Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Plattenverdampfern bei niedriger Überhitzung

摘要

Kühlaufgaben in der Industrie oder in mobilen Anwendungen sind häufig durch Lastverläufe mit hoher Dynamik geprägt. Die geforderte kurze Ansprechzeit bei der Bereitstellung von Kälte kann mit Plattenwärmeübertragern als Kältemittelverdampfer bei niedrigen Stückkosten und hoher volumetrischer Kälteleistung erreicht werden. Wenn zudem durch niedrigere Überhitzung ein Großteil der Verdampferlänge für zweiphasigen Wärmeübergang mit hohem Wärmeübergangskoeffizienten genutzt wird, dann können die Verdampferleistung gesteigert oder FKW-Füllmengen weiter reduziert werden. Hierdurch steigt aber insbesondere bei schnellen Lastwechseln die Gefahr von Flüssigkeitsanteilen am Verdampferaustritt und damit von Kompressorschäden durch Tröpfchenschlag oder Auswaschungen des Kältemittelöls. Schutzmaßnahmen wie Kältemittelsammler am Verdampferaustritt sind mit zusätzlichen Füllmengen und Kosten verbunden, weshalb sich ein regelungstechnischer Ansatz anbietet. In diesem Beitrag werden Ergebnisse aus Untersuchungen zur thermohydraulischen Stabilität von Plattenverdampfern bei niedriger Überhitzung vorgestellt. Ausgehend von stabilen Betriebspunkten wurden bei niedriger Überhitzung dazu Expansionsventilstellung oder Eintrittstemperaturen auf der Sekundärseite systematisch variiert. Zusätzlich wurde eine optische Messstrecke in der Sauggasleitung aufgebaut und die Aufnahmen der Hochgeschwindigkeitskamera zur Quantifizierung von Tröpfchen mathematisch ausgewertet. Beobachtet werden konnte ein nichtlineares Verhalten des untersuchten Verdampfers gegenüber den variierten Größen und die starke Zunahme von Kältemitteltröpfchen bei niedriger Überhitzung. Außerdem konnte das Auftreten von thermohydraulischen Oszillationen im Bereich von 0 K Überhitzung festgestellt werden, die mit zeitweise großen Flüssigkeitsanteilen am Verdampferaustritt verbunden waren. Abschließend werden Einschränkungen und mögliche Verbesserungen bei der üblichen Überhitzungsregelung mit Druck- und Temperatursignal sowie Herausforderungen für alternative Regelungsansätze bei transienten Betriebsbedingungen diskutiert.