Kältekreisprozesse

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Unsere Vision ist die energieeffiziente und nachhaltige Wärmeversorgung durch systematische Weiterentwicklung des Kältekreisprozesses – vom Molekül bis zur Betriebsstrategie.

Wir erforschen Wärmepumpen und Kältemaschinen mit dem Fokus auf Steigerung der Energieeffizienz und Reduzierung der direkten Emissionen. Beginnend bei der spezifischen Fluidauswahl, über die optimale Komponentenauslegung und der Systemaggregation, bis hin zur Regelung, entwickeln und begleiten wir die nächste Generation von Kältekreisen, sowohl im zivilen als auch im industriellen Maßstab.

Dabei verbinden wir theoretische Analysen mit experimentellen Untersuchungen am Hardware-In-The-Loop-Prüfstand. Die Entwicklung statischer und dynamischer Kreisprozesssimulationen erfolgt, basierend auf den thermodynamischen Grundlagen, mittels weit verbreiteten Programmiersprachen (Matlab, Python, Modelica). Mithilfe experimentell gewonnener Messdaten können die Simulationsmodelle, sowohl ganzer Kältekreise als auch einzelner Anlagenkomponenten, kalibriert und validiert werden. So werden allgemeingültige und gleichzeitig bedarfsgerechte Auslegungs- und Regelstrategien entwickelt, welche auf zukünftige Kältekreisläufe angewendet werden.

 

Die Kompressionskältemaschinen und Wärmepumpen sind etablierte Energiewandlungsmaschinen mit einer langen Historie, die sowohl im zivilen als auch im industriellem Bereich Anwendung finden. Einfach ausgedrückt: Diese Maschinen sind nicht mehr aus dem alltäglichen Leben wegzudenken! Je nach Anwendung und Einsatzbereich stellen diese Kälte und Wärme in einem breiten Temperaturbereich (Kryotechnik / Trinkwarmwasser) bereit. Durch den fortschreitenden Klimawandel und dem damit einhergehenden Trend der Elektrifizierung gilt die Wärmepumpe als Schlüsseltechnologie für die Wärmeversorgung der Zukunft. Jüngste Diskussionen zeigen außerdem, dass Wärmepumpen auch im Hochtemperaturbereich bei innovativen Prozessansätzen (Strom-Wärme-Strom-Speichersysteme) immer stärker in den Fokus rücken.

Zusammenfassend lassen sich unsere Forschungsschwerpunkte wie folgt darstellen:

1. Theoretische und experimentelle Analyse und Bewertung von Arbeitsfluiden mit dem Fokus auf nachhaltige Kältemittel (Kohlenwasserstoffe, CO₂ und Kältemittel mit einer geringen Treibhauswirksamkeit)
   • Reinstoffe
   • Maßgeschneiderte Kältemittelgemische orientiert an konkreter Anwendung
   • Sicherheitsbetrachtungen brennbarer Kältemittel
2. Optimierung von Auslegung und Betrieb des Kältekreisprozesses
   • Dynamische Simulationen von komplexen Kältekreisschemen
   • Experimentelle Untersuchung am Hardware-In-The-Loop Prüfstand
   • Methodenentwicklung mit dem Fokus auf verschiedene Regelungsstrategien (Analyse der Reifbildung und entsprechende Abtaustrategien, Vorsteuerung und –regelung mittels Komponenten und Gesamtsystemmodellen)
3. Analyse und Optimierung einzelner Anlagenkomponenten
   • Untersuchung von Bereifungs- und Abtauprozessen von Verdampfern bei Luft als Wärmequelle
   • Theoretische und experimentelle Analyse unterschiedlicher Verdichtertypen mittels Verdichterprüfstand
   • Wechselwirkungen von Öl und Arbeitsfluid