IHX - Labor für Angewandte Thermodynamik

Kurzfassung
AA III.10
CO2-Kältekreislauf für PKW-Klimatisierung mit optimierten
Inneren Wärmetauschern (IHX) unterschiedlicher Bauart
Prof. Dr.-Ing. Lutz Mardorf, Dipl.-Ing. Peter Menger
Fachhochschule Osnabrück, Labor für Angewandte Thermodynamik,
Postfach 1940, 49009 Osnabrück
Die Messergebnisse von drei unterschiedlichen IHX- Baumustern im Komponentenprüfstand
einer CO2 Kälteanlage für PKW Klimatisierung haben zu modifizierten Nusselt-Gleichungen
und einer Simulation mit Auslegung der Wärmetauscher geführt. Ziel ist es, unter Vorgabe
von Umgebungsbedingungen und somit von unterschiedlichsten Klimaszenarien, den IHX
optimal auszulegen. Bei der Untersuchung des Prozesses zeigte sich, dass die Maxima des
COP und der Kälteleistung bei identischen Umgebungsbedingungen nicht zusammen fallen.
Aus den vorgegebenen Umgebungsbedingungen wird für den vorhandenen CO2
Kältekreislauf ein Maximum beim COP ermittelt. Aus dieser Berechnung kann eine optimale
Länge für drei verschiedene Bauarten des IHX abgeleitet werden.
Die optimale Länge kann auf ein Maximum des COP im häufigsten Anwendungsfall
ausgelegt werden, wobei für eine begrenzte Länge des jeweiligen IHX im Idle Test die
erforderliche Kälteleistung erreicht wird. Es werden drei IHX- Baumuster gezeigt, die mit Hilfe
der messtechnischen Untersuchung und des Simulations- und Auslegungsprogramms
sowohl zu einer Prozessoptimierung als auch zu einer wirtschaftlichen Optimierung geführt
haben.
Stichwörter:
CO2 – Kältekreislauf, Pkw Klimatisierung, Innerer Wärmetauscher, IHX, COP

1. Einleitung
Die Deutschen Kälte-Klima-Tagungen der letzten Jahre haben in verschiedenen
Präsentationen die Bedeutung von CO2 als Kältemittel für die mobile Anwendung zur PKW-
Klimatisierung hervorgehoben. Auch das Anheben des GWP von 50 auf 150 im Verlauf der
Gesetzesformulierung der Europäischen Kommission und damit der Gleichbehandlung von
CO2 und R152a haben an der Einführungsstrategie der OEM`s für CO2-Klimaanlagen bisher
wenig verändert. Ab dem 01.01.2011 ist der Beginn der Auslaufphase von R134a in der EU
geplant und für alle neu entwickelten Fahrzeugtypen wird voraussichtlich CO2 als Kältemittel
für die PKW-Klimaanlagen eingesetzt. Ab dem 01.01.2017 ist vorgesehen R134a für alle
Neufahrzeuge nicht mehr zu gestatten [1].
Ausgehend von der thermodynamischen Betrachtung mit einer technisch/wirtschaftlichen
Druckbegrenzung pHP und mit einer vorgegebenen Außentemperatur am Gaskühler stellt
sich die Kältemittelaustrittstemperatur t3 ein. Mit einem theoretischen IHX Austauschgrad von
1 und einem durch den Verdampferbetrieb gegebenen Niederdruck wird die maximale
Eintrittstemperatur am Verdichtereintritt (Zustandspunkt 1max) festgelegt. Die
Enthalpiedifferenz zwischen diesem Zustandspunkt 1max und einem anzustrebenden
Zustandspunkt auf der Taulinie x=1 für den IHX-Eintritt ergibt bei einem vorgegebenen
Kältemittelmassenstrom mit dieser theoretisch maximalen IHX-Leistung die maximal
mögliche Kälteleistung.
Druck p in bar
200
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
55
50
45
40
35
30
25
-15°C
-10°C
x=0,1
-5°C
t=0°C
700 800 900 1000
5°C
IHX
IHX
ΔhIHX,
max
η =
10°C
tau = 45°C
t3 = 50°C
tcrit. = 30,98°C
pcrit. = 73,77 bar
0,2
Δh
15°C
20°C
0,3
25°C
30°C
35°C
40°C
278,15 K
273,15 K
288,15 K
283,15 K
298,15 K
293,15 K
20
20
650 700 750 800 850 900 950 1000 1050
spez. Enthalpie h in kJ/kg
1100
Quelle: P. Menger, 2006 Die Enthalpie wurde festgelegt bei T0 = 298.15 K und p0 = 1.01325 bar mit h = 1000 kJ/kg
Bild 1.1: Maximal mögliche Kälteleistung im log p,h-Diagramm
45°C
50°C
55°C
ΔhIHX,max
für Q0,max
0,4
263,15 K
258,15 K
268,15 K
0,5
60°C
308,15 K
70°C
Um die Fragestellungen über die thermodynamischen Eigenschaften und die Anwendung
von CO2 in den Komponenten einer PKW-Klimaanlage aufgreifen zu können, wurde im Labor
für Angewandte Thermodynamik der Fachhochschule Osnabrück aufbauend auf den
Kenntnissen über die Entfrostung und Beschlagsentfernung von PKW Frontscheiben in einer
Klimakammer ein Komponentenprüfstand als CO2 Kältemaschinenkreislauf zur PKW
Klimatisierung aufgebaut. Die Messergebnisse aus den umfangreichen Untersuchungen mit
80°C
Punkt 3 (t3, pHP)
tc=30,98°C; pc=73,77bar
0,6
0,7
323,15 K
313,15 K
333,15 K
Q0,max
343,15 K
0,8
s = 4,85
pL
0,9
s = 4,9
90°C
s = 4,95
pH
100°C
s = 5,0 kJ/(kg K)
110°C
s = 5,05
s = 5,1
120°C
s = 5,15
ΔhIHX,max
für Q0,max
130°C
140°C
s = 5,2
150°C
s = 5,25
160°C
s = 5,3
170°C
s = 5,4
s = 5,5
Punkt 1 (t1max, pLP)
s = 5,6
200
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
55
50
45
40
35
30
25

