Durch die neu verabschiedete F-Gase-Verordnung (EU) wird die Nutzung von fluorierten Kohlenwasserstoffen als Kältemittel in den kommenden Jahren zunehmend eingeschränkt und signifikant teurer. Bereits heute sind HFKW-Kälteanlagen in weiten Teilen Europas mit hohen Steuern belegt und nicht zuletzt dadurch ist eine stetig steigende Marktdurchdringung von gewerblichen Kälteanlagen mit dem Arbeitsstoff CO2 zu beobachten.
Derzeit sind in Mittel- und Nordeuropa bereits mehrere Tausend transkritisch betriebene CO2-Kälteanlagen in Betrieb, die in diesem Klima deutliche Vorteile hinsichtlich des Jahresstrombedarfs zeigen. Hier überwiegen die Vorteile von CO2 bei kalten Umgebungsbedingungen aufgrund der Jahresstundenhäufigkeit im Vergleich zu den Nachteilen bei hohen Außentemperaturen.
Um die CO2-Technik auch für südliche Länder Europas bei hohen Umgebungstemperaturen attraktiv zu machen, bedarf es weiterer Anstrengungen, um die derzeit noch geringere Effizienz des transkritischen CO2-Kreislaufs im Betrieb bei entsprechend hohen Drucklagen zu verbessern. Eine Ursache sind die Drosselverluste, bedingt durch die vollständige Dissipation der Strömungsenergie des beschleunigten Kältemittels unter Erzeugung von Flash-dampf bei der Expansion in den Hochdruckregelventilen. Durch den Einsatz von regelbaren Ejektoren (anstelle der Expansionsventile) können diese Verluste minimiert werden. Gleichzeitig wird in den Ejektoren das dampfförmige Kältemittel aus den Verdampfern vorverdichtet, wodurch sich die in den Verdichtern zu leistende Verdichtungsarbeit weiter reduziert.
Carrier entwickelt bereits seit mehreren Jahren einen regelbaren Ejektor, der auch im Betrieb bei kalten Umgebungstemperaturen und unter Teillast optimale Ergebnisse liefern kann. In diesem Artikel werden der derzeitige Stand der Entwicklung vorgestellt und praktische Ergebnisse präsentiert.
Grundlagen
Die thermophysikalischen Eigenschaften des natürlichen Kältemittels CO2 (R 744) bieten der Kältetechnik die Möglichkeit für eine bessere Energieeffizienz im Vergleich zu Kühlsystemen mit synthetischen HFKW-Kältemitteln. Ursachen dafür sind z. B. ein höherer Wärmeübertragungskoeffizient von CO2 im Vergleich zu vielen organischen Flüssigkeiten, die große volumetrische Kälteleistung und auch die Minimierung der Auswirkungen von Druckabfällen in verteilten Rohrnetzen. Ein typisches CO2-System, ausgelegt für den transkritischen Betriebspunkt, besteht aus einer zweistufigen Kompression in einer Booster-Konfiguration sowie einer zweistufigen Entspannung, einschließlich eines Mitteldruck-behälters (offene Mitteldruckflasche).
Es gibt mehrere Optionen für die Gestaltung von transkritischen CO2-Systemen, wie z. B. interne Wärmeübertrager zwischen Mitteldruck-Flash-Gas und der Flüssigkeitsleitung oder separate Flüssigkeitsabscheider in der Saugleitung. Der Kältekreislauf des Standardsystems Carrier CO2O Ltec für Normalkühlung (NK) und Tiefkühlung (TK) dient als Grundlage für die weitere Diskussion und ist in Bild 1 dargestellt.
Jedoch sind transkritische CO2-Systeme bekannt dafür, einen Nachteil zu haben: Wenn die jährlichen durchschnittlichen Umgebungstemperaturen über 15 °C liegen, dem sogenannten CO2-Effizienz Äquator“ (Bild 2), ist eine typische CO2-Kälteanlage über ein ganzes Betriebsjahr gleichauf oder sogar niedriger in der Effizienz, verglichen mit einer HFKW-Installation.
Dieser Artikel stellt die Möglichkeiten eines Ejektors als einer der interessantesten Methoden [vgl. Huff (2012), Hafner (2013), Elbel (2011, 2007), Banasiak (2011), Smierciew (2011), Karwacki (2011)] zur Steigerung der Effizienz für transkritische CO2-Installationen dar. Diese Technologie ist speziell für CO2 von großem Interesse, durch den Betrieb mit hohen Differenzdrücken, verursacht durch hohe Außenlufttemperaturen (Südeuropa) oder durch die Anwendung selbst.
