M. Wetzel

Zur Reduzierung der Emission ozon- und klimaschädigender Gase werden FCKW und FKW vermehrt durch natürliche Kältemittel (z.B. CO₂, NH₃, Propan) ersetzt. Als ein solches natürliches Kältemittel wird CO₂ aufgrund guter Wärmeübertragungseigenschaften und vorteilhafter Stoffeigenschaften (nicht brennbar, ungiftig, el. nicht leitfähig) heutzutage bereits eingesetzt, z.B. (Tief-)Kühlung, Busklimaanlagen und Wärmepumpen. Ein großes und bislang kaum erfasstes Problem stellt der Einfluss von Kältemaschinenöl auf den Wärmeübergang des verdampfenden Kältemittels dar. Aufgrund der Ölschmierung von Verdichtern in Kältekreisläufen kann eine Vermischung des Öls mit dem Kältemittel nicht vollständig verhindert werden. Dabei kann der Ölgehalt im Kältemittelkreislauf zwischen 1 bis 8 Gew.-% variieren. Versuche zeigen, dass bereits kleinste Ölkonzentrationen (< 1 Gew.-%) zu einer deutlichen Beeinflussung - meist Verminderung - des Wärmeübergangs führen können. Die Auslegung eines Verdampfers auf Basis für reine Kältemittel entwickelter Modelle zur Vorausberechnung des Wärmeübergangs kann somit sehr ineffektiv sein.

An der institutseigenen Versuchsanlage zum Strömungsverdampfen werden seit mehreren Jahren Versuche zum Wärmeübergang und Druckverlust beim Verdampfen von strömenden CO₂ durchgeführt. Durch einen zusätzlichen Ölkreislauf, welcher die Zu- dosierung von Kältemaschinenöl in den Kältemittelkreislauf ermöglicht, wird heute speziell der Einfluss des Öls auf den Wärme-übergang und den Druckverlust untersucht. Für die experimentelle Bestimmung des Wärmeübergangs wird dabei eine speziell entwickelte, segmentierte Messstrecke verwendet (s. Abbildung). Diese ermöglicht Wärmeübergangsmessungen bei konstanter Rohrwandtemperatur, welche Randbedingung der Anwendung (z.B. Verdampfer in Kühlmöbeln) entspricht.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen Versuche zum Wärmeübergang beim Strömungsverdampfen von reinem CO₂ sowie von CO₂-Öl-Gemischen durchgeführt und die Einflüsse der Ölkonzentration (0-3 Gew.-%), des Systemdrucks (10-40 bar), der Massenstrom- dichte (75-300 kg/m²) und des Eintrittdampfgehalts in die Messstrecke (0,1-0,9) auf den Wärmeübergang ermittelt werden. Die Messdaten sind auszuwerten und umfangsgemittelte sowie lokale Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen. Die experimentellen Ergebnisse sind schließlich mit Korrelationen aus der Literatur zu vergleichen.