Projekt 05279/01

Untersuchung der Eignung einer Kältemaschine mit CO2 als Arbeitsmedium zur Fahrzeugklimatisierung

Projektdurchführung

Universität KasselFachbereich 24 Produkt-Design
Menzelstr. 15
34121 Kassel

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Nutzung des Kältemittels R 134a in Fahrzeugklimaanlagen ist wegen des beträchtlichen Treibhauspotentials dieses Stoffes problematisch. Eine interessante Alternative stellt der Kaltdampfprozeß mit CO2 als Kältemittel dar. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Eignung von CO2 nachzuweisen, Betriebserfahrung mit einer Versuchsanlage zur Busklimatisierung zu sammeln und die Anforderungen an Komponenten, wie beispielsweise Verdichter und Gaskühler, näher zu bestimmen. Zu diesem Zweck soll ein Funktionsmuster einer solchen Anlage aufgebaut und experimentell untersucht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAls erster Schritt wurde ein Anlagenkonzept erarbeitet. Da bei dem Kooperationspartner Konvekta schon eine einfache Versuchsanlage aufgebaut wurde, wurde für dieses Projekt eine erweiterte Variante mit einem Sammler nach dem Verdampfer und einem inneren Wärmeübertrager gewählt. Zur genaueren Messung der im Betrieb auftretenden Wärmeströme wurden der Gaskühler und der Verdampfer nicht gegen Luft sondern gegen Wasser betrieben. Um die Güte des eingesetzten Kältemittelverdichters
FK3-CO2 der Fa. Bock besser bestimmen zu können, wurden in beiden Zylindern Meßaufnehmer zur Indizierung angebracht.
Nach dem Aufbau der Anlage wurden verschiedene Versuchsreihen durchgeführt. Es wurde jeweils ein bestimmtes Raster mit verschiedenen festen Drehzahlen, Verdichterhochdrücken und Gaskühleraustrittstemperaturen des Kältemittels angefahren und an diesen Punkten alle interessanten Druck-, Volumenstrom- und Temperaturwerte gemessen. Diese Meßwerte wurden nur während des stationären Betriebs des Kältekreislaufs aufgenommen, d.h. wenn sich über einen bestimmten Zeitraum die Meßwerte nicht mehr verändert haben.
Für die erste Meßreihe wurde in den Verdichter eine Gleitringdichtung AX-40K von Simrax eingebaut und das Öl Reniso CO2-150-E von Fuchs eingefüllt. Die zweite Meßreihe wurde mit gleichem Öl, aber mit der originalen Gleitringdichtung des Verdichters durchgeführt. Bei der dritten Meßreihe wurde auch noch das Öl geändert, hier wurde ein CO2-Kältemaschinenöl von Anderol verwendet.


