Untersuchung der Vereisung von Mikrokanal-Wärmeübertragern

摘要

In batterieelektrischen Fahrzeugen werden reversible Wärmepumpen zur energieeffizienten Beheizung des Fahrzeuginnenraums eingesetzt. Dabei fungiert der Umgebungswärmeübertrager (hier Mikrokanal-Wärmeübertrager) als Verdampfer und nimmt Wärme aus der Umgebung auf. Befindet sich die Oberflächentemperatur des Verdampfers unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser und unterschreitet die Außenluft beim Durchströmen des Wärmeübertragers ihren Taupunkt, desublimiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf an der Oberfläche des Wärmeübertragers. Während des Vereisungsprozesses verringert sich die Übertragungsfähigkeit und der luftseitige Druckverlust des Wärmeübertragers erhöht sich. Dadurch kann die Gesamteffizienz der Wärmepumpe soweit abnehmen, dass die benötigte Heizleistung nicht mehr über die Wärmepumpe abgedeckt werden kann und ein elektrischer Zusatzheizer zugeschaltet werden muss. Hat sich die Effizienz der Wärmepumpe drastisch verringert, wird der vereiste Umgebungswärmeübertrager i.d.R. durch Prozessumkehr abgetaut. Anschließend kann der Wärmepumpenbetrieb erneut beginnen. Mithilfe eines Simulationsmodells einer Wärmeübertragervereisung lässt sich der Vereisungsprozess bei der Auslegung eines Fahrzeugwärmepumpen-Verdampfers oder bei einer Entwicklung einer Regelungsstrategie berücksichtigen. In dieser Arbeit wird ein Modell zur Vorhersage des Reifwachstums vorgestellt, mit dem der übertragene Wärmestrom, die Reifdicke sowie die Reifmasse des Wärmeübertragers bei unterschiedlichen Randbedingungen berechnet werden kann. Das Modell wurde anhand experimenteller Messungen mit drei unterschiedlichen Wärmeübertragergeometrien (Lamellenteilung 2,0, 2,3 und 2,8 mm) validiert. Zudem werden bekannte Berechnungsmodelle zur Bestimmung des luftseitigen Druckverlusts während einer Vereisung beleuchtet und dabei ausblickend eine Modifikation der Modelle diskutiert.