluteten Verdampfer. Alle drei Aspekte sind auch wichtig im Zusammenhang der Untersuchung der Einflüsse von Siederverzügen. In der Konsequenz wurde entschieden einen neuen Messkreislauf und entsprechenden Prüfstand speziell für die Charakterisierung von Ejektoren zu entwickeln. Bei dem neu entwickelten Messkreislauf handelt es sich nicht mehr einen Kältekreislauf mit Ejektor. Eine Untersuchung der Wirkung des Ejektors auf die Leistungszahl ist damit nicht mehr möglich. Aber alle beschriebenen Anforderungen an die Charakterisierung von Ejektoren werden erfüllt. Für die Inbetriebnahme wurde eine vollfaktorielle Variation der Zustände an den Stutzen des Ejektors durchgeführt mit dem Ziel Unterschiede zwischen zweiphasigem und überhitztem Ansaugen ohne Öl zu untersuchen. Die Variation ergab praktisch keine Auswirkung auf den Ejektorwirkungsgrad. Im Rahmen der Untersuchung konnte keine systematische Veränderung des Treibmassenstroms gegen den sonstigen Trend festgestellt werden. Es war keine Zustände erkennbar, die überproportional starken Siedeverzug erkennen ließen. Das schließt aber das Vorhandensein von Nichtgleichgewichtszuständen nicht grundsätzlich aus. Es wird vermutet, dass dies an dem gegenüber den Versuchen am Kapillarrohr in Folge größerer Massenströme schlechteren Abscheidegrad d.h. höherem Minimalölgehalt liegt. Ferner wurden weitere Messungen mit höheren Ölgehalten begonnen. Sie stellen sich jedoch technisch als große Herausforderung dar und sind noch nicht abgeschlossen. Es wurde mit der Entwicklung eines grundsätzlich neuen Ejektormodells begonnen, das physikalisch getrieben auf dem Strömungsverhalten im Inneren des Ejektors beruhen soll, anstatt Messdaten zu fitten. Zur Parametrierung des Modells wie auch zum Nachweis der metastabiler Zustände im Ejektors wird es nötig sein optische Untersuchungen – ähnlich denen am Kapillarohr – durchzuführen.