drei unterschiedlichen IHX-Bauformen wurden u.a. als Grundlage für ein Simulations- und
Auslegungsprogramm verwendet. Damit kann die optimale Länge auf ein Maximum des
COP im häufigsten Anwendungsfall ausgelegt werden, wobei für eine begrenzte Länge des
jeweiligen IHX im Idle Test die erforderliche Kälteleistung erreicht wird. Bei genauer Kenntnis
der äußeren Einsatzbedingungen kann die Länge des IHX auch auf ein Maximum des COP
für die Jahresnutzung ausgelegt werden.
2. CO2 Komponentenprüfstand
Durch die Aufgabenstellung alle Komponenten bilanzieren zu können, sind am Ein- und
Austritt jeder Komponente Druck- und Temperaturmessstellen vorgesehen. Die effektive
Antriebsleistung und Drehzahl des Verdichters wird über einen drehzahlgeregelten
Pendelmotor mit Drehmomentenwaage erfasst, die mit einer Drehmomentenwelle für die
stationären Betriebszustände überprüft wurde. Alternativ zum luftbeaufschlagten Gaskühler
kann ein kaltwasserbeaufschlagter Gaskühler mit wasserseitiger Volumenstrom- und
Temperaturmessung eingesetzt werden. Dadurch werden Kältemittel-
Temperaturschwingungen am Gaskühleraustritt vermieden. Die Dichte und der
Kältemittelmassenstrom werden mit einem Coriolis-Messgerät vor dem Eintritt in das
Expansionsventil erfasst. Um den Austauschgrad eines bestehenden IHX zu variieren ist
zwischen Gaskühler und Expansionsventil eine Bypassschaltung eingebaut.
t tEV,air EV,air EV,air 2
Evaporator
ϕ, t EV,air 1
Heater
Fan
V VEV,air EV,air EV,air
Coriolis Sensor
t 6,1
m mCO2 CO2 CO2
p pLP5 LP5 LP5
t 5
Steam
EXV
Service
Port LP
Bild 2.1: Messstellenplan
t t4,2 4,2 4,2 p HP4
Blow-Off
Valve LP
p LP6
t 4,1
t 6,2
IHX
Accumulator
t 1
Service
Port HP 1
p LP1
Blow-Off Valve HP
t 3
Service
Port HP 1
p HP3
Oil
Separator
p pHP2 HP2 HP2
t 2
Compressor
M
n, M
t GC,air 2
Gas Cooler Air
t GC,air 1
Heater
Fan
V GC,air
Gas Cooler
Water
t W,out
m W
t W,in
Water Chiller
Als Kältemittelverdichter wird ein Schwenkringverdichter C99-4 von Obrist verwendet, der als
Prototyp in der PKW-Oberklasse (z.B. 7er BMW) getestet wurde [2]. Der Prüfstand befindet
sich in einem klimatisierten Laborraum. Die Lufteintrittstemperaturen am Gaskühler und
Verdampfer werden jeweils in einem Kanalsystem mit geregelten Lufterhitzern und variablen
Gebläsen eingestellt. Im Kanalsystem des Verdampfers kann die Luftfeuchte durch einen
Dampfbefeuchter variiert werden. Alle Komponenten des Kältemaschinenkreislaufes sind
flexibel austauschbar. In diesem Prüfstand wurden die im folgenden Abschnitt
beschriebenen IHX-Baumuster messtechnisch untersucht.

