Phasenverhalten von Öl-Kältemittel-Gemischen – Modellierungsansätze

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

Öleingespritzte Kompressoren nach dem Verdrängerprinzip werden hauptsächlich für die Verdichtung von Kältemitteln in verschiedenen kältetechnischen Anwendungen eingesetzt. Die Effizienz solcher Maschinen hängt von größtenteils unvermeidlichen Verlustmechanismen ab, wie z. B. von Zweiphasenströmungen sowie Spaltströmungen. Die Modellierung dieser Strömungen stellt auch heute noch eine große Herausforderung dar, einerseits wegen der Komplexität der Simulation dieser Zweiphasenströmungen in den engen Spalten mit beweglichen Wänden und andererseits wegen des Mangels an genauen Modellen für die thermophysikalischen Eigenschaften der stark asymmetrischen Gemische aus Ölen und Kältemitteln. Dieser Herausforderung stellt sich die DFG-Forschungsgruppe FOR 5595, wobei verschiedene Partner aus unterschiedlichen Disziplinen an der Bearbeitung dieses Themas mitwirken. In diesem Konsortium befasst sich dieses Teilprojekt mit der Beschreibung des Phasenverhaltens der Öl-Kältemittel-Stoffgemische. In diesem Zusammenhang werden vorhandene Modellierungsansätze für stark asymmetrische Gemische erprobt und neue Modellierungsansätze entwickelt. Das Gesamtziel besteht darin ein Modell zur entwickeln, dass einerseits in der Lage ist die besten verfügbaren Messdaten innerhalb der Messunsicherheit zu beschreiben und andererseits universell und prädiktiv auf andere Öle und Kältemittel übertragbar ist. Für die Modellierung der thermodynamischen Eigenschaften von Öl-Kältemittel-Gemischen wird das Multifluid-Gemischmodell verwendet. Dieses Modell ermöglicht einerseits die Verwendung beliebiger Zustandsgleichungen, wie z.B. hochgenaue vielparametrige Zustandsgleichungen, die in der reduzierten Helmholtz-Energie formuliert werden, oder einfachere Zustandsgleichungen, für die nur wenige fluidspezifische Informationen erforderlich sind, wie z.B. kubische Zustandsgleichungen oder die Lee-Kesler-Plöcker-Zustandsgleichung. Andererseits kann das Multifluid-Gemischmodell auch mit Ansätzen zur prädiktiven Vorhersage von thermodynamischen Eigenschaften von Gemischen kombiniert werden, wie z. B. den Exzess-Gibbs-Energie-Modellen UNIFAC oder COSMO-SAC. Neben dem etablierten, auf dem Prinzip der korrespondierenden Zustände basierenden Multifluid-Gemischmodell, das gewisse Unzulänglichkeiten bei der Beschreibung asymmetrischer Gemische aufweist, wird ein Gemischmodell entwickelt, das nicht auf diesem Prinzip beruht. Dieses Mischungsmodell wird ebenfalls mit prädiktiven Exzess-Gibbs-Energie-Modellen kombiniert, um die entwickelten Modelle auf andere, weniger gut untersuchte Öl-Kältemittel-Gemische übertragen zu können. Den Ausgangspunkt für die Modellentwicklung stellen gut untersuchte, nicht asymmetrische Gemische dar. Mit dem finalen Ziel das thermodynamische Verhalten stark asymmetrischer Öl-Kältemittel-Gemische zu verstehen und beschreiben zu können, wird die Asymmetrie der Gemische im Laufe dieses Projekts stetig erhöht.

• 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
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Dr. Ian H. Bell, Ph.D.