Wärmepumpenanlagen sind zum Beispiel eine höchst interessante Anwendung für CO2- Verdichter, denn sie haben einige Merkmale, die gerade bei der Wärmeerzeugung Vorteile bieten.
Sie sind kompakt und kraftvoll – denn transkritische halbhermetische CO2- Verdichter wie die der Baureihe HGX 24 CO2 T erreichen bei kleinen Abmessungen bereits hohe Fördervolumina. Damit können kompakte Anlagen mit hoher Leistungsdichte realisiert werden. Der Durchsatz beim umweltfreundlichen Kältemittel R 744 entspricht etwa dem Achtfachen des Kältemittels R 134a. Dadurch lassen sich Verdichter mit vergleichbaren Fördervolumina kleiner bauen, da die Hubräume nur einen Bruchteil so groß sein müssen wie bei Verdichtern für Fluorkohlenwasserstoffe (FKWs). Das wiederum eröffnet auch konstruktive Möglichkeiten, dem anspruchsvollen Kältemittel CO2 mit kompakten Abmessungen gerecht zu werden. Denn CO2- Verdichter arbeiten in der Regel mit extrem hohen spezifischen Drücken von bis zu 130 bar und entsprechend hohen Druckdifferenzen. Daher sind konstruktive Besonderheiten nötig, um vergleichbare Einsatzbereiche und Lebenserwartungen wie bei Verdichtern für synthetische Kältemittel zu erreichen.
Hohe Drücke erfordern eine robuste Mechanik
Eine dieser Besonderheiten sind stärkere Gehäusewandstärken und andere Gusswerkstoffe. Da durch die hohe Leistungsdichte die Kolbendurchmesser erheblich kleiner ausfallen als bei FKW- Verdichtern, können die Konstrukteure wiederum die hohen Druckdifferenzen leichter umsetzen. Auf Grund der gesteigerten Anforderungen an die Verdichterschmierung werden in der neuesten Generation der Bock-Verdichter Stahlkolben eingesetzt, da sie deutlich abriebfester sind als herkömmliche Aluminiumkolben und hohe Temperaturanforderungen besser bewältigen. Die Kraftübertragung von der Kurbelwelle auf die Kolben erfolgt über Pleuel aus Stahl statt Aluminium. Auch bei den Kolbenringen ist zusätzliche Sicherheit eingebaut: Sind meist zwei Kolbenringe üblich, arbeiten bei transkritischen CO2- Verdichtern drei Ringe je Kolben, um eine höhere Effizienz und Standfestigkeit zu erreichen. Die hohe Anforderung an das Schmierverhalten des Verdichters ist wichtig, um dem Eintrag des Kältemittels in das Öl entgegenzuwirken, denn CO2 löst sich leicht in Öl und kann dessen Viskosität – also die Schmierwirkung – erheblich herabsetzen.
Bild: KältenKlub
Damit bei Ölmangel nicht gleich alles
im Eimer ist.
Speziell auf CO2 abgestimmtes Schmiersystem
Neben den eingesetzten Werkstoffen mit Notlaufeigenschaften im Verdichtertriebwerk aufgrund des hohen Eintrages von CO2 in den Schmierkreislauf sorgt auch die spezielle Auslegung des Ölsystems bei den Bock-Verdichtern für Betriebssicherheit. Die Ölversorgung erfolgt über eine interne Ölpumpe, die sehr tief im Ölsumpf ansaugt und beim Start des Verdichters schnell die Pleuel, Kurbelwellenlager, Kolbenbolzen und Zylinderwände versorgt. Eine konstruktive Trennung des Kältemittels vom Öl im Ölsumpf gewährleistet einen geringen Ölwurf des Verdichters in die Anlage.
Je nach Anwendungen – Kälte, Tiefkühlung oder Wärmebereitstellung – werden unterschiedliche Ölsorten empfohlen. Um die Schmierfähigkeit auch nach längeren Stillständen sicherzustellen, sorgt eine elektrische Heizung für das Einhalten der Mindesttemperatur im Öl von über 30 °C.
Damit auch in der kurzen Zeit des Verdichter-Hochlaufens, bis der Öldruck an den Kurbelwellenlagern aufgebaut ist, kein Verschleiß an der Kurbelwelle entsteht, ist unter anderem eine Teflon-Anlaufscheibe (axiale Lagerung) an beiden Verdichterhauptlagern verbaut. Zudem sorgen besondere Lagerwerkstoffe an den Pleueln für eine durchgehend zuverlässige Schmierung am Verdichter unter allen auch kritischen Betriebsbedingungen.
Hohe Saug- und Heißgastemperaturen möglich
Dass sich CO2- Verdichter von Bock besonders gut für die Abwärmenutzung bzw. für industrielle Wärmepumpenanlagen eignen, ist unter anderem auch durch die hohen zulässigen Betriebstemperaturen am Verdichterein- und -austritt begründet. Die Verdichtereinsatzgrenzen ermöglichen Verdampfungstemperaturen von bis zu 25 °C und je nach Betriebsbedingung zusätzliche Sauggasüberhitzungen von bis zu 40 K. Auf der Verdichterhochdruckseite lassen sich Heißgastemperaturen im Dauerbetrieb von bis zu 150 °C realisieren. Diese ermöglicht zum Beispiel, Wasser mit Vorlauftemperaturen von 100 °C und höher für Prozess- oder Reinigungszwecke oder Prozesswärme bereitzustellen.
Ideal für die Abwärmenutzung
Dank dieser Merkmale können CO2- Verdichter von Bock bei der Abwärmenutzung eingesetzt werden, zum Beispiel wenn sie die Abwärme von Werkzeugmaschinen nutzen. Zusätzlich zur hohen Zuverlässigkeit erzielen die Anlagen hierbei eine sehr hohe Wirkkraft (COP), die der Effizienz der transkritischen CO2- Verdichter zuzuschreiben ist. Besonders wirtschaftlich ist hierbei die Kombination aus Tiefkühl- und Normalkühl-Anlagen und einer Wärmerückgewinnung für die Warmwasseraufbereitung zu Reinigungszwecken, wie es häufig in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie benötigt wird.
Die eingangs erwähnten Vier-Zylinder-Verdichter der Serie HGX 24 CO2 T stehen beispielhaft für die gesamte transkritische Verdichterbaureihe für Kälte-, Klima- und Wärmepumpenanwendungen. Zusätzlich hat Bock das Fördervolumen mit den neuen HGX 12 CO2 T bis HGX24 CO2 T nach unten erweitertet. Somit steht ein gesamtes Fördervolumen der transkritischen Verdichter von 1,7 bis 38,2 m³/h (bei 50 Hz) zur Verfügung. Für den Einsatz in Wärmepumpen bietet Bock die SH-Serie mit stärkerem Motor und speziellem Öl an. Außerdem gibt es diese Verdichterbandbreite auch für den subkritischen Einsatzbereich.
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