Gaskühler
(Luft)
Accu/IHX
- Mäander-IHX
- Profilrohr-IHX
- Helix-IHX
Gaskühler
(Wasser)
Bild 2.2: Bilder des Prüfstandes
Der Mäander-IHX ist ein Gegenstrom-Koaxialwärmetauscher mit einem
hochdruckbeaufschlagten Innenrohr. Dieser IHX wurde mit fünf 180°-Bögen ausgeführt um
den Einfluss des Druckverlustes auf den CO2-Kältemaschinenprozess untersuchen zu
können. Die Temperaturen im Hoch- und Niederdruckteil können abschnittsweise erfasst
werden. Der Akkumulator wurde so konzipiert, dass er zum einen die Füllmengendifferenz
zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Betriebspunkt sowie Kältemittelverluste durch
Leckagen ausgleichen kann und zum anderen wurde das „Oil Bleed Hole“ so ausgelegt,
dass das abgeschiedene Kältemittelöl zurückgeführt werden kann. Das führt dazu, dass der
Eintrittszustand am IHX unterhalb des höchsten Betriebspunktes leicht unter x=1 liegt. Der
Akkumulator ist auf der Niederdruckseite angeordnet, damit unter allen Betriebsbedingungen
flüssiges Kältemittel gespeichert werden kann.
LP
HP
Bild 2.3: Mäander-IHX mit Akkumulator
Verdampfer
EXV
Verdichter
Drehzahlgeregelter
E-Motor
Oil bleed hole

Der Profilrohr-IHX ist ein Gegenstrom-Koaxialwärmetauscher mit radial angeordneten
Stegen im Ringspalt, der als Niederdruckseite verwendet wird. Auf der halben
Wärmetauscherlänge ist ein 180° Bogen eingebaut, der zusammen mit den Einlaufstutzen
den Hauptanteil des Druckverlustes bildet. Mehrere Messstellen lassen den
Temperaturverlauf auf der Niederdruckseite erfassen. Als Akkumulator wird der schon oben
beschriebene eingesetzt.
Oil bleed hole
Bild 2.4: Profilrohr-IHX mit Akkumulator
Der Helix-IHX hat einen in dem Gehäuse integrierten Akkumulator. Der Akkumulatoraustritt
ist als Überlauf so konzipiert, dass das Kältemittel im Kreuz-Gegenstrom in einen Ringspalt
zwischen Akkumulatormantel und Gehäusewand strömt, in dem sich die
hochdruckbeaufschlagte Rohrwendel befindet. Über den Akkumulatormantel kann Wärme
zwischen dem in Strömungsrichtung immer wärmer werdenden Kältemittel (Niederdruck) und
der kühleren Kältemittel-Speichermasse im Akkumulator übertragen werden. Wie noch
gezeigt wird, ist bei dieser Bauart der Druckverlust auf der Niederdruckseite im Vergleich mit
den anderen Bauarten am geringsten.
Bild 2.5: Helix-IHX mit integriertem Akkumulator
HP
LP

