Thermodynamic Analysis of a Vortex Tube-Assisted Ejector Auto-Cascade Refrigeration System Using R41/R1234yf Mixture

Kühlung ist eine fundamentale Technologie der modernen Welt, doch die Maschinen, die sie ermöglichen, verlassen sich oft auf einen einfachen, etwas verschwenderischen Trick: das Erzwingen eines Hochdruckgases durch eine winzige Öffnung, um es kalt zu machen. Dieser Prozess, bekannt als Drosselung, ist effektiv, aber ineffizient, da er eine beträchtliche Menge an potenzieller Energie als Wärme wegwirft. Auf der Suche nach besserer Kühlung, insbesondere für Tiefkühlanwendungen wie die Konservierung medizinischer Proben oder die Verflüssigung von Gasen, versuchen Ingenieure schon lange Wege zu finden, um diese verlorene Energie zurückzugewinnen. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, eine Mischung aus verschiedenen Gasen zu verwenden, die bei unterschiedlichen Temperaturen sieden, sodass sie sich natürlich trennen und gemeinsam in einem Kreislauf arbeiten können. Doch selbst diese fortschrittlichen Systeme bieten Raum für Verbesserungen. Die Herausforderung besteht darin, die Kühlleistung, die normalerweise verworfen wird, einzufangen und sie dazu zu nutzen, dem System zu helfen, härter zu arbeiten, ohne mehr Elektrizität zu verbrauchen.

Ein Team von Forschern der Inner Mongolia University of Science and Technology und der Irkutsk National Research Technical University hat einen neuen Weg vorgeschlagen, um dieses Problem anzugehen. Sie entwarfen ein Kühlsystem, das zwei verschiedene Vorrichtungen kombiniert: ein Wirbelrohr und einen Ejektor. Das Wirbelrohr ist ein einfaches, massives Metallgerät ohne bewegliche Teile, das einen Strom komprimierter Gase unter Ausnutzung der Physik der wirbelnden Bewegung in zwei separate Ströme aufteilen kann – einen sehr heißen und einen sehr kalten. Der Ejektor ist eine dornenartige Vorrichtung, die einen Hochgeschwindigkeitsstrahl aus Gas nutzt, um einen zweiten Gasstrom anzusaugen und zu verdichten, und fungiert somit effektiv als Pumpe, ohne einen Motor zu benötigen. Durch die Verknüpfung dieser beiden Vorrichtungen mit einem Standard-Kühlkreislauf haben die Forscher ein System geschaffen, das seine interne Energie effektiver recycelt als herkömmliche Designs.

Das System verwendet eine spezifische Mischung aus zwei umweltfreundlichen Gasen, R1234yf und R41. Diese Gase werden gemischt, weil sie sich unterschiedlich verhalten, wenn sie gekühlt werden; eines kondensiert leichter zu einer Flüssigkeit als das andere. In diesem neuen Aufbau wird das Mischgas komprimiert und dann gekühlt, bis es beginnt, sich in Flüssigkeit und Dampf zu trennen. Der dampfförmige Teil, der reich an dem Gas ist, das bei einer niedrigeren Temperatur siedet, wird in das Wirbelrohr geleitet. Im Inneren des Rohrs wirbelt das Gas heftig und spaltet sich auf. Das kalte Ende dieser Aufspaltung wird nicht verschwendet; stattdessen wird es zurück in einen Wärmetauscher geleitet, um das Hochdruckgas zu kühlen, bevor es in die Hauptkühlkammer eintritt. Dieser Vorkühlschritt macht das Gas viel kälter, als es andernfalls wäre, was es dem System ermöglicht, mehr Kühlleistung zu erzeugen. Gleichzeitig wird das heiße Ende der Aufspaltung aus dem Wirbelrohr an den Ejektor geleitet, wo es hilft, den Hauptgasstrom anzusaugen und zu verdichten, was die Arbeit des Hauptkompressors reduziert.

Um zu verstehen, wie gut diese Idee funktioniert, bauten die Forscher ein detailliertes Computermodell des Systems. Sie haben keine physische Maschine in einem Labor für diese Studie gebaut; stattdessen simulierten sie den Gasfluss und den Wärmetransfer mithilfe mathematischer Gleichungen, die auf den bekannten Eigenschaften der R1234yf- und R41-Mischung basieren. Sie testeten das System unter verschiedenen Bedingungen, indem sie die Außentemperatur der Luft, die Menge des durch die Rohre fließenden Gases und das Verhältnis der beiden Gase in der Mischung änderten. Das Ziel war es zu sehen, wie diese Änderungen die Fähigkeit des Systems beeinflussen, Kälte zu erzeugen und wie effizient es Energie nutzt.

