Anwendung von CO₂ in Supermarktsystemen

Warum CO₂ als Kältemittel nach all den Bemühungen mit der Einführung der HFKW-Kältemittel? Die Emissionen der derzeit am häufigsten eingesetzten HFKW- Kältemittel haben ein 1300- bis 3300-mal höheres Treibhauspotenzial als CO₂. Für Anwendungen, bei denen sich die Reduzierung der direkten Emissionen schwieriger gestaltet und CO₂ effizient und betriebssicher angewendet werden kann, stellt CO₂ eine mögliche Lösung für die Zukunft dar.

CO₂ hat eine lange Tradition in der Kältetechnik und ein Treibhauspotenzial von 1 auf einer Zeitskala von 100 Jahren. Die natürliche Substanz ist chemisch inaktiv, nicht brennbar und ebenfalls nicht giftig im klassischen Sinne; sie bietet hohe volumetrische Kälteleistungen und hohe Sauggasdichten und folglich niedrige Massenströme. Die Verflüssigungstemperatur kann bei Normalkühlanwendungen mit CO₂ mit einer entsprechenden Wärmesenke auf 10°C reduziert werden; trotzdem ist die zur Verfügung stehende Druckdifferenz noch ausreichend, sogar für Systeme mit zweistufiger Entspannung. Ebenso ist der Einfluss der Druckverluste auf Temperaturunterschiede am Saugstutzen des Verdichters geringer. Zusätzlich bietet CO₂ einzigartige Wärmeübertragungseigenschaften mit hohen Wärmeübergangskoeffizienten und hoher Wärmeleitfähigkeit.

Nachteilig für den Einsatz von CO₂ ist die niedrige kritische Temperatur von 31,1°C, welche mit einem Druck von 73,8bar korrespondiert; dies erfordert eine transkritische Betriebsweise für die Wärmeabgabe bei höheren Umgebungstemperaturen. Die thermodynamischen Eigenschaften in Verbindung mit hohen Druckgas- und Gaskühleraustrittstemperaturen sind nachteilig, denn diese Bedingungen erfordern hohe Verdichtungsdrücke und sind außerdem durch geringe Flüssigkeitsanteile nach der Expansion in das Nassdampfgebiet gekennzeichnet.

Hohe Verdichtungs- und Stillstandsdrücke auf der Saugseite stellen im Hinblick auf die Sicherheitsanforderungen und Komponentenauslegung eine Herausforderung dar. Ein Sicherheitsfaktor von drei kann gemäß der EN-Norm 12693 für gewerbliche und industrielle Verdichter angewendet werden. Voraussetzung hierfür ist der Einsatz von typegeprüften Überströmventilen, welche im Bedarfsfall zur Umgebung öffnen. Unter der Berücksichtigung von maximalen Betriebsdrücken auf Nieder- und Hochdruckseite von 75 bzw. 130bar ergeben sich somit Anforderungen an die minimale Berstsicherheit von 225 bzw. 390bar.

Neben den genannten stoffbezogenen Vor- und Nachteilen gibt es jedoch noch weitere Aspekte, weshalb CO₂ einen anhaltenden Trend in der Kältetechnik darstellt. Diese natürliche Substanz bietet die Möglichkeit einer Abgrenzung zum gewöhnlichen Design und ein grünes Image.

Abgesehen von effizienten Hybridsystemen, z.B. mit R134a oder R290 in einer Chillerstufe und kombiniert mit einer CO₂-Kaskadenstufe, eventuell einschließlich Pumpenzirkulation für Normalkühlung (NK) und direkter Expansion für Tiefkühlung (TK), können verschiedene Systemlösungen ausschließlich mit CO₂ als Kältemittel für gewerbliche Anwendungen genutzt werden. Im Folgenden werden fünf CO₂-Systeme beschrieben.

Flashgas-Bypass (FGB)

Das FGB-Konzept ist ein System mit einstufiger Verdichtung und zweistufiger Expansion. Typischerweise wird dieses System mit der NK-Stufe eines Kaskadensystems betrieben. Nach der Abgabe von Wärmeenergie im Gaskühler fließt das Kältemittel durch das Hochdruckregelventil und expandiert in einen Sammler. Im Sammler werden die Flüssigkeits- und Dampfphase, erzeugt durch den Expansionsprozess, getrennt. Die Flüssigkeit strömt zu den Expansionsorganen und nach der Expansion auf Verdampfungsdruck durch die Verdampfer. Der Anteil der Dampfphase das sogenannte Flashgas strömt aus dem Sammler; ein zusätzliches Expansionsorgan expandiert das Flashgas auf Verdampfungsdruck. Die beiden Massenströme werden vor den Verdichtern wieder zusammengeführt und der gesamte Massenstrom des Systems wird folglich wieder von den Verdichtern angesaugt.

