Erklären Sie umfangreich, warum es sehr unpräzise ist zu sagen, dass das Ziel eines Kältemittelverdichters ist, die Temperatur des Kältemittels zu erhöhen.
Wäre das einzige Ziel des Verdichters die Temperatur zu erhöhen, dann wäre ein Durchlauferhitzer wesentlich besser geeignet. Stattdessen kann man folgende Funktion dem Verdichter zuschreiben:
Der Verdichter sorgt dafür, dass das Kältemittel auf einen Druck komprimiert wird, der hoch genug ist, um es im Verflüssiger kondensieren zu lassen. Diese Kondensation geschieht unter Wärmeabgabe an die Umgebung. Dadurch wird der Kältekreislauf aufrechterhalten.
Warum lässt sich die Effizienz eines Verdichters nicht einfach als das Verhältnis des vom Gasstrom aufgenommenen Energiestroms zu dem als technische Arbeit zugeführten Energiestrom beschreiben?
Würde es sich bei einem Verdichter um ein geschlossenes System handeln, so müsste man lediglich die Änderung der inneren Energie des Systems betrachten. Da es sich aber um ein offenes System handelt, muss ebenfalls die Verschiebearbeit vor und nach der Verdichtung mitbilanziert werden.
Das Gas gibt beim Einströmen über den Saugstutzen Verschiebearbeit an den Kolben ab. Der Kolben muss jedoch auch beim Ausströmen über den Druckstutzen zusätzliche Verschiebearbeit leisten.
Erklären Sie, welche Funktion der Verdichter im Plank‐Prozess hat.
Plank-Prozess:
Im Plank-Prozess ist der Verdichter nach dem Verdampfer angeordnet. Dort kommt das Medium in gasform, geringem Druck und geringer Temperatur an. Der Verdichter hat nun die Aufgabe den Druck des Kältemittels über den Kondensationsdruck der Wärmesenke zu halten. Dadurch erhöht sich auch die Temperatur des Kältemittels.
Strömt das Medium nun mit hohem Druck und hoher Temperatur in den Verflüssiger, so kann es unter Wärmeabgabe kondensieren und verflüssigt sich mit der Zeit.
Erklären Sie die Berechnung des isentropen Gütegrads.
Der isentrope Gütegrad des Verdichters gibt das Verhältnis zwischen adiabat-reversibel nötigen Energie des tatsächlich geförderten Massenstroms zur tatsächlich aufgenommenen Antriebsleistung des realen Verdichters.
Erklären Sie, warum der Isentrope Gütegrad eines Verdichters per Definition kein Wirkungsgrad ist.
Der Wirkungsgrad stellt Nutzen zu Aufwand in Verhältnis. Das macht der isentrope Gütegrad nicht. Dieser stellt den idealen Aufwand zum realen Aufwand ins Verhältnis.
Erklären Sie den isentropen Gütegrad auf Basis eines log p,h‐Diagramms.
Erklären Sie ausführlich den idealisierten Verdichtungsprozess eines Verdrängungsverdichters auf Basis des p,V‐Diagramms.
Erklären Sie mithilfe mehrere p,V‐Diagramme des Verdichtungsprozesses eines Verdichtungsprozesses wie Volumenänderungsarbeit und Druckänderungsarbeit zusammenhängen und was das mit der Definitionsgleichung der Enthalpie zu tun hat.
Anhand der Definition der Enthalpie, wird deutlich, dass neben der Volumenänderungsarbeit auch die Verschiebearbeit mitbilanziert werden muss, da der Verdichter ein offenes und kein geschlossenes System darstellt.
Das einströmende Gas in den Zylinder bringt die Verschiebearbeit des Saugzustandes mit.
Zeichnen Sie in ein p,V‐Diagramm die Druckänderungsarbeit einer Pumpe ein
Erläutern Sie die vier Phasen des realen Verdichtungsprozesses eines Hubkolbenverdichters.
Rückentspannung:
Der Kolben bewegt sich nach oben.
Das verdichtete Gas dehnt sich etwas aus.
Alle Ventile sind geschlossen.
Saugphase:
Der Kolben bewegt sich nach unten.
Das Einlassventil öffnet sich, und Gas strömt in den Zylinder.