3. Messergebnisse und Auswerteprogramm
Das von uns entwickelte Auswerteprogramm COSMO ermöglicht eine Online-
Datenauswertung und eine grafische Online-Darstellung im log p, h-Diagramm. Die
Enthalpie- und Stoffwerteberechnung erfolgt auf der Grundlage von Fluidcal [3]. Neben der
Darstellung der Zustandsgrößen wird gleichzeitig eine Leistungsbilanzierung durchgeführt.
Unter der Randbedingung einer möglichst gleichen Kälteleistung wurden im transkritischen
Betrieb mit einer Gaskühleraustrittstemperatur von 50°C die drei oben beschrieben IHX-
Baumuster untersucht und die Zustandsgrößen im log p, h-Diagramm aufgetragen. Bei den
untersuchten IHX-Baumustern liegt in diesem transkritischen Betrieb der Zustandspunkt 3
nahe einer Linie der theoretisch COP optimierten Kälteleistung [4]. Während bei dem
Mäander-IHX der größte Druckverlust auf der Niederdruckseite sichtbar wird, zeigt sich bei
dem Helix-IHX eine geringere spezifische Enthalpiedifferenz, die einen höheren
Kältemittelmassenstrom für die erforderliche Kälteleistung benötigt. Trotzdem sind in diesem
Betriebszustand mit der höchsten Gaskühleraustrittstemperatur von 50°C und der maximalen
Kälteleistung von ca. 5 kW die COP Werte mit ca. 2,0 der untersuchten IHX nahezu
identisch. Dieser Betriebspunkt wird als Referenzpunkt für die CO2-Füllmenge gewählt und
enthält, wenn man eine Bevorratung für einen Kältemittelverlust durch Leckage
unberücksichtigt lässt, nur gasförmiges Kältemittel.
Ref.
Punkt
Helix
Profilrohr
Bild 3.1: Vergleich der verschiedenen IHX im transkritischen Betrieb
Mäander
COP
Helix-IHX: 2,03
Profilrohr-IHX: 2,02
Mäander-IHX: 2,01
Q0 ≈ 5 kW
t3 ≈ 50°C
Verdampfer luftseitig konstant
Im unterkritischen Betrieb wurde für diese Untersuchung eine Gaskühleraustrittstemperatur
von 30°C gewählt und die Kälteleistung von 2,5 kW mit dem am Verdichter einstellbaren
Kältemittelmassenstrom nahezu konstant eingestellt. Beim Zustandspunkt 6 liegt der
Dampfgehalt x beim Helix-IHX niedriger als beim Mäander-IHX und als beim Profilrohr-IHX.
Dadurch verschiebt sich auch der Zustandspunkt 1 im log p,h-Diagramm auf eine etwas
geringere Verdichtereintrittstemperatur. Dies lässt sich durch die abweichende Bauart des
Akkumulators mit einem größeren Oil Bleed Hole erklären. Im Gegensatz zur Untersuchung
im transkritischen Betrieb wurden im unterkritischen Betrieb unterschiedliche COP Werte
ermittelt. Hier zeigt der Helix-IHX einen etwas höheren COP Wert gegenüber dem Mäander-

IHX auf, was unter anderem auf den geringeren Druckverlust zurückgeführt werden kann.
Der Akkumulator enthält in diesem Betriebszustand im unteren Bauraum immer flüssiges
Kältemittel.
Oil bleed
hole
Helix
Profilrohr
Bild 3.2: Vergleich der IHX im unterkritischen Betrieb
COP
Profilrohr-IHX: 4,80
Helix-IHX: 4,55
Mäander-IHX: 4,13
Mäander
Q0 ≈ 2,5 kW
t3 ≈ 30°C
Verdampfer luftseitig konstant
Die Druckverluste auf der Niederdruckseite der IHX beeinflussen direkt die indizierte
Verdichterleistung bei sonst gleichen Randbedingungen. Die Messungen des Druckverlustes
für verschiedene Volumenströme zeigten, dass der Helix-IHX aufgrund seiner
Strömungsführung im Niederdruckbereich erwartungsgemäß den geringsten Druckverlust
aufweist. Der Mäander-IHX hat wie oben schon beschrieben durch große Anzahl von 180°-
Bögen den höchsten Druckverlust. Der Profilrohr-IHX bewirkt durch seine einfache Bauart
einen Druckverlust, der sich vom Helix-IHX nicht stark unterscheidet.