Der Gesamtmassenstrom für ein einstufiges und ein FGB-System ist auf Basis gleicher Saug- und Druckgasbedingungen identisch. Die FGB-Lösung bietet jedoch einige Vorteile. Der Druck zwischen dem Hochdruckregelventil und den Expansionsorganen der Verdampfer kann auf Werte reduziert werden, die die Anwendung von Komponenten für 40bar erlauben, wie z.B. Kupferfittings, Kupferrohrleitungen, Ventile etc. Außerdem ist die Menge des Flashgases in den NK-Verdampfern reduziert. Dies bietet Potenzial für eine Verbesserung der Wärmeübergangskoeffizienten und reduzierte Druckabfälle auf der CO₂-Seite [1]. Ebel und Hrnjak zeigten, dass besonders der reduzierte Druckabfall eines FGB-Systems einen hohen Einfluss auf die Verbesserung der Kälteleistungen und der Leistungszahlen für Microchannel-Verdampfer hat.

Größere Strömungsquerschnitte und unterschiedliche Verdampferkonstruktionen für Verdampfer in gewerblichen Anwendungen im Gegensatz zu den untersuchten Wärmetauschern könnten den positiven Effekt zu einem gewissen Teil reduzieren. Wegen der Trennung von Flüssigkeit und Flashgas ist der Kältemittelmassenstrom durch die Verdampfer verglichen mit einem einstufigen System reduziert. Im Hinblick auf die Verdampferleistung wird dieser Einfluss jedoch weitgehend durch die Vorteile einer höheren verfügbaren Verdampfungsenthalpie und eines effizienteren Wärmeübergangs auf der Kältemittelseite des Verdampfers kompensiert. Eine weitere Kompensation kann durch eine zusätzliche Unterkühlung des flüssigen Kältemittels erreicht werden (s. Flashgas-Bypass). Das FGB-System weist einen höheren installa­tionstechnischen Aufwand als einstufige Systeme auf; dies gilt für die Anzahl der Komponenten und die Regelung.

Parallelverdichtung

Ein Parallelverdichtungssystem kann entweder mit zwei individuellen Verdichtern oder einem Einzelverdichter angewendet werden. Diese Abhandlung bezieht sich auf die Lösung mit einem Einzelverdichter, im Folgenden ECO-Verdichter genannt, der dazu konstruiert ist, zwei verschiedene Kältemittelmassenströme parallel zu verdichten.

Zwischen Gaskühler, Hochdruckregelventil und Sammler ist die nachfolgend beschriebene Lösung identisch mit dem zuvor beschriebenen System. Es werden ebenfalls zwei unterschiedliche Massenströme im Sammler generiert. Allerdings strömt die Flashgasmenge direkt zum ECO-Saugstutzen des Verdichters und wird im ECO-Zylinder von Mitteldruck auf HD-Niveau verdichtet. Flüssiges CO₂ aus dem Sammler strömt zu den Expansionsorganen und nach der Expansion und Verdampfung zu den Saugstutzen der Verdichter. Nach der Verdichtung auf das gemeinsame HD-Niveau bilden Flashgas- und Verdampfermassenströme den Gesamtmassenstrom im Druckgaskanal der ECO-Verdichter.

Unter Berücksichtigung gleicher Saug- und Hochdruckbedingungen ist der Massenstrom bei Systemen mit FGB- und Parallelverdichtung durch das Verhältnis der theo­retischen Fördervolumen unter Verdampfungs- und ECO-Druck bestimmt. Der Massenstrom unter Verdampfungsdruck entspricht dem gesamten Massenstrom eines FGB-Systems multipliziert mit dem Verhältnis 1-(V_ECO/V_gesamt).

Die ECO-Stufe arbeitet mit höheren Saugdichten; deshalb ergeben sich höhere Massenströme für die ECO-Zylinder. Dadurch wird der Gesamtmassenstrom der Verdichter ebenfalls erhöht. Diese Tatsache resultiert in eine höhere absolute Flüssigkeitsmenge im Sammler und am Ende auch auf der Verdampferseite des Systems. Das Konzept des FGB reduziert den Massenstrom durch die Verdampfer im Vergleich zu einem einstufigen System, während die Parallelverdichtung den Massenstrom im Vergleich zum System mit FGB erhöht. Zusätzlich dazu ist die spezifische Arbeit für den Verdichtungsprozess von Flashgas durch die niedrigere Druckdifferenz reduziert. Wegen der Trennung von Flüssigkeit und Flashgas im Sammler zeigt das System die Vorteile von höheren verfügbaren Enthalpiedifferenzen und reduzierten Anteilen an Flashgas auf der Verdampferseite ebenso, wie zuvor für das FGB-System beschrieben. Die Regelung und der Aufbau des Systems sind anspruchsvoller als bei einem FGB-Konzept.

In Abhängigkeit vom Verhältnis der Fördervolumen zwischen den Verdampfer- und ECO-Druckniveaus eines ECO-Verdichters kann der Druck im Sammler variiert werden. Ein Verhältnis von 3:1 wird bei Bitzer ECO-Verdichtern angewandt; drei Zylinder arbeiten auf Verdampfer- und einer auf ECO-Druckniveau. Messungen bestätigten die ersten Simulationen. Bei Betrachtung des Verdichtertyps 4HTC-20K-ECO, der bei 10°C Verdampfungs-, 35°C Gaskühleraustrittstemperatur, 90bar Hochdruck und 10K Sauggasüberhitzung an den Haupt- und ECO-Saugstutzen arbeitet, entspricht der ECO-Druck 40bar.

Im Vergleich zu einem FGB-System mit 40bar, beträgt die Leistungsverbesserung 10%. Die Erhöhung ist niedriger als in der Theorie; die für die Motorkühlung verfügbaren Massenströme sind reduziert und beeinträchtigen die Motortemperaturen und den Liefergrad des Verdichters. Einen weiteren Einfluss zeigt die ECO-Ventilplatte; die Auswirkung auf den Massenstrom befindet sich jedoch innerhalb der Messtoleranzen. Das Optimierungspotenzial ist bisher noch nicht ausgeschöpft worden.

Kaskadensystem für NK und TK

Kaskadensysteme sind charakterisiert durch unabhängige Kältemittel- und Ölkreisläufe und einen Austausch der Wärmeenergie über einen oder mehrere Kaskadenwärmetauscher. Das diskutierte System arbeitet jeweils mit einstufiger Verdichtung für die NK- und TK-Stufe. Typischerweise wird die NK-Stufe mit einem zweistufigen Expansionsprozess mit Sammler und FGB-Ventil für Druckreduzierung ausgeführt, während die TK-Stufe nur mit einstufiger Expansion betrieben wird. Flüssiges CO₂ aus dem Sammler versorgt die Kaskadenwärmetauscher auf der Verdampferseite.

Das System wurde zum ersten Mal für gewerbliche Anwendungen im November 2004 von Haaf et al. vorgestellt [2]; es bietet die Vorteile eines FGB-Systems. Zwei unabhängige Kälte- und somit auch Ölkreisläufe sind ein Vorteil für die Ölverteilung eines solchen Systems, während Kaskadenwärmetauscher so angewandt werden müssen, dass Materialbelastungen, verursacht durch hohe Temperaturgradienten und Druckschwankungen, auf ein Minimum reduziert werden. Dies erfordert unter Umständen auch die Anwendung eines Druckgas-Enthitzers in der TK-Stufe.

Boostersystem für NK und TK

Boostersysteme haben einen gemeinsamen Kältemittelkreislauf und sind charakterisiert durch direkten Austausch von Kältemittel, Öl und Wärmeenergie. Die beschriebene Option beinhaltet eine zweistufige Verdichtung (mit einstufigen Verdichtern in Reihenschaltung) und Expansion mit Sammler und FGB; diese ist in Bild 1 dargestellt.

Die Normaltemperaturstufe arbeitet ähnlich wie das FGB-System, welches im Abschnitt über den Flashgas-Bypass (FGB) beschrieben ist. Jedoch versorgt das flüssige CO₂ vom Sammler die NK- und TK-Verdampfer und die TK-Verdichter fördern direkt in den Saugkollektor der NK-Stufe. Dort bilden die Massenströme von den NK-Verdampfern, Flashgas als auch der TK-Massenstrom den Gesamtmassenstrom des Systems. Das Boostersystem enthält keinen Kaskadenwärmetauscher. Dies zeichnet sich durch einen reduzierten Mitteldruck aus und bewirkt deshalb eine niedrigere spezifische Verdichtungsarbeit für die TK-Verdichter. Neben der reduzierten Anzahl an Bauteilen sind dies die Vorteile im Vergleich zum Kaskadensystem. Andererseits hat die TK-Stufe des Boostersystems eine niedrigere verfügbare Verdampfungsenthalpie, weil CO₂ vor der Expansion nicht auf TK-Verflüssigungsdruckniveau kondensiert.

Der Einfluss verschiedener Lastbedingungen auf die daraus resultierenden Betriebsbedingungen ist für Boostersysteme sehr wichtig. Während des Konstruktionsstadiums solcher Systeme sollten die extremen Lastvariationen kalkuliert und bewertet werden. Die beiden Worst Case Szenarios sind: Niedrige Last für die NK-Verdampfer und hohe Last für die TK-Verdampfer bzw. umgekehrt. Das erste Szenario führt zu hohen Sauggastemperaturen für die NK-Verdichter mit Einfluss auf die Motorkühlung und Druckgastemperaturen. Das zweite Szenario resultiert in niedrigen Sauggastemperaturen mit niedrigen Ölsumpftemperaturen und eventuellem Nassbetrieb der Verdichter verursacht durch den Einfluss des FGB. Abhängig von den Ergebnissen und der Wahrscheinlichkeit solcher extremen Bedingungen muss entschieden werden, ob zusätzliche Maßnahmen wie Wärmetauscher oder Heißgas-Bypass vorgesehen werden sollten.

Erweitertes Boostersystem für NK und TK

Eine erweiterte Option für ein Boostersystem wird wie folgt als Lösung beschrieben, welche eine zweistufige Verdichtung (mit einstufigen Verdichtern in Reihenschaltung), eine dreistufige Expansion mit zwei Sammlern und die Anwendung der Parallelverdichtung umfasst. Eine vereinfachte Skizze ist in Bild 2 dargestellt. Der Unterschied zum Konzept, welches im vorherigen Abschnitt beschrieben ist, ist die Anwendung der Parallelverdichtung und ein zusätzlicher Sammler.

Ausgangs des ersten Sammlers, ab jetzt ECO-Sammler genannt, wird die Flüssigkeit in zwei unterschiedliche Massenströme für die NK- und die TK-Stufe geteilt. Die NK-Verdampfer werden mit Flüssigkeit aus dem ECO-Sammler versorgt. Nach Expansion auf NK-Druck und Verdampfung strömt der NK-Massenstrom zurück zu den NK-Verdichtern. Für die TK-Stufe wird eine dreistufige Expansion angewandt. Nach der Expansion in den ECO-Sammler und Trennung von Flüssigkeit und Flashgas, wird der TK-Massenstrom in einer zweiten Stufe vom ECO-Druck auf NK-Druck expandiert. Im zusätzlichen Sammler, genannt TK-Sammler, werden Flüssigkeit und das generierte Flashgas erneut voneinander getrennt. In einem idealen System entspricht der Druck im TK-Sammler dem NK-Verdampfungs- und dem TK-Verdichtungsenddruck. Das Flashgas aus dem TK-Sammler wird zu den NK-Verdichtern zurückgeführt, wohingegen die Flüssigkeit weiter zu den TK-Verdampfern strömt. Nach der dritten Expansionsstufe, Verdampfung in den Verdampfern und Verdichtung in den TK-Verdichtern, strömt der verdichtete TK-Massenstrom zurück zur zweiten Verdichterstufe. Vor der zweiten Verdichterstufe kommen die Massenströme von den NK-Verdampfern, dem TK-Flashgas und den TK-Verdampfern wieder zusammen. Nach der Verdichtung von NK- auf HD-Niveau und parallel von ECO-Druck auf HD-Niveau, strömt der gesamte Massenstrom des Systems durch den Gaskühler.

Im Vergleich zum System im vorherigen Abschnitt zeigt das erweiterte Boostersystem die Vorteile der Parallelverdichtung wie zuvor beschrieben. Zusätzlich dazu bieten die dreistufige Expansion für die TK-Verdampfer plus zusätzliche Trennung von Flüssigkeit und Flashgas die Vorteile eines reduzierten Anteils von Flashgas für die TK-Verdampfer plus einer erhöhten Verdampfungsenthalpie. Dies führt zu einer Verringerung des TK-Verdichterfördervolumens. Abhängig von den erforderlichen Leistungen bietet diese Version die Option auf kleinere Rohrleitungsdurchmesser und eine elektrische Installation für niedrigere Betriebsströme. Der ECO-Betrieb kann mit einem FGB kombiniert werden, um den Druck innerhalb des ECO-Sammlers auf einen vom Fördervolumen der ECO-Verdichter unabhängigen Druck zu halten. Diese Maßnahme erlaubt die Anpassung auf ein definiertes Druckniveau.

Vergleich von System-Wirkungsgraden (COPs)

Im Folgenden werden Unterschiede der zuvor behandelten Gewerbekältesysteme für NK- und TK-Anwendungen mit Fokus auf die theoretischen System-COPs diskutiert. Verdichterwirkungsgrade, die günstigen Eigenschaften im Wärmeübergang auf der Verdampferseite von CO₂ wie von A. Pearson [3] beschrieben, Wärmeabfuhr auf der Gaskühlerseite, Systemdruckabfälle, Ölumlaufraten, verschiedene Lastbedingungen, der Einsatz von internen Wärmetauschern, Umgebungstemperaturverteilung und Luftfeuchtigkeit sind von diesem Vergleich ausgenommen, müssten aber für eine Simulation der jahreszeitlichen Wirkungsgrade angewandt werden.

Kaskadensysteme, Boostersysteme und erweiterte Boostersysteme sind Optionen für Gewerbeanwendungen mit NK- und TK-Last. Die Basis für einen Vergleich sind: Verdampfungstemperaturen von 10°C und 35°C für NK und TK, Verdichtungsenddruck von 90bar für die NK-Stufe, 35°C Gaskühleraustrittstemperatur, 10K nutzbare Überhitzung für NK und TK und Netto-Verdampferleistungen in einem Verhältnis von 4:1 zwischen der NK- und der TK-Stufe. Ein CO₂-Kaskadensystem wie zuvor beschrieben wird als Bezugsgröße betrachtet. Weiter sind angenommen: 35bar Flashgas-Druck und 3K Temperaturdifferenz im Kaskadenwärmetauscher.

Der Vergleich mit einem Boostersystem ergibt eine Verbesserung des COPs um 4%. Es wird ein Flashgas-Druck von 35bar betrachtet. Das benötigte Fördervolumen für die NK-Stufe ist 3% niedriger, während ein Fördervolumen von 107% für die TK-Stufe erforderlich ist. Eine wesentliche Verbesserung des COPs kann mit einer erweiterten Boosterlösung erreicht werden. Für den theo­retischen Vergleich wird das System mit einer kombinierten ECO- und FGB-Option betrachtet, um einen Druck innerhalb des ECO-Sammlers von 35bar unter den angenommenen Gaskühleraustrittsbedingungen zu erreichen. Eine Überhitzung von 10K wird für die ECO-Stufe angewandt.

