Bei Temperaturen über 31 °C kann CO2 nicht kondensieren. Infolgedessen stehen Druck und Temperatur bei der Wärmeübertragung (Abkühlung) nicht mehr miteinander in Wechselwirkung. Da CO2 keine Aggregatzustandsänderung durchläuft, fällt die Temperatur kontinuierlich, wenn CO2 durch den Gaskühler geleitet wird. Zudem ändert sich die Wärmekapazität von CO2 bei der Abkühlung. Dies macht den Unterschied aus von Gaskühlern (Bild 2) im Vergleich zu Wasser-zu-Kältemittel-Wärmetauschern, in denen die Wärmekapazität der beiden Fluide gleich bleibt (Bild 1).
Die Wärmeabgabe für verflüssigende Kältemittel erfolgt bei konstanter Temperatur (Enthitzung nicht berücksichtigt). Das Kühlmedium hingegen ändert seine Temperatur sensibel (Temperatur steigt an). Damit ist die kleinste Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Kühlmedium am Kühlmedienaustritt zu erwarten.
Bei transkritischem CO2 tritt der geringste Temperaturunterschied nicht am Austritt des Kühlmediums, sondern oft am Eintritt oder inmitten des Gaskühlers auf, abhängig von den Druck- und Temperaturkonfigurationen. Daher ist es möglich, mit CO2 sehr hohe Temperaturen zu erreichen. Für eine optimale Nutzung des Gaskühlers ist es wichtig, ihn als Wärmetauscher im Gegenstromprinzip zu fahren.
Der Temperaturunterschied zwischen Luft und CO2 in einem Gaskühler beträgt etwa die Hälfte dessen, was bei einem verflüssigenden Kältemittel üblich ist. Wasser/Sole und Luft werden am häufigsten zum Kühlen eines Gaskühlers genutzt.
Da die Temperatur des Kältemittels in einem Gaskühler nicht konstant ist, kann der Druck der Hochdruckseite zur Maximierung des COP genutzt werden (Bild 3). Der Druck kann so abhängig von der Temperatur am CO2-Austritt des Gaskühlers geregelt werden.
Für die Druckoptimierung sorgen z.B. der Regler der Danfoss EKC 326A-Baureihe und das ICMTS-Expansionsventil am Austritt des Gaskühlers. In dieser Zusammenstellung ist es möglich, den Gaskühlerdruck und den Druck im Abscheider unabhängig voneinander zu optimieren.
Der Druck im Abscheider ist ein wichtiger Parameter. Um den Mitteldruck niedrig zu halten, wird Flashgas über eine Bypassleitung zur Saugseite des Verdichters geführt. Die Zweiphasenmischung des ICMTS-Expansionsventils muss getrennt werden, bevor Gas in die Bypassleitung eintritt. Wenn die Trennung unvollständig ist, gelangt Flüssigkeit durch die Bypassleitung in den Verdichter. Daher muss der Abscheider möglichst effektiv arbeiten.
Bei der Betrachtung des Mitteldrucks zeigt sich, dass der Druck so niedrig wie möglich sein muss, um die Menge an Flüssigkeit in der Bypassleitung zu minimieren (Bild 4). Flüssigkeit kann nicht nur den Verdichter beschädigen, sondern verringert auch den COP des Systems und ist daher an dieser Stelle unerwünscht. Oft werden Drücke zwischen 30 und 35 bar (-9 °C/0 °C) gewählt, da der Flüssigkeitsanteil in der Bypassleitung unter diesen Bedingungen bei nur ca. 1-2 % liegt. Dieser Anteil kann vernachlässigt werden. Dabei herrscht immer noch ein ausreichend großer Druckunterschied für die AKV-Ventile von 4-10 bar.
Der Druck des Behälters bleibt konstant, unabhängig von der Umgebungstemperatur. Das Mischungsverhältnis zwischen der Bypassleitung und der Flüssigkeitsleitung hingegen schwankt abhängig vom Druck im Gaskühler und der Temperatur am Gaskühleraustritt (Bild 5 und Bild 6).
Durch die Entkopplung von Umgebungstemperatur und Abscheiderdruck ist der Massenstrom in den Verdampfern nur eine Funktion der Kälteleistung. Bei transkritischen Systemen ohne Bypassleitung variiert der Massenstrom um einen Faktor 2 allein aufgrund der Umgebungstemperatur, wodurch die Dimensionierung der Saugleitungen und die Ölrückführung schwierig werden.
