Sicherheit beim Stillstand von CO₂-Anlagen

Als ersten Schritt zur Definition des maximal zulässigen Anlagendrucks müssen folgende Systemparameter beachtet werden:

• Druck im Betrieb
• Druck bei Stillstand der Anlage
• Besondere Temperaturanforderungen bei Abtauung
• Drucktoleranzen für Sicherheitsventile (1015 %)

Grundsätzlich ist der Stillstandsdruck der wesentliche Beschränkungsfaktor in Bezug auf den maximal zulässigen Anlagendruck bei CO₂-Systemen. Bei den meisten Systemen mit herkömmlichen Kältemitteln kann durch Ausschalten des Druckerzeugers (Verdichters) ein weiteres Ansteigen des Systemdrucks zuverlässig verhindert werden.

Bei CO₂-Systemen kann jedoch der Druck bei Stillstand schnell 6580 bar (entspricht 2530 °C) erreichen. Dieser Wert liegt über dem maximal zulässigen Betriebsüberdruck der meisten handelsüblichen Kältekomponenten. Theoretisch besteht die Möglichkeit das System komplett für diese hohen Drücke auszulegen, eleganter ist es aber, entsprechende Maßnahmen zur Sicherstellung eines moderaten CO₂-Drucks zu ergreifen. Dies ist gleichermaßen ein Thema bei transkritischen wie auch bei Kaskadensystemen.

Der CO₂-Druck bei Stillstand wird maßgeblich von zwei Faktoren bestimmt:

• Umgebungstemperatur und
• Anlagenfüllung.

Solange sich das CO₂ in flüssigem Zustand befindet, korrespondiert der Druck im System mit der Umgebungstemperatur (z.B. 57 bar bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C). Bei dampfförmigem CO₂ entspricht der Druck nicht dem Nassdampfdruck bei der gegebenen Temperatur, sondern ist niedriger. Der Druckanstieg fällt geringer aus, auch wenn er im Vergleich zum Druck bei herkömmlichen Kältemitteln höher ist. Geht beispielsweise die CO₂-Füllung bei 0 °C in den dampfförmigen Zustand über, liegt der Druck bei ca. 34,8 bar. Bei einem weiteren Temperaturanstieg bis zu 30 °C steigt der Druck lediglich auf 42,5 bar.

Die Deckelung des Drucks bei Stillstand erfolgt üblicherweise anhand folgender Verfahren:

Hilfskühlung

Im Fall eines Druckanstiegs bei Stillstand wird ein Hilfskühlungssystem aktiviert, das den CO₂-Tank kühlt und so den Druck auf den maximal zulässigen Wert beschränkt. Die Regelung setzt die Hilfskühlung in Betrieb, sobald das Signal vom Druckschalter am Sammler (Typ KP oder MBS 500, je nach Drucklage) eine Drucküberschreitung signalisiert. Es empfiehlt sich eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) einzusetzen, um auch gegen einen Stromausfall gerüstet zu sein.

In beiden Fällen wird zur Kühlung des CO₂-Tanks ein kompakter Verflüssigungssatz verwendet. Dieses System ist typisch für große Gewerbeanwendungen (Super- und Großmärkte, Kühlhäuser usw.). Für diesen Anwendungsbereich sind z.B. die Verflüssigungssätze Danfoss Optyma A04 gut geeignet.

CO₂-Freisetzung

Bei Druckanstieg wird eine geringe Menge CO₂ in die Atmosphäre freigesetzt, ehe der maximal zulässige Anlagendruck erreicht ist. Der Druck wird damit durch folgende Maßnahmen beschränkt:

• Freisetzen einer kleinen Menge CO₂ in die Atmosphäre
• Kühlung der Restflüssigkeit durch siedendes CO₂

Sobald der Druck im Sammler den am Pilotregelventil CVP-XP eingestellten Punkt übersteigt, wird CO₂ freigesetzt. Da es sich bei dem CVP-XP um ein Proportionalregelventil handelt, wird nur allmählich Druck abgelassen, und es entweicht lediglich eine sehr geringe Menge an Kältemittel. Zu diesem Zweck kann ein ICS-Hauptventil mit aufgeschraubtem Pilotventil CVP-XP verwendet werden. Bei kleineren Systemen kann die Montage des CVP-XP direkt in einem externen Pilotgehäuse CVH ausreichend sein.

Während der Druck im Sammler abfällt, beginnt das CO₂ zu sieden. Dadurch sinkt die Temperatur, und der Druck sinkt weiter.

Übersteigt der Druck den am CVP-XP eingestellten Punkt um 1015 %, wird eine größere Menge CO₂ in die Atmosphäre freigesetzt. Alternativ kann am Austritt des Sammlers ein Magnetventil angebracht werden. Angesteuert wird dieses z. B. von einem Systemcontroller des Typs AK-SC 255 (bzw. AK-SC 720), der ein Signal vom Druckmessumformer (AKS2050) empfängt. Das Magnetventil muss am Austritt des Sammlers angebracht sein, damit sich kein Trockeneis (festes CO₂) bilden kann. Alternativ kann das Magnetventil auch über einen Druckschalter vom Typ KP6 geregelt werden.

CO₂-Ausdehnungsgefäß

In Systemen mit begrenzter Füllmenge kann zur Gewährleistung eines akzeptablen Druckniveaus ein gesondertes Ausdehnungsgefäß eingesetzt werden. Sobald der Druck im System ansteigt, strömt das CO₂ über das Rückschlagventil (NRV) in das Ausdehnungsgefäß. Es muss so groß dimensioniert sein, dass es ausreichend CO₂ aufnehmen kann, um den Druck im übrigen Teil des Systems konstant zu halten.

Fährt das System erneut an, dann wird das CO₂ anhand eines ICS Hauptventils mit Pilotventil vom Typ CVC-XP in die Saugleitung zurückgeführt (niedriger Druck in der Saugleitung = ICS + CVC-XP offen; hoher Druck in der Saugleitung = ICS + CVC-HP geschlossen). Bei kleineren Systemen kann das Pilotventil CVC-XP direkt in ein externes Ventilgehäuse (CVH) eingeschraubt werden. -

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 für CO₂-Anlagen
• Wärmerückgewinnung bei CO₂-Systemen
• Kaskadensysteme
• Einfache transkritische Systeme, z.B. für Lebensmitteleinzelhandel
• Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung

Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kälte­technik, Offenbach