Die Kälteanlage der Zukunft

Die Verknappung von Energieträgern, der Anstieg der Weltbevölkerung und die Forderungen des Umweltschutzes werden die Zukunft vieler Branchen bestimmen. Das gilt auch und besonders für die Kältetechnik. Die Energieeffizienz wird zu einer permanenten Zielstellung werden. Das ist z.Z. noch nicht im erforderlichen Maße Gegenstand der Marktkriterien geworden, wird aber eine unverzichtbare Forderung der Zukunft werden müssen. Die Auswirkungen der Bankenkrise haben die Autobranche erfasst und es zeigt sich, dass Erzeugnisse mit geringem Energieverbrauch auch in der Krise die besseren Marktchancen besitzen. Die Anforderungen an die Produkte der Zukunft waren auch vor der Bankenkrise bekannt, allerdings auch die Tendenz zum Aussitzen des Entwicklungsbedarfs, solange die Fertigung ausgelastet ist. Erst unter dem Druck der Ereignisse ist zu erwarten, dass sich die Entscheidungsträger den Zukunftsfragen stellen, die im Eiltempo zu Tagesfragen geworden sind.

Forderungen an Kältemitteleigenschaften

Es ist leider unvermeidlich, auf Grundlagen zurückzugreifen, die an anderer Stelle bereits in Anspruch genommen wurden ([1], [2]), für das Verständnis aber unverzichtbar sind. Die Erzeugung von Kälte mit Kompressionskälteanlagen und verdampfbaren Kältemitteln beruht auf den dominierenden Zustandsänderungen

• Entspannung einer kondensierten Flüssigkeit und
• Rückverdichtung des Kältemitteldampfes

Bei der Entspannung des flüssigen Kältemittels muss der Anteil des Entspannungsdampfes x möglichst unter 20% gehalten werden. Das gelingt durch die Wahl eines Kältemittels mit großer Verdampfungsenthalpie r_o oder durch Unterkühlung des flüssigen Kältemittels auf eine Temperatur t_u. Die Entspannungsdampfmenge x_o ergibt sich nach (1):

Im Vorteil ist daher das Kältemittel Ammoniak mit seiner großen Verdampfungsenthalpie, das wegen seiner basischen Wirkung verträglich mit der Umwelt umgeht, obwohl es aus physiologischer Sicht hohe Anforderungen an die Dichtheit der Anlage stellt. Dem kommt das hohe Warnvermögen des Ammoniaks durch einen ganz typischen Geruch bereits in sehr geringer Konzen­tration entgegen. Die hohe Verdampfungs­enthalpie des Ammoniaks sichert nicht nur geringe Entspannungsdampfmengen, sondern auch einen relativ kleinen Massenumlauf des Kältemittels und eine hohe Energieeffizienz.

Bei der Verdichtung eines Gases oder Dampfes entstehen unterschiedliche Kompressionsendtemperaturen und Leistungsaufnahmen je nach der Größe des Isentropenexponenten κ.

Bei der Berechnung der Kälteprozesse taucht der Isentropenexponent κ nicht als Rechengröße auf. Er ist gewissermaßen in den Stoffwerten des Diagrammmaterials bzw. der Stoffdatensoftware implizit enthalten und führt ein etwas verborgenes Dasein ähnlich der Entropie, die der Kälteingenieur nur noch zur Bestimmung einer Enthalpie nach isentroper Verdichtung als Hilfsgröße nutzt. Die unterschiedlich hohen Temperaturen nach einer Verdichtung gehen aber nach (2) auf die Wirkung des Isentropenexponenten zurück. Das heißt,

• Werte von κ in Nähe des Wertes 1 begründen kleine Temperaturerhöhungen und Verdichterleistungen.
• Werte von κ bei 1,3 führen zu großen Verdichtungsendtemperaturen bei adiabaten Verdichtern (ohne Öleinspritzung) und hoher Leistungsaufnahme des Verdichters.

