Wenig innovative Höhepunkte

In der Arbeitsabteilung III startete Josef Riha (Güntner AG) mit dem Vortrag über die CO₂-Gaskühler in der Ausführung als microox-Wärmeübertrager und berichtete über erste Betriebserfahrungen. Die MPE (Multi Port Extruded)-Profile der Wärmeübertrager sind variabel herstellbar und können somit CO₂-spezifisch optimiert werden, sind aber nicht auf die CO₂-Anwendung beschränkt. Die Header genannten Sammelrohre, in denen die MPE-Profile eingeschweißt sind, stellen dagegen wegen der hohen Drucklage eine technologische Herausforderung dar. Das Ziel der Entwicklung bestand darin, die Anlagen kompakter zu gestalten und die Korrosionsanfälligkeit zu reduzieren. In einem Testprogramm konnten die kalkulierten Werte für die Leistungen erreicht werden und die zuverlässige Funktion der zusätzlichen adiabaten Luftkühlung bei hohen Außentemperaturen bestätigte sich. Die microox-Technik erwies sich deshalb als besonders vorteilhaft für die CO₂-Anwendung, weil dieses Kältemittel eine viel höhere volumetrische Kälteleistung als konventionelle Kältemittel aufweist. Im nächsten Schritt werden als Fortführung der Eignungstests eine Reihe von Feldversuchen durchgeführt.

In der Arbeitsabteilung II.2 Komponenten und Anlagen referierte Gunda Mader (Danfoss A/S) als Vertreterin eines Autorenkollektivs über ein Expansionsventil mit automatischer Verteilerregelung zur Steigerung der Verdampfereffektivität. Ausgangspunkt der Entwicklung dieses Ventils ist die Erfahrung, dass es trotz korrekter Verteilerinstallation zu unterschiedlichen Füllungen der einzelnen Verdampferstränge kommen kann, verursacht durch toleranzbedingte ungleiche Massenströme des Kältemittels, durch ungleiche Verhältnisse von gasförmigen bzw. flüssigen Medienanteilen über den Verteilerquerschnitt sowie durch äußere Einwirkungen wie ungleiche Luftmassenströme, ungleiche Lufttemperaturen und ungleiche Verschmutzungen über dem luftseitigen Anströmquerschnitt des Verdampfers. Ein aktiv verteilendes Expansionsventil mit adaptiver Regelstrategie, das als Entwicklungsergebnis entstand, kann diese Fehlverteilung ausgleichen. Dabei bleibt die Verdampferaustrittstemperatur die einzige Messgröße. Die richtige Befüllung der einzelnen Stränge erfolgt durch eine gelochte rotierende Scheibe zwischen Expansionsventil und Verteiler, die nacheinander die einzelnen Kanäle beschickt und deren Verweilzeit vor dem jeweiligen Verteilerstrang automatisch so gesteuert wird, dass jeder Verdampferstrang optimal gefüllt wird. Die Einschwingzeit für die adaptive Optimierung beträgt eine Stunde.

Anschließend trugen Armin Hafner (SINTEF) und Krzysztof Banasiak (Universität Gleiwitz) in zwei miteinander korrespondierenden Vorträgen ihre Erkenntnisse zur Ejektoranwendung als Entspannungsorgan in transkritischen CO₂-Kältekreisläufen vor. Die Ejektorentspannung erweist sich dabei als vorteilhaft, weil es durch einstufige Entspannung möglich ist, den Gasanteil des expandierten Kältemittels sehr gering zu halten und damit eine gute Verdampfereffektivität zu erreichen. Im Abscheider werden Flashgas und flüssiges Kältemittel getrennt, das Flashgas wird vom Verdichter abgesaugt und die Flüssigkeit füllt durch die Saugwirkung des Ejektors den Verdampfer. Die ex­perimentellen Arbeiten mit einer Impulskraftmesseinrichtung dienten der Bestimmung der richtigen konstruktiven Lösung und der Düsengeometrie und waren der Hauptinhalt der Vorträge. Für eine Wärmepumpenanwedung konnten durch die Ejektoranwendung im Vergleich der COP-Werte im Heizleistungsbereich von 5 bis 13 kW Verbesserungen von 6,6 bis 8,3 Prozent erreicht werden.

In zwei weiteren zusammengehörigen Vorträgen zum Entwicklungsstand des CO₂-Erdwärmerohres für Wärmepumpen sprachen zunächst Hans Rüssmann (früher FKW) und Horst Kruse (FKW) zur Ermittlung der optimalen Sondenabmessungen für eine Thermosiphon-Sonde mit Verdampfung des CO₂ an der Sondenwand und Verflüssigung am Kopfverflüssiger, der gleichzeitig der Verdampfer der Wärmepumpe ist. Die CO₂-Sonde für eine 5 kW-Wärmepumpe besteht aus einem Edelstahl-Wellrohr mit dem Durchmesser von 55 mm und einer Oberfläche für die Wärmeübertragung vom Erdreich zur Sonde von 23,5 m². Die Verdampferfläche der Wärmepumpe beträgt 2,11 m². Damit wurde ein COP-Wert von 4,41 gegenüber einer Solesonde für die gleiche Wärmepumpe von 3,90 erreicht, nachdemmit einer vorhergehenden Ausführung ge-ringere Werte als mit der Solesonde erreicht worden waren. Mit diesem COP-Vergleichswert errechnet sich eine JAZ von 5,3 gegenüber der Solesonde von 4,1. Als Fazit konnte der Vortragende auf das Effizienzpotenzial des CO₂-Erdwärmerohres verweisen.

Zum gleichen System berichteten dann Dirk Gebhardt und Stephan Peters (Brugg Rohrsysteme GmbH) aus der Sicht des Grundwasserschutzes bei der Anwendung des Erdwärmerohres. Da sich das CO₂ als innovativer Wärmeträger für Wärmepumpensonden erwiesen hat, sollten auch die weiteren anwendungstechnischen Vorteile betrachtet werden. Dabei steht im Mittelpunkt, dass bei einer Sondenhavarie keine Schadstoffe in das Erdreich bzw. das Grundwasser gelangen, da sich das CO₂ ölfrei im Wärmerohr befindet. Bei Solesonden können die Inhibitoren durchaus zu Grundwasserverunreinigungen führen. Es ergeben sich weitere Vorteile, indem die Sondenbohrung mit einem geringeren Durchmesser als für das übliche Doppel-U-Rohr ausgeführt werden kann, in das sie dann auch einfacher einzubringen und zu hinterfüllen ist. Zudem bewirkt die vergrößerte Oberfläche durch die Spiralwellung zusammen mit dem Zweiphasen-Wärmeträger CO₂ bessere Wärmeübertragungseigenschaften als eine konventionelle Solesonde. Eine Solepumpe entfällt.

Andreas Binder widmete sich gemeinsam mit Ingo Raisch (Walter Roller GmbH) der Effektivitätsverbesserung kleiner Kälteanlagen durch richtige Verdampferauslegung. Tausende ventilatorbelüftete Lamelleneinspritzverdampfer sind im Einsatz, ohne dass bei ihrer Auswahl bzw. ihrer Installation eine Optimierung erfolgte. Dabei gibt es drei wichtige dafür zu beachtende Komponenten, die das entsprechende Potenzial zur Verbesserung in sich bergen: das Kernrohr, die Lamelle und der Ventilator, der mit seinem Motor den größten Beitrag liefert. Der Spaltpolmotor sollte durch einen Energiesparmotor ersetzt werden und die Wahl seines optimalen Betriebspunktes für die Hauptbetriebsbedingungen führt zum geringsten Jahresenergieverbrauch. In einem vorgeführten Beispiel für eine Kälteanlage mit 1,43 kW Kälteleistung ergab sich für den teureren Energiesparmotor ein Kostenrücklauf von ca. drei Jahren, also viel kürzer als es der Lebensdauer einer Kleinkühlanlage entspricht. Weitere Potenziale von ca. 20 Prozent lassen sich durch günstigere Abtauintervalle mit alternierendem Betrieb der Heizstäbe erzielen und die Ausstattung des Verdampfers mit einer Abtauhaube oder Shutup ermöglicht eine reduzierte Heizstab­leistung. Bei der konstruktiven Optimierung des Rohr-Lamellenpaketes spielt der Jahreslastverlauf eine wichtige Rolle. Man muss nicht für den Höchstlastfall auslegen, sondern für den am meisten vorkommenden, getreu dem Motto: Besser selten ineffizient als regelmäßig. Wenn man z. B. bei 32 °C Lufteintrittstemperatur und 70 Prozent rel. Luftfeuchte 18 Einspritzungen benötigt, kommt man bei der viel häufiger auftretenden Bedingung bei 27 °C und 50 Prozent rel. Luftfeuchte mit 12 Einspritzungen zu einem deutlich besseren Jahresenergieverbrauch.

