In der vorliegenden Arbeit wird mit Hilfe von Simulationsmodellen in der ModellierungspracheModelica das Systemverhalten eines automobilen Kältekreises anhand zweier Fragestellungenbeleuchtet, die eine Berücksichtigung transienter Vorgänge erforderlich machen. DieSpeicherung von thermischer Energie in einem Phasenwechselmedium, das in den Kältemittelverdampfereingebracht wird, bildet die Grundidee für eine Überbrückung des fehlendenKompressordrehmomentes während kurzer Stopp-Phasen eines Fahrzeuges mit Mild-Hybrid-Antrieb. Die Komponente wird anhand von Daten einer realisierten Variante modelliert undim Gesamtprozess simuliert. Der zweite Anwendungsfall beschäftigt sich mit dem charakteristischenProzessverhalten einer Pkw-Kälteanlage bei Kältemittelverlust und dem Ziel, diesenanhand von ausgewählten Prozessgrößen zu erfassen. Die Verteilung der Kältemittelmasse imSystem und das spezifische Massespeicherverhalten der einzelnen Prozesskomponenten wirddabei ebenfalls auf Basis transienter Modellansätze untersucht.Zu Beginn der Arbeit werden zunächst die theoretischen Grundlagen der verwendeten Modellevorgestellt. Die Komponentenmodelle bauen auf vorhandenen Basismodellen auf, die darinimplementierten Erhaltungsgleichungen für Masse, Energie und Impuls werden für die eindimensionalbetrachtete Fluidströmung aufgestellt. Das angewendete Finite-Volumen-Verfahrenordnet die Energie- und Massenbilanzen einerseits und die Impulsbilanz andererseits auf einemversetzten Gitter an, die Bilanzgrenzen sind daher jeweils um ein halbes Volumen zueinanderverschoben. Da jedes Volumen als ideal durchmischt angesehen wird, besteht an der Volumengrenzegleichzeitig eine Diskontinuität im Verlauf der thermodynamischen Zustandsgrößen, dieinsbesondere bei groben Diskretisierungen stark ausgeprägt sein kann. Während die komponentenbasierteModellierung durch die strukturelle auch graphisch erkennbare Trennung dereinzelnen Komponentenmodelle den Anschein von klaren Systemgrenzen erweckt, ist nicht immerauf Anhieb erkennbar, welcher Seite der Systemgrenze die in einer Konnektorverbindunggleichgesetzten Zustandsgrößen zuzuordnen sind. Eine Vorstellung von Schnittstellenkonzepten,die in weiteren Fluid-Bibliotheken realisiert wurden, verdeutlicht die Auswirkungen einesjeden Ansatzes und ordnet das im weiteren Verlauf der Arbeit verwendete Konzept ein.Die Auflösung örtlicher Gradienten der thermodynamischen Zustandsgrößen in eine Raumrichtungbeschränkt die abzubildenden Fluidströmungen auf konvektive Ströme mit einer eindeutigdominierenden Hauptströmungsrichtung. In Wärmeübertragern kommt die Wärmeleitung imWandmaterial und eine Aufteilung der eintretenden Fluidströme in mehrere parallele Strängehinzu. Bei den in automobilen Kälteanlagen zum Einsatz kommenden kompakten Ausführungenensteht durch die entsprechende thermische Verknüpfung schnell eine dreidimensionaleStruktur mit einer Vielzahl von dynamischen Zuständen. In dieser Arbeit werden die vereinfachendenAnnahmen vorgestellt, die ein Modell eines Kreuzgegenstromwärmeübertragers fürdie Systemsimulation tauglich machen und die gleichzeitig die Grenzen des Modells aufzeigen.Dieser Sachverhalt wird besonders an dem vorgestellten Modell des Speicherverdampfers deutlich.Hier wird eine herkömmliche Kreuz-Gegenstrom-Führung zwischen Luft und Kältemittelergänzt um ein Phasenwechselmaterial, das zwischen den beiden Medien angeordnet ist. DasBauteil wird in einem Fahrzeugkältekreis mit dem Ziel eingesetzt, die erforderliche Austrittstemperaturder Verdampferluft auch während kurzer Stoppzeiten des Motors, in denen keinDrehmoment an der Kompressorwelle zur Verfügung steht, zu gewährleisten. Zwar kann dankvorhandener Symmetriegrenzen die mehrdimensionale Wärmeleitung in dem Speichermaterialabgebildet werden. Sobald jedoch die gerichtete Strömung des Kältemittels einbricht, wird diefluidgebundene Energieverteilung in der Komponente nicht mehr korrekt wiedergegeben. Ausden Simulationsergebnissen wird deutlich, dass die verwendete Menge an PCM kaum dazuausreicht, genügend Wärme zu speichern, sollte nicht eine zusätzliche bewegliche Kapazität fürdie Wärmeaufnahme im Bauteil vorhanden sein. Daher ist der Einsatz des Modells beschränktauf Situationen, die eine minimale Kältemittelströmung als Randbedingung vorgeben. Dafürwäre in einem Kreisprozess ein Ventilmodell erforderlich, das die Reaktion auf einen Kompressorstoppkorrekt wiedergibt und den Zusammenhang zwischen sehr