Simulation and experimental validation of adiabatic and non-adiabatic capillary tubes

Martin Heimel

Research output: ThesisDoctoral ThesisResearch

Abstract

Um Kompressions-Kälteanlagen im Haushaltsbereich besser verstehen und optimieren zu können, dient ein Simulationsmodell, welches unter anderem den Energieverbrauch bei vorgegebener Konfiguration und Umgebungstemperatur feststellen soll. Ein Teil dieses Kreislaufes ist das Expansionsgerät, das bei den untersuchten Anwendungen als gezogenes Rohr mit Durchmesser im Sub-Millimeter Bereich, meist mit Wärmetauscher, ausgeführt ist. Dieses Kapillarrohr trennt gemeinsam mit dem Kompressor die Hoch- von der Niederdruckseite, der Druckabbau erfolgt durch Reibung des Kältemittels an der Rohrinnenwand und durch die Beschleunigung der Strömung bis zur Schallgeschwindigkeit. Die Expansion des Kältemittels wird in dieser Arbeit experimentell und rechnerisch untersucht, die Herleitung des Rechenalgorithmus von den grundlegenden Erhaltungsgleichungen sowie alle untersuchten Korrelationen für Reibung und Wärmeübergang sind beschrieben.
Ziel der Arbeit ist ein validiertes eindimensionales homogenes Modell, welches stationäre Massenflüsse für definierte Randbedingungen berechnen kann. Für den Fall, dass zusätzlich Wärme während der Expansion abgeführt wird, soll die thermische Leistung mitberechnet werden. Die Validierung erfolgt mittels veröffentlichter Daten zu Experimenten mit verschiedenen Kältemitteln sowie mit Ergebnissen eines im Zuge der Dissertation gebauten Prüfstandes. Zudem liefert ein ausführlicher Literaturbericht einen Überblick über Experimente und Rechenmodelle anderer zu diesem Thema.
Nach diesen Schritten ist ein weiteres Ziel die Anwendung einer Klasse von Modellen, welche sich durch ihre hohe Rechengeschwindigkeit auszeichnet und damit eher für die Implementierung in einer Simulation geeignet ist. Diese Modelle basieren auf halbempirischen dimensionslosen Gleichungen sowie Neuronalen Netzwerken. Beide Varianten werden mit den Daten des 1d Modells abgestimmt und anschließend in ihrer Fähigkeit zum Einsatz in der Kreislaufsimulation verglichen.
Translated title of the contributionSimulation und experimentelle Validierung von adiabaten und nicht-adiabaten Kapillarrohren
Original languageEnglish
Publication statusPublished - 2015

Keywords

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    Simulation and experimental validation of adiabatic and non-adiabatic capillary tubes. / Heimel, Martin.

    2015.

    Research output: ThesisDoctoral ThesisResearch

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    keywords = "Kapillarrohr, Expansion, K{\"a}ltemittel",
    author = "Martin Heimel",
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    TY - THES

    T1 - Simulation and experimental validation of adiabatic and non-adiabatic capillary tubes