Mäander-IHX
Profilrohr-IHX
Helix-IHX
Bild 3.3: Druckverluste auf der Niederdruckseite im Vergleich der IHX- Baumusterarten
Der Prüfstand ermöglicht wie oben beschrieben durch eine Bypass-Schaltung auf der
Hochdruckseite eine Variation des Austauschgrades für die zu untersuchenden IHX. Die
Forderung nach einer konstanten Kälteleistung bewirkt mit sinkendem Austauschgrad ein
Ansteigen des Kältemittelmassenstroms. Wird auf der Niederdruckseite der Einfluss des
Prüfstands bedingten Druckverlust beibehalten, sinkt der COP mit fallendem Austauschgrad
nahezu linear. In dieser Untersuchung mit einer Gaskühleraustrittstemperatur von 43°C und
einer Kälteleistung von ca. 4,7 kW ermöglicht der Profilrohr-IHX den höchsten
Austauschgrad mit ca. 0,86.
Verminderung der IHX Leistung
Bild 3.4: Veränderung des Austauschgrades durch Bypass-Betrieb
LP
HP
Q0: 4,7 kW
t3: 43°C
Verdampfer luftseitig konstant
COP Helix
COP Profilrohr
Massenstrom Profilrohr
Massenstrom Profilrohr

4. Simulationsprogramm
Für die vorgegebenen Bauarten des IHX (Mäander, Profilrohr, Helix) wurde unter Vorgabe
der Querschnittsgeometrien und der gewünschten Betriebszustände (Luftzustand am
Verdampfer und Außentemperatur) ein Simulationsprogramm erstellt, mit welchem es
möglich ist, die COP optimierte IHX Länge zu berechnen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit,
mit einer beliebig vorgegebenen IHX-Länge das dazugehörige COP zu ermitteln. Nach
Festlegung einer IHX-Länge kann somit für sämtliche Betriebsbedingungen der COP-Wert
berechnet werden. Dabei wird das thermodynamische Betriebsverhalten der im Prüfstand
enthaltenen Komponenten (Verdampfer, Gaskühler und Kompressor) berücksichtigt.
Die für die Berechnung der Wärmeübertragung am IHX benötigten Nusselt-Gleichungen
wurden mit den vorliegenden Messdaten überprüft und gegebenenfalls modifiziert. Für die
flüssige und gasförmige Phase des Kältemittels konnten im Hochdruckbereich für alle drei
IHX-Bauarten die Nusselt-Gleichungen nach Gnielinski ergänzt durch Hufschmied und Burck
bestätigt werden. Für Profilrohr- und Mäander-IHX konnten diese Gleichungen auch im
Niederdruckbereich bestätigt werden. Für den Helix-IHX wurden im Niederdruckbereich die
Gleichungen nach Zukauskas durch Messwerte bestätigt. Dagegen mussten in der
Nassdampfphase die Gleichungen nach Klimenko, Danilova und Shah für jede der drei
Bauarten mit den Ergebnissen der Messungen modifiziert werden [5].
Für die Berechnung der Druckverluste konnten in der flüssigen und gasförmigen Phase die
bekannten Gleichungen nach Blasius, Nikuradse und Colebrook für verschiedene
Turbulenzgrade verwendet werden. Für die Nassdampfphase wurde der Lockhard –
Martinelli Parameter für alle IHX entsprechend der Messdaten modifiziert. Der Druckverlust
am Ein- und Austritt der verschiedenen IHX Baurten wurde getrennt betrachtet. Diese
Gleichungen wurden mit Messdaten aus mehreren Versuchsreihen auf ihre Plausibilität
überprüft.
Bekanntermaßen bestehen für die Stoffwerte und insbesondere für die Wärmekapazität cp
am kritischen Punkt eine Anomalie. Da die Niederdruckseite eines IHX für den
Wärmeübergang den begrenzenden Faktor bildet, ist die Anomalie bei der Wärmekapazität
mit dem hier eingesetzten Differenzenverfahren einfach zu handhaben, da sich dieser
Vorgang auch im ungünstigsten Fall nur in einem Elementknoten auf der Hochdruckseite
ereignen kann. Der Kurvenverlauf der Wärmekapazität über der Temperatur lässt von
Elementknoten zu Elementknoten eine Linearisierung zu.