Gaskühlerregelung mit EKC 326A
Die Gaskühlerregelung bei Kältesystemen ist noch recht neu und wurde daher in den vergangenen Jahren intensiv untersucht. In diesem System wurde die Gaskühlerregelung in drei Abschnitte unterteilt.
Bei niedrigen Temperaturen wird das System als konventionelles Kältesystem geregelt, bei dem die Unterkühlung die Regelgröße ist (normalerweise ist eine Regelung bei verflüssigenden Kältemitteln nicht erforderlich). Bei Temperaturen, die sich dem kritischen Punkt nähern, wird der Algorithmus geändert: Die Unterkühlung wird schrittweise erhöht, um die Lücke zwischen konventioneller und transkritischer Regelung zu schließen. Unter transkritischen Bedingungen ist der Druck nach dem Gaskühler eine Funktion der Temperatur. Das Ziel ist es, einen höchstmöglichen COP bei der gegebenen Temperatur zu erreichen.
Die Lüfter des Gaskühlers werden abhängig von der CO2-Temperatur nach dem Gaskühler geregelt. Fällt die Temperatur unter den festgelegten Wert, drehen die Lüfter langsamer. Sind keine Verdichter in Betrieb, werden die Lüfter ausgeschaltet.
In konventionellen Systemen wird der Druck oft als Regelgröße verwendet (da die Energieeffizienz mit der Senkung des Verflüssigungsdrucks steigt). In transkritischen Systemen kann dies bei tiefen Außentemperaturen jedoch die Unterkühlung erhöhen, was einen zu geringen Druck im Abscheider und damit einen zu geringen Differenzdruck für die Expansionsventile zur Folge hat.
Wassergekühlte Gaskühler
Wassergekühlte Gaskühler kommen oft in Wärmepumpen und Supermarktsystemen zum Einsatz, in denen die Wärmerückgewinnung Teil des Systems ist. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wärmestrom aufgrund hoher Wärmeübertragungskoeffizienten auf beiden Seiten aus und sind somit sehr kompakt.
Ein weiterer Unterschied zu konventionellen Kältesystemen besteht im hohen Druck. Da die Eignung für hohe Drücke zusammen mit der Medienstromführung im Gegenstromprinzip die Voraussetzung für einen Gaskühler bilden, eignen sich Koaxial-Wärmetauscher besonders gut für diesen Einsatz. Rohrbündelwärmetauscher und ähnliche Wärmetauscherbauarten hingegen führen beide Medien nicht exakt im Gegenstrom zueinander und sind daher nicht geeignet.
Das Innenvolumen von Koaxial-Wärmetauschern ist sehr gering, verglichen mit deren Kapazität. Durch dieses geringe Volumen reduziert sich auch das erforderliche Abscheidervolumen. Das ist sehr wichtig, da die Kältemittelfüllung im Gaskühler je nach Druck und Temperatur stark schwankt, sodass ein Wärmetauscher mit kleinem Innenvolumen besonders wichtig ist.
Hohe CO2-Temperaturen können zu Verkalkungsproblemen führen, denen besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte. Die Druckgastemperatur einiger Systeme liegt bei 160 °C. In Verbindung mit der relativ hohen Wärmekapazität und einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten fällt die Wandungstemperatur im Wärmetauscher verglichen mit anderen Kältemitteln höher aus.
Der Wasservolumenstrom im System wird durch ein temperaturgesteuertes AVTA-Wasserventil nach der Wasserausrittstemperatur geregelt (ein minimaler Bypass des Kühlwassers über das AVTA-Ventil muss gewährleistet sein, damit auch im Falle des Schließens des AVTA ein Signal an den Temperaturfühler gelangen kann, um eine Wiederöffnung möglich zu machen). Der CO2-Druck wird mithilfe eines ICMTS-Ventils und EKC 326A-Reglers, der eingehende Daten vom AKS 11-Temperatursensor und dem AKS2050 (AKS 32R)-Druckmessumformer abruft, geregelt (Bild 8).
Luftgekühlte Gaskühler
Luftgekühlte Gaskühler kommen oft in Kältesystemen ohne oder mit nur Teilwärmerückgewinnung zum Einsatz. Bei der CO2-Kühlung kommen üblicherweise Lamellenrohrgaskühler zum Einsatz. Sie weisen einen niedrigeren Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Luftseite auf, wodurch die Wärmetauscher oft größer sind und über ein höheres Volumen als wassergekühlte Gaskühler verfügen.
