Verdichter und Anlagentechnik für das Kältemittel R 744 (CO₂)

Als natürliches Kältemittel besitzt Kohlenstoffdioxid hinsichtlich seiner Umweltverträglichkeit zahlreiche Vorteile. Zudem ist es günstig in der Beschaffung, als Abfallprodukt industrieller Prozesse. Es ist nicht brennbar, thermisch sehr stabil, gut verträglich mit anderen Materialien und in geringen Mengen für den Menschen nicht gesundheitsschädlich. Einer der größten Vorteile ist der niedrige Treibhauseffekt (GWP ­Global Warming Potential). Ferner ist das Ozon­zer­störungs­potential (ODP Ozon Depletion Potential) von Null ein weiterer Beleg für die Umweltverträglichkeit.

Problembeschreibung

CO₂ als Kältemittel bringt allerdings nicht nur Vorteile mit sich. Es sind insbesondere die hohen Arbeitsdrücke, die beachtet werden müssen. Im Betrieb muss mit Drücken von bis zu 130 bar auf der Hochdruckseite gerechnet werden. Auf die höhere Drucklage müssen Verdichter, Gaskühler, Regelventile und die weiteren Komponenten in der Anlage ausgelegt sein, was zwangsläufig zu Neuentwicklungen dieser Bauteile in den vergangenen Jahren führte, da herkömmliche Kältemittel meist in Anlagen mit einem maximalen Druck von 28 bar betrieben ­werden.

Subkritische Kaskadenanlagen

Die Entwicklung der Anlagen mit CO₂ im Bereich der Supermarktkühlung machte zu Beginn besonders in subkritischen Anwendungen große Fortschritte. Dabei werden Kaskadenanlagen eingesetzt, welche CO₂ für die Tiefkühlung und herkömmliche Kältemittel wie R 134 a oder R 404 A in der Normalkühlung verwenden. CO₂ in der Tiefkühlung hat sich in der Zwischenzeit in vielen Anlagen aus Gründen der Effizienz und der Kosten bewährt. Diese Anlagen werden allgemein bereits als Stand der Technik in der Tiefküh­lung angesehen.

Transkritische CO₂-Kaskadenanlagen

Solche Kaskadenanlagen wurden daraufhin für erste An­wendungen auch im trans­kritischen Bereich eingesetzt. Eine aufwendige, elektronische und kältetechnische Regelung der gesamten Anlage muss bewältigt werden. Die getrennten Kreisläufe vereinfachen dafür die Ölrückführung in die Verdichter auf unterschiedlichem Druckniveau. Die be­nötigte Temperaturdifferenz im Kaskadenwärmeübertrager wirkt sich in einer höheren Leistungsaufnahme der Verdichter und daraufhin in einer reduzierten Kälteleis­tungszahl der Anlage aus.

Der in der transkritischen Stufe eingesetzte Abscheider trennt flüssiges und gasförmiges Kältemittel auf einem gewünschten Mitteldruck (Bereich um 30 bar). Das sogenannte Flash Gas wird vor die Saugleitung im Verdichter zurück­geführt. Das flüssige Kältemittel wird in den Verdampfer der Normalkühlung geführt. Dadurch wird der Massenstrom im Verdampfer reduziert, aber gleichzeitig die Enthalpiedifferenz im Verdampfer erhöht. Kleinere Rohrleitungsdurchmesser werden benötigt, dies wirkt sich besonders positiv bei großen Anlagen auf den Materialbedarf und dadurch auf niedrigere Kosten der Rohrleitungen aus. Einen weiteren positiven Effekt bewirkt die Abscheidung durch den festgelegten Mitteldruck dadurch, dass der Hochdruck nur in den Komponenten der Anlage vor dem Abscheider bis zum Verdichter auftritt. Der Hochdruck wird somit auf den Maschinenraum begrenzt.