Die Verdampfungsenthalpie r und der Isentropenexponent κ sind unverzichtbare Auswahlkriterien für Kältemittel neben der Siedelage des Stoffes. Für die Leistungsberechnung wird κ nicht benutzt. In Tabelle 1 sind Beispiele für Kältemittel mit Verdampfungsenthalpie r und Isentropenexponent κ bei 0°C angegeben (Tabelle 1).

Bezüglich des Isentropenexponenten κ zeigen sich die chlorfreien Sicherheitskältemittel, also z.B. R404a, R507, R134a, R227 durch einen κ-Wert in der Nähe von 1 im Vorteil. Das gilt auch für Propan. Die Verdichtung hat damit eine Tendenz zur isothermen Verdichtung, d.h. es gibt nur mäßige Temperaturerhöhungen und aus dieser Sicht beste Voraussetzungen für Kälteanlagen mit guter Energieeffizienz.

Der Nachteil zu kleiner Verdampfungsenthalpie r_o lässt sich durch größtmögliche Unterkühlung des Kältemittelkondensates stark reduzieren. Dazu stehen die Verfahren zur Unterkühlung des Kältemittels, insbesondere der kombinierten Unterkühlung mit Sauggaswärmeübertrager und ECO zur Verfügung. Kältemittel mit einem κ-Wert in der Nähe von 1 tolerieren einen Sauggaswärmeübertrager und eine kom­binierte Unterkühlung. Bei Kältemitteln mit hohem Isentropenexponenten muss man die Unterkühlung mit dem ECO allein durchführen.

In Tabelle 1 sind auch die R22-Ersatzkältemittel R422a und R422d enthalten. Es zeigt sich, dass diese Kältemittel hinsichtlich der Verdampfungsenthalpie beachtlich unter dem Vergleichswert R22 liegen. Nun läge es nahe, diesen Mangel durch Verwendung eines Sauggaswärmeübertragers zu beheben. Das scheitert aber daran, dass diese Ersatzkältemittel mit κ=1,2 bzw. κ=1,19 bereits zu hohe Insentropenexponenten aufweisen. Die erhofften Zuwächse der Energieeffizienz sind durch einen Sauggaswärmeübertrager bei diesen Ersatzkältemitteln nicht erreichbar.

Beim bloßen Wechsel des Kältemittels anstelle von R22 entstehen also Leistungseinbußen, die durch Maßnahmen der Prozessführung nicht ausgeglichen werden können. Gegebenenfalls kann ein ECO zur Anwendung kommen. Hier zeigt sich, dass es nicht reicht, die Ersatzkältemittel nach dem Siededruck zu wählen. κ und r_o sind wichtige Entscheidungskriterien und ihre Beachtung vermeidet Enttäuschungen.

Für hohe Energieeffizienz sorgen bei der Kälteerzeugung

• ein großer Wert der Verdampfungsenthalpie und
• ein kleiner Wert des Isentropenexponenten κ in der Nähe von κ → 1

Das ist bei Propan ideal erfüllt. Bei Ammoniak ist die Verdampfungsenthalpie so enorm groß, dass der höhere Wert des Isentropenexponenten von κ=1,31 keinen ausschließenden Einfluss hat. Ammoniak ist ein Kältemittel für die Ewigkeit.

Diese Aussage gilt nicht für CO₂ als Kältemittel. Hier ist κ mit 1,3 zu hoch, die Verdampfungsenthalpie aber nur wenig größer als bei R22. Die Bedingungen für gute Energieeffizienz sind damit für CO₂ als Kältemittel ungünstig. CO₂ wird aber als Latentkälteträger und ggf. im Bereich der Niedrigtemperatur von Kältekaskaden seine Renaissance in der Kältetechnik sichern. Für mobile Anwendungen haben die Nichtbrennbarkeit und Umweltschutzaspekte das CO₂ als Kältemittel gefördert. Es kann aber daraus nicht geschlossen werden, dass damit auch der Weg für stationäre Anwendungen vorgezeichnet wäre.

Optimierung und Berechnung der Entspannung

Die Entspannung des Kältemittels kann optimiert werden durch

• Unterkühlung und durch
• arbeitsleistende adiabate Expansion in einer Entspannungsmaschine

Da nicht abzusehen ist, ob eine verkaufs­fähige Lösung mit einer Entspannungs­maschine gefunden wird, soll die Unterkühlung des Kältemittels vor der Drossel­entspannung als Hauptweg der Optimierung behandelt werden. Dazu gibt es drei Alternativen:

• Economizer (Verdampfungskühlung), anwendbar für Verdichter, die eine Einschleusung des ECO-Dampfes bei einem Zwischendruck ermöglichen
• Sauggaswärmeübertrager, anwendbar für alle Kältemittel mit einem Isentropenexponenten in der Nähe von 1
• eine Kombination von ECO und Sauggaswärmeübertrager, anwendbar für Verdichter mit Zwischeneinschleusung des Ecodampfes und κ-Werten des Kältemittels in der Nähe von 1

Die Vorteile dieser Varianten sind nutzbar durch die Verdichterwahl und die Wahl des Kältemittels. Auf dem Weg zur Energieeffizienz sind das wichtige Entscheidungen.

Bei den Kombinationen von ECO und Sauggaswärmeübertrager ist nach neueren Überlegungen bei der Unterkühlung des Kältemittels zuerst der Sauggaswärmeübertrager und anschließend der ECO zu schalten (Bild 1).

Die Entscheidung zugunsten dieser Variante der Unterkühlung ergab sich daraus, dass

• die Temperaturdifferenzen bei Sauggaswärmeübertragern dann am größten sind, wenn das Kältemittel mit dem Temperaturniveau des Verflüssigers zuströmt. Das ergibt kleine Austauschflächen im Sauggaswärmeübertrager und geringe Kosten.
• Die Sicherung einer maximalen Unterkühlung des Kältemittels durch den ECO erfordert ein Heranrücken der Einschleusbohrung in Richtung Saugdruck. Die ursprüngliche Annahme, dass das den Hersteller von Schraubenverdichtern vor Probleme stellt, trifft offenbar nicht zu, wie das ausgeführte Beispiel zeigt (Bild 2).

Erläuterungen zum Beispiel:

Um eine solche Kombination von Sauggaswärmeübertrager und ECO berechnen zu können, ist es erforderlich, den ECO-Druck bzw. die ECO-Temperatur für den Verdichter des Lieferanten zu kennen. ­Dieser Druck hängt ab von der ausgeführten geometrischen Lage der Einschleusbohrung am Verdichter. Gewählt wurde eine Über­hitzung von 47K, d.h. die Sauggastemperatur wurde sehr niedrig mit 10°C vorgegeben, um geringe Austauschflächen zu erhalten, die im Beispiel bei hohem Euro-Kurs im Dollar-Raum im Wettbewerb ­erforderlich waren.

Mit diesen Vorgaben und der Software des Verdichteranbieters wurde eine ECO-Verdampfungstemperatur von t_o=21,4°C gefunden, die eine Unterkühlung des ­Kältemittels bis auf 16,4°C zulässt. Die ­Differenz zur Verdampfungstemperatur beträgt dann nur 20,6K. Das ist genau die ­Größenordnung, die angestrebt wird und eine hohe Energieeffizienz sichert. Damit ist die Reihenschaltung von Sauggas­wärmeübertrager und ECO nach Bild 1 die bevorzugte Kombination und wird neu empfohlen.

