Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0074;F-Wärmepumpen und Kälte
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Durch die Arbeiten im Forschungsprojekt LOREF1.1 soll der Wirkungsgrad und die Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen durch eine optimale Nutzung von Umgebungsluft als Wärmequelle erhöht werden. Dabei wird die Eis- und Frostbildung durch Simulation von simultanem Wärme- und Stoffübergang analysiert und durch geeignete Prozessführung und neuartige Nanobeschichtungen günstig beeinflusst.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Im ersten Teil des Projekts LOREF wurde eine Versuchsanlage aufgebaut: Ein Versuchsluftkühler 1, eine einseitig gekühlte Platte, und die dazu notwendige Luftaufbereitungsanlage wurden konzipiert, hergestellt und montiert. Die anfänglich relativ grossen Wärmeeinbrüche in den Versuchsluftkühler wurden durch eine Kühlboxweitgehend eliminiert.Die Frostbildungs- und Abtauversuche wurden an einem 12 mm breiten Spaltkanal gemacht. Die Versuche über die Frostbildung haben ergeben, dass der Wärmestrom trotz wachsender Frostschicht quasi konstant bleibt, dies über Frostdicken bis zu 5 mm und über 8 Stunden Betriebszeit. Dieses Verhalten wird durch die Verdichtung und die somit erhöhte Wärmeleitfähigkeit des Frosts erklärt. Bei den Abtauversuchen konnte bei bestimmten Betriebsbedingungen ein partielles Abgleiten von Matsch beobachtet werden. Unterschiede zeigen sich am Schluss der Abtauung: Je nach Betriebsbedingungen haften am Ende unterschiedlich viele Tropfen auf der Frostbildungsplatte.In Versuchen mit einer hydrophob beschichteten Platte konnten zwei positive Trends festgestellt werden: Es entsteht ein etwas dichterer Frost, was eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit und somit auch einen höheren übertragenen Wärmestrom zur Folge hat. Bei Versuchen über die Abtauung blieben am Ende nur wenige Tropfen aufder Frostbildungsplatte zurück.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
HTA Luzern
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Berlinger,Louis
Hilfiker,Karl
Imholz,Martin
Sahinagic,Rashid
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Der Einsatz von Luft/Wasser-Wärmepumpen (L/W-WP) zur Gebäudeheizung nimmt immer mehr zu. Auf der Luftseite des Verdampfers scheidet sich durch Partialkondensation bzw. Partialdesublimation Wasser in Form von Kondensat, Frost oder Eis ab. Frost und Eis verstopfen den Verdampfer, der luftseitige Druckver-lust steigt und mit sinkendem Luftdurchsatz sinken der übertragene Wärmestrom, die Heizleistung und die Leistungszahl. Das Ziel des Forschungsprojekts LOREF ist, die Geometrie des Lamellenluftkühlers/Verdampfers sowie die Prozessführung zu optimieren, damit L/W-WP trotz Eis- und Frostbildung möglichst hohe Leistungszahlen erreichen.
Im Teil 2 dieser Studie werden sämtliche für das mathematisch-physikalische Simulationsprogramm benö-tigten Gleichungen und Gleichungssysteme hergeleitet. Es wird dargestellt, wie die einzelnen Simulations-programme aufgebaut sind. Zusätzlich sind die Validierungen der verschiedenen Simulationsprogramme detailliert dokumentiert.
In einem ersten Schritt werden die für die Modellierung der Abkühlung feuchter Luft mit Partialkondensati-on und Partialdesublimation benötigten Gleichungen der simultanen Wärme- und Stoffübertragung an einem vereinfachten Modell erarbeitet. Anhand der Merkelschen Hauptgleichung werden das Temperatur- und Feuchtigkeitsgefälle auf ein Gefälle, das Enthalpiegefälle, reduziert und so die benötigten Gleichungen ohne Genauigkeits-Einbussen stark vereinfacht.
