Wie unter realen Flugbedingungen

Kaltsolesatz für Motorenprüfstand der TU Dresden

An der TU Dresden (Institut für Automobiltechnik) wird derzeit ein Abgasturbolader aus der Luftfahrt getestet. Für einen der zahlreichen Prüfstände für realistische Testversuche bei turboaufgeladenen Motoren hat die Firma compact Kältetechnik GmbH einen maßgeschneiderten Kaltsolesatz geplant und angefertigt.

Mit stets wechselnden Höhenunterschieden ändern sich auch die Luftdrücke und Temperaturen. Dies wirkt sich gravierend auf die Ansaugluftdichte und somit auf die aufgeladenen Motoren aus. Die bisherigen Prüfstandskonzepte, wie z.B. der Heißgasprüfstand, ermöglichen es nicht, sämtliche im Flugbetrieb herrschenden Bedingungen hinreichend zu vermessen. Weitere Prüfungen und Vermessungen können nur unter aufwendigen realen Flugversuchen erbracht werden. Die innovative Erweiterung des Heißgasprüfstandes durch den Heißgashöhenprüfstand ermöglicht es, unter definierten Randbedingungen die Druck- und Temperaturunterschiede mit einzubeziehen. Mittels einer Absaugeinrichtung wird ein beliebiger Unterdruck, entsprechend der Flughöhe nach der Turbine, eingestellt. Ebenso kann situationsabhängig die Anpassung der Gaseintrittstemperatur erfolgen. Die veränderbaren Parameter sorgen für ein stationäres Turbinendruckverhältnis wie unter realen Flugbedingungen.

Dank der präzisen Regel- und Arbeitsweise des Kaltsolesatzes der compact Kältetechnik GmbH mit einer Soleaustritttemperatur bis zu -25 °C ist dies kein Problem mehr.

Gesamtkälteleistung von 30 kW

Zum Einsatz kommt ein individuell an die Kühlaufgabe angepasster wassergekühlter Kaltwassersatz mit zwei Hubkolbenverdichtern im Parallelverbund. Die „Ecoline“-Verdichter der „CE4“-Baureihe von Bitzer bringen es auf eine Gesamtkälteleistung von 30 kW. Durch die Verwendung eines Verdichters mit integriertem Frequenzumrichter (FU) kann stufenlos ein Frequenzbereich von 25-87 Hz abgefahren werden. Durch den FU-Betrieb werden starke Lastschwankungen während des Prüfzyklus äußerst effizient und immer am Leistungspunkt ausgeregelt.

Die fachmännische Auswahl des Ölabscheiders und der Ölspiegelregulatoren an den Verdichtern sorgen immer für genügend Öl in den Kurbelgehäusen und eine lange Lebensdauer der Anlage. Der leistungsstarke Bündelrohrverflüssiger mit 50 kW sorgt bei einer Verflüssigungstemperatur von 31 °C, mittels Wasserregulierventil, bei einer Wassereintrittstemperatur von 25 °C und einer Wasseraustrittstemperatur von 29 °C, für kontinuierliche Betriebsdrücke. Dies wirkt sich positiv auf die unterschiedlichen Prüfsituationen aus. Der entsprechende Sammler sorgt für eine ausreichende Flüssigkeitsvorlage in jeder Betriebssituation. Mit Hilfe des elektronischen Expansionsventils von Siemens, dass das 1 Kelvin unterkühlte Kältemittel auf eine Verdampfungstemperatur von -30 °C entspannt, ist es kein Problem, schnell auf unterschiedliche Bedingungen zu reagieren. Mit der richtigen Abstimmung zwischen Überhitzungsregler, der das Sauggas auf 10 Kelvin Überhitzung regelt, und dem Einspritzorgan wird der Verdampfer/Wärmetauscher nahezu ohne Leistungsverlust mit Kältemittel beaufschlagt.

Verwendung von R452A

Der Plattenwärmeübertrager selber hat eine Verdampferleistung von 30 kW bei einer Soleeintrittstemperatur von -21 °C und einer Austrittstemperatur von -25 °C. Der Kälteträger ist dabei Ethylenglykol (50 %). Die drehzahlgeregelte Trockenläuferpumpe von Grundfos mit einem Durchfluss von 8,5 m³/h ist genau die richtige Wahl für solch ein Einsatzgebiet. Sie fördert die Sole vom 1.500 l großen Kaltsolepufferspeicher über den Wärmeübertrager. Um diese tiefen Soletemperaturen ohne Probleme zu erreichen, wurde der Verbund  mit dem Kältemittel R452A ausgelegt – ähnlich dem Kältemittel R404A. Allerdings ist R452A (auch bekannt unter „Opteon XP44“) deutlich umweltfreundlicher. Das GWP (Global Warming Potential) ist etwa 50 % geringer als bei R404A. Desweitern ist es nicht brennbar. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine signifikante Erhöhung der Druckgastemperatur stattfindet und somit auch keine Grenzbelastungen für z.B. Öle auftreten.

Alle Parameter erreicht

Das perfekte Zusammenspiel zwischen den einzelnen Komponenten, ob mechanisch oder elektronisch, und die saubere Verarbeitung zeichnen diesen Kaltsolesatz aus. Die Prüftechniker und Ingenieure der TU Dresden erreichen alle geforderten Parameter für den Einsatz im Flugzeugmotoren-Prüfstand. Die Ausführung der Maschine ist rollbar und mit wasserseitigen Flanschverbindungen ausgestattet, um die Anlage innerhalb des Institutes nach abgeschlossenen Testphasen für andere Prüfstandzwecke zu nutzen. Zur Geräuschminimierung am Arbeitsplatz wurde die Maschine in einem modular aufgebauten Gehäuse mit Schallisolierung montiert.

Über compact Kältetechnik

Die compact Kältetechnik GmbH (www.compact-kaeltetechnik.de) ist Partner von der Beratung, Planung über Konzeption und Projektierung bis zur Auslieferung und Inbetriebnahme der Kälteanlagen und -systeme. Sowohl erprobte Serienprodukte für verschiedenste Anwendungen als auch individuell nach Kundenbedürfnissen erstellte Lösungen sind erhältlich – unter Einsatz natürlicher Kältemittel als auch aller gängigen und F-Gase-konformen synthetischen Kältemittel. So entstehen speziell konzipierte Systeme mit hoher Energieeffizienz, die genau auf den konkreten Einsatzfall ausgerichtet sind. Ob Verbundanlagen, Kaskadensysteme, transkritische Boostersysteme, Verflüssigungssätze, Kaltwassersätze oder Wärmepumpen – compact-Produkte verwenden hochwertige Komponenten, haben eine durchdachte Konstruktion und werden sorgfältig verarbeitet. Die komplette Planung und Fertigung der Systeme nach ISO 9001 und Maschinen- bzw. Druckgeräterichtlinie bis Kat. IV (H1) „Made in Germany“ kommt aus dem sächsischen Dresden und Scharfenstein.

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