Kohlendioxid hat als Kältemittel eine lange Tradition und war eines der ersten Kältemittel, das in Kompressions-Kältemaschinen zum Einsatz kam. In der jüngeren Vergangenheit wurde Kohlendioxid als natürliches Kältemittel wieder verstärkt als Lösungsmöglichkeit in der modernen Kältetechnik diskutiert. Anlagenbauer und Systemdesigner untersuchen, in Abhängigkeit der klimatischen Bedingungen des Aufstellortes, die Möglichkeit des Einsatzes von CO2-Anlagen. Wo realisierbar, können Systeme mit CO2 als Kältemittel (entweder als reine CO2-Anlage oder in Kombination mit HFKW- oder HFO-Kältemitteln) als um-weltfreundliche Lösung eingesetzt werden.
Transkritischer Einsatzbereich
Nach der Markteinführung der ersten drei halbhermetischen 4-Zylinder-Stream-Verdichter für transkritische CO2-Anwendungen mit einem Hubvolumen von 9,5 bis 17,9 m3/h hat sich Emerson auf die Weiterentwicklung dieser Baureihe mit weiteren sechs Modellen von 4,6 bis 7,4 m3/h und 22,7 bis 32 m3/h Hubvolumen konzentriert. Eine Übersicht der aktuellen und zukünftigen Verdichtermodelle für transkritische CO2-Anwendungen wird in Bild 1 gezeigt.
Die semihermetischen Stream-Verdichtermodelle für CO2 können bei transkritischen Anwendungen im Betrieb bis 120 bar eingesetzt werden. Die maximal möglichen Einsatztemperaturen und -drücke werden über das zulässige Anwendungsfenster definiert, siehe Bild 2. So wird beispielsweise der maximale Betriebsdruck bei einer spezifischen Verdampfungstemperatur durch die maximal mögliche Druckgastemperatur limitiert. Die Sauggasüberhitzung und da-mit die Temperatur des angesaugten Kältemittels hat Einfluss auf die Motorkühlung und maximale Grenzen im Anwendungsfenster. Alle Verdichtermodelle der Stream-Baureihe können mit einem Frequenzumformer in dem Bereich von 25 bis 70 Hz be-trieben werden, was in bestimmten Regionen des Anwendungsfensters zu Einschränkungen führen kann. Die Verdichtermodelle der 4MTL-Baureihe können mit Stillstandsdrücken von 135 bar auf der Hochdruckseite und 90 bar auf der Niederdruckseite beaufschlagt werden.
Subkritischer Einsatzbereich
Für subkritische CO2-Anwendungen wurden von Emerson Climate Technologies Scrollverdichter und semihermetische Stream-Verdichtermodelle 4MSL entwickelt. Die Baureihe der Scrollverdichter ZO(D) umfasst Modelle mit einem Hubvolumen von 3 bis 12 m3/h und einem maximalen Betriebsdruck von 40 bar (Bild 3). Die semihermetischen Stream-Verdichtermodelle 4MSL werden mit einem Hubvolumen von 4,6 bis 17 m3/h ausgeführt, der maximale Betriebsdruck liegt hier bei 60 bar (Bild 4).
Der Stillstandsdruck der subkritischen 4MSL-Baureihe entspricht dem der transkritischen 4MTL-Baureihe (90 bar / 135 bar). Die Verwendung von transkritischen Komponeten bei Booster-Systemen, sowohl in dem Bereich der mittleren Verdampfungstemperaturen als auch in dem Bereich der Tiefkühlung, bietet den Vorteil hoher Ausfallsicherheit bei Stromausfall und vermeidet längere Ausschaltzeiten. Das Abblasen von CO2 wird weitgehend vermieden.
Der Einsatz von Scrollverdichtern bei subkritischen CO2-Anwendungen bietet Anwendern verschiedene Vorteile. Dazu gehört eine kompakte Bauweise, gute Effizienzwerte und die besondere Betriebssicherheit der Copeland-Scrollverdichter-Technologie. Scrollverdichter der ZO-Baureihe verfügen über einen maximalen Stillstandsdruck von 30 bar auf der Niederdruckseite und 52 bar auf der Hochdruckseite.
Digitale Leistungsregelung
Während die Stream-Verdichtermodelle mit Frequenzumformern in einem Bereich von 25 bis 70 Hz betrieben werden können, er-möglicht sich bei den Scrollverdichtern der ZO-Baureihe der Einsatz der digitalen Leistungsregelung. Die digitale ScrollverdichterTechnologie bietet verschiedene Vorteile, z. B. durch einfache Regelung in einem Regelbereich von 10 bis 100 Prozent der nominalen Kälteleistung. Einsparungen sind hier vor allem möglich, weil keine kostenintensiven Frequenzumformer benötigt werden.