    AU - Heimel, Martin

    PY - 2015

    Y1 - 2015

    N2 - Um Kompressions-Kälteanlagen im Haushaltsbereich besser verstehen und optimieren zu können, dient ein Simulationsmodell, welches unter anderem den Energieverbrauch bei vorgegebener Konfiguration und Umgebungstemperatur feststellen soll. Ein Teil dieses Kreislaufes ist das Expansionsgerät, das bei den untersuchten Anwendungen als gezogenes Rohr mit Durchmesser im Sub-Millimeter Bereich, meist mit Wärmetauscher, ausgeführt ist. Dieses Kapillarrohr trennt gemeinsam mit dem Kompressor die Hoch- von der Niederdruckseite, der Druckabbau erfolgt durch Reibung des Kältemittels an der Rohrinnenwand und durch die Beschleunigung der Strömung bis zur Schallgeschwindigkeit. Die Expansion des Kältemittels wird in dieser Arbeit experimentell und rechnerisch untersucht, die Herleitung des Rechenalgorithmus von den grundlegenden Erhaltungsgleichungen sowie alle untersuchten Korrelationen für Reibung und Wärmeübergang sind beschrieben. Ziel der Arbeit ist ein validiertes eindimensionales homogenes Modell, welches stationäre Massenflüsse für definierte Randbedingungen berechnen kann. Für den Fall, dass zusätzlich Wärme während der Expansion abgeführt wird, soll die thermische Leistung mitberechnet werden. Die Validierung erfolgt mittels veröffentlichter Daten zu Experimenten mit verschiedenen Kältemitteln sowie mit Ergebnissen eines im Zuge der Dissertation gebauten Prüfstandes. Zudem liefert ein ausführlicher Literaturbericht einen Überblick über Experimente und Rechenmodelle anderer zu diesem Thema. Nach diesen Schritten ist ein weiteres Ziel die Anwendung einer Klasse von Modellen, welche sich durch ihre hohe Rechengeschwindigkeit auszeichnet und damit eher für die Implementierung in einer Simulation geeignet ist. Diese Modelle basieren auf halbempirischen dimensionslosen Gleichungen sowie Neuronalen Netzwerken. Beide Varianten werden mit den Daten des 1d Modells abgestimmt und anschließend in ihrer Fähigkeit zum Einsatz in der Kreislaufsimulation verglichen.

    AB - Um Kompressions-Kälteanlagen im Haushaltsbereich besser verstehen und optimieren zu können, dient ein Simulationsmodell, welches unter anderem den Energieverbrauch bei vorgegebener Konfiguration und Umgebungstemperatur feststellen soll. Ein Teil dieses Kreislaufes ist das Expansionsgerät, das bei den untersuchten Anwendungen als gezogenes Rohr mit Durchmesser im Sub-Millimeter Bereich, meist mit Wärmetauscher, ausgeführt ist. Dieses Kapillarrohr trennt gemeinsam mit dem Kompressor die Hoch- von der Niederdruckseite, der Druckabbau erfolgt durch Reibung des Kältemittels an der Rohrinnenwand und durch die Beschleunigung der Strömung bis zur Schallgeschwindigkeit. Die Expansion des Kältemittels wird in dieser Arbeit experimentell und rechnerisch untersucht, die Herleitung des Rechenalgorithmus von den grundlegenden Erhaltungsgleichungen sowie alle untersuchten Korrelationen für Reibung und Wärmeübergang sind beschrieben. Ziel der Arbeit ist ein validiertes eindimensionales homogenes Modell, welches stationäre Massenflüsse für definierte Randbedingungen berechnen kann. Für den Fall, dass zusätzlich Wärme während der Expansion abgeführt wird, soll die thermische Leistung mitberechnet werden. Die Validierung erfolgt mittels veröffentlichter Daten zu Experimenten mit verschiedenen Kältemitteln sowie mit Ergebnissen eines im Zuge der Dissertation gebauten Prüfstandes. Zudem liefert ein ausführlicher Literaturbericht einen Überblick über Experimente und Rechenmodelle anderer zu diesem Thema. Nach diesen Schritten ist ein weiteres Ziel die Anwendung einer Klasse von Modellen, welche sich durch ihre hohe Rechengeschwindigkeit auszeichnet und damit eher für die Implementierung in einer Simulation geeignet ist. Diese Modelle basieren auf halbempirischen dimensionslosen Gleichungen sowie Neuronalen Netzwerken. Beide Varianten werden mit den Daten des 1d Modells abgestimmt und anschließend in ihrer Fähigkeit zum Einsatz in der Kreislaufsimulation verglichen.

    KW - Kapillarrohr, Expansion, Kältemittel

    M3 - Doctoral Thesis

    ER -