Rekuperativer Scroll-Expander zur Energierückgewinnung und Steigerung der Energieeffizienz von Wärmepumpen und anderer Kraft-Wärme-Prozesse um bis zu 40 %

Projektlaufzeit: 01.09.2024 - 28.02.2026
Fördergeber: DATIpilot

Das Projekt umfasst die experimentelle Untersuchung von Fluid- und Werkstoffeigenschaften auf die Kavitation und Kavitationserosion in Scroll-Expandern.

Wärmepumpen stellen einen zentralen Baustein der Energiewende im Bereich der Wärmebereitstellung dar. Durch Verdampfung und Kondensation eines unter Druck stehenden Arbeitsfluids wird elektrische Energie unter Nutzung von Umweltwärme mit hohem Wirkungsgrad in thermische Energie umgewandelt.
Zur Aufrechterhaltung des thermodynamischen Kreisprozesses ist nach der Kondensation eine Druckreduktion des Arbeitsfluids erforderlich, damit dieses im Verdampfer erneut Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann. Der Stand der Technik hierfür ist die Verwendung konventioneller Expansionsventile. Diese bewirken eine Drosselung des Arbeitsfluids, wobei die im Druckniveau enthaltene nutzbare Energie nicht zurückgewonnen wird und irreversible Exergieverluste entstehen.
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Untersuchung des Einsatzes von Scroll-Expandern als Ersatz für konventionelle Expansionsventile. Durch den Einsatz eines Expanders soll ein Teil der bei der Expansion verfügbaren Energie zurückgewonnen und dadurch die Effizienz des Gesamtsystems gesteigert werden.
Beim Einsatz von Scroll-Expandern in Wärme- und Kältemaschinen tritt jedoch die Herausforderung auf, dass das Arbeitsfluid während der Expansion teilweise im Nassdampfbereich vorliegt. Die dabei auftretenden Flüssigkeitsanteile können Kavitationseffekte verursachen. Der Kollaps von Dampfblasen sowie mögliche Tropfenschlagphänomene führen zu Erosion an den Oberflächen des Expanders und stellen somit eine wesentliche Herausforderung hinsichtlich Lebensdauer und Effizienz dar. Bei konventionellen Expansionsventilen sind die Auswirkungen der Kavitation aufgrund der vergleichsweise einfachen Geometrie und der fehlenden bewegten Komponenten häufig von untergeordneter Bedeutung.
Zur Untersuchung der Beständigkeit potenzieller Konstruktionswerkstoffe gegenüber Kavitation werden am Lehrstuhl für Hydraulische Strömungsmaschinen der Ruhr-Universität Bochum Kavitationserosionstests an Polymerprüfkörpern durchgeführt. Durch die gezielte Anpassung der Versuchsbedingungen sollen dabei die realen Betriebsbedingungen beziehungsweise das Verhalten des eingesetzten Arbeitsmediums in Wärmepumpensystemen möglichst realitätsnah abgebildet werden.
Zusätzlich soll das Regenerationsverhalten kavitationserodierter Prüfkörper auf einem Reibversuchsstand des Projektpartners tech-solute GmbH untersucht werden. Ziel ist die Bewertung der Werkstoffe hinsichtlich ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Kavitation sowie ihres Regenerationspotenzials unter betriebsnahen Bedingungen.
Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse soll eine optimale Werkstoffauswahl für die Konstruktion von Scroll-Expandern für den Einsatz in Wärmepumpensystemen ermöglicht werden.

Ansprechpartner: Maximilian Paßmann