Ergebnisse und Diskussion

Bei den Kalorimetermessungen der ersten beiden Meßreihen wurden Kälteleistungszahlen zwischen 1,2 und 2,8 gemessen. Diese Kälteleistungszahlen hingen nur von der Drehzahl und von der Gaskühleraustrittstemperatur ab, es gab keinen merklichen Unterschied zwischen den beiden Meßreihen mit unterschiedlichen Gleitringdichtungen. Bei der dritten Meßreihe, bei der ein anderes Kältemaschinenöl verwendet wurde, wurden Kälteleistungszahlen zwischen 1,0 und 2,1 gemessen. Diese waren in allen Drehzahl- und Temperaturbereichen schlechter als in den ersten beiden Meßreihen. Auch die Kälteleistung war bei den Messungen mit dem zweiten Öl geringer.
Die Indizierung des Kältemittelverdichters führte zu mehreren interessanten Ergebnissen. Bei den verschiedenen Messungen wurden sehr gute indizierte Wirkungsgrade gemessen, die zwischen 0,75 und 0,9 lagen. Auch die indizierten Liefergrade, die zwischen 0,8 und 0,92 lagen, waren sehr gut. Weiterhin konnte aus den Verläufen der Verdichtungs- und der Rückexpansionslinie geschlossen werden, daß nur sehr geringe Leckageverluste durch die Ventile oder durch die Kolbendichtungen auftraten. Ein Schwachpunkt des Verdichters war an den p-V-Diagrammen sehr gut zu erkennen. Die Druckerhöhung beim Ausschieben des komprimierten Kältemittels aus dem Zylinder war mit 15 - 25 bar sehr hoch. Dies ist ein deutlicher Hinweis auf hohe Strömungsverluste in den Ventilen, die durch eine ungünstige Ventilgeometrie entstehen. Durch eine Veränderung dieser Ventilgeometrie könnten diese Verluste verringert und dadurch der Wirkungsgrad des Verdichters gesteigert werden. Die Ansaugdruckverluste waren mit
2 - 4 bar gering, so daß diese durch eine Änderung der Geometrie der Saugventile nur noch geringfügig verbessert werden könnten.
Nach einer Betriebszeit von ca. 100 Stunden wurde ein Teil des Kältemaschinenöls Reniso CO2 150E dem Hersteller zur Untersuchung zurückgegeben. Dieser stellte fest, daß das Öl mit gelöstem bzw. feinverteiltem Aluminium und Eisen versetzt war, nach Abfiltern dieser Bestandteile aber mit Frischöl nahezu identisch war.
Beim Hersteller der in der ersten Meßreihe eingesetzten Gleitringdichtung AX40K wurden deren Reibleistungen unter den in den Messungen gegebenen Voraussetzungen gemessen. Diese lagen je nach Druck und Drehzahl zwischen 15 und 36 kW. Bei in den Messungen aufgetretenen Antriebsleistungen zwischen 3 und 9 kW spielen daher die benötigten Reibleistungen in der Gleitringdichtung keine Rolle. Beide eingesetzten Gleitringdichtungen wiesen eine sehr geringe Leckage auf, auch konnte bei den kurzen Laufzeiten an den Dichtflächen kein merklicher Verschleiß festgestellt werden. Bei der Gleitringdichtung AX40K traten Probleme an eingesetzten O-Ringen auf. Diese Gummiringe waren schon nach kurzer Einsatzzeit zerstört, was an bei den schwankenden Drücken in die Ringe eindringenden und wieder austretenden Kohlendioxid liegt.
Bei der Untersuchung des zu erwartenden TEWI-Wertes einer CO2-Kälteanlage wurde festgestellt, daß dieser Wert voraussichtlich besser ist als bei einer vergleichbaren R134a-Anlage. Allerdings hängt ein berechneter TEWI-Wert sehr stark von den Annahmen ab, die bezüglich der Klimaanlagen getroffen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Teile der Ergebnisse wurden während des CO2 Technology Workshop in Trondheim, Norwegen, vom
13 -14. Mai 1997 vorgetragen.
Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Studie über das TEWI-Konzept als Bewertungskriterium mobiler Klimaanlagen durchgeführt und in der Zeitschrift KK Die Kälte- und Klimatechnik im März 1997 veröffentlicht.


Fazit

Die Ergebnisse zeigen, daß Kohlendioxid ein sehr gut geeignetes Kältemittel für die mobile Klimatisierung darstellt. Um dieses jedoch in Zukunft serienmäßig in der mobilen Kühlung einsetzen zu können, muß vor allem der Verdichter verbessert werden. Eine Steigerung des Verdichterwirkungsgrades wäre durch eine Veränderung der Ventile zu erreichen. Weiter müßten Veränderungen am Verdichter durchgeführt werden, die zu einer längeren Lebensdauer führen. Die Auswahl eines geeigneten Kältemaschinenöles ist wichtig, da ein Einfluß des Öles auf die Kälteleistungszahl der Kälteanlage eindeutig nachweisbar ist. Zur Abdichtung der Kurbelwelle reicht durchaus eine einfache Gleitringdichtung, wie sie schon in anderen Kältemittelverdichtern eingesetzt wird.