Untersuchung des Druckverlustes und des Wärmeübergangs mit und ohne Phasenwechsel in CO2-Kältemittelleitungen

Im Bereich der Fahrzeugklimatisierung stellt das natürliche Kältemittel CO2 eine Alternative zu synthetischen Kältemitteln dar. In dieser Arbeit werden Druckverluste bei der einphasigen und zweiphasigen Durchströmung unterschiedlich geformter Rohrleitungen mit CO2 untersucht. Da in bisherigen Systembetrachtungen von Fahrzeugklimaanlagen die Kältemittelleitungen nicht detailliert abgebildet werden, wird zudem der Einfluss der teilweise mehrere Meter langen Rohrleitungen auf die Effizienz des Gesamtsystems analysiert. Außerdem wird der Wärmeübergang bei der Verdampfung von CO2 betrachtet. Druckverlust und Wärmeübergangskoeffizient werden experimentell bestimmt und mit Modellen der Systemsimulation sowie mittels numerischer Strömungssimulation berechnet. Eine Verschaltung einfacher eindimensionaler Modelle unterschätzt die Druckverluste realer Fahrzeugkältemittelleitungen um 46%. Für die mittels CFD berechneten Werte beträgt die Abweichung etwa 30%. Die Berücksichtigung der Druckverluste der Rohrleitungen in der Systemsimulation führt gegenüber einem Vergleichsmodell ohne Kältemittelleitungen zu einer Verringerung des COP um bis zu 9,3%. Der Verdampfungsprozess wird in einem elektrisch beheizten horizontalen Rohr untersucht. Es zeigt sich, dass Literaturkorrelationen den Wärmeübergangskoeffizienten bei hohen reduzierten Drücken deutlich überschätzen. Mit der numerischen Strömungssimulation wird mit einem Fehler von 9,5% eine gute Übereinstimmung zwischen berechneten und experimentell bestimmten Werten erzielt. Insbesondere werden das Austrocknen der Rohrwand und der damit verbundene Temperaturanstieg sehr gut lokalisiert.