Experimentelle Untersuchung von Viskosität, Grenzflächenspannung und Wärmeleitfähigkeit von Öl-Kältemittel-Gemischen mittels Lichtstreuung und konventioneller Methoden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510921053

Die Effizienz von ölgeschmierten rotierenden Verdrängungskompressoren hängt stark von der unvermeidlichen zweiphasigen Schwall- und Spaltströmung im Wandbereich ab, die bis heute nicht genau verstanden und berechenbar ist. Ein Grund hierfür ist das Fehlen von ausreichend genauen experimentellen Daten sowie von exakten Berechnungsmodellen für die benötigten Stoffeigenschaften der in solchen Maschinen oft prozessierten, sehr asymmetrischen Gemische aus Kältemitteln und Ölen. Diese Situation aufgreifend sollen hier als Beitrag zur DFG-Forschungsgruppe FOR 5595 fortschrittliche experimentelle Methoden und teilweise auch molekulardynamische Simulationstechniken zur Bestimmung von Viskosität, Grenzflächenspannung und Wärmeleitfähigkeit solcher Systeme weiterentwickelt und angewandt werden. Dies erfolgt in Zustandsbereichen, die sowohl für das Einsatzgebiet der genannten Kompressoren als auch für die Entwicklung der benötigten Stoffdatenmodelle und Prozesssimulationsmethoden relevant sind. Aus den zunächst für systematisch ausgewählte Modellsysteme und später für realitätsnahe Kältemittel-Öl-Gemische erhaltenen Daten werden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen abgeleitet, die insbesondere zur Modellentwicklung beitragen sollen. Dabei liegt der Fokus auf zukunftsorientierten Kältemitteln wie CO2 und Propan, die mit Ölersatzstoffen zunehmender Molekülgröße kombiniert werden, um sich der Asymmetrie technischer Gemische anzunähern. Die Messung von Grenzflächenspannung und Viskosität im Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht erfolgt hauptsächlich per Oberflächenlichtstreuung (SLS). Für die Viskositätsmessung der interessierenden Gemische in der komprimierten Flüssigphase soll einerseits die Schwingdrahtmethode eingesetzt werden, während zudem eine Weiterentwicklung der auf Partikeldispersionen angewandten dynamischen Lichtstreuung (DLS) angestrebt wird. Dies beinhaltet die Identifizierung von hinsichtlich Dispersionsstabilität geeigneten Dotierpartikeln für solche Systeme. Die genannten Techniken werden mit der Raman-Spektroskopie kombiniert, für die vorrangig Kalibrierungsansätze zur genauen Bestimmung der Flüssigkeitszusammensetzung untersucht werden. Um die experimentell kaum erfassbare Scherratenabhängigkeit der Viskosität der relevanten Systeme zugänglich zu machen, sollen Nicht-Gleichgewichts-Molekulardynamik-Simulationen herangezogen werden. Während die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit der interessierenden Gemische einen Schwerpunkt einer angestrebten zweiten Förderperiode darstellt, wird diese Größe bereits für die ölseitigen Gemischkomponenten mit einer auf dem Prinzip der parallelen Platten basierenden Apparatur gemessen. Erste Rückschlüsse auf das entsprechende Gemischverhalten werden aus Daten für die Temperaturleitfähigkeit gezogen, welche mittels der parallel zur SLS auf das Flüssigkeitsvolumen angewandten DLS zugänglich sind.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5595: Öl-Kältemittel-Mehrphasenströmungen in Spalten mit bewegten Berandungen – Neuartige mikroskopische und makroskopische Ansätze für Experiment, Modellierung und Simulation