Diese Konfiguration bietet einen Anstieg von 16% für den COP. Der Effekt auf erforderliche Fördervolumen ist auch positiv, die Reduzierung für die NK- und TK-Stufen entspricht 13 und 2%. Im Fall, dass das erweiterte Boostersystem nicht mit einem FGB betrieben wird, entspricht der ECO-Druck im Sammler 42bar für die vorhandenen Gaskühleraustrittsbedingungen und die Annahmen wie am Anfang des Kapitels beschrieben. Der höhere ECO-Druck bietet eine zusätzliche Verbesserung im Hinblick auf den COP von 11% und eine weitere Reduzierung der Fördervolumen in der TK-Stufe von 2%. Der Vergleich des COPs wird in Bild 3 zusammengefasst.

Anwendungstechnik

Die CO₂-Anwendung birgt einige Besonderheiten und Fallstricke, die besonders beachtet werden müssen. Grundfragen, wie Sauberkeit und Trockenheit, sind ebenso zu beachten wie bei HFKWs. Sie sind allerdings noch wichtiger mit CO₂. An dieser Stelle soll noch erwähnt werden, dass aufgrund der geringen Löslichkeit von Feuchtigkeit in der Dampfphase von CO₂ und den daraus drohenden Konsequenzen, wie z.B. Zusetzen von Ventilquerschnitten und chemische Reaktionen, das Evakuieren mit größter Sorgfalt vorgenommen werden muss. Bei Standardanwendungen empfiehlt Bitzer ein stehendes Vakuum von 1,5mbar (1500microns). Für Anwendungen mit CO₂ sollte das stehende Vakuum jedoch einen Wert unter 0,5mbar (500microns) erreichen.

Es empfiehlt sich ebenfalls, im Verlaufe des Evakuierungsprozesses, das Vakuum mehrmals mit trockenem Stickstoff zu brechen. Außerdem ist die starke Reinigungswirkung von CO₂ nicht zu unterschätzen. Daher sollte auf die Entfettung von Stahlrohren, Verwendung von Inertgas beim Schweißen und Löten und dem Einsatz von Saugleitungsfiltern nach der Inbetriebnahme besonders viel Wert gelegt werden. Sicherheitsfragen im Hinblick auf maxi-male Betriebsbedingungen, eingeschlossene Flüssigkeit und Lecksuche sind bei CO₂-Anwendungen sogar anspruchsvoller als bei der Anwendung von HFKWs. Nachfolgend werden noch zusätzliche Kriterien hervorgehoben.

Leistungsregelung

Ein wichtiger Punkt bei CO₂-Anwendungen ist die Leistungsregelung; Teillast, nicht Volllast, ist die Herausforderung. Wenn man die thermodynamischen Eigenschaften von CO₂ betrachtet, ist es offensichtlich, dass die Expansion in das Nassdampfgebiet ausgehend von hohen Drücken und Gaskühleraustrittstemperaturen nur geringe Flüssigkeitsanteile für den Verdampfungsprozess bereitstellt. Im Gegenteil dazu, ist der Anstieg der Enthalpiedifferenz mit reduzierten Verdichtungsenddrücken und Gaskühleraustritts-/Verflüssigungstemperaturen signifikant.

Das folgende Beispiel hebt die Unterschiede zwischen Volllast- und Teillastbetrieb hervor. Die Kälteleistung des Verdichtertyps 4HTC-20K entspricht 23,2kW bei einem Betrieb mit 10°C Verdampfung, 35°C Gaskühleraustrittstemperatur, 90bar Hochdruck und 10K Sauggasüberhitzung. Ein Betrieb mit 20°C Verflüssigungstemperatur mit den gleichen Sauggasbedingungen zeigt eine Steigerung der Kälteleistung um 50,2%. Dieser Anstieg verteilt sich auf eine gesteigerte Enthalpiedifferenz von 28,8% und einen verbesserten Liefergrad von 16,6% mit gleicher Auswirkung auf den Massenstrom. Bei 15°C Verflüssigungstemperatur ist die Kälteleistung sogar um 68,1% höher.

So beanspruchen CO₂-Systeme eine gute Adaption der Leistungsstufen an das Lastprofil, um die erforderliche Leistung an den Verlauf der Umgebungstemperatur und an die erforderlichen Lastbedingungen der Verdampfer anzupassen. Eine gute Leistungsregelung minimiert die Druckfluktuationen auf der Saugseite und vermeidet Nassbetrieb der Verdichter. Mit Fokus auf CO₂-Systeme für NK- und TK-Anwendungen (z.B. Kaskadensysteme, Boostersysteme und erweiterte Boostersysteme), ist die Leistungsregelung ebenfalls erforderlich, damit Interaktionen zwischen NK- and TK-Stufen reduziert werden. Adäquate Optionen für eine ausreichende Leistungsregelung sind die Parallelschaltung von Verdichtern in jeder Stufe und der Einsatz von variablem Drehzahlantrieb für einen oder mehrere Verdichter. Zylinderabschaltung ist durch die ungünstigen Temperaturen in einem blockierten Zylinder und wegen hoher Differentialdrücke für die Komponenten schwieriger anzuwenden als mit Standardkältemitteln.

