Mit dem wachsenden Umweltbewusstsein der internationalen Gemeinschaft erhalten die Probleme des Ozonabbaus und des Treibhauseffekts anhaltend breite Aufmerksamkeit. Immer mehr Wissenschaftler konzentrieren sich auf umweltfreundliche Kältemittel. CO2 gewinnt aufgrund seiner Einfachheit, Verfügbarkeit, Sicherheit sowie guter Wärmeübertragungs- und Strömungseigenschaften an Bedeutung. Dieser Artikel analysiert und fasst den Forschungsstand zu kleinen CO2-Zweiphasen-Expansionsmaschinen zusammen und stellt fest, dass der Austausch des Drosselventils durch eine CO2-Expansionsmaschine im Kreislauf die Kälteleistung des Systems effektiv verbessern kann. Berechnungen zeigen, dass der transkritische CO2-Kreislauf mit Expansionsmaschine die Kälteleistungs- und Heizleistungswirkungsgrade um 6,9 % bzw. 4,6 % gegenüber dem R134a-Kreislauf und um 25,76 % bzw. 16,17 % gegenüber dem Kreislauf mit Drosselventil erhöht; je höher der isentrope Wirkungsgrad der CO2-Expansionsmaschine, desto höher die Kälte- und Wärmeleistung des Systems. Überschreitet der isentrope Wirkungsgrad 32 %, übertrifft die Systemleistung mit CO2-Expansionsmaschine die eines Systems mit Rückwärmetauscher. Verschiedene CO2-Expansionsmaschinen weisen aufgrund ihrer Bauweise unterschiedliche Wirkungsgrade, Leckagen und Reibungsverluste auf: Kolben- und Rotorexpansionsmaschinen sind einfach aufgebaut, haben aber relativ hohe Leckverluste; Gleitschieber-, Dreh- und Scroll-Expansionsmaschinen erreichen eine deutlich höhere Effizienz, sind jedoch komplexer im Aufbau, schwieriger herzustellen und kostenintensiver. Gleichzeitig werden Lösungen für bestehende Probleme vorgeschlagen, wie die rationalere Konstruktion zur Reduzierung von Leckagen und Reibungsverlusten, die Bereitstellung der Verdichterleistung an den Kompressor, das Einbringen anderer Gase während der Expansion und die Konstruktion von CO2-Expansionsmaschinen mit einstellbarem Expansionsverhältnis. Gegenwärtig konzentriert sich die CO2-Expansionsmaschinenforschung hauptsächlich auf Laboruntersuchungen, während die Anwendung in der Technik begrenzt ist. Zukünftig sollten experimentelle und theoretische Ansätze kombiniert werden, um die Effizienzsteigerung von CO2-Expansionsmaschinen und die Entwicklung wichtiger Komponenten weiter zu erforschen.

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