Phasenverhalten von Öl-Kältemittel-Gemischen – Experimentelle Untersuchung

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

Öleingespritzte Schraubenkompressoren werden häufig für die Verdichtung von Kältemitteln in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) eingesetzt. Der Wirkungsgrad des Verdichters wird weitgehend durch die Zweiphasenströmungen in den mechanischen Komponenten des Verdichters bestimmt. Aufgrund der Komplexität der Zweiphasenströmung und des Mangels an genauen thermodynamischen Zustandsgleichungen für die Arbeitsmedien ist die Berechnung dieser Strömungen heutzutage immer noch eine Herausforderung. Um solche Berechnungen voranzutreiben, müssen Zustandsgleichungen verbessert werden, was genaue experimentelle Eigenschaftsdaten erfordert. Die weitere Entwicklung wird jedoch derzeit durch den erheblichen Mangel an experimentellen thermodynamischen Daten für die Fluide in den Verdichtern eingeschränkt, bei denen es sich um stark asymmetrische Gemische aus Öl und Kältemittel handelt. Vor diesem Hintergrund besteht das Hauptziel dieses Teilprojekts der Forschungsgruppe FOR 5595 darin, umfassende und genaue Messungen der thermodynamischen Eigenschaften von Öl-Kältemittel-Gemischen durchzuführen, wobei der Schwerpunkt auf der Dichte und dem Dampf-Flüssig-Phasenverhalten liegt. Diese Daten werden letztlich als Grundlage für die Entwicklung genauer thermodynamischer Zustandsgleichungen der Öl-Kältemittel-Gemische dienen. Das Mischungsverhalten der stark asymmetrischen Gemische stellt eine besondere Herausforderung für die Versuchsaufbauten dar, die ursprünglich für weniger asymmetrische Gemische entwickelt wurden. Daher sollen die bestehenden Versuchsaufbauten für die Untersuchung von binären Gemischen mit zunehmender Asymmetrie verbessert und weiterentwickelt werden, mit dem Ziel, Öl-Kältemittel-Gemische zu untersuchen. Die zu vermessenden binären Systeme wurden innerhalb der Forschungsgruppe gemeinsam ausgewählt und sind wie folgt mit zunehmender Asymmetrie aufgeführt: (1) Propan + n-Pentan und CO2 + n-Dekan (2) Propan + n-Dekan und CO2 + n-Hexadekan und (3) wenn möglich Propan + Squalan und CO2 + Squalan. Die Raman-Spektroskopie wird zur Messung der Löslichkeit von Gasen (Kältemitteln) in Flüssigkeiten (Ölsurrogaten) eingesetzt. Für Dichtemessungen von reinen Ölen und Öl-Kältemittel-Gemischen in der Flüssigphase wird das Biegeschwinger-Dichtemessverfahren eingesetzt. Zur Untersuchung des Dampf-Flüssig-Phasen-Verhaltens der Gemische werden Mikrowellen-Resonatoren eingesetzt, wobei ein neues Mikrowellen-Resonator-Design entwickelt werden soll, um das gesamte Dampf-Flüssig-Phasen-Verhalten einschließlich Temperatur, Druck, Phasenanteil sowie Zusammensetzung und Dichte der koexistierenden Phasen zu untersuchen. Darüber hinaus soll im Rahmen der experimentellen Arbeiten die Infrastruktur für die Gemischherstellung und Probenhandhabung an den Messsystemen in Richtung asymmetrischer Gemische weiterentwickelt werden, um sicherzustellen, dass die Messungen bei bekannten Zusammensetzungen durchgeführt werden.

• 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: Australien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Eric May; Professor Dr. Paul Stanwix