Eine ganz ähnlich liegende Problematik sprach J. ter Veen (Alfa Laval B. V.) an. Er ging darauf ein, dass Gaskühler für transkritische CO₂-Kühlung in vielen Anwendungen im Jahresverlauf subkritisch als Verflüssiger arbeiten und dass dies bei der Auslegung berücksichtigt werden sollte. Das betrifft vor allem die Luftmengen, die für beide Fälle sehr unterschiedlich sein können, da in transkritischem Fall größere Temperaturdifferenzen möglich sind. Und daraus ergeben sich die entsprechenden Anforderungen an die Ventilatoren mit ihren Antrieben. Für entsprechende Effektivität wird dabei auf den technischen Höchststand zurückgegriffen, wie z. B. EC-Motoren, Hyblade- oder Owlet-Laufräder. Eine besondere Beachtung erfordere die Feuchtigkeit in CO₂-Kreisläufen, da sie in Verbindung mit Verunreinigungen zu erhöhter Korrosion führe. Aus diesem Grunde müsse CO₂ trockener sein als konventionelle Kältemittel. Das spielt auch für die Festigkeitsprüfung der Gaskühler eine Rolle, für die aus diesem Grunde mit Wasser als Prüfmedium besondere Randbedingungen beachtet werden müssen oder Wasser eben ausscheidet.

Noch einmal gab es das Thema Wärmeübertrager, nämlich im Vortrag von Stefano Filippini (LU-VE S.p.A.). Er betrachtete das Thema unter dem Gesichtspunkt der optimalen Ventilatorausrüstung. Das sind bei ihm die EC-Motoren mit ihrem sehr guten Wirkungsgrad bis 90 Prozent. Mit einem neuen PID-Regler werden die Vorzüge dieses Motors am besten genutzt. Der minimal mögliche Kondensationsdruck wird vom Regler aktiv gesucht und der Ventilator entsprechend eingestellt. Die stufenlose Drehzahlregelung geht bis auf 20 U/min herunter, so dass kein Ein/Aus-Betrieb erforderlich ist, aber auch Überdrehzahlen sind möglich. Eine Nachtlimitfunktion sorgt für die Nachtzeit für einen geringen Schallpegel und bei Motorstillstand sorgt eine Stopp-Bremse dafür, dass beim nächsten Start nicht aus der evtl. windbedingten gegenläufigen Drehrichtung gestartet werden muss.

In der AA II.2 spielten natürlich die Verdichtervorträge eine herausgehobene Rolle. Dazu zählt der hervorragende Werbevortrag von Andreas Riesch (Bitzer GmbH) zur Optimierung von Verdichtern für Supermärkte unter der Zielstellung niedriger TEWI-Werte. Mit der CO₂-R 134 a-Kaskadenschaltung wird die beste Ökoeffizienz erreicht, aber auch CO₂-Boostersysteme sind wettbewerbsfähig. Die CO₂-Verdichter in der Tiefkühlstufe für subkritische Verdichtung wurden verbessert, indem leistungsfähigere Motoren mit einem flacheren Verlauf der Wirkungsgradkurve in der Nähe des Bestwertes verwendet werden. Dadurch sind Verflüssigungstemperaturen von 15 °C (entspricht 53 bar) bei t von 35 °C und 5°C bei 50 °C möglich, was der Effektivität der R 134 a-Stufe deutlich zugutekommt. Weitere Verbesserungen sind neue Arbeitsventile und vergrößerte Zylinderköpfe, verschleißreduzierte Mehrschichtlager und beschichtete Kolben. Die TEWI-Werte werden gegenüber der konventionellen zweistufigen R 404 A-Ausführung um bis zu 36 Prozent reduziert.

