Auslegungsbedingungen
Wenn luftgekühlte Gaskühler für den Einsatz wie z. B. für die Supermarktanwendung betrachtet werden, muss der Grenzbereich der Temperaturen um den kritischen Punkt herum besonders berücksichtigt werden. Dabei liegt der Betriebspunkt bei sommerlichen Temperaturen eindeutig im transkritischen Bereich mit Gasaustrittstemperaturen aus dem Gaskühler oberhalb der kritischen Temperatur von 31,06 °C. Der Druck liegt aus Effektivitätsgründen bei Werten über 90 bar.
Im Laufe eines Jahres liegen aber die Umgebungstemperaturen über weite Zeiträume in einem Bereich, der einen subkritischen Betrieb zulässt. Das erweist sich als günstig für die Effektivität und für das Druckniveau. Diese beiden unterschiedlichen Betriebszustände sowohl als Gaskühler als auch als Verflüssiger sind bei der thermodynamischen und festigkeitsmäßigen Auslegung zu berücksichtigen.
Im transkritischen Betrieb muss in einem typischen Anwendungsfall das CO2 von über 100 °C Gaskühlereintrittstemperatur auf bis zu ca. 33 °C abgekühlt werden. Auf der Luftseite wird die Umgebungsluft entsprechend aufgewärmt, und zwar umso mehr, je geringer die Luftmenge ist. Die Luftaustrittstemperatur stellt für den Gaskühler selbst kein Problem dar, weil die Temperaturdifferenz immer ausreichend groß ist. Damit kann zur Senkung des Schallleistungspegels des Ventilators dieser bei Bedarf mit einer geringen Drehzahl betrieben werden. Das bedeutet aber, dass der Ventilator für die hohen Lufttemperaturen geeignet sein muss, was bei seiner Auswahl zu berücksichtigen ist.
Das ändert sich aber bei subkritischem Betrieb. Die Verflüssigungstemperatur sollte dabei erfahrungsgemäß mit einem kleinen Abstand zur kritischen Temperatur bei höchstens 28 °C liegen. Dadurch wird auch der Verflüssigungsdruck bestimmt, der wesentlichen Einfluss auf die Effektivität des Systems hat. Bei einer Temperaturdifferenz von 15 K würde dann der Wärmeübertrager unterhalb der Umgebungstemperatur von 13 °C als Verflüssiger arbeiten.
Im konkreten Fall wurde bei der Auslegung des Lamellenpaketes die Rohrabmessung 5/16" bzw. 7,94 mm gewählt. Das ist für CO2 möglich, weil im Gaskühlerbetrieb am Ende des Kühlprozesses keine den Strömungsweg verengende Flüssigkeit ansteht und es auch günstig für die Festigkeitsbedingungen bei den hohen Gaskühlerdrücken ist. Luftseitig führt die Reduzierung des Rohrdurchmessers zu einer vier Prozent höheren Fläche für die Wärmeübertragung. Beim Betrieb als Verflüssiger erweist sich der geringere Innendurchmesser bezüglich einer geringeren erforderlichen Kältemittelfüllmenge als vorteilhaft. Mit innenberippten Rohren kann eine weitere Verbesserung erreicht werden, wenn auch der Effekt für das Gesamtsystem wenig dazu beiträgt.
Trocknung und Prüfung
Die Kälteanlagen sind empfindlich gegen Verunreinigungen und gegen Feuchtigkeit. Zusammen mit den hohen auftretenden Temperaturen auf der Druckseite kann es zur Säurebildung kommen.
Besondere Aufmerksamkeit ist der Feuchtigkeit zu schenken. Bei der Verwendung von CO2 als Kältemittel ist der Wassergrenzwert im System geringer als bei konventionellen Kältemitteln. Dazu kommt bei transkritischem Betrieb wegen der fehlenden Flüssigphase die schlechtere Löslichkeit des Wassers im gasförmigen Kältemittel, wodurch die Wirkung des Trockners eingeschränkt wird. Die Feuchtigkeitsquellen sind vielfältig und den Kältetechnikern hinlänglich bekannt. Dazu gehören u. a. die Reste der Luftfeuchtigkeit aus dem Herstellungsprozess der Wärmeübertrager.
Die Kette der möglichen chemischen Reaktionen der Restfeuchtigkeit mit dem CO2 ist im Bild 3 dargestellt. Das Hydronium-Ion (ältere Bezeichnung für das Oxonium-Ion) genannte Endergebnis ist äußerst aggressiv, reaktiv und verantwortlich für eine Vielzahl von Korrosionserscheinungen, wozu auch elektrochemische und interkristalline Korrosionen gehören. Eine Vermeidung dieser nachteiligen Wirkung ist am besten durch extreme Trockenheit im Inneren des Gaskühlers und natürlich auch der anderen Komponenten des Kältekreises möglich. Aus diesem Grunde wird bei Alfa Laval in einer speziellen Anlage sehr trockener Stickstoff erzeugt und dieser zur Trocknung der Wärmeübertrager verwendet. Diese Anlage arbeitet in drei Schritten:
- Verdichtung der atmosphärischen Luft auf 10 bar mit anschließender Gefriertrocknung,
- mit einer sogenannten PSA-Technologie (Pressure Swing Adsorption) werden Stickstoff und Sauerstoff dieser trockenen Luft mittels eines Kohlenstoff-Molekularsiebes voneinander getrennt,
- anschließend wird der Stickstoff bis auf 200 bar verdichtet und für die Verwendung zum Durchströmen der Gaskühler bevorratet.
Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Gaskühler innenseitig sehr trocken das Werk verlassen. Für den Kunden kommt es anschließend darauf an, diese Trockenheit über die Lieferkette und den gesamten Montageprozess der Kälteanlage aufrechtzu- erhalten und vor allem unmittelbar vor dem Einbinden in die Kälteanlage, wenn der Gaskühler geöffnet werden muss und sich der innere Stickstoff-Überdruck abbaut, keine feuchte Luft oder andere Feuchtequellen eindringen zu lassen. Ebenso soll der Kunde darauf achten, die anderen Komponenten und die Betriebsstoffe Öl und CO2 entsprechend trocken einzubringen, um die geringen Feuchtewerte des Gaskühlers nicht zu zerstören. U A -
* Redaktionell bearbeitete Fassung eines Vortrages auf der DKV-Tagung 2010 in Magdeburg.
Jan ter Veen, Alfa Laval Groningen B. V.
