Für CO2-Systeme kommen zwei Verdampfertypen infrage, einer für den Trockenexpansions- und einer für den Pumpbetrieb. Unterschiede bestehen in der Ausführung der Verdampferrohre sowie in der Ventilanwendung und Regelungsstrategie.
Für CO2 optimierte Verdampfer zeichnen sich aufgrund der hohen volumetrischen Kälteleistung von CO2 durch kleinere Kreisläufe und geringere Rohrabmessungen aus. Dank dieser Tatsachen verringert sich die Dauer von Abtauvorgängen. Der weitere Vorteil von CO2 liegt in der kurzen Abkühlzeit nach dem Abtauen verglichen mit konventionellen Systemen.
Überflutete Verdampfer (Pumpbetrieb)
Verdampfer gibt es in Ausführungen mit einem oder mehreren Kreisläufen. In der Regel sind Verdampfer für den Pumpenbetrieb auf mittlere Temperaturen ausgelegt.
Die Verwendung von CO2 bietet die Vorteile einer kleineren Kältemittelfüllung im Gesamtsystem sowie von geringeren Rohr- und Verdampferdimensionen bei gleichbleibend optimaler Wärmeübertragung und hohem Wirkungsgrad. Die Kälteleistung ist bei einer gegebenen Rohrdimension besser, und die Ölrückführung innerhalb des Systems wird ebenfalls erleichtert.
Einkreisverdampfer
Bild 1 zeigt ein typisches Flüssigkeitsumwälzungssystem mit Pumpbetrieb und Kühlmöbel- oder Kühlraumverdampfern verschiedener Größen. Zur Regelung des Flüssigkeitsstroms zu beiden Verdampfern wird ein zusätzliches Handdrosselventil (REG 10) am kleineren Verdampfer montiert, um die Flüssigkeitsversorgung der beiden Verdampfer zueinander abgleichen zu können. Diese Regelungsmethode sorgt für eine stabile Temperatur zwischen den verschieden großen Verdampfern.
Eine der wichtigsten Aufgaben bei der Inbetriebnahme ist die Reinigung des Filters bzw. der Siebe am CO2-Verbund und den Magnetventilen an den Kühlstellen und in den Kühlräumen. Der Filter in der Hauptflüssigkeitsleitung sollte 24 Stunden nach Inbetriebnahme der Anlage nochmals überprüft und ggf. von Fremdkörpern und Verschmutzungen gereinigt werden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die Magnetventile über den Sitz nicht mehr dicht halten. Dies kann zu einem stetigen unerwünschten Kältemitteldurchsatz durch die Verdampfer führen. Zu niedrige Temperaturen wären die Folge.
Mehrkreisverdampfer
Bild 2 zeigt den typischen Aufbau eines Pumpenumwälzsystems in Kühlmöbeln. Die Handdrosselventile (REG 10) sind an jedem Verdampfer montiert. Hiermit wird eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung für die Verdampfer erreicht.
Die Regelsollwerttemperaturen für CO2 in Kühlmöbeln und Kühlräumen sind aufgrund der überfluteten Verdampfer deutlich höher eingestellt als bei konventionellen FKW-Systemen. Sobald ein Magnetventil abschaltet, kann die Luftausblastemperatur abhängig vom Innenvolumen des Verdampfers und dem Umwälzfaktor um weitere 2 bis 4 K fallen. Dies geschieht, da auch bei bereits geschlossenem Magnetventil weiterhin im Verdampfer verbleibendes CO2 verdampft.
Trockenexpansion
Trockenexpansions-Verdampfer in CO2-Systemen werden üblicherweise für Tiefkühlung (z.B. Tiefkühlkost) eingesetzt. Auch hier können die Abmessungen der Verrohrung aufgrund der Effizienz und der Vorteile von CO2 deutlich reduziert werden. Der Rohrdurchmesser liegt oft nur bei 8 oder 10 mm.
Das Abtauen bei CO2-Systemen in Supermärkten erfolgt üblicherweise mittels Sole (Thermobankabtauung) oder elektrischer Abtauheizungen. Es ist wichtig, beim Abtauen den Druck zu begrenzen, da dieser schnell den maximal zulässigen Betriebsüberdruck der Komponenten (bei Standardgeräten für den unterkritischen Einsatz selten höher als 46 bar) überschreiten kann.
Bei CO2-Kaskadensystemen wird die Nutzung eines internen Wärmeübertragers zwischen der CO2-Saugleitung und der Hochdruckflüssigkeit aus der Hochtemperaturstufe empfohlen. Durch diese Maßnahme erreicht man eine zusätzliche Überhitzung des Kältemittels in der Saugleitung, was sich bis zu einem bestimmten Grad positiv auf den Verdichter auswirkt. Außerdem wird eine weitere Unterkühlung der Kältemittelflüssigkeit der Hochdruckstufe erreicht. Das führt zu zuverlässigerer Flüssigkeitsvorlage vor dem entsprechenden Drosselorgan der Hochdruckstufe.
Regelung
Zur Regelung von Verdampfern mit Pumpenbetrieb gibt es drei Möglichkeiten:
- Zentral über den Systemcontroller des Typs AK-SC 255 mit AK-XM-E/A-Modulen, zur Regelung der Temperatur über Magnetventile und der Abtauvorgänge
- Dezentral über die Kühlstellenregler AK-CC 750 oder AK-CC 450
- Dezentral über EKC-Regler
Elektronische Regelung
Aufgrund der hohen Gasdynamik ist es überaus wichtig, eine geeignete elektronische Regelung für CO2 zu verwenden. Bei herkömmlichen Kältemitteln war es üblich bei elektronischer Einspritzregelung die Überhitzung mithilfe von Temperaturfühlern am Beginn und Ausgang, oder Temperaturfühler und Druckmessumformer nur am Ausgang des Verdampfers zu regeln.
Bei CO2-Einspritzreglern ist eine präzise und effektive Überhitzungsregelung besonders wichtig, da rasche Veränderungen beim CO2-Druck üblich sind. Die Regler AK-CC550 bzw. AK-CC750 für Verdampfer und Kühlräume wurden für diese Anwendung entwickelt und haben sich in der Praxis bewährt.
Vom Einsatz eines FKW/HFCKW-Standardverdampfers für CO2 wird abgeraten, da die Überhitzung in dieser Konstellation kaum in den Griff zu bekommen ist.
Beim Messen der Überhitzung sollten unbedingt zuverlässige und schnell ansprechende Temperaturfühler (z.B. AKS11 sind einsetzbar AKS12-Fühler sind nicht empfehlenswert, da diese eine leicht dämpfende Wirkung haben) und Druckmessumformer (z.B. AKS32R) verwendet werden. Damit bekommt der Regler immer schnellstmöglich die aktuellen Informationen und kann unmittelbar Aktionen einleiten oder diese zeitlich verzögern.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die alleinige Verwendung von zwei Temperaturfühlern beim Messen der Überhitzung nicht ausreicht, da das System nicht schnell genug auf die Dynamik von CO2 reagieren kann und die Gefahr besteht, dass Flüssigkeit zum Verdichter gelangt. Daher eignet sich diese Konfiguration nicht für CO2-Verdampfer.
Verdichterbauarten und Schutzvorrichtungen
Inzwischen werden von mehreren Unternehmen Verdichter für CO2 angeboten. Einige Verdichter befinden sich im Prototyp-Status, andere wiederum sind bereits seit Jahren im Einsatz. Es gibt hermetische, halbhermetische und offene Verdichter für subkritische und transkritische Systeme. Einige transkritische Verdichter arbeiten einstufig, andere zweistufig. Zudem sind einige transkritische Verdichter unter Umständen mit Zwischenkühler- oder Economiser-Anschluss ausgestattet.
Transkritische CO2-Verdichter, Typ TN, eignen sich speziell für MBP-Anwendungen (mittlerer Verdampfungstemperaturbereich), z.B. Flaschenkühler. Die Bandbreite der einstufigen Hubkolbenverdichter mit einer Drehzahl von 2900 U/min (ein Polpaar, 50 Hz) liegt im Bereich von 1 bis 2,5 cm³.
Für transkritische Systeme sind CCB-Patronendruckschalter von Danfoss Saginomiya verfügbar. In kleinen hermetischen Systemen fungieren Drosselventile, z.B. Typ MBR und TBR, zudem gewissermaßen als Sicherheitsventile, durch die Druck von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite entlastet wird.
In subkritischen Systemen können Danfoss KP6-Druckschalter mit einem maximal zulässigen Betriebsüberdruck von 46,5 bar eingesetzt werden. Die robusten Druckschalter der Serie MBC 5000 sind sowohl für subkritische als auch für transkritische Systeme geeignet. Darüber hinaus können die Differenzdruckschalter MBC 5080 und MBC 5180 verwendet werden, um den Öldruck des Verdichters zu überwachen. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass MBC-Geräte nicht gemäß Kategorie IV der Druckbehälterverordnung zugelassen sind. Allgemein sollte in CO2-Anlagen immer an den Einsatz eines Sicherheitsventils als letzte Sicherheitsmaßnahme gedacht werden, auch wenn bereits andere Maßnahmen ergriffen wurden.
Bei der Öldrucküberwachung mittels Differenzdruckschaltern muss ein externes Verzögerungsrelais verwendet werden.