Ein interessanter Aspekt von CO2 ist, dass ein Druckabfall die Effizienz der Kälteanlage nicht in der gleichen Weise wie mit konventionellen Kältemitteln beeinflusst (Druckabfälle sind weniger gravierend). Ein Druckabfall von 0,5 bis 1 bar ist als normal anzusehen. In der Praxis bietet der hohe Druckabfall weitere Vorteile, da hiermit der interne Wärmeübertragungskoeffizient gesteigert werden kann und außerdem kleinere Rohrdurchmesser im Gaskühler verwendet werden können (8 und 10 mm Rohre werden für diesen Zweck häufig eingesetzt).
Da Luftkühler keinen perfekten Gegenstrom aufweisen, ist die Wärmeleitung in den Lamellen ein Problem, das bedacht werden muss. Je nach Konstruktion können Temperaturunterschiede von 100 K zwischen zwei Rohren herrschen, deren Abstand lediglich 20 bis 25 mm beträgt.
Die Rohre sind mit Lamellen von hoher Wärmeleitfähigkeit und Effizienz verbunden, um den Wärmeaustausch zu verbessern. Allerdings wird durch diese Konstruktion die Wärmeübertragung von einem warmen auf ein kaltes Rohr erleichtert, was vermieden werden sollte. Die Leistungseinbußen dieser Wärmebrücke können bei 20-25 % liegen. Durch eine Isolierung der Lamellen können diese Einbußen reduziert oder vermieden werden.
Das Innenvolumen des Gaskühlers ist von besonderer Wichtigkeit, da es sich direkt auf die Größe des Abscheiders auswirkt. Die mittlere Dichte von CO2 im Gaskühler ändert sich drastisch von transkritisch zu subkritisch und beeinflusst somit die Größe des Abscheiders.
Besondere Aufmerksamkeit muss Systemen gewidmet werden, bei denen die Gaskühlung in zwei Stufen erfolgt also zunächst Wasser mit einem kompakten Wärmetauscher erhitzt und danach das transkritische Fluid im luftgekühlten Gaskühler heruntergekühlt wird (weitere Details zu dieser Thematik können Sie im Teil 6 dieser Serie Stillstandssicherheitssysteme & Wärmerückgewinnung bei CO2-Systemen nachlesen).
Die mittlere Dichte ist in diesem Fall sehr hoch, daher schwankt das Volumen beträchtlich. Ferner kann zudem die Unterkühlung starke Schwankungen in der Füllung des Gaskühlers verursachen. Aus diesem Grund ist die Regelung der Unterkühlung äußerst wichtig.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Mitteldruck zu regeln:
- Option 1: Zur Senkung des Drucks in den Verteilsystemen wird dem System eine Bypassleitung hinzugefügt. Nach der hohen Druckexpansion werden Gas und Flüssigkeit getrennt, und das Gas wird über die Bypassleitung direkt an die Saugseite des Verdichters umgeleitet. Die Flüssigkeit wird an die Verdampfer verteilt. Hierdurch ist es möglich, Standardkomponenten zu nutzen, die nicht allzu hohen Drücken ausgesetzt sind (Bild 10).Der Mitteldruck wird durch das ETS-Schrittmotorventil und den EKC 326A-Regler geregelt. Für die Regelung des Hochdrucks kommt das ICMTS-Ventil zum Einsatz.
- Option 2: In einigen Fällen (üblicherweise in größeren Systemen) kann ein ETS-Ventil durch ein ICS+CVP-XP-Pilotventil ersetzt werden, das den Druck entsprechend der Einstellung des speziell für diesen Einsatz konstruierten CVP-XP-Ventils aufrechterhält.
- Option 3: Die Parallelverdichtung ist eine gute Möglichkeit zur Senkung des Energieverbrauchs. In diesem Fall wird das Gas nicht zum Hauptverdichter umgeleitet, sondern direkt verdichtet (Bild 12). -
Stephan Bachmann,
Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach
Vorschau und Inhalte
Diese Serie soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Ausführungen von CO2-Systemen für subkritische wie für transkritische Anwendungen vermitteln. Sie richtet sich an technisch orientierte Leser, für die CO2-Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2-Systemen gelegt. Danach wird auf die Entwicklung vollständiger Systeme eingegangen.
Die einzelnen Teile sind:
- Gaskühler und Mitteldruckabscheider
- Kaskadenwärmetauscher
- Niederdrucksammler/Pumpenabscheider
- Verdampfer und Verdichter
- Stillstandssicherheitssysteme & Wärmerückgewinnung bei CO2-Systemen
- Kaskadensysteme
- Einfache transkritische Systeme, z.B. für Lebensmitteleinzelhandel
- Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung
