Transkritische CO2-Kühlung

Kohlendioxid (CO2), das bei der Verwendung als Kältemittel gemeinhin als R-744 bekannt ist, hat sich in letzter Zeit zu einem der beliebtesten natürlichen Kältemittel entwickelt.

Es ist ein Kältemittel, das nach den Sicherheitsvorschriften für Kälteanlagen als “Sicherheitsklasse = A1” eingestuft ist, d.h. “nicht brennbar” und “geringe Toxizität”.

Es hat hervorragende thermophysikalische Eigenschaften, auch wenn es aufgrund seiner niedrigen kritischen Temperatur (30,978 °C) und der hohen Drücke Schwierigkeiten mit sich bringt. Es hat eine viel höhere volumetrische Kapazität als herkömmliche Kältemittel.

Dieses Gas hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Dichte in der Gasphase, was eine gute Wärmeübertragung in Verdampfern, Kondensatoren und Gaskühlern bedeutet; diese Eigenschaften ermöglichen eine Auswahl kleinerer Geräte im Vergleich zu denen, die FCKW, HFCKW und HFKW verwenden. Da es einen geringen Druckabfall hat, können auch kleinere Rohrdurchmesser verwendet werden.

Was ist ein transkritischer Zyklus?

Transkritische Zyklen sind solche, bei denen der Verdichterdruck über dem kritischen Druck liegt und das Kältemittel daher nicht kondensierbar ist, d.h. der Verdichterdruck ist höher als der kritische Druck. Dabei wird nur CO2 in der Anlage verwendet und über den kritischen Punkt gekühlt, ohne dass es während des Kühlvorgangs zu einer Phasenänderung kommt. Diese Systeme arbeiten in der Regel mit hohen Verdichter-Austrittstemperaturen, da im “Gaskühler” hohe Drücke (in der Größenordnung von 95 bar) erreicht werden müssen, um einen Wärmeaustausch mit der Umgebung zu ermöglichen.

Dabei wird ausschließlich CO2 in der Anlage verwendet und oberhalb des kritischen Punkts gekühlt, ohne dass es während des Kühlvorgangs zu einer Phasenänderung kommt. Diese Systeme arbeiten in der Regel mit hohen Verdichter-Austrittstemperaturen, da im “Gaskühler” hohe Drücke (in der Größenordnung von 95 bar) erreicht werden müssen, um einen Wärmeaustausch mit der Umgebung zu ermöglichen.

Bei dieser Art von Zyklus hat der Druck des Gaskühlers einen optimalen Wert, den die Steuerung zu erreichen versuchen muss, um einen hohen Energieverbrauch zu vermeiden.

Bei der Expansion aus dem Druck des Gaskühlers entsteht Dampf, der keine nützliche Kühlwirkung hat. Dieser Dampf muss wieder auf den Druck des Gaskühlers verdichtet werden. In der einfachsten Installation wird dieser Dampf durch den Hauptkompressor verdichtet.

Dasselbe System kann auch für eine positive und negative Kühlung verwendet werden, mit einer Booster-Baugruppe. Der im Druckregelventil erzeugte Dampf wird von den MV-Kompressoren verdichtet.

Transkritischer CO2-Kreislauf: Leistungsverbesserungen

Bei einem transkritischen System besteht der Effizienznachteil darin, dass der am Ausgang des Gaskühlers erzeugte Dampf komprimiert werden muss, was zusätzlich zum hohen Verdichtungsverhältnis zu bewältigen ist. Dies wird durch eine hohe Außentemperatur noch verschärft, da mehr Dampf erzeugt wird.

In transkritischen Systemen werden häufig komplexere Zyklen zur Verbesserung der Effizienz eingesetzt, um ähnliche Wirkungsgrade wie bei herkömmlichen Flüssigkeiten zu erzielen:

• Paralleler Verdichter
• Unterkühler
• Auswerfer
• Adiabatische Gas-Kühlung
• Wärmerückgewinnung

Paralleler Verdichter

Damit soll vermieden werden, dass der Dampf am Tankauslass expandiert und dann wieder komprimiert wird. Er wird direkt verdichtet und das Verdichtungsverhältnis wird reduziert (geringerer Stromverbrauch + kleinerer Kompressor). Die Kompressorhülle muss vorbereitet werden.

Mechanischer Unterkühler

Ziel ist es, die Austrittstemperatur des Gaskühlers unter die Umgebungstemperatur zu senken, so dass bei der Expansion weniger Dampf entsteht und die Arbeit des Parallelverdichters reduziert wird.

Auswerfer

Was ist ein Ejektor?

Ein Ejektor ist ein seit dem Altertum bekanntes Gerät, das typischerweise in Dampfanlagen als Vakuumpumpe eingesetzt wird.

In CO2-Installationen wird es verwendet, indem die Ausdehnung am Ausgang des Gas-Kühlers genutzt wird, um den Druck einer anderen Kältemittelleitung kostenlos zu erhöhen.

Dampfausstoßer

Er befördert das Gas von der MV-Saugleitung in die Saugleitung des Parallelverdichters, wodurch das Verdichtungsverhältnis und damit der Energieverbrauch gesenkt werden.

Auswerfer: Flüssigkeitsausstoßer

Bei dieser Ausführung arbeiten die Verdampfer ohne Überhitzung (geflutet). Der Ejektor fungiert als Flüssigkeitsumwälzpumpe. Ohne Überhitzung saugen die Kompressoren mit einem höheren Druck an, was den Energieverbrauch senkt.

Adiabatische Gas-Kühlung

Wie bei einem Verflüssiger ist es möglich, die Eintrittstemperatur bei hoher Außentemperatur und relativ niedriger Luftfeuchtigkeit zu senken.

Wärmerückgewinnung im transkritischen Kreislauf

In transkritischen Kreisläufen ermöglicht die hohe Austrittstemperatur von CO2 eine höhere Energienutzung, und da wir im überkritischen Bereich arbeiten, können wir eine hohe Warmwasserbereitungstemperatur erreichen. Da es keinen Phasenwechsel gibt, kann eine höhere Temperatur erreicht werden als mit anderen Kältemitteln.