Bei einfachen transkritischen Systemen kleiner Leistung werden gerne Kapillarrohre als Drosselorgan eingesetzt. Bild 1 zeigt ein sehr einfaches transkritisches System. Das System besteht aus einem Verdichter, einem Gaskühler, einem Verdampfer und einem Expansionsorgan.
Das einfachste Expansionsorgan, das eingesetzt werden kann, ist eine feste Drosselstelle (z. B. eine Blende oder ein Kapillarrohr). In einem solchen System wird der Hochdruck nicht geregelt, und das System wird folglich nur mit dem optimalen Hochdruck und maximalem Wirkungsgrad unter einer bestimmten Betriebsbedingung betrieben. Eine weitere Möglichkeit bietet die Verwendung eines thermostatischen Ventils zur Regelung der Gaskühleraustrittstemperatur.
Durch die Verwendung eines internen Wärmeübertragers zwischen der Saugleitung und der Leitung, die vom Gaskühler kommt, kann die Systemleistung verbessert werden. Wenn es sich bei dem Expansionsorgan um ein Kapillarrohr handelt, kann dies an die Saugleitung angelötet werden und den internen Wärmeübergang zusätzlich fördern.
Ein System, wie in Bild 2 dargestellt, ist gut geeignet für Anwendungen, bei denen keine größeren Schwankungen der Umgebungstemperatur auftreten und gleichzeitig nur ein definierter Betriebspunkt auf der Verdampferseite zu beachten ist.
Ändern sich die Betriebsbedingungen (z. B. die Umgebungstemperatur oder die Verdampfungstemperatur während der Abkühlphase), ändert sich ebenso die Kältemittelverteilung zwischen den Komponenten. Damit ändert sich auch der Gaskühlerdruck.
Für Anwendungen, bei denen eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Betriebsbedingungen erforderlich ist, die Leistungs- und Effizienzanforderungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen erfüllen müssen, ist ein Regelventil für den Hochdruck unerlässlich. Dies kann ein mechanisches oder ein elektronisches Ventil sein.
Darüber hinaus ist es eventuell notwendig, einen Niederdrucksammler zu installieren, um die Lastschwankungen auf der Hochdruckseite zu kompensieren.
System mit automatischem Ventil
Bild 3 zeigt ein System mit einem automatischen Ventil als Drosselorgan. Das Ventil regelt nach dem Eingangsdruck (Gaskühlerdruck) und öffnet oder schließt nach einem definierten Sollwert.
Der Einstellwert des Ventils kann manuell angepasst werden. Das MBR-Ventil von Danfoss wurde speziell für diesen Anwendungszweck entwickelt.
Das automatische Drosselventil kann bei Systemen eingesetzt werden, die nur geringen Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind (also etwa Systeme, die nur oberhalb der kritischen Temperatur betrieben werden), gleichzeitig aber unter zwei oder mehr Betriebspunkten optimale Leistungs- und Effizienzwerte aufweisen müssen.
Bei diesem automatischen Drosselventil handelt es sich nicht um ein automatisches Expansionsventil klassischer Prägung. Automatische Expansionsventile halten den Ausgangsdruck (Verdampfungsdruck) stets konstant, wobei das hier beschriebene automatische Drosselventil den eingangsseitigen Druck (vom Gaskühler) konstant hält.
System mit thermostatischem Drosselventil
Bild 4 zeigt ein System mit thermostatischem Drosselorgan. Das Ventil arbeitet mithilfe eines klassischen Fühlers (mit einer Flüssigkeits-Dampf-Füllung) zur Erfassung der Kältemittelaustrittstemperatur des Gaskühlers und somit zur Regelung des Eingangsdrucks des Ventils. Alternativ kann mit dem Fühler auch die Lufteintrittstemperatur des luftgekühlten Gaskühlers erfasst werden.
Das thermostatische Drosselventil kann bei Systemen eingesetzt werden, die starken Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind und gleichzeitig bei zwei oder mehreren Betriebspunkten optimale Leistungs- und Effizienzwerte aufweisen müssen.
Performanceverbesserungen für diesen Systemtyp können durch Verwendung eines Niederdrucksammlers, wie in Bild 5 gezeigt, erzielt werden. Ändert sich die Temperatur am thermostatischen Drosselventil, wird das Kältemittel dem Niederdrucksammler entnommen bzw. zugeführt.
Hierbei muss besonders darauf geachtet werden, dass es nicht zu größeren Ölansammlungen im Niederdrucksammler kommt. Dies lässt sich durch eine Ölablassleitung vermeiden, über die kleine Mengen Öl und flüssiges Kältemittel aus dem Sammler in den internen Wärmeübertrager fließen können.
Für den Systembetrieb reicht ein einfacher Kühlstellenregler aus (z. B. ein Regler vom Typ EKC 202).
System mit elektronischem Expansionsventil
Volle Regelungsflexibilität bietet ein System mit elektronischem Expansionsventil JKV und einem elektronischen Systemregler vom Typ EKC 326. Über Temperatur- und Drucksensoren im System ist der Regler stets über die Anlagensituation am Gaskühlerausgang informiert. Darüber hinaus muss ein Impulswandler zwischen das Schrittmotorventil JKV und den Regler geschaltet werden.
Die in Bild 6 dargestellte Lösung eignet sich für Systeme, die unter stark schwankenden Umgebungsbedingungen und mit sehr hohen Leistungs- oder Effizienzanforderungen unter allen Betriebsbedingungen betrieben werden. -
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
- Niederdruckbehälter/Pumpenabscheider
- Verdampfer und Verdichter
- Stillstandssicherheitssysteme
- Wärmerückgewinnung
- Kaskadensysteme
- Einfache transkritische Systeme, z. B. für Lebensmitteleinzelhandel
- Transkritisches Boostersystem
Stephan Bachmann
Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach
