Unterkritische CO2-Kühlung

Bevor Sie mit der Lektüre dieses Beitrags über subkritische Co2-Kühlung beginnen, möchten wir Sie auf den Artikel über CO2-Kühlung aufmerksam machen.

Was ist ein unterkritischer CO2-Kreislauf?

Als unterkritische Kreisläufe bezeichnen wir solche, bei denen das Kältemittel kondensierbar ist, d.h. der Verdichterausgangsdruck niedriger als der kritische Druck ist. Im Mollier-Diagramm ist die Darstellung eines unterkritischen CO2-Kreislaufs ähnlich wie bei jedem anderen Kältemittel, wobei der grundlegende Unterschied in den Werten der Verdampfungs- und Kondensationsdrücke und -temperaturen besteht.

Wie in der Abbildung unten zu sehen ist, ist bei einem Niedertemperaturkreislauf mit Ansaugung bei 10 bar (-40 °C) und Kondensation bei 25 °C (65 bar) der Austrittsdruck viel höher als bei HFKW-Kältemitteln. In einem Land wie Spanien mit Umgebungstemperaturen von über 40 °C wäre die Verwendung von Außenluft zur Kondensation von CO2 nicht möglich, wohl aber z. B. die Verwendung von Wasserkondensation. Dabei ist zu bedenken, dass Kondensatoren und andere Elemente so ausgelegt sein müssen, dass sie solch hohen Arbeitsdrücken standhalten.

Wenn es sich bei dem Wärmeträger nicht um Wasser, sondern um eine Sole oder ein Glykol mit einer Temperatur unter 0 °C handelt, oder um ein Kältemittel, das bei einer Temperatur unter 0 °C verdampfen kann, könnte man ein unterkritisches CO2-System mit niedrigerem Druck in Betracht ziehen, wie in der Abbildung unten dargestellt. Die betreffende Wärmeträgerflüssigkeit würde mit dem CO2 Wärme austauschen und es kondensieren. Man sieht, dass das System bei einem angemessenen Druck (10 bar) immer noch in der Lage ist, Gefriertemperaturen ohne Schwierigkeiten zu erreichen. So sehen Kaskadensysteme mit zwei Kältemitteln aus, bei denen ein Kältemittelkreislauf (CO2) durch das andere Kältemittel (R134a, R717, R290, Glykol, Sole, usw.) kondensiert wird.

Unterkritischer CO2-Kreislauf: Arten von Anlagen

Bei Kaskadensystemen besteht das System aus zwei unabhängigen Kältekreisläufen. Einer der Kreisläufe enthält CO2 als Kältemittel in den negativen Kälteerzeugungsbereichen für die Lebensmittelkonservierung, wo das CO2 bei etwa -10 °C mit der in einem Verdampfer des anderen Kreislaufs mit dem anderen Kältemittel erzeugten Kälte kondensiert. In der folgenden Abbildung ist als Beispiel der Kreislauf einer Kaskadenanlage mit CO2 und Ammoniak (R717) dargestellt:

LV-CO2-Kaskade

Das oben beschriebene “CO2-Kaskadensystem für niedrige Temperaturen” zeichnet sich dadurch aus, dass es die einfachste Konfiguration ist, die in Bezug auf Kaskadensysteme vorgenommen werden kann. In diesem System wird im Hochtemperaturbereich ein Kältemittel (z. B. HFKW) verwendet, das sowohl zur Versorgung der Mitteltemperaturdienste als auch zur Kondensation des CO2 aus dem Kreislauf der Niedertemperaturdienste oder Gefriertunnel verwendet wird. Alle Verdampfer im System arbeiten mit Direktverdampfung (DX).

