Klaus Mohrlok:
Wärmeübertragung beim Behältersieden von Kältemittel/Öl- Gemischen an einem Glattrohr und einem Hochleistungsrohr

Zusammenfassung:

In dieser Arbeit wurde der Einfluß eines nieder-viskosen Kälte­maschinenöls auf Basis von Polyolestern (POE-Öl) auf den Wärmeübergang beim Behältersieden untersucht.

Ein glattes Kupferrohr mit feinsandgestrahlter Oberfläche von 18,0 mm Außendurch­messer sowie ein Hoch­leistungsrohr GEWA-B mit 18,7 mm Außendurchmesser, ebenfalls aus Kupfer, dienten bei den Wärmeübergangsmessungen der Kältemittel R134a, R410A und R507 als Heizfläche. Das Hochleistungsrohr besitzt eine gewalzte Oberfläche mit umlaufenden hinterschnittenen Kanälen. Das Kältemittel strömt durch Poren in bzw. aus den Kanälen. Für die Wärmeübergangsmessungen mit dem Kältemittel R404A wurde nur das feinsand­gestrahlte Glattrohr eingesetzt. Der Ölmassenanteil wurde bei allen Messungen zwischen 0,0% und 10% variiert, und es wurden Siedetemperaturen zwischen
-28,6°C und +20,1°C untersucht.

Für alle am GEWA-B-Rohr untersuchten reinen Kältemittel wird der Wärmeübergangs­koeffizient beim Erhöhen der Wärmestromdichte von 20.000 W/m² auf 40.000 W/m² ver­mindert. Diese Verminderung tritt vorwiegend und verstärkt bei normierten Drücken um p* » 0,1 auf. Sie wird auf ein teilweises Austrocknen der hinterschnittenen Kanalstruktur des Hochleistungsrohres zurückgeführt. Für geringere normierte Drücke liegt das teilweise Austrocknen der Kanalstruktur ebenfalls vor, allerdings bewirkt die Erhöhung der Wärme­stromdichte keine Verminderung des Wärmeübergangskoeffizienten, sondern nur eine geringere Steigung der Ausgleichskurve der gemessenen Wärmeübergangskoeffizienten im doppelt-logarithmischen α,-Diagramm.

Das Kältemaschinenöl bewirkt sowohl Verbesserungen als auch Verminde­rungen des Wärmeübergangs, abhängig von Ölmassen­anteil, Wärmestromdichte und Siedetemperatur. Am Glattrohr treten die Ver­besserungen im Wärme­übergang vorwiegend für 3% Öl­massenanteil auf. Für die R134a/Öl-Gemische betragen die Verbesserungen bis zu 20%, für die R410A/Öl-Gemische bis zu 35%, für die R507/Öl-Gemische bis zu 75% und für die R404A/Öl-Gemische bis zu 45%. Dagegen wird der Wärmeübergang durch das Öl am Hochleistungsrohr GEWA-B nur für die R134a/Öl-Gemische im Bereich des teilweisen Austrocknens verbessert. Die Verbesserungen werden mit sinkender Siedetemperatur größer und betragen bis zu 85% bei 0,5% Ölmassenanteil. Verminderungen treten an beiden Rohren vor allem im Bereich der nicht vollständigen Mischbarkeit des Öls im Kältemittel (Mischungslücke) auf, sie betragen bis zu 80% bei 10% Öl­massenanteil.

Für den Vergleich von Hochleistungsrohr und Glattrohr wird das Verhältnis ROE _GEWA-B-Rohr / _Glattrohr gebildet, das die Steigerung des Wärmeübergangs am Hoch­leistungsrohr gegenüber dem Glattrohr beschreibt. Die Werte des Verhältnis ROE steigen mit sinkender Siede­temperatur und sinkender Wärmestromdichte für die reinen Kältemittel. Für die R134a/Öl-Gemische wird bei 0,5% Öl­massenanteil das Verhältnis ROE größer und durch weitere Ölzugaben kaum verändert bzw. leicht ver­ringert. Für die R410A/Öl- und die R507/Öl-Gemische werden die Werte des Verhältnis ROE vermindert.

Die lokalen Wärmeübergangskoeffizienten werden an den beiden Rohren für die jeweils untersuchten Kältemittel/Öl-Gemische in Ab­hängigkeit von Ölmassenanteil, Wärmestrom­dichte und Siedetemperatur diskutiert. Am feinsandgestrahlten Glattrohr ist der Öleinfluß beim Sieden der Kältemittel/Öl-Gemische sehr gering vom Umfangswinkel abhängig. Dagegen zeigt der Öleinfluß am Hochleistungsrohr GEWA-B eine nicht zu vernachlässigende Abhängigkeit vom Umfangs­winkel. Beim Sieden der Kältemittel/Öl-Gemische am GEWA-B-Rohr ist das teilweise Austrocknen wie auch das teilweise Verstopfen der Kanäle mit Öl vom Umfangswinkel und dem Ölanteil abhängig.

Die Messungen haben gezeigt, daß die Mischbarkeit des Öls in einem Kältemittel den Wärmeübergang beim Behältersieden stark beeinflußt: Im Bereich der Mischungslücke wird der Wärmeübergang beim Behältersieden stark vermindert. Im Bereich der vollständigen Mischbarkeit des Öls im Kältemittel zeigen sich dagegen zum Teil enorme Verbesserungen im Wärmeübergang beim Behältersieden. Bei Kältemittelgemischen ist nicht die Mischbarkeit des Öls in dem jeweiligen Kältemittelgemisch relevant, sondern vorwiegend die Mischbarkeit des Öls mit den jeweiligen Komponenten dieses Kältemittelgemisches.

Korrelationen aus der Literatur zum Einfluß des Öls auf den Wärmeübergang beim Behältersieden an Glattrohren können für die untersuchten Kältemittel/Öl-Gemische nicht ohne Anpassung verwendet werden. Der Einfluß der Mischungslücke einer Komponente von Kältemittelgemischen ist bislang nicht untersucht worden. Es wird ein Modell zur Berechnung des Wärmeübergangs beim Behältersieden von Gemischen aus Kälte­maschinenöl und Kältemittelgemischen vorgeschlagen. Dieses Modell berücksichtigt auch den Bereich der Mischungslücke der Komponenten von Kältemittelgemischen mit dem Öl.

In der Literatur ist bislang kein Modell zum Wärmeübergang beim Behälter­sieden von Kältemittel/Öl-Gemischen an Hochleistungsstrukturen bekannt. Für die Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten von reinen Kältemitteln am Hoch­leistungsrohr GEWA-B wurde das Modell von Chien um den Einfluß des Druckes erweitert. Eine Überlegung zum Einfluß des Öls auf den Wärmeübergang am GEWA-B-Rohr wird beschrieben, die Aussagen über das teilweise Austrocknen der Kanalstruktur zuläßt.