Ein weiterer Aspekt der Leistungsregelung ist der Einfluss der Gaskühleraus-tritts­temperatur (ebenso der Verflüssigungs­temperatur) für die Betriebsart von CO₂-Systemen. Bei der Selektion eines Gas-kühlers sollte im Allgemeinen beachtet ­werden, dass die Temperaturdifferenzen für den (subkritischen) Verflüssigungsbetrieb im Bereich von etwa 10K liegen, um einen stabilen Verflüssigungsbetrieb bei Umgebungstemperaturen von etwa 15°C zu garantieren. Das erfordert größere Oberflächen für die Gaskühler. Die Erfahrung zeigt, dass dies zu Temperaturdifferenzen von etwa 2K zwischen Umgebungs- und Gaskühleraustritts­temperaturen während des Volllastbetriebs bei hohen Lufttemperaturen führt.

Betriebstemperaturen

Wesentlich für einen zuverlässigen Betrieb von CO₂-Verdichtern sind die Betriebstemperaturen. Von besonderem Interesse sind die maximalen und minimalen Druckgas­temperaturen und die minimale Ölsumpftemperatur. Diese Temperaturen hängen vom eingesetzten Kältemaschinenöl ab. Im Fall von Bitzer Verdichtern für transkri­tische Anwendungen wird ein POE mit einer Grundviskosität von 85cSt basierend auf 40°C eingesetzt.

POEs werden oft für Gewerbeinstallationen wegen ihrer guten Mischbarkeit, niedrigerem hygroskopischen Verhalten und höherer Dielektrizitätskonstante als bei PAG eingesetzt. Dabei beinhaltet die Anwendung von POE den Nachteil einer höheren Löslichkeit von CO₂ im Kältemaschinenöl. Die maximale Druckgastemperatur für Anwendungen in der Gewerbekälte entspricht 140°C gemessen am Druckstutzen des Verdichters. Ein Alterungsprozess des reinen Kältemaschinenöls und ein Aufbrechen der chemischen Struktur beginnt allerdings erst bei Temperaturen höher als 160°C mit 50bar Druck und einem Wassergehalt <100ppm [4]. Bei CO₂-Systemen kann der Wassergehalt im Bereich von 100ppm liegen und Gasdrücke von bis zu 100bar herrschen. Deshalb sollte die Grenze von 140°C beachtet werden.

Die minimale Druckgastemperatur ist besonders im Zusammenhang mit dem Kurbelgehäusedruck und der Ölsumpftemperatur interessant. Neben dem Massenstrom, der den internen Kühlungseffekt beeinflusst, zeigt die Druckgastemperatur den stärksten Einfluss auf die Ölsumpftemperatur. Die resultierende Druckgastemperatur ist abhängig von elektrischen, mechanischen und internen Druckverlusten plus der Wärmeabgabe an die Umgebung. Bild 4 zeigt das Verhältnis zwischen Druckgas- und Ölsumpftemperaturen über dem Druckverhältnis. Die Messungen wurden für die Verdichtertypen 4FTC, 4HTC, 4JTC, 4KTC und 4MTC durchgeführt. Eine Saugüberhitzung von jeweils 10K, Verdichtungsenddrücke von 40, 62, 84, 106bar und Verdampfungstemperaturen von 5 bis 20°C in Temperaturschritten von 5K wurden für die Messungen berücksichtigt. Die Umgebungstemperatur um den Verdichter entsprach 32°C.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Ölsumpftemperaturen von den Druckgastemperaturen abhängig sind. Die Ölsumpftemperaturen sind für jeden Verdichtertyp unterschiedlich, zeigen jedoch ähnliche Trends. Die minimale Druckgastemperatur für den subkritischen Betrieb bei NK-Anwendungen muss wenigstens 40K über der Verflüssigungstemperatur liegen, um zu niedrige Ölsumpftemperaturen zu vermeiden. Wenn man Kurbelgehäusedrücke zwischen 20 und 30bar betrachtet, variiert der Anteil des im Kältemaschinenöl gelösten CO₂ bei einer Ölsumpftemperatur von 20°C zwischen 9 und 13%. Diese Werte sind nicht kritisch im Zusammenhang mit den daraus resultierenden kinematischen Viskositäten. Doch führen die hohen Anteile gelösten Kältemittels im Öl sowie mögliche Druckschwankungen zu starken Entgasungseffekten im Kurbelgehäuse, die mit einem Aufschäumen des Öls und einem möglichen Abreißen des Schmierfilms an den Lagerstellen verbunden sind.

