Begriffe wie Effizienzsteigerung, Parallelverdichtung und Ejektor sind in Zusammenhang mit CO2 Kältemaschinen mittlerweile unumgänglich - doch noch nicht für jeden gängige Praxis. Was es damit auf sich hat erklärt Dirk Leuteritz, Vertriebsleiter bei compact Kältetechnik GmbH, bei „Fachwissen aus dem Anhänger“ ganz einfach und führt das Prinzip in einem Experiment vor.
In der Ausbildung zum Mechatroniker für Kältetechnik/Kälteanlagenbauer wird gelehrt, dass das Anheben der Sauggastemperatur um 1K eine Kältemaschine ca. 3% effizienter laufen lässt - Bei 5K sind das schon 15% Effizienzsteigerung. Dies lässt sich über diverse Auslegungsprogramme einfach kontrollieren und ist die Grundlage für die Funktionsprinzipien der Parallelverdichtung und des Ejektorbetriebs. Im Vergleich zum einfachen Kältekreislauf gibt es im CO2 Boostersystem für Normal- und Tiefkühlung aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften von R744 eine Besonderheit: Es kommt noch der Mitteldruck hinzu. Die Verflüssigung im transkritischen Fall geschieht, nicht wie üblich, im Kondensator, sondern wird durch eine Druckabsenkung zwischen Hochdruck und Mitteldruck herbeigeführt. Im Mitteldruckabscheider, oder auch Sammler genannt, befindet sich dann flüssiges und gasförmiges Kältemittel auf einem Druckniveau, welches genügend Druckdifferenz für die Expansionsventile bereithält. Die Flüssigkeit kann direkt zu den Kühlstellen geleitet werden. Doch wohin mit dem Gasanteil – dem sogenannten Flashgas? Bei der Parallelverdichtung wird das Gas nicht erst auf das Druckniveau der Normalkühlung entspannt. Der Parallelverdichter saugt das Gas direkt aus dem Mitteldruckabscheider ab. Hier liegt der Druck 10-12 bar oberhalb des Normalkühlniveaus - Das entspricht 12-15K. Multipliziert mit den eingangs erwähnten 3% ergibt sich für diesen Massenstromanteil eine deutliche Effizienzsteigerung im Gesamtsystem. Die Parallelverdichter arbeiten gleichlaufend zu den Normalkühlverdichtern. Dabei ist zu erwähnen, dass der Flashgasanteil im Sommer deutlich höher ist als im Winter, was sich daher bei hohen Außentemperaturen sehr schnell bezahlt macht. Die Parallelverdichtung ist die Grundvoraussetzung für die Ejektortechnologie.
Bild: compact Kältetechnik
Der größere Eingang ist für den Treibstrom – dieser ist nach dem Gaskühler angeordnet. Der kleinere Eingang ist der des Saugstroms. Er kommt von einem Akkumulator oder auch Flüssigkeitsabscheider genannt. Der Ausgang geht in den Mitteldruckbehälter, also dem Sammler. Innerhalb des *c-Ejector Innen befinden sich keine beweglichen Bauteile. Es gibt eine Treibdüse, eine Saugkammer, eine Mischkammer und den Diffusor am Ausgang des Ejektors. Der hohe Druck auf der Hochdruckseite drückt das Fluid durch die Treibdüse und beschleunigt das Kältemittel sehr stark. Durch die Entspannung im Austritt der Düse fällt der statische Druck unter den Saugdruck der Normalkühlstufe. Der hier in der Saugkammer entstandene Unterdruck saugt das CO2 aus dem Akkumulator ab. In der Mischklammer vermischt es sich zu einem gemeinsamen Massenstrom und wird im Diffusor, am Ausgang des *c-Ejektors, wieder entschleunigt, wodurch der Druck auf Mitteldruckniveau ansteigt. Der Ejektor ersetzt somit das Hochdruckventil, mit dem Unterschied, dass ein zusätzlicher Massenstrom beigefügt wird.
Um die Funktionsweise besser zu veranschaulichen, wurde dies in einem kleinen Experiment anhand von Druckluft, zwei unterschiedlich dicken Schläuchen und etwas gefärbtem Wasser dargestellt. Die Druckluft simuliert den hohen Druck auf der Hochdruckseite, das Wasser ist der angesaugte Massenstrom aus dem Akkumulator.
Prinzipiell wird zwischen zwei Typen unterschieden: Gas- und Flüssigejektor. Im Falle des Gasejektors wird Gas aus dem Akkumulator abgesaugt. Dieses wird vom Saugdruckniveau der Normalkühlung auf Mitteldruckniveau angehoben. Das vorverdichtete Gas wird zusammen mit dem Flashgas aus dem Sammler von dem Parallelverdichter auf Hochdruckniveau gebracht. Dadurch werden die Normalkühlverdichter entlastet und verbessern die Effizienz des Gesamtsystems. Beim Flüssigkeitsejektor wird Flüssigkeit aus dem Akkumulator gesaugt. Die Flüssigkeit ist vorhanden, weil die Verdampfungstemperatur der Kühlstellen so weit angehoben wird, dass eine vollständige Verdampfung in den Kühlstellen nicht unbedingt gewährleistet ist. Die Kühlstellen werden quasi überflutet betrieben. Die abgesaugte Flüssigkeit wird dem Treibmassenstrom zugeführt und kann vom Sammler aus wieder im Kreisprozess genutzt werden. Die Effizienzsteigerung kommt hierbei durch die deutliche Anhebung der Verdampfungstemperatur zustande.
Bild: KältenKlub
An unserer hauseigenen Versuchsanlage konnten wir durch den Einbau von Parallelverdichter sowie Gas- & Flüssigejektoren verschiedene Leistungstests durchführen und für einen Sommertag bei transkritsicher Betriebsweise Effizienzsteigerungen von 21 % erreichen.
Die Vorteile beim Einsatz eines Ejektors im Überblick:
Als Hersteller von Kältemaschinen hat sich compact Kältetechnik im Zuge der F-Gase Verordnung frühzeitig auf die Forschung und Entwicklung im Bereich der natürlichen Kältemittel fokussiert. Insbesondere der Einsatz von CO2 als Kältemittel (R744) hat in vielen Einsatzbereichen stark zugenommen.
Bild: KältenKlub
Das Video zum Beitrag: https://youtu.be/JMhsTxb34V4
