Entwicklung von Modellen zur Berechnung der Viskosität und Wärmeleitfähigkeit von Öl-Kältemittel-Gemischen

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Monika Thol, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510921053

Öleingespritzte Rotationsverdrängerkompressoren werden hauptsächlich für die Verdichtung von Kältemitteln in Heizung, Lüftung und Klimaanlagen eingesetzt. Die Effizienz solcher Maschinen wird weitgehend durch die unvermeidlichen zweiphasigen Stoß- und Spaltströmungen in diesen Kompressortypen bestimmt. Aufgrund der Komplexität der Simulation der Zweiphasenströmung in den engen Spalten mit beweglichen Grenzen als auch aufgrund des Mangels an genauen Modellen für die thermophysikalischen Eigenschaften der stark asymmetrischen Flüssigkeitsgemische aus Öl und Kältemittel stellt die Berechnung solcher Strömungen immer noch eine große Herausforderung dar. Die Forschungsgruppe FOR 5595 bestehend aus sieben interdisziplinären Projektpartnern bietet die einzigartige Gelegenheit diese Wissenslücke zu schließen. Die drei Teilprojekte der Gruppe A befassen sich mit der Entwicklung neuer Analyse- und Berechnungsmethoden für die Zweiphasen-Spaltströmungen, während die vier Teilprojekte der Gruppe B die Messung und Modellierung der thermophysikalischen Eigenschaften der Öl-Kältemittel-Gemische behandeln. Innerhalb dieses Konsortiums zielt das Teilprojekt B4 auf die Entwicklung von Modellen für die Viskosität im newtonschen Bereich und für die Wärmeleitfähigkeit zur Charakterisierung stark asymmetrischer Öl-Kältemittel-Gemische ab. Zu diesem Zweck werden zunächst bestehende Literaturmodelle auf ihre Anwendbarkeit und Genauigkeit hin überprüft. Mit diesen Ergebnissen werden anschließend zwei Entwicklungsstränge verfolgt: (1) Der physikalisch basierte Entropy-Scaling Ansatz wird für die komplexen in der Forschergruppe adressierten Gemische weiterentwickelt werden. Aufgrund seines physikalisch basierten Charakters kann dieser Ansatz anschließend leicht auf andere Öl-Kältemittel-Systeme übertragen werden. (2) Der zweite Entwicklungsstrang sieht die Entwicklung eines rein empirischen Modells vor. Dieses wird zwar nicht universell auf jedes beliebige Gemisch übertragbar sein, aber es wird für ausgewählte Systeme deutlich genauere Ergebnisse als der Entropy-Scaling Ansatz liefern. Um dieses Ziel zu erreichen, werden zunächst vergleichsweise einfache und experimentell umfangreich untersuchte Systeme wie zum Beispiel Gemische aus Kohlendioxid mit Alkanen oder anderen geeigneten homologen Reihen systematisch untersucht. Dabei führt die Berücksichtigung langkettiger Alkane bereits zu Gemischen, deren Asymmetrie und Komplexität mit der von Kältemittel/Öl-Gemischen vergleichbar ist. Die daraus gewonnen systematischen Ergebnisse werden dann auf weniger gut vermessene Systeme wie stark asymmetrische Öl-Kältemittel-Gemische übertragen. Die in beiden Entwicklungssträngen gewonnenen Kenntnisse bilden zugleich die Basis für eine anschließende Entwicklung geeigneter Modelle für die Wärmeleitfähigkeit stark asymmetrischer Gemische.

• 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.; Dr. Eric Lemmon