Leistungsregelung
CO2 ist ein höchst effizientes und dynamisches Kältemittel. Bei Verbundanlagen ist die Kälteleistung aufgrund der Ein/Aus-Schaltungen und Grobabstufung der Verdichtergrößen im Vergleich zur tatsächlichen Kühllast meist entweder zu niedrig oder zu hoch. Zudem ist der schwankende Saugdruck für die Schmierung der Verdichter unvorteilhaft, besonders bei CO2.
Wird ein Verdichter bei Verbundanlagen durch den AKD 102 (Frequenzumrichter) mit variabler Drehzahl geregelt, bleibt der Saugdruck sehr stabil. Dadurch verringert sich zudem die Anzahl der Starts und Stopps der Verdichter.
Bild 6 zeigt eine Verbundanlage, bei der einer der drei Verdichter (in der Regel der Führungsverdichter) auf Basis des vom Druckmessumformer (hier AKS 2050) gemessenen Saugdrucks durch den Frequenzumrichter (hier AKD102) geregelt wird. Bild 7 zeigt ein Leistungsdiagramm der Verbundanlage mit zwei, drei, vier und fünf Verdichtern, wenn einer dieser Verdichter im Bereich 3060 Hz durch einen Frequenzumrichter geregelt wird.
Nachts und an Wochenenden kann die Kühllast so gering sein, dass nur der drehzahlgeregelte Verdichter auf Minimaldrehzahl läuft. Auch dies bedeutet eine geringere Teillast, als bei einer Verbundanlage mit reinen On/Off-Verdichtern möglich wäre.
Bei der Regelung des Verdichters mit variabler Drehzahl muss sowohl die Mindest- als auch die Maximaldrehzahl den Vorgaben des Verdichterherstellers entsprechen. Saug- und Druckleitung müssen so dimensioniert sein, dass die Ölrückführung bei Minimal- wie auch Volllast stets gewährleistet ist.
Erforderliche Komponenten
Das System muss so ausgelegt sein, dass durch eingeschlossene Flüssigkeit bzw. eingeschlossenen Dampf kein zu hoher Druck während der Nutzung, Wartung oder Reparatur des Systems entstehen kann. Der Kaskadenwärmeübertrager (Bild 8, Nr. 10) muss so montiert sein, dass die Flüssigkeit gut ablaufen kann. Der Saugleitungsfilter (Bild 8, Nr. 12) DCHR mit Sieb schützt die Verdichter vor feinen Schmutzpartikeln im System. Der DCHR eignet sich für Kupfer- und Stahlrohre. Für Edelstahlrohre können FIA-Filter verwendet werden.
Bei CO2-Anwendungen empfiehlt sich die Verwendung von 100 %-Molekularsieb-Filtertrocknern (Bild 8, Nr. 13 z.B. DCHR). Das Schauglas (Bild 8, Nr. 14) zeigt an, ob die Feuchte in der Anlage zu hoch ist.
SFA-Sicherheitsventile (Bild 8, Nr. 16) schützen das System vor zu hohem Druck. Im Flüssigkeitssammler sind üblicherweise zwei Sicherheitsventile auf einem DSV-Wechselventil (Bild 8, Nr. 17) aufgebaut. In manchen Fällen ist der Flüssigkeitssammler mit einem Druckschalter (KP6 oder MBC) ausgerüstet, der das EVRH-Magnetventil (Bild 8, Nr. 15) öffnet, wenn sich der Druck in der Nähe des Sicherheitsniveaus befindet. Dadurch lässt sich der CO2-Verlust in den meisten Fällen auf ein Mindestmaß beschränken.
Regelung des Gesamtsystems
In Kaskadensystemen muss mindestens ein Verdichter der oberen Stufe bereits in Betrieb sein, ehe der erste Verdichter der unteren Stufe startet. Anderenfalls könnte der Verdichter im Kreislauf der unteren Stufe über den Hochdruckschutzschalter abschalten.
Wichtig ist zudem, dass die Einspritzung in den Kaskadenwärmetauscher über das Einspritzventil in dem Moment beginnt, in dem der erste Verdichter im Niederdruckkreislauf gestartet wird. Ebenso sollte die Einspritzung unbedingt stoppen, sobald der letzte Verdichter im Niederdruckkreislauf ausgeschaltet wird.
Danfoss Regler der Typen AK-SC 255, AK-PC 730 und AK-PC 840 sind mit integrierten Funktionen zur Koordination derartiger Vorgänge ausgestattet. -
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
- Kaskadenwärmeübertrager
- Niederdrucksammler /Pumpenabscheider
- Verdampfer und Verdichter
- Stillstandssicherheitssysteme & Wärmerückgewinnung bei CO2-Systemen
- Kaskadensysteme
- Einfache transkritische Systeme, z.B. für Lebensmitteleinzelhandel
- Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung
Stephan Bachmann
Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach
