Hochdruck-Flüssigkeitseinspritzung in Hubkolbenverdichtern

Abstract

Im Forschungsprojekt COMPLI (Compressor Liquid Injection, Förderkennzeichen 13FH551KX0) wird ein Verfahren zur Hochdruck-Direkteinspritzung von flüssigem Kältemittel bei Hubkolbenverdichtern in Kälteanlagen untersucht. Die eingespritzte Flüssigkeit soll im Arbeitsraum verdampfen und dadurch das verdichtete Gas kühlen. Durch die reduzierten Verdichtungsendtemperaturen sollen höhere Verdichtungsverhältnisse im einstufigen Betrieb sowie eine höhere Effizienz erreicht werden. Mittels eines thermodynamischen Kammermodells wird das Potenzial des Verfahrens bestimmt. Insbesondere bei Arbeitsstoffen mit hohem Isentropenexponent und hoher Verdampfungsenthalpie sind eine erhebliche Reduktion der Verdichtungstemperatur sowie eine erhebliche Erhöhung der Effizienz möglich. Unter den üblicherweise als Kältemittel eingesetzten Stoffen zeigen sich besonders positive Effekte bei R717 (Ammoniak), R718 (Wasser) und R744 (CO2). In Vorversuchen wird die Einspritzung und Zerstäubung von flüssigem Kältemittel mit herkömmlichen Kfz-Benzineinspritzventilen erprobt. Der Ansatz zeigt sich als grundsätzlich funktionsfähig. Zur Untersuchung der Einspritzung im Gesamtkreislauf wird ein Demonstratorkreislauf mit modifiziertem Verdichter und Einspritzpumpe aufgebaut. Die zeitlich nach dem Kurbelwinkel gesteuerte Flüssigkeitseinspritzung kann damit erfolgreich umgesetzt werden. Die erwartete Reduktion der Verdichtungstemperaturen kann experimentell nachgewiesen werden. Eine Steigerung der Verdichtungseffizienz konnte in bisherigen Versuchen noch nicht nachgewiesen werden, allerdings besteht erhebliches Potenzial zur Optimierung der Einspritzparameter. Dieses soll im Anschlussforschungsprojekt COMPLIDI (Förderkennzeichen 13HAW32PX4) weiter untersucht werden.