Fahrzeugklimaanlage (automotive air conditioning) mit den Kältemitteln R134a, R152a und R1234yf

Abb. 45.1. Kältemittelkreislauf in einer Fahrzeugklimaanlage schematisch. Beschreibung und Modellannahmen siehe Abb. 45.2.

Abb. 45.2. Schaltbild einer Fahrzeugklimaanlage mit folgenden Modellannahmen für die nachfolgenden Bilder. Nach dem Verdampfer wird das um ΔT_ü = 5 K überhitzte Kältemittel vom Verdampferdruck p₀ durch den adiabat angenommenen Verdichter (Leistung P) mit dem Hubvolumen V_H = 163 cm³ und der Drehzahl n = 800 U/min (Leerlauf des Motors) auf den Kondensatordruck p_c bzw. einfach p verdichtet und gefördert. Durch den kälteren Außenluftstrom wird im Kondensator das gasförmige Kältemittel isobar enthitzt, kondensiert und um ΔT_u = 5 K unterkühlt. In der Drossel (Expansionsventil) wird das Kältemittel adiabat (isenthalp) auf den Verdampferdruck p₀ gedrosselt. Das zweiphasige Kältemittel wird abschließend durch den wärmeren Innenluftstrom isobar verdampft und überhitzt. Zur Simulation der Wärmeübertragung wird für den Verdampfer der thermische Austauschgrad Φ₀ = 0,5 angenommen, und für den Kondensator Φ = 0,85. Druckverluste sind vernachlässigt. Der Liefergrad λ und der isentrope Wirkungsgrad η des Verdichters werden mit dem Modell von H.-H. Vogel beschrieben. Die Lufteintrittstemperatur zum Verdampfer (Innenraum) ist exemplarisch 25 °C mit der relativen Feuchte φ = 0,5.

Abb. 45.3. Leistungszahl COP = Q₀/P (Coefficient of Performance) und Kälte-leistung Q₀ für die Kältemittel R134a (Tetrafluorethan), R152a (Difluorethan) und R1234yf (Tetrafluorpropen) als Funktion der Außentemperatur t (Luftein- tritt zum Kondensator). Der Luftmassenstrom zum Verdampfer mit der Temperatur 25 °C beträgt 350 kg/h, der zum Kondensator 750 kg/h. Weitere Angaben siehe Abb. 45.2.

Abb. 45.4. Verdampfungs- und Kondensationsdruck für die Kältemittel R134a, R152a und R1234yf als Funktion der Außentemperatur t gemäß Modell nach Abb. 45.2 und Abb. 45.3.

Abb. 45.5. Druckverhältnis p/p₀ und adiabate Verdichtungstemperatur t₂ für die Kältemittel R134a, R152a und R1234yf als Funktion der Außentemperatur t gemäß Modell nach Abb. 45.2 und Abb. 45.3.

Abb. 45.6. Leistungszahl COP und Kälteleistung Q₀ für das Kältemittel R134a bei verschiedenen Luftmassenströmen durch Verdampfer und Kondensator als Funktion der Außentemperatur t. Weitere Angaben siehe Abb. 45.2 und Abb. 45.3.

Abb. 45.7. Leistungszahl COP und Kälteleistung Q₀ für das Kältemittel R1234yf bei verschiedenen Luftmassenströmen durch Verdampfer und Kondensator als Funktion der Außentemperatur t. Weitere Angaben siehe Abb. 45.2 und Abb. 45.3.

Abb. 45.8. Exergetische Verlustgrade E_vi/P der Anlagenkomponenten Verdichter, Kondensator, Drossel und Verdampfer sowie exergetischer Gesamtwirkungsgrad ζ = 1-E_v/P der Klimaanlage mit dem Kältemittel R1234yf als Funktion der Außen-temperatur t. Die Summe dieser Werte ergibt für einen Betriebszustand den Wert eins. Der Luftmassenstrom durch den Verdampfer ist unverändert 350 kg/h, der Luftmassenstrom durch den Kondensator variiert zwischen 750 kg/h und 1200 kg/h.

Abb. 45.9. Kälteleistung Q₀ der Klimaanlage nach Abb. 45.2 als Kälteanlage mit dem Kältemittel R134a in Abhängigkeit von der Außentemperatur t_a und den Kühlraumtemperaturen -20°C und 0°C. Das Hubvolumen des Axialkolbenverdichters beträgt hier V_H = 155 cm³, die Drehzahl n = 1500 U/min und das relative Schadvolumen ε = 0,035. Die Messwerte stammen von S. Försterling, M. Sonnekalb, N. Lembke und J. Köhler: Entwicklung und Test einer Kohlendioxid-Transportkälteanlage mittlerer Leistungsklasse unter besonderer Berücksichtigung des Verdichterkonzeptes. Abschlussbericht der Konvekta AG, gefördert unter dem Aktenzeichen 15638 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt. Braunschweig: 2002.

Abb. 45.10. Leistungszahl COP der Klimaanlage nach Abb. 45.2 als Kälteanlage mit dem Kältemittel R134a in Abhängigkeit von der Außentemperatur t_a und der Kühlraumtemperatur t_i. Der isentrope Wirkungsgrad η des Verdichters ist konstant mit dem Faktor 0,7 angepasst. Weitere Angaben siehe Abb. 45.9.