In einer Vielzahl von Kältemaschinen und Wärmepumpen werden ölgeschmierte Verdich-ter eingesetzt. Aufgrund ihrer Konstruktion kommt es zu einer Durchmischung des Arbeitsfluides mit dem eingesetzten Schmierstoff. Die thermodynamischen und Transporteigenschaften der so entstehenden Gemische können sich von denen der jeweiligen Reinstoffe deutlich unterscheiden. Für eine optimale Auslegung des Prozesses und der Komponenten ist daher die Kenntnis der Gemischeigenschaften notwendig. Für die Modellierung der Stoffdatenberechnungsalgorithmen ergeben sich jedoch Probleme, da eine Vielzahl von Eigenschaften des reinen Öles und des Gemisches nicht oder nur unzureichend genau vermessen werden können.
Durch den Ersatz von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotential kann ein Beitrag zum Klimaschutz geleistet werden. Insbesondere das Kältemittel R23 sowie die Gemische R508A und R508B sind solche Kältemittel.Im Rahmen dieser Arbeit wird experimentell dargestellt, dass sich diese Fluide durch Gemische von Kohlenstoffdioxid und Ethan oder Ethen ersetzen lassen. Hierzu werden die Gefriertemperaturen der Gemische sowie der mögliche Ersatz von R23 dargestellt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden experimentell die thermophysikalischen Eigenschaften Dampfdruck, Mischungslücke, Flüssigkeitsdichte, dynamische Viskosität, spezifische iso-bare Wärmekapazität und Grenzflächenspannung von niedrigviskosen Polyolestern im Gemisch mit Kohlenstoffdioxid, Ethan und Ethen untersucht. Diese Schmierstoffe sind typi-sche Vertreter für die Anwendung in kältetechnischen Kaskadenanlagen mit dem Arbeitsfluid R23. Basierend auf den experimentellen Daten wird in dieser Arbeit dargestellt, wie sich mittels mathematischer und thermodynamischer Zusammenhänge Zustands- und Be-rechnungsgleichungen für die genannten thermophysikalischen Eigenschaften ableiten lassen.
Zur Anpassung der Form und Koeffizienten der Zustandsgleichung werden neben den ther-modynamischen Eigenschaften auch die Grenzflächenspannung und die dynamische Vis-kosität mittels des Ansatzes der Viskosität-Residualentropie-Korrelation verwendet. An-hand der Methode des hängenden Tropfens können die Grenzflächenspannungen experimentell abgeleitet werden. Die dabei wesentliche Tropfenkontur kann im Weiteren über die Grenzflächenspannung auch zur Anpassung der Zustandsgleichung und somit auch zur Ableitung anderer thermophysikalischer Eigenschaften genutzt werden.:Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung
Nomenklatur
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Anhangsverzeichnis
1. Einleitung
2. Ziele der Arbeit
3. Tieftemperaturkältemittel für Anwendungen bis –100 °C
3.1 Thermophysikalische Eigenschaften von R23, R508A und R508B
3.2 Technische Anwendungen von R23 und R508A
3.3 Kohlenstoffdioxidgemische für Tieftemperaturanwendungen und potentielle R23-Ersatzstoffe
3.4 Kältemaschinenöle für Kälteanwendungen bis -100 °C
3.5 Untersuchte Fluide und Gemische mit Polyolestern
4. Berechnungsansätze zur Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaften der Stoffgemische
4.1 Berechnung von Fest-Flüssig-Gleichgewichten mittels der Schrödergleichung und deren Erweiterung
4.2 Ableitung von Phasengleichgewichten und thermodynamischen Zustandsgrößen aus der freien Helmholtz-Energie Fundamentalgleichung
4.3 Berechnung der Viskosität von Öl-Kältemittel-Gemischen mittels der Viskosität-Residualentropie-Korrelation
4.4 Berechnung der Oberflächenspannung der Öle und der Grenzflächenspannung der Gemische
4.5 Bestimmung der Koeffizienten und Terme der Zustandsgleichung mittels Messdaten und Strukturanpassung
5. Messapparaturen und Messdurchführungen zur Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaften der Gemische
5.1 Vorbereitung der untersuchten Fluide
5.2 Vermessung der Fest-Flüssig-Gleichgewichte von Kohlenstoffdioxid-Ethan und Kohlenstoffdioxid-Ethen Gemischen
5.2.1 Messapparatur zur Bestimmung von Fest-Flüssig-Gleichgewichte
5.2.2 Bestimmung der Fest-Flüssig-Gleichgewichte mittels der Rosini-Methode
5.3 Messapparatur und Auswertung der VLE- und LLE-Messungen von Öl-Kältemittel Gemischen
5.3.1 Messapparatur zur Bestimmung von VLE und LLE
5.3.2 Dampfraumkorrektur für isochore Messungen
5.3.3 Bestimmung der Form der LLE durch Vermessung der Mischungslückenteilvolumina
5.4 Vermessung der Dichte und dynamischen Viskosität der Öl-Kältemittel-Gemische
5.5 Messapparatur zur Bestimmung der spezifischen isobaren Wärmekapazität
5.5.1 Ermittlung der spezifischen Wärmekapazitäten mittels Kalorimetrie
5.5.2 Messapparatur zur Bestimmung der spezifischen isobaren Wärmekapazität
5.6 Optische Vermessung der Oberflächenspannung mittels der Methode des hängenden Tropfens
5.6.1 Ermittlung der Grenzflächenspannung von Fluiden in Gasatmosphären
5.6.2 Messapparatur zur Bestimmung der Oberflächenspannung
5.6.3 Auswertungsprozedur der Oberflächenspannungsmessung und Ableitung der Laplace- und Kapillarkonstanten
6. Messergebnisse der thermophysikalischen Stoffeigenschaften und Koeffizientenbestimmung
6.1 SLE von Kohlenstoffdioxid-Ethan und Kohlenstoffdioxid-Ethen-Gemischen
6.2 Mischungslücken der untersuchten Gemische
6.3 Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichte der Öl-Kältemittelgemische
6.4 Flüssigkeitsdichten der untersuchten Gemische
6.5 Dynamische und kinematische Viskosität der Stoffgemische
6.6 Spezifische isobare Wärmekapazitäten der Öle und Gemische
6.7 Grenzflächenspannung der Öl-Kältemittelgemische
7. Anlagentest zum Ersatz von R23 durch Kohlenstoffdioxid-Ethen-Gemische
7.1 Versuchsstand einer zweistufigen Kältekaskade
7.2 Vorbereitung, Durchführung und Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen an einer zweistufigen Kaskadenkälteanlage
7.3 Verbesserungsvorschläge für den Einsatz von Kohlenstoffdioxid-Ethen-Gemischen als Ersatz für R23 in Kaskadenkältemaschinen
8. Kurzdiskussion der Ergebnisse
9. Zusammenfassung
10. Literaturverzeichnis
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:74315 |
| Date | 31 March 2021 |
| Creators | Göpfert, Tobias |
| Contributors | Hesse, Ullrich, Kretzschmar, Hans-Joachim, Grenzer, Marina, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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