Bild 4.1: Verlauf von cp und Temperatur im kritischen Bereich an den Knoten der Elemente
Aus der Vorgabe des Luftzustandes für den Verdampfer werden die Eintritts- und
Austrittstemperaturen des Kältemittels entsprechend der Prozesslage des
Kältemaschinenprozesses und der benötigten Kälteleistung im Differenzenverfahren mit
einem Kreuzstrommodell berechnet. Die Diskretisierung für den Helix-IHX wird mit
gekrümmtem und für den Profilrohr- und Mäander-IHX mit geraden Elementflächen
durchgeführt. In jedem Elementknoten werden Temperatur, Druck und spez. Enthalpie
iterativ so berechnet, dass in jedem Element ein Wärmestromgleichgewicht zwischen der
Hochdruck- und Niederdruckseite entsteht.
Verdampfer Helix-IHX Profilrohr-IHX
Mäander-IHX
tHPi+1, pHPi+1, hHPi+1
tHPi, pHPi, hHPi
Kreuzstrom Kreuzgegenstrom Gegenstrom
Bild 4.2: Diskretisierung im Differenzenverfahren des Simulationsprogramms
tLPi+1, pLPi+1, hLPi+1
Q1,i+1
tLPi, pLPi, hLPi

Zur Überprüfung der beschriebenen Wärmeübergangsgleichung wurde eine Simulation mit
einem fiktiven IHX in frei gewählter Prozesslage durchgeführt, der auf der Niederdruckseite
vom Nassdampf in die Gasphase übergeht und auf der Hochdruckseite von der Gasphase
über die Nassdampfphase in die Flüssigphase übergeht. Die Veränderung innerhalb der
Phasen und zwischen der Hochdruck- und Niederdruckseite konnte als Plausibilitätsprüfung
verwendet werden.
In der Simulationsberechnung für den Profilrohr-IHX konnte deutlich der Druckverlustanstieg
in den Elementknoten im Bereich des 180°-Rohrbogens sowohl auf der Niederdruckseite als
auch auf der Hochdruckseite dargestellt werden. Der lokale Druckverlust wirkt sich auf der
Nassdampfseite stärker aus als auf der reinen Gasseite im Hochdruck.
Δp HP
Gas (LP)
Rohrbogen 180°
Elementknoten
Δp LP
x=0 (HP)
Bild 4.3: Verlauf der Druckverluste am Profilrohr-IHX an den Knoten der Elemente
Nassdampf (LP)
x=0 (LP)
Nassdampf (HP) Flüssigkeit (HP)
Aus den uns vorliegenden Herstellerangaben und [6], wurde für die Kälteleistung in
Abhängigkeit der Außentemperatur die Randbedingung für die Simulationsrechnung
festgelegt. Dabei wird zwischen Frischluft-, Mischluft- und Umluftbetrieb der Klimaanlage
unterschieden. Zur Erzielung eines möglichst großen Kältemittelmassenstroms wurde der im
Prüfstand vorhandene Verdichter für die Simulation so übersetzt, dass die maximale
Verdichterdrehzahl bei der maximalen Motordrehzahl erreicht wird. Dadurch liegt die
Drehzahl des Verdichters bei Stillstand des Fahrzeugs oberhalb der Motordrehzahl. Des
Weiteren wurden die Anforderungen an den Prozess im Simulationsprogramm als stationärer
Betrieb der Klimaanlage dargestellt.

