Messung und Modellierung der zweiphasigen Öl-Kältemittel-Spaltströmungen in Rotationsverdrängerkompressoren

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

Öleingespritzte Rotationsverdrängerkompressoren (RPDC) wie Schraubenmaschinen werden häufig zur Verdichtung von Kältemitteln in HVAC-Systemen (Heizung, Lüftung und Klimaanlagen) verwendet. Die energetische Effizienz diese Energiewandler wird dabei zu einem maßgebenden Teil durch die unvermeidlichen Schwallströmungen vor einem Rotorzahn und die anschließende zweiphasige Öl-Kältemittel Spaltströmung zwischen Rotor und Gehäuse bestimmt. Im Rahmen des Teilprojektes A1 werden in der 1. Förderphase der Forschungsgruppe FOR 5595 Modelle zur eindimensionalen Berechnung der zweiphasigen Spaltströmungen entwickelt. Dabei werden die maßgebenden Effekte, wie beispielsweise die Ausgasung des Kältemittels aus dem Öl infolge des Druckgradienten im Spalt oder die bewegte Spaltberandung berücksichtigt. Gleichzeitig werden die lokalen Verluste durch die Wandreibung aufgelöst. Grundlage für diese Modellentwicklung bilden generische Versuche einer rotierenden Kontur in einem Gaszylinder. Dabei wird das Verhältnis der in Strömungsrichtung im Spalt wirkenden Reibungskräfte zur den Trägheitskräften systematisch variiert. Entsprechend werden die Versuche mit einem rotierenden Kreiszylinder als Kontur begonnen (Couette-Strömung) und in Richtung einer rotierenden Rotorkontur (Couette-Poiseuille Strömung mit veränderlichen Spaltquerschnitt) variiert. Bei den Couette-Strömungsexperimenten wird das Drehmoment als Maß für die wirkende Wandschubspannung erfasst. Bei den Couette-Poiseuille Versuchen wird der zweiphasige Spaltmassenstrom zusammen mit der Druckverteilung in Spaltströmungsrichtung gemessen. Als Zweiphasengemische wird zunächst Wasser mit Stickstoff (geringe Löslichkeit), dann Wasser mit Kohlendioxid (mäßige Löslichkeit) und anschließend n-Dekan mit Kohlendioxid (starke Löslichkeit) untersucht. Die komplexen Stoffdatenmodelle für diese zunehmend asymmetrischen Gemische werden durch die Teilprojekte der B-Gruppe entwickelt. Auf Basis von Hochgeschwindigkeitsvideos werden zusammen mit Teilprojekt A2 (Kriegseis) die Strömungsformen im Spalt analysiert und in Strömungskarten überführt. Anschließend werden Ansätze zur Berechnung der in Strömungsrichtung wirkenden Trägheitskräfte und Wandreibungskräfte aufgestellt. Die erforderlichen Modelle z.B. für den Schlupf zwischen der gasförmigen und flüssigen Phase werden zusammen mit Teilprojekt A2 und der hochaufgelösten numerischen Strömungssimulation durch Teilprojekt A3 (Schröder) entwickelt. Mit den validierten Ansätzen für die Trägheits- und Reibungskräfte kann letztlich der gesuchte zweiphasige Öl-Kältemittel Spaltmassenstrom sowie der Spaltverlust für ein aufgeprägtes Druckgefällte über dem Spalt durch die numerische Integration der eindimensionalen Erhaltungsgleichungen je Phase berechnet 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
• Großgeräte: Magnetic bearings
• Gerätegruppe: 2850 Getriebe und spezielle Maschinenteile