Die Simulationen zeigten, dass das neue System deutlich besser abschneidet als ein Standard-Kühlkreislauf, der zwar einen Ejektor nutzt, aber das Wirbelrohr vermissen lässt. Als die Forscher die beiden Designs unter denselben Bedingungen verglichen, erzeugte das neue, durch ein Wirbelrohr unterstützte System 58,37 Prozent mehr Kühlkapazität. Es verbesserte auch den Leistungsfaktor (Coefficient of Performance), ein Maß für die Effizienz, um 49,03 Prozent. Das bedeutet, dass das System Dinge schneller einfrieren und weniger Energie dafür verbrauchen kann. Die Forscher fanden heraus, dass die größten Gewinne aus dem klugen Einsatz des kalten Stroms aus dem Wirbelrohr resultierten. Indem sie diesen kalten Strom nutzten, um das Hochdruckgas vorzukühlen, reduzierte das System die Menge der Energie, die während des Expansionsprozesses verloren geht.

Die Studie zeigte auch, dass die Leistung des Systems stark davon abhängt, wie die Gasgemisch verwaltet werden. Eine Erhöhung des Anteils des niedrigsiedenden Gases R41 in der Mischung verbesserte die Kühlkapazität und die Effizienz bis zu einem gewissen Punkt. Die Forscher fanden zudem heraus, dass die Temperatur, bei der das Gas den Kondensator verlässt, entscheidend ist; eine niedrigere Kondensatortemperatur führte zu einer besseren Leistung. Umgekehrt verbesserte eine Erhöhung des Trockenheitsgrades des aus dem Kondensator austretenden Gases (was einen höheren Dampfanteil bedeutet) tatsächlich die Kühlleistung des Systems. Obwohl ein höherer Trockenheitsgrad die Konzentration des niedrigsiedenden Gases im getrennten Dampf leicht verringerte, stieg die Gesamtmenge des durch den Kreislauf fließenden Dampfes signifikant an. Dieser größere Dampfstrom lieferte mehr Kältemittel für den nachfolgenden Tieftemperaturprozess und mehr Durchfluss für das Wirbelrohr zur Trennung, was letztlich die Kühlkapazität, den COP und die Exergieeffizienz steigerte, trotz der geringeren Konzentration.

Eine der wichtigsten Erkenntnisse war, dass das System am besten funktioniert, wenn die verschiedenen Teile des Kreislaufs sorgfältig aufeinander abgestimmt sind. Das Wirbelrohr liefert eine Kältequelle, die in anderen Systemen meist ignoriert wird, und der Ejektor bietet eine Möglichkeit, den Druck ohne zusätzliche Motoren zurückzugewinnen. Wenn diese beiden Elemente zusammenwirken, schaffen sie einen Kreislauf, in dem die Abwärme und die ungenutzte Kälte ständig wiederverwendet werden. Die Forscher merkten an, dass die Erhöhung der Menge an R41-Gas zwar die Leistung verbesserte, aber auch den Druck innerhalb des Systems erhöhte, was ein Faktor ist, den Ingenieure beim Bau einer echten Maschine berücksichtigen müssten.

Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass die Kombination eines Wirbelrohrs mit einem Ejektor ein gangbarer Weg ist, um die Leistung von Auto-Kaskaden-Kältesystemen zu steigern. Diese Systeme werden bereits in spezialisierten Bereichen wie der Gasverflüssigung und der Tieftemperaturforschung eingesetzt, wo das Erreichen sehr niedriger Temperaturen kritisch ist. Durch die Verbesserung der Effizienz dieser Maschinen könnte das neue Design zu kleineren, leistungsstärkeren Kühleinheiten führen, die weniger Elektrizität verbrauchen. Die Forscher betonen, dass ihre Ergebnisse auf Simulationen basieren, was bedeutet, dass der nächste Schritt darin besteht, einen physischen Prototyp zu bauen, um zu bestätigen, dass die Zahlen in der realen Welt Bestand haben. Die klare Botschaft der Daten ist jedoch, dass das Einfangen und Wiederverwenden der internen Energie des Kältemittels, anstatt sie entweichen zu lassen, einen substanziellen Weg für effizientere Kühltechnologien darstellt.