Südeuropa für CO2-Systeme erschließen
Die steigende Nachfrage bei Carrier nach CO2-Systemen in den letzten Jahren sowie Studien von Masson (2014) zeigen einen Trend zu CO2 als primäres Kältemittel für stationäre Kältesysteme in Europa. Zwischen 2011 und der letzten Schätzung von 2013 gab es branchenweit einen Anstieg um 117 Prozent auf 2 885 sich in Betrieb befindenden Systemen in Europa, darunter etwa 800 CO2-Systeme von Carrier. Dennoch befanden sich nur weniger als 3 Prozent dieser Systeme in den südlichen Klimazonen wie Spanien, Italien oder Bulgarien und, falls dort installiert, lagen die meisten wiederum in den nördlichen Regionen dieser Länder. Die Entwicklung von effizienten CO2-Systemen für diese und andere südeuropäische Länder ist eine anspruchsvolle Aufgabe, speziell für die Bedürfnisse kommerzieller Supermarktkältetechnik. Die Ejektor-Technologie ist einer der Schlüssel zum Erfolg in diesen Ländern.
Der Artikel zeigt den Vorteil eines Ejektors anhand der Komponenten, von Systemstudien, Labortests und Feldversuchsergebnissen auf. Hauptziel der Ejektor-Entwicklung ist ein System mit gleichem oder geringerem jährlichen Energieverbrauch gegenüber einem verbesserten HKW-System und mit den gleichen oder geringeren spezifischen Kosten derzeitiger transkritischer Systeme.
Ejektor als Komponente
Der Ejektor nutzt ein Fluid mit hohem Druck und hoher Dichte (z. B. nach einem Gaskühler) als Treibstrom und saugt ein zweites Fluid (bzw. im Fall einer Kälteanlage das gleiche) am Sauganschluss an. Der Ejektor mischt beide Stoffströme miteinander und komprimiert diese Mischung, wobei am Austritt des Ejektors ein höherer Druck herrscht als am Sauganschluss. Bild 3 zeigt dieses Prinzip in drei Schritten. Der erste Teil (Treibstromdüse) konvertiert einen hohen Druck in hohe Geschwindigkeit. Der beschleunigte Treibstrom führt in der Mischkammer (zweiter Teil des Ejektors), bedingt durch die Überschallströmung des Treibstromes während der Einspritzung, zu einer Druckabsenkung. Hierbei fällt der Druck in der Mischkammer unter den Saugdruck. Dadurch kann der Saugstrom in die Mischkammer angesaugt werden. Die angesaugte Saugmasse wird im Mischrohr durch den Treibmassenstrom beschleunigt. Am Ende des Mischrohres sollten beide Ströme mit etwa der gleichen Geschwindigkeit vorliegen. Im Diffusor (dritter Teil) kommt es aus der kinematischen Energie wieder zu einer Druckerhöhung auf Mitteldrucksammlerniveau. Hierbei ist der Austrittsdruck höher als der Saugdruck am Eintritt in den Ejektor. Dieser nutzt also die Hochdruckenergie, um die vollständige Saugstrommasse (oder je nach Schaltung nur einen Teil davon) zu komprimieren.
Der Ejektor kann den gegebenen Energieinhalt des Treibmassenstroms generell in zwei Szenarien verwenden:
es wird wenig Saugstrom zu höherem Druck komprimiert oder
es wird mehr Saugstrom verdichtet, jedoch erreicht der Ejektor dann im Vergleich zum ersten Szenario eine geringere Druckanhebung.
Erschwerende variable Bedingungen
Es ist sehr komplex, einen Ejektor zu entwerfen, der unter der Vielzahl der variablen Bedingungen (z. B. verschiedene Treib-stromdrücke, verschiedene Treib-/Saug-stromverhältnisse, Teillasten etc.) gut funktioniert. Ein Ziel der Ejektor-Entwicklung war es, den maximalen Treibmassenstrom zu verwenden, um eine optimale Leistungsfähigkeit zu erreichen. Als Folge davon entwickelte Carrier Ejektoren für die Zweiphasenströmung. Carrier Commercial Refrigeration begann im Jahr 2010 mit ersten Tests an einem Ejektor mit fester Treibstromdüse (Bild 4), gefolgt von einem regelbaren Ejektor-Design im Jahr 2013.