Zur Berechnung der Betriebsdaten des Sauggaswärmeübertragers und der Leistungsdaten der Anlage wurde ein Berechnungsalgorithmus erstellt. Die erforderliche Software wird in Kürze vorliegen und ist mit einer Stoffwertedatei kombiniert. Für die Berechnung selbst sind nur wenige Parameter und Temperaturen sowie die Kälteleistung vorzugeben. Der effektive Wirkungsgrad der Schraubenverdichter ist nach Messwerten und in Abhängigkeit von Druckverhältnis und Leistungsgröße der Maschine Bestandteil der Berechnung und bedarf nur bezüglich der Baugröße einer Entscheidung (groß, mittel, klein). Ausgedruckt werden die gesuchten Zwischentemperaturen, Wärmeleistungen, die Verdichterleistung, die Leistungszahl und die Stoffwerte für die Berechnung der Wärmeübertrager, geordnet nach Eingabevorschrift von deren Berechnungssoftware.

Mit der erstellten Software, die für ­jedermann zugänglich ist, steht die Tür für die breite Anwendung der kombinierten Unterkühlung offen. Die Einsparungen an Verdichterleistung sind stark abhängig von der Verdampfungstemperatur und ­liegen zwischen 25 bis über 30%, wenn die Lage der Einschleusbohrung am ­Schraubenverdichter eine Unterkühlung bis auf t_u≈t_o+20 K zulässt. Dass die Schraubenverdichter auf eine solche Bedingung angepasst werden können, zeigt das Beispiel nach Bild 2.

Sicherheits- und Dichtheitsaspekte

Sicherheitsaspekte: Es gibt Meinungen, nach denen die Verwendung leistungsfähiger Sauggaswärmeübertrager zu hohe Temperaturen nach sich zögen, die den Verdichtern schaden sollen. Was ist dran?

Tatsache ist, dass die Kältemittel mit einem Isentropenexponenten κ → 1 nach Gleichung (2) sehr geringe Temperatursteigerungen bei der Verdichtung aufweisen. Für diese Kältemittel (und nur für diese) ist die Verwendung von Sauggaswärmeübertragern mit hoher Überhitzung des Sauggases bis auf 25°C und höher anzuraten, wenn hohe Energieeffizienz angestrebt wird, nicht für Ammoniak, CO₂ usw.

Bei einer kombinierten Unterkühlung mit Sauggaswärmeübertrager sind aus heutiger Sicht unabhängig von der Schaltung immer Schraubenverdichter im Spiel. Die Kompressionsendtemperatur der öleingespritzten Schraubenverdichter wird durch Ölumlauf und Ölrückkühlung kontrolliert z.B. bei 80°C gehalten, sofern eine Ölkühlung überhaupt erforderlich ist.

Bei hohen Verdichtungsverhältnissen ist die Wärmeabfuhr durch Ölkühlung größer als bei kleinen Verdichtungsverhältnissen. Erhöhte Temperaturen wie bei trockener (adia­bater) Verdichtung sind daher auszuschließen. Mit anderen Worten: Bei Schraubenverdichtern ist eine Sicherheitsgefährdung durch hohe Temperaturen im Verdichter nicht möglich.

Hubkolbenverdichter arbeiten trocken (adiabat). Eine Energieeffizienzverbesserung ist nach dem heutigen Stand der Technik durch die Economizerschaltung und durch eine kombinierte Unterkühlung nicht anwendbar. Höhere Verdichtungsendtemperaturen bis ca. 140°C sind aber auch zulässig, d.h. der Betrieb der Hubkolbenverdichter mit einem Sauggaswärmeübertrager wird erst bei Tieftemperaturanwendungen bzw. bei hohen Verdichtungsverhältnissen zur Sicherheitsfrage. Bei Kältemitteln mit starker Einschränkung der Verdampfungstemperatur, wie beim R134a, sind solche Situationen auszuschließen.

Eine Berechnung der polytropen Kompressionsendtemperatur wurde mithilfe des isentropen Wirkungsgrades η_s nach Bild 3 für das Kältemittel R404a, für die Verdampfungstemperaturen von t₀ = 30 bis 45°C, bei t_C = 45°C, einer Unterkühlung des Kältemittels im Verflüssiger von 3K und einer Überhitzung des Dampfes im trockenen Verdampfer von 4K durchgeführt. Das Ergebnis ist in Bild 4 als Grenzkurve für die Überhitzung des Sauggases dargestellt.