Wie auch bei den Stream-Verdichtermodellen für HFKW-Kältemittel, werden die semihermetischen Stream-Verdichtermodelle für CO2-Anwendungen gleichfalls mit der elektronischen Verdichterüberwachung CoreSense Diagnostics ausgestattet, siehe Bild 5. Bei der CoreSense-Technologie handelt es sich um eine weiterentwickelte Verdichterüberwachung mit Diagnose-, Aufzeichnungs- und Kommunikationsfunktionen. Durch die verbesserte Verdichterüberwachung lassen sich Betriebssicherheit und Lebensdauer steigern. Zusätzlich kann durch die CoreSense-Technologie die Leistungsaufnahme des Verdichters über die Laufzeit und eine Fehlerhistorie aufgezeichnet werden, was die Service- und Wartungsarbeiten vereinfacht und verkürzt. Diese Informationen können auch über ein Fernüberwachungssystem abgerufen werden.
Verschiedene Anlagenkonzepte
Neue Kältesysteme können komplett mit CO2 als Kältemittel ausgelegt werden (Booster oder Kaskade). Alternativ können auch Anlagen mit einer Kombination aus CO2- und HFKW- oder HFO-Kältemitteln (wie R134a, R448A, R449A, R450A oder R513A) aufgebaut werden.
Emerson Climate Technologies hat eine große Anzahl von Verdichtern und Baureihen entwickelt. Aufgrund dieser Vielfalt lassen sich verschiedene Anlagenkonzeptionen realisieren. Eine Kombination von semihermetischen Stream-Verdichtermodellen für transkritische und Scrollverdichtern für subkritische CO2-Anwendungen ermöglicht ein gewichtsparendes, kompaktes, kostengünstiges und effizientes Anlagendesign. Auf diesem Konzept basierende Systeme bieten sich hervorragend als Alternative für Anwendungen an, bei denen die Investitionskosten niedrig gehalten werden müssen, wie zum Beispiel bei kleineren Lebensmittelgeschäften und Supermärkten.
Bild 6 zeigt ein kompaktes Boostersystem mit zwei Scrollverdichtern in der Tiefkühlstufe, wobei einer der beiden Verdichter als digitaler Scrollverdichter mit stufenloser Leistungsregelung aufgebaut wurde. Die Hochdruckstufe des Boostersystems wurde mit semihermetischen Stream-Verdichtern 4MTL ausgeführt. Supermärkte in Nordeuropa sind bereits mit einer solchen CO2-Anlagentechnologie ausgerüstet.
Vergleichsweise haben größere Lebensmittelhändler und Supermärkte einen geringeren Bedarf an Gewichts- und Platzersparnis. Bei Supermärkten dieser Größenordnung werden deutlich höhere Kälteleistungen benötigt und eine CO2-Anlagenlösung mit semihermetischen Verdichtermodellen ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel ist der Verbund vom Systemhersteller Green & Cool, siehe Bild 7. Der Verbund besteht in der Tiefkühlstufe aus zwei 4MSL-Verdichtermodellen für subkritische CO2-Anwendungen, wobei ein Verdichter mit einem Frequenzumformer für den Regelbereich 30 bis 70 Hz ausgerüstet wurde. In der oberen Boosterstufe werden fünf 4MTL-Verdichter für transkritische CO2-Anwendungen eingesetzt, wobei auch hier ein Verdichter mit einem Frequenzumformer geregelt wird. Das gesamte System wurde für einen Stillstandsdruck von 60 bar ausgelegt, d. h. bei einem Stromausfall können die CO2-Anlagenbereiche und Kühlmöbel bis auf 23 °C erwärmt werden, bevor Sicherheitsventile ansprechen und das Kältemittel abgeblasen wird. Sämtliche Stream-Verdichtermodelle sind mit CoreSense-Technologie ausgestattet. Green & Cool hat diesen Vorteil für sich genutzt und die Verdichterüberwachung mit dem systemeigenen PLC-Regler gekoppelt.
Kaskadenschaltungen
Neben Boostersystemen sind auch Kaskadenschaltungen eine weitverbreitete Lösung. Sogenannte Hybrid-Systeme bezeichnen Anlagenverschaltungen, bei denen CO2 in der unteren Stufe und ein HFKW-Kältemittel in der oberen Stufe eingesetzt werden. Diese Kombination erlaubt die Ausführung der Anlage ausschließlich mit Scrollverdichtertechnologie. Digitale Scrollverdichter der Baureihe ZBD können für R134a-Anwendungen, die digitalen Scrollverdichter der ZOD-Baureihe für CO2-Anwendungen eingesetzt werden. In Kaskadensystemen lassen sich so Standardscroll und leistungsgeregelte Scroll kombinieren:
Für mittlere Ver-dampfungstempe-raturen, z. B. für den Einsatz mit R134a, wurden von Emerson Climate Technologies die Scrollverdichter der ZB- und der digi-talen ZBD-Bau-reihe entwickelt, welche zum Bei-
spiel in Verbundanlagen für Supermärkte mit einer Leistung von bis zu 90 kW ein-gesetzt werden können. Die ZB- und ZBD-Baureihen umfassen 19 Verdichtermodelle mit einem Hubvolumen von 3,7 bis 43,4 m3/h.