Das regelbare Design kombiniert die Vorteile der Ejektor-Technik und übernimmt komplett die erste Entspannung im Hochdruckventil. Aus Bild 1 geht hervor, dass durch die transkritische Prozessführung aufgrund der hohen Druckdifferenz (p3p4) und bedingt durch die vollständige Dissipation der Strömungsenergie des beschleunigten Kältemittels hohe Drosselverluste auftreten. Durch den Einsatz eines Ejektors können diese Verluste minimiert werden. In einem idealen Ejektor wäre der Prozess eine isentrope Expansion. Hierdurch arbeitet der Ejektor als eine Art Kompressor“, indem er den Saugstrom vorkomprimiert und somit die Verdichtungsarbeit im Kompressor reduziert (p1p2).
Des Weiteren benötigt der Ejektor keine Überhitzung. Hierdurch kann der Verdampfungsdruck angehoben werden, da in den Verdampfern die nötige Überhitzungsstrecke minimiert wird. Leider gibt es keine einheitliche Regel, um die Effizienz eines Ejektors zu definieren. Mehrere Quellen [Fiorenzano (2011), Köhler (2007), Elbel (2008), Hafner (2013)] erstellten oder arbeiteten mit einer Definition für die Ejektoreffizienz gemäß Bild 5. Diese Definition, im Folgenden ACRC genannt, ist wahrscheinlich die am häufigsten verwendete.
Um den Wirkungsgrad besser mit Carrier-Anforderungen abzugleichen, entstand eine Carrier-interne Definition. Sie beruht darauf, dass der Ejektor sowohl das Sauggas als auch das Zweiphasengemisch verdichtet, berücksichtigt die Kältemittelströmung und die Tatsache, dass am Austritt des Ejektors ein anderer Flüssigkeitsanteil vorliegt (Bild 6).
Die Effizienz eines definierten Ejektors hängt des Weiteren von verschiedenen Bedingungen ab, z. B. Mischverhältnis und Eintrittsbedingungen (Druck und Temperatur) von Treib- und Saugstrom. Getestet wurden Bedingungen, wie sie für Supermärkte typisch sind (Bild 7, Tabelle 1).
Der Test der festen Treibstromdüse im Jahr 2010 wie auch regelbarer Ejektoren in den Jahren 2013–14 zeigte die Effizienz, wie sie anhand der Simulation und CFD-Modellierung zu erwarten war (Bild 8). Wie dort dargestellt, sind die gemessenen und simulierten Daten innerhalb einer ± 10 Prozent-Abweichung miteinander identisch.
Systemdesign und Feldtest
Auf der Grundlage des bereits erwähnten typischen Standardsystems wurde ein Ejektor-System (Bild 9) mit den ebenfalls schon skizzierten Anforderungen an Effizienz und Kostenentwickelt. Die spezifischen Kosten einer solchen Anlage sollten hierbei nicht höher liegen als für das Standardsystem. Das Konzept solcher Ejektoren ist nicht neu, aber in der Kältetechnik-Branche nicht üblich. Auf der ganzen Welt haben mehrere Teams an der Entwicklung der CO2-Ejektor-Systeme gearbeitet [Kornhauster (1990, 2009), Groll (2006), Elbel (2006), Hafner (2010)].
Wie bereits erläutert, ist das schwierigste Problem in einem System für die Supermarktkältetechnik die Anpassung an verschiedene Betriebsbedingungen, die wiederum von den unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und der Betriebsart (Voll-/Teillast) abhängen. Für die Erfüllung dieser Bedingungen besteht das System aus einem Standardmodus und wechselt in den Ejektor-Modus, sobald die Bedingungen es erfordern.
Für das komplette Produktportfolio ab der kleinsten Einheit bis zu großen Verbundanlagen für SB-Warenhäuser und Verteilungszentren sind ca. fünf bis sieben Modellgrößen erforderlich. Derzeit stehen drei Größen für Leistungen zwischen 5 und 135 kW bereit. 2014 wurde ein Feldversuch entwickelt, ein entsprechendes System gebaut und mit zwei parallel arbeitenden der größten verfügbaren Ejektoren (135 kW) in Betrieb genommen. Tabelle 2 zeigt die technischen Eckdaten zu diesem ersten Ejektor-Feldversuch in Südspanien.
