Untersuchungen zu thermostatischen Expansionsventilen

In der vorliegenden Arbeit wird das thermostatische Expansionsprinzip in einem automobilen Kompressionskältekreislauf experimentell und theoretisch untersucht. Sein Einfluss auf den gesamten R134a-Kältekreislauf wird beleuchtet, und die potenziellen Vorteile seiner Anwendung im R744-Kältekreislauf werden in Aussicht gestellt. Hierfür wird eine Methode zur transienten Modellierung von thermostatischen Expansionsventilen (TXV) mit physikalisch interpretierbaren Parametern, die anhand von Herstellerangaben oder durch einfache Messungen am TXV-Prüfling bestimmt werden können, entwickelt. Diese Methode wurde angewandt, um ein Serien-TXV mit der Simulationssprache Modelica abzubilden. Das erhaltene Modell wurde mittels der Simulationssoftware Dymola in einer Umgebung zur transienten Kältekreislaufsimulation integriert. Hiermit wurden Parametervariationen und Nachrechnung von Fahrzeugversuchen durchgeführt. Außerdem diente diese Modellierungsmethode dazu, eine neue Darstellungsform für den stationären Regelbereich eines TXV abzuleiten, die darauf basiert, Gleichgewichtszustände des TXV, sogenannte Iso-Hubkennlinien, im p-h-Diagramm des jeweiligen Betriebskältemittels abzubilden. Mit Hilfe dieser neuen Darstellungsform konnte erstens ein Optimierungspotenzial in der Auslegung eines automobilen TXV aufgedeckt werden, wodurch eine Ansammlung von flüssigem Kältemittel im Kältemittelverdichter bei ausgeschalteter Kälteanlage vermieden werden kann; zweitens ließ sich ein neuartiges TXV-Konzept zur Hochdruckregelung anhand der Temperatur am Ventileintritt einer R744-Kälteanlage entwickeln, das eine COP-optimierende Arbeitsweise mit einer Überdruckfunktion autark kombiniert. Dieses Ventilkonzept wurde in Form eines Prototyps umgesetzt, mit welchem sich dessen funktionelle Eignung zur optimalen Hochdruckregelung einer automobilen Kälteanlage zeigen ließ.