Ölverteilung

Wesentlich für eine zuverlässige Ölverteilung unter allen Lastbedingungen ist der Einsatz eines passenden Ölmanagementsystems. Die Ölrückführung mit POE als Kältemaschinenöl ist im Allgemeinen keine Herausforderung. Hohe Mischbarkeit in flüssigem CO₂ und hohe Dampfdichten auf der Saugseite des Systems führen zu einer einfachen Schmierölrückführung zu den Verdichtern, vorausgesetzt, dass ähnliche Strömungsgeschwindigkeiten wie bei R404A angewandt werden. Wird jedoch eine gewerbliche Anwendung betrachtet, ist festzustellen, dass z.B. in Winternächten nur eine kleine Anzahl der installierten Verdichter bei Teillastbedingungen in Betrieb ist. Unter diesen Bedingungen sind die Massenströme und Strömungsgeschwindigkeiten in den Verdampfern und Saugleitungen reduziert und die Ölrückführung wird schwieriger.

Ölmanagementsysteme können eine ausreichende Ölversorgung der Verdichter unter verschiedenen Betriebsbedingungen sichern; der Aufbau könnte folgende Komponenten enthalten: einen Ölabscheider mit Niveausensor, ein Ventil für die Druck­reduzierung von z.B. 100 auf 40bar, ein Öl­reservoir mit Niveausensor und regelbarem Differenzdruckventil, Ölfilter und Ölspiegelregulatoren. Das Ventil für die Druckreduzierung wird von einem Niveausensor im Ölabscheider geregelt. Ein zusätzlicher Niveausensor im Niederdruck-Ölreservoir stellt sicher, dass die Ölspiegel­regulatoren an den Verdichtern nur öffnen, wenn das Ölniveau im Reservoir ausreichend ist. So kann ein möglicher Heißgas-Bypass verhindert werden. Ein regelbares Differenzdruckventil zwischen Ölreservoir und dem Saugkollektor garantiert das Entgasen von CO₂.

Der Differenzdruck muss für eine ausreichende Ölversorgung der Verdichter höher als bei Standardanwendungen sein. Die Verdichter beider Temperaturstufen werden bei Boostersystemen mit Ölspiegelregulatoren ausgestattet und an das gemeinsame ND-Ölreservoir angeschlossen. Wichtig für Boostersysteme ist die Tatsache, dass die NK-Verdichter eine höhere absolute Ölwurfrate im Vergleich mit den TK-Verdichtern aufweisen. Ursache dafür sind die höheren Sauggasdichten und meistens höheren Kälteleistungen in der NK-Stufe. Dies könnte dazu führen, dass das Ölniveau in den Kurbelgehäusen der TK-Verdichter über das Maximum ansteigt. So sollte der Ölabscheider einen hohen Abscheidegrad aufweisen, welcher im Bereich der Ölwurfrate der TK-Verdichter liegt, um einen Gleichgewichtszustand im System zu garantieren. Speziell konstruierte TK-Boosterverdichter mit einer kontrollierten Ölwurfrate bei höheren Ölständen im Kurbelgehäuse laufen bereits in Feldversuchen.

Der Ölausgleich zwischen Verdichter-Kurbelgehäusen als vereinfachte Methode des Ölmanagements setzt bezüglich der Auslegung viel Know-how und Erfahrung voraus. Dieses Prinzip erfordert eine bestimmte Niveaudifferenz zwischen den Ölausgleichsanschlüssen der Verdichter und der horizontalen Ausgleichsleitung. Ebenso ist eine besondere Anpassung der Strömungsquerschnitte erforderlich. Das Design ist abhängig von den Saug- und Druckgasbedingungen, von Öltemperaturen, Anteilen des im Kältemaschinenöl gelösten CO₂, daraus resultierenden Dichten der Öl-/CO₂-Mischung, internen Druckverlusten der Verdichter und im Saugkollektor. Deshalb erfordert eine Anwendung intensive Tests, Optimierung und Standardisierung.

Flashgas-Bypass

Für den FGB-Prozess muss beachtet werden, dass der Expansionsprozess von Flashgas zurück auf Verdampfungsdruck im Nassdampfgebiet von CO₂ endet. Die generierte Flüssigkeitsmenge muss verdampft werden, z.B. in einem Wärmetauscher gegen die Flüssigkeitsphase aus dem Sammler, bevor diese die Saugstutzen der Verdichter erreicht. So wird ein Nassbetrieb vermieden und es kann eine zusätzliche Unterkühlung des flüssigen Kältemittels erreicht werden.

Beträchtlich hohe Dampfdichten von CO₂ führen im Vergleich zu HFKW-Anwendungen zu einem kleineren Schlupf zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase. Folglich wird die Verweilzeit der Flüssigkeit auf der Saugseite der CO₂-Systeme reduziert; sogar wenn ähnliche Strömungsgeschwindigkeiten angewandt werden.