Die drei wichtigsten Ziele dieser Feldversuche waren:
Darstellung der Betriebsperformance (Steuerung, Umschaltungen, Temperaturstabilität)
Demonstration der Effizienz in einer Realanlage
Demonstration des Ölmanagements in einer Realanlage
Um diese Ziele zu überprüfen, wurden mehrere Energiezähler installiert und per Fernzugriff überwacht. Alle wichtigen Betriebsparameter wurden ebenfalls per Fernüberwachung aufgezeichnet und protokolliert. Um die Ölverteilung (OCR) im Ejektor-Modus zu vergleichen, wurde eine Ölfalle [Hellmann (2011)] entwickelt und eingesetzt. Die OCR wurde in regelmäßigen Abständen während und nach der Inbetriebnahme gemessen und zeigte keine Probleme.
Während der Inbetriebnahme wurden mehrere Tests zum Sammeln von Daten für den Standardmodus und den Ejektor-Modus unter den gleichen Bedingungen durchgeführt. Diese ersten Tests zeigen eine signifikante Reduktion des gesamten Stromverbrauchs um 16 Prozent bei 19 °C Umgebungstemperatur als Mittelwert über mehrere Stunden Betrieb.
Bild 10 zeigt den aktuell aufgezeichneten täglichen Stromverbrauch für beide Modi (Standard- und Ejektor-Modus) über einem 24-Stunden-Mittelwert bei gleichen Umgebungsbedingungen. Die Werte berücksichtigen nur Werktage. Die Aufnahme zeigt eine Senkung des Stromverbrauchs von 16 Prozent für den NK-Verbund und 10 Prozent für die gesamte kältetechnische Installation. Zu beachten ist, dass es sich hierbei um vorläufige Daten handelt. Des Weiteren bezieht sich die Gesamteinsparung im Stromverbrauch auf die installierte Anlage und variiert je nach eingesetzter Möbeltechnik im Shop-Layout (Glastüren, EC-Ventilatoren, LED- oder Plasma-Beleuchtung etc.). Der erste Feldversuch zeigt, dass es neben den erzielten Ergebnissen weiteres Potenzial zur Verbesserung der Effizienz für Design und Regelstrategie gibt. Carrier arbeitet derzeit daran, diese Technik zu verbessern.
Zusammenfassung
Die thermodynamischen Eigenschaften von CO2-Kältemitteln eröffnen große Einsparungen im nördlichen und mittleren europäischen Klima und führen dazu, dass transkritische Systeme eine primäre Lösung für stationäre Systeme werden. Jedoch kann in wärmeren Klimazonen ein transkritisches System (über ein ganzes Jahr gesehen) den Stromverbrauch von HFC-Anlagen nicht unterbieten.
Die Ejektor-Technologie gehört zu den interessantesten Möglichkeiten, um CO2-Kältemittel für Südeuropa effizient zu machen. Carrier entwickelte eine Reihe von regelbaren Ejektoren, welche die Funktion des Hochdruckventils übernehmen. Dabei entstand ein System, das – sofern möglich –im Standard-Modus arbeitet und erst bei Bedarf in den Ejektor-Modus wechselt. Des Weiteren wurde eine Methode entwickelt, um die Ejektoreffizienz zu definieren.
Mehrere Ejektoren mit fester und regelbarer Treibstromdüse wurden produziert und im Labor mit Wirkungsgraden von bis zu 45 Prozent (Carrier-Definition) und 35 Prozent (ACRC-Definition) getestet. Darüber hinaus wurde eine Methode entwickelt und getestet, um die geänderte Ölverteilung zu beherrschen. Ein Ejektor-Feldversuch wurde im Südwesten Spaniens aufgebaut und in Betrieb genommen. Die gemessenen Werte zeigten eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs (16 Prozent des Stromverbrauchs am NK-Verbund und 10 Prozent für die gesamte Installation bei 19 °C Umgebungstemperatur). Weitere Verbesserungen werden derzeit vorgenommen.
www.carrier.com/commercial-refrigeration
Danksagung
Die Autoren danken allen Kollegen/innen, insbesondere des UTRC und BIS T & C, die in dieser Veröffentlichung gezeigten Gedanken und Entwicklungen zu präsentieren.
Sascha Hellmann,
Engineering Project Leader Mechanical Systems, Carrier Commercial Refrigeration Europe, Mainz Research & Design Center, Wiesbaden /Mainz-Kostheim
Christoph Kren,
RD & E Manager Refrigeration Systems & Controls, Carrier Commercial Refrigeration Europe, Mainz Research & Design Center, Wiesbaden /Mainz-Kostheim
Christoph Brouwers,
Director Turnkey Operations,Carrier Commercial Refrigeration Europe, Köln-Sürth
Fußnoten
Literatur:
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