Danach kann man bis zur Ver­dampfungstemperatur von 35°C bei R404a eine Sauggasüberhitzung von 25°C fahren, ohne die Druckgastemperatur von 140°C zu überschreiten. Bei einer Verdampfungstemperatur von 41°C sind es nur noch +10°C Sauggastemperatur, bei t₀=45°C darf nur noch auf 3°C überhitzt werden. Diese Aussage gilt für eine maximale Temperatur am Verdichtungsende von 140°C und für das Kältemittel R404a. Die Sauggaswärmeübertrager nehmen dann geringere Abmessungen an.

Für die trockene Verdichtung gibt es also tatsächlich Sicherheitsgrenzwerte beginnend ab der Verdampfungstemperatur von 35°C, falls Hubkolbenverdichter verwendet werden. Ein Problem ist das aber nicht, wenn man die Überhitzung nach Bild 4 beschränkt, also kleine Sauggaswärmeübertrager verwendet. Zu beachten ist das bei Vorgabe der Daten für den Sauggaswärme­übertrager. Für andere Daten und Kältemittel sind analoge Berechnungen durchzuführen.

Der Schraubenverdichter mit Ölüberflutung bedarf solcher Vorsichtsmaßnahmen nicht. Dieser kann für Tieftemperaturen bei geeigneter Konstruktion immer mit Sauggaswärmeübertrager bei anspruchsvollen Sauggastemperaturen verwendet werden. Es ist lediglich eine Frage der Kosten, ob man diese anspruchsvollen Sauggastemperaturen anstrebt oder ob man aus Wettbewerbsgründen auf Sauggastemperaturen von 15 bis 10°C zurückgeht.

Dichtheitsaspekte: Für stationäre Kälteanwendungen kann man die Dichtheit der Anlage soweit perfektionieren, dass die heute bekannten chlor- und bromfreien Kältemittel einsetzbar sind. Die Kältetechnik braucht Kältemittel mit Isentropenexponenten in der Nähe von 1 wegen der erforderlichen Energieeffizienz. Die Sicherheit fordert nichtbrennbare oder nur eingeschränkt brennbare Kältemittel. Wäre das nicht so, dann hätten wir mit Propan bereits alle Probleme gelöst. Natürlich wird die Suche nach anderen Kältemitteln weitergehen.

Energieeffizienzverbesserung bei der Verdichtung

Die effektiven Wirkungsgrade von ölüberfluteten Schraubenverdichtern und von Hubkolbenverdichtern sind in Tabelle 2 für Druckverhältnisse π=4 und π=20 dargestellt.

Besonders bei hohem Druckverhältnis zeigt sich, dass die Energieumwandlung im Verdichter mit starken Verlusten einhergeht. Ob bei den klassischen Schrauben- und Hubkolbenverdichtern größere Entwicklungsreserven bestehen, muss skeptisch beurteilt werden. Verbesserungen der Energieumwandlung bei der Verdichtung sind aber mit radialen Turboverdichtern mit Magnetlagerung des Läufers und für Niederdruckkältemittel möglich.

Durch Übertragung der Erfahrungen, die man mit kombinierten magnetgelagerten Radialverdichtern und Radialturbinen bei der Luftzerlegung gewonnen hat, bei denen durch Magnetlager die Reibung in den Traglagern praktisch ausgeschaltet ist, hat man äußerst effiziente Verdichter für die Klimakälte mit R134a entwickelt. Die Wirkungsgrade von Schrauben- und Kolbenverdichtern werden übertroffen (Bild 5). Dabei sind Kältemittel mit großer Molmasse und niedrigem Arbeitsdruck für den Klimaeinsatz im Vorteil, weil sie ein Minimum an Verdichterstufen erfordern. Es sollte aber in absehbarer Zeit möglich sein, mit Magnetlagerung des Läufers auch den Kältebereich bis 20°C mit R134a und 2 bis 3 Radialstufen zu bedienen.