Das Auslassventil bleibt geschlossen.
Verdichtungsphase:
Das Gas wird komprimiert (Druck steigt).
Beide Ventile sind geschlossen.
Ausschubphase:
Der Kolben drückt das verdichtete Gas nach oben.
Das Auslassventil öffnet sich, und das Gas strömt aus.
Das Einlassventil bleibt geschlossen.
Was ist unter dem Liefergrad eines Verdichters zu verstehen? Wie ändert er sich mit steigendem Druckverhältnis?
Der Liefergrad eines Verdichters beschreibt das Verhältnis des tatsächlichen Volumenstroms (also der tatsächlichen Menge an Kältemittel, die der Verdichter pro Zeiteinheit fördert) zum theoretischen Volumenstrom, der bei einem idealen Verdichter (ohne Verluste und mit perfektem Abgleich von Saug- und Druckvolumen) erwartet wird.
Mit steigendem Druckverhältnis nimmt der Liefergrad tendenziell ab, weil der Verdichter unter höheren Druckunterschieden mehr mechanische und thermodynamische Verluste aufweist, wie z. B. Leckagen oder zusätzliche Arbeit, die für die Verdichtung benötigt wird.
Was ist unter dem Schadraum eines Hubkolbenverdichters zu verstehen? Erklären Sie anschaulich, warum der Schadraum einen negativen Einfluss auf den Liefergrad hat und wie sich dieser mit steigendem Druckverhältnis verändert.
Der Verdichter ist so konstruiert, dass der Kolben nicht vollständig bis an das Zylinderende gepresst werden kann. Somit kommt ein kleines Schadvolumen zustande.
Der Schadraum verringert die Komprimierung des Verdichters, da der Kolben nicht bis in das Schadvolumen pressen kannn.
Erklären Sie ausführlich, warum eine die Zustände von Saugstutzen und Druckstutzen direkt verbindende Linie nicht dem realen Verdichtungsverlauf entspricht und wie diese Line bezeichnet wird.
Reale Linie weicht durch Verlustmechanismen einen realen Verdichtungsverlauf auf
Sauggaserhitzung
Druckverluste im Saugpfad
Druckverluste in Druckpfad
Interne Leckage in den Saugpfad
Interne Leckage in die Verdichtungskammer
Unter‐ und Überverdichtung
Mechanische Verluste des Antriebs
Verluste des Motors
Erklären Sie, warum es nicht möglich ist, die Verdichtungsarbeit im log p,h‐Diagramm direkt abzulesen und welche Annahmen getroffen werden müssen, damit eine indirekte Abbildung möglich ist. Wann sind diese Annahmen realistisch?
Eine solche Abbildung im log ph Diagramm ist möglich, wenn man für eine adiabate Verdichtung annimmt. Dies ist bei großen Verdichtern auch nahezu realistisch. Bei kleinen Anlagen spielen aber Energieverluste über das Motorgehäuse beispielsweise eine wesentlich größere Rolle.
Erklären Sie das Funktionsprinzip eines Scrollverdichters (alternativ eines Schraubenverdichters).
Die offene Verdichtungskammer nimmt Sauggas auf. Durch das drehen des Verdichters wird Gas eingeschlossen und das Volumen des Gases wird komprimiert, bis es in der Mitte des Verdichters zu der Auslassöffnung gelangt.
Was wird bei Verdrängungsverdichtern unter Unter‐ und Überverdichtung verstanden?
Unterverdichtung:
Der Verdichter arbeitet mit zu niedrigem Druckverhältnis oder Volumenstrom. Das bedeutet, dass der Verdichter nicht genügend Gas verdichtet, was zu einer unzureichenden Kühlung oder Erwärmung führt. In diesem Fall wird der Verdichter nicht optimal ausgelastet.
Überverdichtung:
Der Verdichter arbeitet mit einem zu hohen Druckverhältnis oder Volumenstrom, was zu übermäßiger Belastung und Überhitzung des Verdichters führt. Dies kann zu mechanischen Schäden und höherem Energieverbrauch führen.
Nennen Sie die wichtigsten exergetischen Verluste der Verdichtung und erläutern Sie diese.
