Analyse der molekularen Einflussfaktoren auf die Eigenschaften von Kältemittel-Schmieröl-Gemischen
Technische Thermodynamik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projekts wurden Gemische aus den vier Kältemitteln CO2, R-32, R-1233zd(E) und R-1234yf mit den Schmierölen PEB8, PEC4 und PEC8 bezüglich ihres Löslichkeitsverhaltens über ∆GSolv, ihrer mikrostrukturellen Eigenschaften im Gemisch und ihrer Transporteigenschaften mittels molekulardynamischer Methoden untersucht. Ziel der Untersuchungen war das Erlangen von grundlegenden Erkenntnissen über molekulare Einflussfaktoren in Bezug auf die Gemischeigenschaften, um so ein gezieltes Design der Gemische durch eine geeignete Wahl der Komponenten für den Einsatz in Kältemaschinen und Wärmepumpen zu ermöglichen. Dafür wurden die für die Simulation von ∆GSolv verwendeten Softcore-Potentialparameter und Zwischenzustände systematisch untersucht und bewertet. Für die Systeme wurde ∆GSolv bestimmt und es wurden signifikante Einflüsse der Kältemitteltypen bei geringem Einfluss der Schmieröltypen auf ∆GSolv beobachtet. Diese wurde mittels struktureller Untersuchungen auf die bevorzugten Wechselwirkungen der Kältemittel mit den doppelt gebundenen Sauerstoffatomen des zentralen Kernbereichs der Schmieröle zurückgeführt. Die Viskositäten wurden für die Gemische mit 8 Mol-% Kältemittel ermittelt, für R-1233zd(E) auf Grund der signifikant höheren Löslichkeit auch für weitere Zusammensetzungen. Das Projekt hat gezeigt, dass die molekularen Simulationen qualitativ eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen aufweisen, so dass sie eine Interpretation der experimentellen Beobachtungen erlauben. Für eine quantitative Übereinstimmung, so dass die molekularen Simulationen auch zur Vorhersage der Stoffeigenschaften der Gemische genutzt werden könnten, wäre eine Optimierung der molekularen Modelle der Schmieröle, und insbesondere ihrer Wechselwirkungen mit den Kältemittelmolekülen erforderlich. Die rechentechnisch effiziente Ermittlung von Viskositäten nach der Periodic Pertubation Nichtgleichgewichtsmethode würde die Implementierung einer automatisierten Bestimmung des Erreichens eines Plateaus beim Absenken der Scherrate erfordern, gemäß aktueller Arbeiten von Santak und Conduit. Effiziente ∆GSolv Simulationen hingegen erfordern weitere Untersuchungen zu möglichen molekularen Deskriptoren zur Wahl von geeigneten Startwerten für die λ-Verteilung. Dies wird Gegenstand weiterführender Arbeiten sein.