Die Scrollverdichter-Baureihen ZO und ZOD Digital Scroll können für Tiefkühlanwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel in Supermarkt-Verbundanlagen mit Kälteleistungen von bis zu 80 kW.
Der Einsatz von Scroll- und digitalen Scrollverdichtermodellen in R134a / CO2-Hybrid-Anlagen kann, im Vergleich zu herkömmlichen Systemen mit R404A, zu si-gnifikanten Kosteneinsparungen beitragen. Kaskaden mit R134a / CO2 bieten deutliche Einsparungen hinsichtlich der direkten und indirekten CO2-Emissionen. Die Energieeffizienz der Systeme lässt sich steigern und ist, vor allem in Hinsicht auf die F-Gase-Verordnung (GWPR404A = 3,922; GWPR134a = 1,430; GWPCO2 = 1), eine echte Alternative zu Systemen mit herkömmlichen Kältemitteln.
Ölmanagement
Üblicherweise werden die Scroll- oder semihermetischen Verdichter in CO2-Verbundanlagen mit einem aktiven Ölmanagement (z. B. mit Ölabscheider und Nachspeiseeinrichtung für jeden Verdichter) ausgestattet. Emerson Climate Technologies hat für den CO2-Betrieb das TraxOil-Ölstandsreguliersystem entwickelt. Die TraxOil-Baureihe OM4 kann für maximale Betriebsdrücke bis 60 bar eingesetzt werden, z. B. in Anlagenbereichen mit niedrigeren Drücken (Tiefkühlstufe). Für maximale Betriebsdrücke bis 120 bar steht die TraxOil-Baureihe OM5 zur Verfügung und lässt sich damit in den Anlagenbereichen mit höheren Drücken, wie in der transkritischen Stufe, einsetzen. Auch bei wechselnden Betriebsbedingungen und Lastanforderungen sorgt das TraxOil-System für eine konstante Ölversorgung. Die Verwendung der Baureihe OM5 in Hochdruck-Ölausgleichssystemen hat deutliches Kosteneinsparpotenzial, da im Vergleich zu Niederdruck-Ölausgleichssystemen das Ölsammelgefäß und das Differenzdruckventil entfallen können, siehe auch Bild 8.
Der Betrieb von transkritischen CO2-Systemen bei höheren Umgebungstemperaturen stellt hohe Anforderungen an die Regelung des Gaskühlers. Ein spezieller Algorithmus sorgt für den Betrieb des Systems bei optimalem Hochdruck. Die Ventile der CX-Baureihe wurden sowohl für die Mitteldruckbehälter- als auch GaskühlerRegelung konzipiert. So wird die maximale Energieeffizienz des Systems gewährleistet.
Für Anlagenbereiche mit niedrigeren Betriebsdrücken können die elektronischen Expansionsventile der EX-Baureihe eingesetzt werden. Als Treiber kann für beide Baureihen, CX und EX, das Modell EXD-U 01 verwendet werden. Für die gesamte CO2-Anlagenregelung eignet sich der neuartige Dixell iProRack-Regler. Das Bild 8 zeigt den kompletten Umfang der Emerson-Lösungen für CO2-Anwendungen.
Zusätzlich stehen verschiedene mechanische und elektrische Komponenten von Emerson für den CO2-Einsatz zur Verfügung, beispielsweise Überhitzungsregler, elektronische Expansionsventile, Drucktransmitter, Pressostate, Filtertrockner, Schaugläser mit Feuchtigkeitsindikatoren und Kugelabsperrventile.
Zusammenfassung
Um den neuesten Marktanforderungen und gesetzlichen Bestimmungen gerecht zu werden, hat Emerson Climate Technologies sein Produktportfolio für natürliche Kältemittel, wie CO2, deutlich erweitert. Emerson Climate Technologies hat eine breite Verdichter-Modellpalette entwickelt und bietet als einziger Hersteller im Markt semihermetische Verdichter und Scrollverdichter für CO2-Anwendungen an. Diese Angebotsvielfalt ermöglicht flexibles Anlagendesign. Die verschiedenen Optionen bieten Vorteile bei der Kostenkontrolle, Anlageneffizienz, Anlagenüberwachung, Leistungsregelung, Betriebssicherheit, Systemvereinfachung oder Kompaktheit.
Kontinuierlich unterstützt Emerson Climate Technologies die Lebensmittelindustrie bei der Einhaltung gestiegener Anforderungen für den Umweltschutz durch die Verbesserung und Entwicklung neuer Produkte und Lösungen und bietet damit Betreibern von kleineren Läden und Supermärkten neue Möglichkeiten für den Einsatz einer nachhaltigen Anlagentechnologie mit natürlichen Kältemitteln.
Dr. Gábor Böszörményi,
Sales Manager CO2 bei Emerson Climate Technologies in Aachen
