Modellierung und experimentelle Untersuchung der Kondensation binärer zeotroper Gemische

Zunehmend werden Gemische als Ersatz der herkömmlichen Reinstoff-Arbeitsfluide für den Einsatz in Kälteanlagen, Wärmepumpen oder ORC-Prozessen in Betracht gezogen, da die Nutzung der Reinstoffe aufgrund von Klimaschutzvorgaben eingeschränkt wird. Zeotrope Gemische weisen jedoch anders als Reinstoffe im Dampf-Flüssigkeit-Phasengleichgewicht stets unterschiedliche Zusammensetzungen der Dampf- und Flüssigphase auf. In den wärmeübertragenden Apparaten Kondensator und Verdampfer, die auch Teil der oben genannten thermodynamischen Kreisprozesse sind, führt dieses zeotrope Verhalten beim Phasenwechsel zu einer Überlagerung der Wärme- und Stoffübertragung. Dadurch wird die Beschreibung des Kondensationsvorgangs erheblich aufwändiger und die Vorhersage des Wärmeübergangs komplex. Die Abbildung links zeigt hierzu schematisch die Temperatur- und Konzentrationsprofile, an denen sich die Modellierung der vertikalen Filmkondensation eines binären Gemischs mit einem sogenannten Nicht-Gleichgewichtsansatz orientiert. Die präzise Modellierung der Kondensation basiert dabei auf der Kenntnis der vielfältigen Abhängigkeiten zwischen Stoff- und Wärmetransport-Korrelationen, sowie thermodynamischen Zustands- und Transportgrößen bei der Berechnung.

Neben der Modellierung und systematischen Analyse der Vorhersagemodelle wird ein Versuchsstand (s. rechte Abbildung) aufgebaut, in dem Wärme- und Stoffübergänge der Gemischkondensation für ein breites Spektrum an Zusammensetzungen verschiedener Gemische unabhängig voneinander untersucht werden können. Somit können zukünftig experimentelle Daten bereitgestellt und die bisherigen Vorhersagemodelle präzisiert werden.