Damit die komplexen Wärmeübertragerschaltungen iterationslos berechnet werden können wird die Betriebscharakteristik eines mit Kältesole durchströmten Lamellenluftkühlers hergeleitet. Diese wird schrittweise erarbeitet, d.h. es wird mit einer einfachen Schaltung (einfacher Gegenströmer) und ohne Stoffaustausch begonnen. Dieses Modell wird anschliessend zu einem berippten Rohrelement mit Wärme- und Stoffaustausch an der Lamelle und an der Rohroberfläche erweitert.
Zur Berechnung des luftseitigen Druckverlustes werden verschiedene Bereiche definiert: Kondensation, reine Vereisung, Vereisung – Verfrostung und reine Verfrostung. In jedem Bereich werden geeignete Korre-lationen erarbeitet, welche auf physikalischem Hintergrund basieren. Anhand der Lamellenoberflächen- bzw. Grenzschichttemperatur wird entschieden, welcher Frostbildungsbereich zur Anwendung kommt. Diese Modellierung ermöglicht eine exakte Simulation der zeitlichen Entwicklung des Druckverlustes des Lamellenluftkühlers oder gar einer einzelnen Rohrreihe.
Bei der Berechung der Wärmeübertragerschaltung wird dieser in die einzelnen Rohrreihen aufgeteilt, welche jeweils mit der Betriebscharakteristik beschrieben werden. Die eigentliche Berechnung erfolgt anschliessend iterationslos mit Hilfe gekoppelter Matrizengleichungen.
Der Aufbau des Simulationsprogramms des Lamellenluftkühlers mit Kältesole wird detailliert beschrieben und in einem Ablaufdiagramm dargestellt. Das Simulationsprogramm wird mit Messdaten validiert. Hier zeigt sich die hohe Genauigkeit über den gesamten Bereich der relevanten Lufttemperaturen und Feuchtigkeiten.
Weiter wird das bestehende Simulationsprogramm durch die rohrinnenseitige Verdampfung von Kältemittel (R407C) schrittweise erweitert. Das modifizierte Simulationsprogramm des Lamellenluftkühlers wird anschliessend durch die mathematisch-physikalische Modellierung der gesamten L/W-WP ergänzt. Der Aufbau und Ablauf des Simulationsprogramms der L/W-WP wird detailliert beschrieben und in einem Ablaufdiagramm dargestellt. Die Validierungen anhand von Messdaten einer Testwärmepumpe zeigen auch hier die hohe Genauigkeit der Simulationen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Sahinagic,Rasid
Gasser,Lukas
Wellig,Beat
Wellig,Beat
Hilfiker,Karl
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The average coefficient of performance (COP) of air/water heat pumps shall be further improved through continuous operation instead of on/off operation and reducing the formation of frost and ice. Frost significantly reduces the air flow and also the heat and mass transfer in the fin tube evaporator. The formation of frost and ice is influenced by a complex interaction between the fin tube evaporator, the characteristic of the fan and by the heat pump itself. An accurate prediction is required to optimize the design of the fin tube evaporator in combination with fan and heat pump to further improve the overall efficiency. Based on the theory of simultaneous heat and mass transfer combined with partial condensation and desublimation, a simulation program for the prediction of frost and ice formation has been developed, being valid over the wide range of the ambient air (from –10 °C to 15°C and dry to saturated air). The humidity is deposited either as condensate, frost, ice or as a combination of them on the fins and tubes of the evaporator. It was a major challenge to create a correlation for the physical properties of the frost and ice layer in the unsteady processes. By numerous experiments, four regions of physical properties are distinguished, depend-ing on the temperature at the boundary layer between air and frost or ice: condensate above –2.7°C, condensate and ice between –3.5°C to –2.7°C, ice and frost between –5.2°C to –3.5°C and frost formed directly by desublimation below –5.2°C. A high reliability has been obtained with the mathematical-physical simulation program proven over the entire applicable range of air temperature and humidity, temperature difference for heat transfer, air velocity and geometry of the fin tube evaporator.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Sahinagic,Rasid
Gasser,Lukas
Wellig,Beat
Wellig,Beat
Hilfiker,Karl
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