Booster-Systeme

Um die negativen Auswirkungen des Kaskadenwärmeübertragers zu umgehen, wurden die ersten Booster-Systeme im Rahmen eines EU-Projektes vom Danish Technolo­gical Institute in Dänemark in Zusammenarbeit mit Bock, Knudsen, Danfoss und weiteren Firmen im Jahre 2003 entwickelt. Hier werden Tief­kühlung und Normalkühlung in einem nicht getrennten Kältekreislauf realisiert. Vorteil dieses Systems ist die höhere Kälteleistungszahl der gesamten Anlage. Besonders hohe Leistungszahlen werden dabei erreicht, wenn eine zusätzliche Wärmerückgewinnung vor dem Gaskühler zum Einsatz kommt. Dabei können die positiven Eigenschaften des Kältemittels CO₂ genutzt werden. Die heute im Supermarkt einge­setzten Booster-Systeme bieten unterschied­lichste Optimierungsmaßnahmen. Eine Möglichkeit ist die Kombination von hocheffizienten, luftgekühlten und sauggasgekühlten halbhermetischen Ver­dichtern.

Economizer-System

Eine weitere Möglichkeit der Effizienzsteigerung kann der Einsatz eines Economizer-Systems bringen. Unterschiedlichste Economizer-Systeme können bei der Optimierung von Kältekreisläufen eingesetzt werden. Diese Systeme arbeiten jeweils nach dem gleichen thermodynamischen Prinzip. Economizer-Systeme mit zweistufiger oder paralleler Verdichtung können dabei zur Anwendung kommen.

Luftgekühlter Verdichter für R 744

Die Möglichkeit der Wärmerückgewinnung bietet unterschiedlichstes Optimie­rungspotenzial auch in der Wahl des Kältemittelverdichters. Der Einsatz von luftgekühlten halbhermetischen Verdichtern bewirkt dabei eine deutliche Steigerung des Verdichterliefergrads und des Verdichtergütegrads im Vergleich zu sauggasgekühlten Verdichtern. Möglichkeiten bietet z.B. der Einsatz und die Kombination eines luftgekühlten halbhermetischen Verdichters in der Niederdruckstufe, mit dem Nutzen des hohen Gesamtverdichterwirkungsgrads und den niedrigeren Verdichteraustritts­temperaturen und der Einsatz eines sauggasgekühlten halbhermetischen Verdichters in der Hochdruckstufe, um die Wärmeenergie aus der Verdichterstufe für die Wärmerückgewinnung optimal zu nutzen. Der Einsatz von transkritischen Verdichtern und Komponenten mit einem zulässigen Betriebsdruck von 60 bar auch im subkritischen Bereich garantiert darüber hinaus eine hohe Be­triebssicherheit, da die Anlage auch bei Stillstand nicht unmittelbar durch Druckventile entlastet werden muss.

Darüber hinaus können luftgekühlte Verdichter für Tiefkühlanlagen bis zu tiefen Verdampfungstemperaturen einstufig eingesetzt werden. Bei sauggasgekühlten halbhermetischen Verdichtern findet bei tiefen Verdampfungstemperaturen eine hohe Aufheizung des Sauggases durch den Antriebsmotor statt. Dabei kommt der Verdichter schnell an seine Temperaturgrenzen. Bei luftgekühlten Verdichtern wird der Antriebsmotor luftgekühlt, der Verdichter arbeitet in diesem Fall direktansaugend. Das Sauggas wird somit nicht vom Antriebsmotor zusätzlich aufgeheizt, sondern wird direkt, ohne Umweg über den Motor, vom Verdichter angesaugt.

Die Minimierung der Sauggasaufheizung hat besonders im Fall des Kältemittels CO₂ vor allem positive Auswirkungen auf den COP des Ver­dichters. Eine geringe Überhitzung bringt eine höhere Kältemitteldichte und da­durch einen höheren Massenstrom am Verdichtereintritt mit sich dies korrespondiert mit einer höheren Kälteleis­tung und somit mit einem höheren COP der gesamten Anlage.

Zusammenfassung

Gerade Kälteanlagen für das Kältemittel R 744 (CO₂) befinden sich permanent in Weiterentwicklung und Optimierung des gesamten Systems und der einzelnen Kom­ponenten, auch besonders in transkritischen Anwendungen. Dabei werden heute in Supermärkten in den meisten Fällen sogenannte Booster-Systeme für den transkritischen Betrieb eingesetzt. Diese Anlagen erreichen eine hohe Kälteleistungszahl bei unterschiedlichsten Einsatzbedingungen. Dabei stellen jedoch hohe Umgebungstemperaturen immer noch eine Herausforderung dar. -

Produktmanager für CO₂- und Sonderanwendungen, Bock Kältemaschinen GmbH, Frickenhausen