kleinen Massenströmenund geringen Druckdifferenzen abbilden kann. In einem weiteren Anwendungfall der beschriebenenModell wird das charakteristische Prozessverhalten einer R134a-Kälteanlage bei einerÄnderung der im Kreislauf enthaltenen Kältemittelmasse untersucht. An einer Versuchsanlagemit Standardkomponenten eines R134a-Fahrzeugkältekreises wurde schrittweise die enthalteneKältemittelmenge erhöht und mit einem Systemmodell nachsimuliert. Die Modelle der Kältemittelführenden Komponenten wurden dafür um einen empirischen Dampfvolumen-Ansatzaus der Literatur erweitert, der den Schlupf zwischen den beiden Phasen berücksichtigt. Die indem hochdruckseitigen Kältemittelsammler eingelagerte Masse wird über den Grad der Phasentrennungin dem Bauteil bestimmt. Anhand eines gläsernen durchsichtigen Sammlers imExperimentalsystem können Bereiche starker Durchmischung und auch ein deutlicher Phasentrennspiegelausgemacht werden. Zusätzlich kann ein visueller Einblick in den Prozess an einerStelle gewonnen werden, an der bei einer starken Unterfüllung des Kreislaufes eine Bestimmungdes zweiphasigen Kältemittelzustandes anhand von Temperatur- und Druckmessungennicht möglich ist. Das Modell der Komponente, aufgeteilt in Bereiche mit idealer Durchmischungder Phasen und mit einer idealen Phasentrennung, zeigt im Verlauf einer schrittweisenAnlagenbefüllung eine gute Übereinstimmung mit den visuellen Beobachtungen und dem registriertenGewicht des Sammlers in der Versuchsanlage. Diese können ebenfalls herangezogenwerden, um verschiedene Phasen der Masseeinlagerung in den einzelnen Bereichen desKreisprozesses zu identifizieren.So zeigt sich deutlich, dass die betrachtete Anlagenkonfiguration mit einem hochdruckseitigenSammler und einem thermostatischen Expansionsventil relativ tolerant innerhalb eines weitenBereiches auf Unterfüllung reagiert, ohne dass eine starke Leistungseinbuße erfolgt. In dieserPhase wandert der Zustand am Kondensatoraustritt von einer Unterkühlung in den Zweiphasenbereichmit einem Haltepunkt auf der Phasengrenze, bei dem sich allein die Masse im Sammlerändert. Vorher verringert sich in erster Linie die Befüllung im Kondensator, danach in der Flüssigleitungzwischen Kondensator und Expansionsventil. Sobald aber der Zustand zwischen denbeiden Bauteilen anfängt von der Sättigungsdichte stark abzuweichen, brechen Kälteleistung,Massenstrom und letztendlich auch die Kompressorschmierung ein. Da es auch andere Gründefür eine nicht erreichte Sollleistung bei Normalbefüllung gibt, etwa ein nicht ausreichendesDrehmoment an der Antriebswelle oder extreme Außenbedingungen, wird statt dessen vorgeschlagen,mit Hilfe zweier Temperatursensoren an der Abströmfläche des Verdampfers einecharakteristische Verschiebung des überhitzten Bereiches in demWärmeübertrager zu registrieren.Diese konnte sowohl im Experiment als auch in der Simulation nachgewiesen werden.Unter der Voraussetzung einer korrekten Wiedergabe des Anlagenverhaltens bei einem Kältemittelverlust,kann das Simulationsmodell verwendet werden, um den charakteristischen Betriebeines beliebigen Systems mit unterschiedlichen Befüllungen zu untersuchen, und dabeiPrüfstandsversuche einzusparen. Da installierte Messtechnik häufig das Anlagenvolumen verändert,kann in einigen Fällen sogar die Simulation das einzig mögliche Werkzeug sein. Trotzeiner guten Übereinstimmung bezüglich des charakteristischen Verlaufes verschiedener Prozessgrößenund in weiten Bereichen auch ihrer absoluten Werte, treten einzelne Abweichungenzwischen Modell und Messung auf. Dies betrifft in erster Linie den stark unterfüllten Bereich,der einen deutlichen Druckabfall zur Folge hat und in der Simulation erst bei niedrigeren Befüllungenals im Experiment erreicht wird. Es wird vermutet, dass das verwendete Modell desDrosselorgans nur unzureichend den realen Betrieb bei sehr geringen Massenströmen und einemzweiphasigen Eintritt abbildet.Dennoch ist aufgrund der dynamischen und weitestgehend prozessunabhängigen Modellierungder Einzelkomponenten, insbesondere der Wärmeübertrager, eine Abbildung des Kältekreisbetriebesaußerhalb der Normalbedingungen möglich. Anders als in stationären Prozessberechnungenist die Vorgabe einer Überhitzung am Verdampferaustritt und einer Unterkühlung amKondensatoraustritt nicht erforderlich, sondern diese folgen aus der eingefüllten Kältemittelmengeund nehmen im Verlauf der Befüllung im Vergleich zum Normalbetrieb stark abweichendeWerte an.
