Dynamische Modellierung einer Kältemittel-Luft-Wärmepumpe Analyse des Einflusses der Drosselmodellierung auf die Betriebspunktsimulation

摘要

Im Rahmen dieses Beitrages soll ein prädiktives, dynamisches Modell einer Kältemittel-Luft-Wärmepumpe, welche im Haushaltswäschetrockner verwendet wird, vorgestellt werden. Die Wärmeübertrager (s. Bild 1) sind sowohl durch den Kältemittel- als auch durch den Luftstrom miteinander gekoppelt - eine Besonderheit der Wärmepumpen-Anwendung, die das Konvergenzverhalten des Simulationsmodells erschwert. Es wurde eine Methode für die automatische Initialisierung des Modells entwickelt, die für die Konvergenz der Wärmepumpensimulation sorgt. Die Methode berücksichtigt neben der Energie- und Massenbilanz auch die Mach-Zahl am Drosselaustritt als Bedingung für einen zulässigen Betriebspunkt. Als Drosselorgan werden bei der Anwendung der Wärmepumpe im Haushaltswäschetrockner häufig Kapillaren verbaut. Die Modellierung des Phasenwechsels und die zweiphasige Strömung des Kältemittels durch die Kapillare sind sehr komplex. Eine Schwierigkeit bei der Simulation besteht u.a. bei der Wahl der geeigneten Viskositätskorrelation im Zweiphasengebiet, die das Drosselverhalten der Kapillare maßgeblich beeinflusst und für die es in der Literatur keinen allgemeingültigen Ansatz gibt. Die Sensitivität der Viskosität des Kältemittels im Zweiphasengebiet sowie die Betrachtung eines nicht-isenthalpen Drosselvorgangs auf den Betriebspunkt der Wärmepumpe werden im Beitrag diskutiert. Die Simulationsergebnisse der Wärmepumpe werden mit realen Messwerten verglichen. Es wird die Notwendigkeit eines Kapillarprüfstandes zur Bestimmung der geeigneten Viskositätskorrelation abgeleitet und der Aufbau dessen vorgestellt. Eine Herausforderung besteht darin, neben dem Druck auch den Dampfgehalt des Kältemittels am Kapillaraustritt messtechnisch präzise zu erfassen.