Masterarbeit Matti Rademacher

 

Simulative Bewertung von Stoffmodellen für Gemische und Reinstoffe in Kältemittelkreisläufen mit Betriebsdynamik

Ablaufschema der Kältemittelentwicklung. Urheberrecht: EBC Ablaufschema der Kältemittelentwicklung.

Im Hinblick auf die klimapolitischen Ziele der Bundesregierung stellt die Wärmepumpe im Gebäudesektor eine Schlüsseltechnologie zur Reduktion klimaschädlicher Treibhausgase dar. Die für die Anwendung von Wärmepumpen notwendigen Kältemittel sind stark klimaschädlich. Aus diesem Grund findet seit dem Montrealer Protokoll 1987 eine Einschränkung des Verkaufs aller ozonschädigenden Kältemittel statt. Weiterhin erfolgt seit 2015 durch die F-Gas-Verordnung eine weitere Beschränkung aller Kältemittel mit einem zu hohen Erderwärmungspotential. Es besteht somit ein Bedarf an alternativen Kältemitteln. Die Abschätzung des Einflusses alternativer Kältemittel auf die Effizienz der Wärmepumpe wird dabei häufig auf Basis von Simulationsmodellen durchgeführt. In dieser Arbeit werden ein Reinstoffmodell und ein Modell für ein Gemischkältemittel entwickelt.

Das Stoffmodell stellt bei Simulationsmodellen ein wichtiges Untermodell dar, da sich sowohl die Geschwindigkeit als auch die Genauigkeit des Stoffmodells auf die Qualität des Wärmepumpensystems auswirken. In der vorliegenden Arbeit werden für das natürliche Kältemittel R290 und für das zeotrope Gemisch R407C Stoffmodelle entwickelt. Die Stoffmodelle basieren auf einem hybriden Ansatz aus reduzierter Helmholtz-Fundamentalgleichung und expliziten Funktionen. Dieser Ansatz stellt eine hohe Simulationsgeschwindigkeit in Kombination mit einer angemessenen Genauigkeit sicher. Die Fundamentalgleichung wird dabei der Literatur entnommen und gilt als anerkannte Referenzgröße. Die Bewertung der Güte findet somit anhand einer Untersuchung der expliziten Funktionen statt. Die Funktionen werden mit Hilfe von Regressionsanalysen entwickelt. Die Validierung der Regressionsfunktionen wird mittels eines entwickelten Genauigkeits-Geschwindigkeits-Ansatzes durchgeführt. Der Ansatz untersucht anhand der zugrundeliegenden Numerik und in Abhängigkeit der Koeffizientenanzahl beide Faktoren in Kombination. Dies führt zu einer langfristigen Reduktion der Geschwindigkeit der Stoffmodelle unter weiterhin angemessener Genauigkeit. Da hierbei vemehrt exponentielle Ansätze angewandt werden, sind Abweichungen zu vorherigen Arbeiten auffällig.

Der relative Fehler der entwickelten einphasigen Dichtefunktion liegt im Intervall von 10^(-3) bis 10 % mit einzelnen höheren Abweichungen um den kritischen Punkt. Die Temperaturfunktionen weisen Abweichungen im Intervall von 10^(-6) bis 10^(-2) % auf. Weiterhin liegen die Ergebnisse der Funktionen zu über 99,8% innerhalb der durch die Messunsicherheit beschriebenen Toleranzen und werden damit als angemessen genau bewertet. Die entwickelten Stoffmodelle von R290 und R407C erlauben die Analyse und Bewertung zweier Kältemittel im Wärmepumpensystem. Die Auswirkungen dieser und weiterer alternativer Kältemittel sollte vor dem Hintergrund der Klimaschutzvereinbarungen in zukünftigen Arbeiten untersucht werden.