Manuel Fröschle (Bock GmbH) schilderte die Entwicklung einer Verdichterbaureihe für mittlere bis große Leistungen für transkritische CO₂-Verdichtung. Dabei handelt es sich zunächst um einen Vierzylinderverdichter, der auch für subkritische Verdichtung bei entsprechenden Umgebungstemperaturen arbeiten kann. Der leistungsfähige Motor erlaubt mittels Frequenzumrichter den Frequenzbereich von 25 bis 70 Hz und die zulässigen Grenzdrücke liegen auf der Niederdruckseite bei 100 bar und auf der Hochdruckseite bei 150 bar. Gegenüber den schon bestehenden Zweizylinderverdichtern wurden der Ausnutzungsgrad und der Gütegrad deutlich verbessert, beim Druckverhältnis 3,5 z. B. um 9 bzw. 12 Prozent. Ebenso erweisen sich die Werte der luftgekühlten Ausführung beim gleichen Druckverhältnis um jeweils 12 Prozent besser als bei der sauggasgekühlten Version. Von den vielen konstruktiven Lösungen sind insbesondere die gekröpfte Welle mit den geteilten Stahlpleuel zu erwähnen. Eine 6-Zylinderausführung in analoger Konstruktion befindet sich in Entwicklung.

Zur Anwendung des HFO-Kältemittels DR 1, das dem Opteon XP 10 entspricht, in Kolben- und Scrollverdichtern gab es Informationen von Thomas Tomski (Emerson Climate Technologies) in einem Gemeinschaftsvortrag mit Norbert Kämmer. Das neue synthetische Kältemittel sucht seine Existenzberechtigung im niedrigen GWP-Wert von 600 und der Möglichkeit des direkten Wechsels von R 134 a zu DR 1. Die Testergebnisse von Emerson mit einem Diskuskolbenverdichter D3D und einem Scrollverdichter ZB 11 bestätigen die Verwendbarkeit unter den genannten Voraussetzungen. Im Normalkühlbereich gibt es bei Ausnutzungs- und Gütegrad nur geringe Abweichungen zwischen beiden Kältemitteln, die Kälteleistung wird einige Prozent höher, der COP um zwei Prozent geringer. Da der COP mit steigender Überhitzung besser wird, empfiehlt sich ein innerer Wärmeübertrager. Als nächster Schritt sind entsprechende Anlagentests geplant.

Eine Übersicht über die tatsächliche Energieeffizienz von Kältemittelverdichtern gab Matthias Böhm (ILK gGmbH) anhand von vielen Auftragsvermessungen von kleinen und mittleren Verdichtern im Hubraumstrombereich von ca. 10 bis 100 m³/h, davon 51 Hubkolbenverdichter von zehn Herstellern und 13 Scrollverdichter von sechs Herstellern. Das ist ein guter Ausgangspunkt für eine Gesamtbeurteilung. Im Untersuchungszeitraum von 2001 bis 2009 zeichnet sich bei den Effizienzwerten eine positive Entwicklung ab. Allerdings liegen die ermittelten COP-Werte bis 3,5 Prozent unter den Werten, die man aus den Katalogangaben errechnen kann. Bei kleinen Maschinen streuen die Leistungswerte untereinander stark, aber es gibt nur geringe Abweichungen zu den Katalogwerten. Die Gütegrade der Verdichter liegen im Bereich von 0,6 bis 0,7. Die Messungen erfolgten unter Normbedingungen der EN 13771-1, vorwiegend im Rahmen des Marktüberwachungsprogrammes der ASERCOM. U. A. -

Jeder Tagungsteilnehmer erhält eine CD mit den kompletten Vorträgen aller Arbeitsabteilungen. Nichtteilnehmerkönnen sie bei der DKV-Geschäftsstelle erwerben. So kann sich jeder Leser über die für sein Fachgebiet zutreffenden Vorträge nachträglich noch ausführlich informieren.