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Maschinen- und EnergieanlagentechnikHeat2Cool

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Heat2Cool

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Im Rahmen des Projektes Heat2Cool wird in Kooperation mit dem Fachgebiet Verbrennungskraftmaschinen der TU Berlin eine Machbarkeitsstudie zur Integration verschiedener wärmegetriebener Kälteprozesse mit einem Verbrennungsmotor zur Kühlung der Ladeluft auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur durchgeführt.

Motorseitige Aspekte
Circa 50% aller Ottomotoren, die heutzutage produziert werden, sind mit einem Lader ausgerüstet. Ein Lader versorgt den Motor mit Luft auf einem höheren Druckniveau als in der Umgebung herrscht, wodurch die Leistung und die Effizienz des Motors gesteigert und gleichzeitig Emissionen verringert werden können. Der Lader kann entweder mechanisch durch den Motor oder durch eine Abgasturbine (Turbolader) angetrieben werden. Steigende Anforderungen an den Wirkungsgrad der Motoren machen eine noch breitere Anwendung von Ladern in Ottomotoren in der näheren Zukunft wahrscheinlich. Dieselmotoren sind bereits jetzt nahezu flächendeckend mit Turboladern ausgerüstete aufgeladene Direkteinspritzungsmotoren.Die Verdichtung der Ladeluft führt allerdings zu einer erhöhten Temperatur, die den Effekt der Druckerhöhung teilweise zunichte macht, da die Erhöhung der Leistungsdichte proportional zur Ladeluftdichte und nicht zum Ladeluftdruck ist. In Ottomotoren kann die erhöhte Temperatur zu unkontrollierter Verbrennung, also z.B. Klopfen führen. Daher wird bereits jetzt die Ladeluft vor dem Zylindereinlass durch einen Ladeluftkühler, also einen Luft/Luft oder Luft/Wasser Wärmeübertrager abgekühlt. Die tiefsten so erreichbaren Temperaturen sind Umgebungsluft- bzw. Kühlwassertemperatur.Die Einbindung einer Kältemaschine wie in Abb. 1 dargestellt, erlaubt die Abkühlung der Ladeluft auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur. Wird die Kältemaschine durch Abwärme angetrieben, wird keine Motorleistung entnommen, wodurch ein beträchtlicher Anstieg des Wirkungsgrades zu erwarten ist. Die chemische Energie des Kraftstoffs wird zu ungefähr gleichen Teilen in mechanische Energie, thermische Energie im Kühlwasser und thermische Energie im Abgas umgewandelt. Demnach besteht ein hohes Potenzial, die Kältemaschine ohne negative energetische Rückkopplung auf den Motor zu betreiben.

Untersuchte Kälteprozesse
Wärmegetriebene Kältemaschinen und ihr Potenzial zur Ladeluftkühlung sind der Schwerpunkt der vorliegenden Studie. Absorptionsprozesse mit flüssigen Sorbentien sind in stationären Anwendungen Stand der Technik, werden in mobilen Anwendungen aber fast gar nicht eingesetzt. In Abhängigkeit vom Arbeitsmedium kann Kristallisation den Arbeitsbereich dieser erprobten Anlagen einschränken. Bei Adsorptionsprozesse mit festen Sorbentien tritt das Kristallisationsproblem nicht auf. Gewicht und Bauraum dieser Anlagen sind allerdings problematisch. Der Vuilleumier-Prozess ist ein Gasprozess, der nicht durch Dampfdruckkurven oder Kristallisation beschränkt ist. In diesem Prozess wird durch zwei Verdrängerkolben Gas zwischen heißen und kalten Arbeitsräumen über Regeneratoren verschoben. Dabei werden Druckschwingungen erzeugt, die zu Wärmeübergang auf unterschiedlichen Temperaturniveaus führen. Thermoelektrische Elemente nutzen den Seebeck- oder Peltiereffekt, um eine elektrische Spannung oder eine Temperaturdifferenz zu erzeugen. Durch Kopplung thermoelektrischer Generatoren mit thermoelektrischen Kühlelementen kann die Abgasenergie in einen elektrischen Strom umgewandelt werden, der das Kühlelement antreibt. Dieses System hat den Vorteil eines geringen Gewichts, hoher Flexibilität und Zuverlässigkeit, wobei die darstellbaren Leistungszahlen eher gering sind. Thermoakustik meint die Umsetzung von Temperaturdifferenzen in Druckwellen und umgekehrt. Die Kopplung eines thermoakustischen Generators mit einem thermoakustischen Kühlelement kann durch direkte Verbindung der Resonatoren erfolgen. Dampfstrahlkälteanlagen nutzen eine Dampfstrahlverdichter zum Ansaugen und Verdichten von Niederdruckdampf durch einen Hochdruckdampfstrahl, wodurch auf der Niederdruckseite Verdampfungskühlung stattfindet.

Ziele der Untersuchung
Das Hauptziel der Untersuchung ist die Bewertung der aufgeführten Kälteprozesse in Bezug auf ihre Kälteleistung und Effizienz unter gegebenen motorseitigen Betriebsbedingungen und ihre technsiche Umsetzbarkeit für die mobile Anwendung. Hierfür werden grundlegende thermodynamische Modelle entwickelt, um die einzelnen Kälteprozesse abbilden zu können. In einem ersten Schritt werden die entscheidenden Modellparameter der unterschiedlichen Kälteprozesse identifiziert und ihre Wirksamkeit in der Kopplung mit einem Motormodell untersucht.

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Das Projekt Heat 2 Cool wurde von der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) im Rahmen des CO2 Sonderforschungsprogramms gefördert (Projektabschluss 12/2009).

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