Frischluftbetrieb
Mischluftbetrieb
Umluftbetrieb
t 3 für Fahrzeugstillstand
t 3 für Fahrbetrieb
Quelle: Forschungsstelle für Energiewirtschaft;
Firmenangaben
Bild 4.4: Benötigte Kälteleistung in Abhängigkeit der Außentemperatur als Randbedingung
für die Simulationsrechnung
5. Ergebnisse der Simulation
Stationäre Randbedingung
für Simulationsrechnung
Soll die Anforderung für die erforderliche Kälteleistung bei einer Außentemperatur von 45°C
im Fahrzeugstillstand und beim Frischluftbetrieb erfüllt werden, kann die Länge des
Profilrohr-IHX auf 1,2 m begrenzt werden. Wird die maximale äußere Einsatzbedingung nur
um 2 K mit entsprechender Kälteleistung abgesenkt, kann die IHX-Länge bei nur geringfügig
schlechterem COP um mehr als die Hälfte reduziert werden. Wird die maximale äußere
Einsatzbedingung bis auf 40°C mit entsprechender Kälteleistung reduziert, ist sogar eine
Erfüllung der Anforderung ohne IHX möglich, wobei der COP dann aber um 15-20% fällt.
2,3 m
1,2 m
0,5 m
ohne IHX
Profilrohr-IHX
Stationärer Betrieb
Fahrzeugstillstand
Frischluftbetrieb
Anforderungen können
nicht mehr erfüllt werden
Bild 5.1: COP in Abhängigkeit der Außentemperatur: Vergleich verschiedener IHX Längen

Wird die Anforderung einer Außentemperatur von 45°C beibehalten (Death Valley Idle Test
[7]), kann die erforderliche Kälteleistung von 5 kW bei einer IHX-Länge von 0,5 m mit
maximal 4,5 kW nur knapp erreicht werden und fällt bei völligem Verzicht auf einen IHX auf
maximal 3 kW und dem niedrigsten COP-Wert ab.
Bild 5.2: Maximal erreichbare Kälteleistung und COP beim „Death Valley Idle Test“, tau=45°C
In der Simulationsrechnung wurde für verschiedenen Außenluftemperatur zwischen 25 und
45 °C eine COP optimierte Länge ermittelt. Die COP-Werte mit den Bauarten Helix-IHX und
Profilrohr-IHX sind dabei nahezu deckungsgleich. Betrachtet man die höchste
Außentemperatur von 45°C liegt die COP optimierte Länge beim Helix-IHX bei ca. 13 m
wogegen der Profilrohr-IHX eine Länge von ca. 2,3 m aufweist. Der Einfluss auf die
Längenänderung bei Reduzierung der Außentemperatur fällt aber beim Helix-IHX stärker
aus.
Helix-IHX Länge
Profilrohr-IHX Länge
Helix-IHX COP
Profilrohr-IHX COP
Bild 5.3: COP optimierte Länge in Abhängigkeit der Außentemperatur: Vergleich Helix- und
Profilrohr-IHX

Bei der maximalen Anforderung im Death Valley Idle Test, Außentemperatur von 45°C, zeigt
sich beim Helix-IHX, dass mit einem Längenzuwachs oberhalb von 5 m der COP nur noch
geringfügig steigt, während die Kälteleistung mit Zunahme der Länge weiter ansteigt.
Dagegen zeigt sich beim Profilrohr-IHX ein steilerer Anstieg beim COP mit einem Maximum
bei einer Länge von 2,3 m, wobei mit einem weiteren Anstieg der Länge darüber hinaus der
COP sogar wieder sinkt, was auf das Druckverlustverhalten zurückzuführen ist.
Kälteleistung Profilrohr-IHX
Kälteleistung Helix-IHX
COP Profilrohr-IHX
COP Helix-IHX
Bild 5.4: Kälteleistung und COP in Abhängigkeit der Länge
tau = 45°C
Beim Stillstand eines Fahrzeuges ist der Kältemittelmassenstrom durch die
Motorleerlaufdrehzahl begrenzt, während im Fahrbetrieb mit zunehmender Motordrehzahl
der Kältemittelmassenstrom steigen kann. Unterscheidet man das Betriebsverhalten des
Profilrohr-IHX zwischen Fahrbetrieb mit ca. 32 km/h und Stillstand des Fahrzeuges, zeigt
sich beim Stillstand des Fahrzeuges, dass unterhalb einer Länge von 1,2 m die Anforderung
einer Kälteleistung von 5 kW bei einer Außentemperatur von 45°C nicht mehr erreicht
werden kann. Dagegen könnte man im Fahrbetrieb die Länge des IHX wegen des zur
Verfügung stehenden größeren Kältemittelmassenstroms auf ein Minimum verkleinern,
allerdings mit sinkendem COP. Diese Betrachtung gilt für den Frischluftbetrieb der
Klimaanlage, wodurch die Luft mit der hohen Außentemperatur auf Fahrgastzellentemperatur
abgekühlt wird. Würde man die Klimaanlage im Stillstand des Fahrzeuges immer im Umluft-
oder mindestens im Mischbetrieb betreiben, ist eine Reduzierung der IHX-Länge auch unter
1,2 m möglich.