Sauggaserhitzung: Erhöhung der Kältemitteltemperatur im Saugpfad, was die Verdichtungsarbeit und Effizienz beeinträchtigt.
Druckverluste im Saugpfad: Energieverlust durch Widerstand und Strömungswiderstand, was die Effizienz des Verdichters verringert.
Druckverluste im Druckpfad: Energieverlust beim Transport des verdichteten Kältemittels, was zu einem höheren Energiebedarf führt.
Interne Leckage in den Saugpfad: Leckagen innerhalb des Verdichters, bei denen Kältemittel aus dem Verdichterbereich in den Saugpfad entweicht, was die Leistung verringert.
Interne Leckage in die Verdichtungskammer: Kältemittel strömt ungewollt zurück in die Verdichtungskammer, wodurch die Verdichtungsleistung sinkt.
Unter- und Überverdichtung: Suboptimale Betriebszustände, bei denen der Verdichter entweder zu wenig oder zu viel Gas fördert, was zu ineffizientem Betrieb führt.
Mechanische Verluste des Antriebs: Energieverluste durch Reibung und mechanische Ineffizienzen im Antriebssystem des Verdichters.
Verluste des Motors: Verluste durch die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie im Motor, was den Gesamtwirkungsgrad des Verdichters reduziert.
Wie unterscheiden sich Strömungsverdichter von Verdrängungsverdichter?
Strömungsverdichter (z. B. Axial- und Radialverdichter):
Komprimieren das Gas kontinuierlich durch eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und des Drucks.
Das Kältemittel wird in einem stetigen Fluss durch den Verdichter geleitet, ohne dass das Volumen des Gases direkt verdrängt wird.
Geeignet für große Volumenströme und hohe Fördermengen.
Verdrängungsverdichter (z. B. Kolben-, Scroll- und Schraubenverdichter):
Verdrängen eine feste Menge an Kältemittel, indem sie es in einem geschlossenen Raum mechanisch komprimieren.
Das Volumen des Gases wird in einem definierten Raum verringert, was zu einer Drucksteigerung führt.
Eignen sich gut für kleinere bis mittlere Volumenströme und sind oft effizienter bei variierenden Lasten.
Erläutern Sie, warum Hubkolbenverdichter in einem sehr breiten Spektrum unterschiedlichster Anwendungen eingesetzt werden, ihnen Scoll‐Verdichter aber teilweise überlegen sind.
Hubkolbenverdichter werden aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Robustheit in vielen Anwendungen eingesetzt, da sie in einem breiten Betriebsbereich (von kleinen bis großen Volumenströmen) arbeiten können und in der Lage sind, sowohl hohe Drücke als auch unterschiedliche Kältemittel zu handhaben. Sie sind zudem kostengünstig und gut geeignet für Anwendungen mit variablen Lasten.
Scroll-Verdichter bieten jedoch einige Vorteile gegenüber Hubkolbenverdichtern:
Höhere Effizienz: Scroll-Verdichter haben eine kontinuierliche Verdichtung, was zu geringeren mechanischen Verlusten und höherer Effizienz führt.
Leiser Betrieb: Sie laufen deutlich leiser, da sie weniger bewegliche Teile haben und eine gleichmäßigere Verdichtung bieten.
Weniger Vibrationen: Durch die reduzierten Vibrationen sind Scroll-Verdichter langlebiger und verursachen weniger mechanische Abnutzung.
Was versteht man unter einem Economizer‐Anschluss an einem Verdichter?
Hierbei wird während der Verdichtung zusätzliches Kältemittelgas in den Verdichtungsprozess eingebracht. Dies geschieht über einen Economizer-Anschluss am Verdichter.
Das Gas stammt aus einem Wärmetauscher oder einer Dampfabtrennung und wird in einer Zwischenstufe des Verdichters zugeführt.
Dadurch steigt der Massenstrom durch den Verdichter, was die Kälteleistung erhöht.
Gleichzeitig sinken die Verdichtungsverluste, da der zusätzliche Dampf den Verdichtungsprozess thermodynamisch verbessert.
Das Timing der Dampfeinspritzung ist ein wichtiger Konstruktionsparameter, um die optimale Effizienz zu erreichen.
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