Parallelverdichtung

Parallelverdichtung bietet die Möglichkeit, Kälteleistungen und Effizienz bei NK-Systemen oder -Stufen während Spitzenlastbetrieb und hohen Umgebungstemperaturen zu erhöhen. Im Zusammenhang mit reduzierten Gaskühleraustrittstempe­raturen und Verdichtungsenddrücken muss beachtet werden, dass der Flashgas-Anteil im Sammler ebenso reduziert wird. Das führt zu einem niedrigeren Mitteldruck, höherer Enthalpiedifferenz auf der Verdampferseite, erhöhtem Liefergrad der Verdichter und höherer Kälteleistung. In diesem Fall ist die Zunahme der Kälteleistung nicht nötig und erfordert Leistungs­regelung. Folglich ist Parallelverdichtung bei niedrigeren Umgebungstemperaturen überflüssig.

Im Fall, dass ein System mit Parallel-verdichtung im subkritischen Bereich arbeitet und das Ventil für die HD-Regelung ganz geöffnet ist, wird ein kontrollierter Wechsel vom Betrieb der Parallelverdichtung auf Standardbetrieb möglich. Ein Magnetventil, gekennzeichnet als ECO an/aus in Bild 5 schließt, wenn der ECO-Zylinder nicht mehr mit genügend Flashgas geladen wird. Folglich wird der ECO-Druck in der ECO-Saugkammer, wie in Bild 5 gezeigt, mit jedem Hub des ECO-Kolbens reduziert, bis der Wert schließlich unter dem Verdampfungsdruck liegt. In diesem Fall öffnet ein zusätzliches Ventil auf der ECO-Ventilplatte und durch einen Saugkanal im Verdichtergehäuse strömt Kältemittel unter Verdampfungsdruck in den ECO-Zylinder. Folglich arbeiten alle vier Zylinder zwischen Verdampfungs- und Hochdruck.

Der resultierende Mitteldruck im Samm-ler ist eine Funktion der Gaskühleraus­trittsbedingungen und des Fördervolumens der ECO-Zylinder. Der Druck hängt des-halb sowohl vom System als auch vom Verdichter ab. Falls die ECO-Drücke bei bestimmten Betriebsbedingungen das Maximum übersteigen sollten, kann die Parallel-verdichtung mit einem FGB kombiniert werden, um ein definiertes Druckniveau im Sammler zu erreichen. Der Überfluss an Flashgas, der nicht von den ECO-Zylindern verarbeitet werden kann, wird dann wieder über einen Bypass zur Saugseite geleitet. Der Vorteil eines konstanten ECO-Drucks auf einem bestimmten Niveau hat den Nachteil niedrigerer Systemeffizienzen, verur­sacht durch reduzierte Verdampfer Massenströme.

Ein weiterer Aspekt bei der Anwendungen der Parallelverdichtung ist die erforderliche Überhitzung an den ECO-Saugstutzen. Druckschwankungen im Sammler können zu Ausgasungseffekten führen und Flüssigkeitstropfen mitreißen. Das ist der Grund, warum ein Wärmetauscher zwischen ECO-Saugleitung und z.B. Gaskühleraustritt installiert werden sollte. So wird ein Nassbetrieb der ECO-Zylinder unter allen Bedingungen vermieden.

Fazit

Die Anwendung von CO₂ führte andere Systemkonfigurationen in die Welt der Gewerbekühlung ein. Betrachtet man die beschriebenen Systeme, wird offensichtlich, dass die Komplexität ein hervorstechendes Merkmal ist. Weitere Feldtests müssen den Nachweis erbringen, dass solche Komplexität unter Betrachtung von ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten gerechtfertigt ist. FGB und Parallelverdichtung fügen der CO₂-Anwendung weitere Pluspunkte hinzu. Die Anwendung von Parallelverdichtung zeigt viel versprechende Ergebnisse, aber die Feldtest­erfahrung ist bisher nicht ausreichend. Eine korrekt ausgewogene Leistungsregulierung, eine Überwachung der Betriebstemperaturen und eine ausreichende Ölverteilung sind die Voraussetzungen für eine erfolgreiche CO₂-Installation neben Sicherheit, Sauberkeit und Trockenheit solcher Systeme. -

Als Vortrag gehalten bei der DKV-Jahrestagung 2008 in Ulm.

Literatur

[1] Ebel, S., Hrnjak, P., 2004, Flash gas bypass for im-proving the performance of trans-critical R744 systems that use microchannel evaporators, International Journal of Refrigeration 27 (2004): 724735

[2] Haaf, S., Heinbokel, B., Gernemann, A. 2005, Erste CO₂-Kälteanlage für Normal- und Tiefkühlung in einem Schweizer Hypermarkt, Die Kälte & Klimatechnik 2/2005: 4146

[3] Andy Pearson 2007, The beneficial properties of carbon dioxide as a refrigerant, Padova Conference, Aicarr: 1124.

[4] Christian Puhl 2006, Refrigeration oils for the natural Refrigerants Iso-Butane and Carbon Dioxide, 6th International Conference on Compressors and Coolants, IIR/IIF: 302309

COP Wirkungsgrad

ECO Economizer

FGB Flashgas-Bypass

HFKW Fluorkohlenwasserstoff

HD Hochdruck

TK Tiefkühlung

NK Normalkühlung

PAG Polyalkylenglykol

POE Polyolester

Ingenieur für Anwendungstechnik, Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, Sindelfingen