tau = 45°C
Q0 = 5 kW
Frischluftbetrieb
Bild 5.5: COP über Länge für Fahrbetrieb und Fahrzeugstillstand, Profilrohr-IHX
6. Zusammenfassung
5 kW können nicht
erreicht werden
Fahrbetrieb
ΔtGC = 5 K
Grenzlänge:
1,2 m
Fahrzeugstillstand
ΔtGC = 10 K
Aus den Messdaten an realen IHX-Baumustern wurde ein Simulationsprogramm entwickelt.
Dieses Programm ermöglicht die Ermittlung von COP optimierten IHX-Längen bei
vorgegebenen Querschnittsgeometrien und die maximal möglichen Kälteleistungen für
unterschiedliche Außentemperatur – Szenarien mit Unterscheidung zwischen Fahrbetrieb
und Fahrzeugstillstand.
Mit sinkender Außentemperatur steigt die maximal mögliche Kälteleistung des Fahrzeugs an,
obwohl diese nicht für das Komfortverhalten bedingt durch die Abkühlkurve der Fahrgastzelle
erforderlich ist. Somit kann bei einer moderat sinkenden äußeren Einsatzbedingung eine
Verkürzung des IHX vorgeschlagen werden. Das heißt im Umkehrschluss, dass der Vorteil
eines längeren IHX im Komfortgewinn aufgrund einer Verkürzung der Abkühlzeit der
Fahrgastzelle liegt. Wird ein bei einer Außentemperatur von 45°C optimal ausgelegter IHX
bei niedrigeren äußeren Bedingungen eingesetzt, besteht der Vorteil nur in der Steigerung
des Komfortverhaltens und nicht in einer wesentlichen Steigerung des COP. Zu beachten ist,
dass beim Profilrohr-IHX über einer Länge von 2,3 m der COP-Wert wieder abnimmt, so
dass man hier insbesondere für die Verwendung in einer Einbauweise im Package auf eine
Begrenzung der Länge achten sollte.

Bild 6.1: Maximal erreichbare Kälteleistung bei Fahrzeugstillstand, Profilrohr-IHX
Zusammenfassend zeigt die Simulation, dass mit einer moderaten Reduzierung der IHX-
Länge der COP nur geringfügig abgesenkt wird aber die gestellten Anforderungen an die
Kälteleistung gerade noch erreicht werden. Wird die maximale Anforderung des Death Valley
Idle Tests geringfügig gesenkt, z.B. von 45° auf 42,5°C, kann der Profilrohr-IHX in seiner
Länge bei gleicher Kälteleistung merklich reduziert werden.
7. Literaturverzeichnis
treduziert
COP optimiert
Außentemperatur 35°C
Außentemperatur 40°C
Außentemperatur 42,5°C
Außentemperatur 45°C
[1] Vainio, M.: European Regulation of Mobile Air Conditioning and Global Implication.
VDA Winter Meeting, Saalfelden, 2006
[2] Obrist Engineering: Manual-CO2-Compressor (Variable Displacement)-C99-4,
Lustenau, 2005
[3] Wagner, W.: Description of the Software (Dynamic Link Library) for the Calculation of
Thermodynamic and Transport Properties of Carbon Dioxide, Fluidcal, Bochum 2004
[4] Schramm, S.: Untersuchung und Optimierung des Betriebsverhaltens einer CO2 PKW-
Klimaanlage. Diplomarbeit FH Osnabrück, 2005
[5] Erdmann, J.: Simulation einer R744-PKW-Klimaanlage mit innerem Wärmetauscher
unterschiedlicher Bauart. Diplomarbeit FH Osnabrück, 2006
[6] Ampenberger, A.; Corradini, R.; Wabro, R.: Kühlleistungsbedarf eines Mittelklasse
PKW…, Forschungsstelle für Energiewirtschaft, München 2004
[7] Mager, R.; Wertenbach, J.; u.a.: Standard Specification R744 AC Systems, Work
Group of OEM`s, 2005