Als Variante der obigen Lösung und mit der Absicht, die HFKW-Belastung des Systems zu minimieren, können wir auf ein Glykol (aus einer Kältemaschine) als Wärmeträgerflüssigkeit zurückgreifen, um sowohl das CO2 zu kondensieren als auch die Mitteltemperaturleistungen zu liefern, so dass wir ein “Kaskadensystem mit gepumptem Glykol für MV und CO2 DX in LV” hätten. Dieser Anlagentyp ist technologisch einfacher als der vorherige, aber andererseits weniger energieeffizient, da die Verdampfungstemperatur im Hochtemperaturbereich etwas niedriger sein sollte. Die Kältemittelfüllung (HFKW oder andere) wird geringer sein, und wir haben den Vorteil, dass sie im Inneren der Kältemaschine eingeschlossen ist, wodurch das Risiko von Leckagen minimiert wird.

Gepumptes CO2-Naturkältemittel-Kaskadensystem für LV MV und DX

Wir könnten auch den vollständigen Verzicht auf HFKW im Hochtemperaturbereich in Betracht ziehen und es durch ein natürliches Kältemittel ersetzen, um so eine umweltfreundliche Option für die Zukunft zu erhalten. Ebenso könnten wir diese Lösung mit einem CO2-Pumpsystem für die Versorgung von Mitteltemperaturdiensten und einem CO2-Direktexpansionssystem für Niedertemperaturdienste kombinieren, wodurch wir ein “Kaskadensystem aus natürlichem Kältemittel und CO2-Pumpsystem für MV und DX in LV” erhalten würden:

Bei diesem Anlagentyp arbeiten die Niedertemperaturverdampfer als Direktverdampfer, während die Mitteltemperaturverdampfer als geflutete Verdampfer mit einer entsprechenden CO2-Umwälzpumpe arbeiten.

Im Wärmetauscher (CO2-Kondensator und R717-Verdampfer) findet der für die Kondensation des CO2 notwendige Wärmeaustausch auf Kosten der Verdampfung des R717 statt.

Der Vorteil der Arbeit mit gefluteten Verdampfern ist eine leichte Verbesserung der Energieeffizienz des Systems, da in diesem Fall mit einem höheren Verdampfungsdruck in den mittleren Leistungen gearbeitet werden kann.

Andererseits benötigen Anlagen mit gefluteten Verdampfern eine viel höhere CO2-Belastung.

Natürliches Kältemittel-Kaskadensystem mit gepumptem (oder geflutetem) CO2 im LV

In ähnlicher Weise könnten wir uns ein “Niederdruck-gepumptes (oder geflutetes) CO2-Naturkältemittel-Kaskadensystem” vorstellen, wie in der Abbildung unten dargestellt:

Der Unterschied zum vorherigen System besteht darin, dass wir jetzt keine mittleren Leistungen mehr haben, und die Leistungen, die wie überflutet funktionieren, sind jetzt die niedrigen Leistungen.

Durch die Erhöhung der Verdampfungstemperatur erreichen wir auch eine leichte Verbesserung der Energieeffizienz des Systems, aber auf der anderen Seite erhöhen wir die CO2-Belastung der Anlage.

Unterkritisches Kaskadensystem mit reiner CO2-Verteilung

Als letztes Beispiel könnten wir auch ein “unterkritisches Kaskadensystem mit vollständiger CO2-Verteilung” entwerfen, d.h. ein System, bei dem wir eine einzige gemeinsame Flüssig-CO2-Leitung (die unterkühlt sein könnte) für NS und MS und eine doppelte Saugleitung (eine für mittlere und eine für niedrige Temperaturen) haben. Der Hochtemperaturkreislauf wäre vollständig in der Kälteanlage enthalten, mit der Möglichkeit, FKW (R134a, R513A, R152a…) oder natürliche Gase wie R290 zu verwenden, mit dem großen Vorteil, dass die Kältemittelmenge sehr gering wäre. Dies ist genau das Engagement von INTARCON für unterkritische Anlagen mittlerer Leistung, das zur Entwicklung der Produktreihe ECO2market geführt hat