Für Turboverdichter war früher das Kältemittel R12 gebräuchlich, das aus Gründen des Umweltschutzes zu Recht aus dem Verkehr gezogen wurde. Das Beispiel zeigt aber, dass für stationäre Kälteanlagen R134a nicht verzichtbar ist, wenn man nicht auf stark brennbare Kältemittel übergehen will.

Zusammenfassung

Die stationäre Kompressionskälteanlage der Zukunft wird aus heutiger Sicht alle Möglichkeiten der Energieeffizienzverbesserung durch intelligente Regelung, durch Auswahl von Kältemitteln mit großer Verdampfungswärme (NH₃) oder mit Isentropenexponenten in der Nähe von 1 (chlor- und bromfreie Sicherheitskältemittel) unter der Bedingung maximaler Unterkühlung des Kältemittels ausschöpfen. Schraubenverdichter gestatten die Verwendung sowohl des Sauggaswärmeübertragers, des ECO als auch Kombinationen aus beiden. Das ist ein großer Vorteil im Bemühen um Energieeffizienz in der Kältetechnik. Es empfiehlt sich, die Kombination mit dem ECO am kalten Ende der Unterkühlung auszuführen und mit dieser Schaltung die Unterkühlung bis ca. 20K oberhalb der Verdampfungstemperatur durch die Lage der Einschleusbohrung des Schraubenverdichters anzustreben.

Durch Einsatz von Sauggaswärmeübertragern mit Schraubenverdichtern, die eine hohe Sauggasüberhitzung realisieren können, besteht grundsätzlich keine Gefahr überhöhter Verdichtungsendtemperatur, weil diese durch die Regelung der Öltemperatur kontrolliert auf 80°C konstant gefahren wird. Bei Anlagen mit Kolbenverdichtern muss für Verdampfungsendtemperaturen ab etwa 32°C abwärts eine Nachrechnung der Kompressionsendtemperatur erfolgen. Erforderlichenfalls kann der Sauggaswärmeübertrager durch Absenkung der Sauggasüberhitzung verkleinert werden.

Durch die Sauggasüberhitzung mit Wärmeübertragern werden Sicherheitsrisiken für den Verdichter reduziert und die Ausführung überfluteter Verdampfer ermög­licht. Vorausgesetzt werden Kältemittel mit Werten von κ → 1 für die Verdichtung der Dämpfe.

Weitere Effizienzverbesserungen ergeben sich durch den Einsatz von radialen Turboverdichtern mit Magnetlagerung des Läufers. Es ist zu erwarten, dass die heute schon üblichen Anwendungen für Klimakälte und Kaltwassererzeugung eine Ausweitung für Verdampfungstemperaturen bis 20°C erfahren.

Es besteht auch kein Zweifel daran, dass die Kälteanlage der Zukunft gleichzeitig die Kälte- und anteilig auch die ­Heizwärmeversorgung übernehmen kann. Sie ist eine besonders wirtschaftliche ­Wärmepumpe. Die Gewinnung von Heizwärme durch Enthitzung mit Sicherheits­kältemitteln setzt eine Anhebung der Sauggastemperatur mithilfe eines Sauggas­wärmeübertrager voraus. -

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

Literatur:

[1] Förster, H.: Die Optimierung der Kälteprozesse unter Berücksichtigung der Stoffeigenschaften von Kältemitteln, KI Kälte-Luft-Klimatechnik, Juni 2007, S. 14

[2] Förster, H.: Energieeffizienzreserven von Kälteanlagen, KK Die Kälte + Klimatechnik, März 2008, S. 24

[3] Ciconkov, R., Hilligweg, A.: Kolbenverdichter Simulation des Leistungsverhaltens beim Einsatz in einem Verflüssigungssatz, KI Luft- und Kältetechnik 3/2004, S. 125130

freier Ingenieur, Kälte­technik, Absorptionskältetechnik, Ing.-Büro Dr.-Ing. H. Förster, Magdeburg