CO2-Kühlung

Aufgrund wachsender Befürchtungen über die schädlichen Auswirkungen fluorierter Kältemittel auf die Umwelt haben natürliche Kältemittel eine neue Renaissance erlebt, insbesondere CO2– und NH3-Kälte, die für industrielle Zwecke bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden.

Kohlendioxid (CO2) ist als Kältemittel unter der Bezeichnung R-744 bekannt und hat sich in jüngster Zeit zu einem der beliebtesten natürlichen Kältemittel entwickelt, obwohl die Technologie nicht neu ist, da sie bereits vor mehr als einem Jahrhundert verwendet wurde.
Seine jüngste Beliebtheit als Kältemittel ist auf seine sehr geringen Auswirkungen auf die Umwelt im Vergleich zu den HFCs (Fluorkohlenwasserstoffen) zurückzuführen, die durch die derzeitigen Vorschriften stark bedroht sind (F-Gas).

CO2 schädigt die Ozonschicht nicht (Ozonabbaupotenzial ODP = 0) und hat einen geringen Einfluss auf die globale Erwärmung (Treibhauspotenzial GWP = 1), wobei der letztgenannte Wert als Referenz für die Bestimmung des GWP anderer Gase gilt. Darüber hinaus trägt dieses Gas aufgrund seines hohen Wirkungsgrades auch indirekt weniger zur globalen Erwärmung bei.

Was ist CO2?

CO2 ist eine geruchlose, farblose Flüssigkeit, die schwerer als Luft ist. Obwohl es für das Leben auf der Erde notwendig ist, ist es auch ein Treibhausgas (THG), das die Umwelt verändern kann, wenn seine Konzentration in der Atmosphäre deutlich zunimmt. Es ist ein “hochsicheres” Kältemittel (Gruppe L1 nach RSIF), d. h. “nicht entflammbar” und “wenig toxisch“.

CO2 wurde bereits vor dem Aufkommen der Freone als Kältemittel verwendet, kam aber aufgrund seiner größeren technologischen Komplexität schnell außer Gebrauch. Es hat hervorragende thermophysikalische Eigenschaften, obwohl es aufgrund seiner niedrigen kritischen Temperatur (30,978 °C) und der hohen Drücke Schwierigkeiten bereitet. Es hat eine viel höhere volumetrische Kapazität als herkömmliche Kältemittel.

Dieses Gas hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Dichte in der Gasphase, was zu einer guten Wärmeübertragung in Verdampfern, Kondensatoren und Gaskühlern führt; diese Eigenschaften ermöglichen die Auswahl kleinerer Geräte im Vergleich zu denen, die FCKW, HFCKW und HFKW verwenden. Da es einen geringen Druckabfall hat, kann der Durchmesser der Rohrleitungen verringert werden.

CO2, eine gute Alternative für die Kühlung

CO2 ist sowohl für die gewerbliche als auch für die industrielle Kühlung eine gute Alternative, wobei jedoch bestimmte Sicherheitsvorkehrungen zu beachten sind. Es ist zu bedenken, dass CO2 geruchlich nicht wahrnehmbar ist und, da es dichter als Luft ist, den Sauerstoff in einem gesundheitsschädlichen Ausmaß verdrängen kann. Da es keinen Geruch abgibt, kann es dazu führen, dass der Techniker ein eventuelles Leck nicht entdecken kann. Diese Eigenschaften zwingen uns, der Lecksuche besondere Aufmerksamkeit zu widmen, ein Alarmsystem zu haben, das das Vorhandensein von CO2 rechtzeitig erkennt und warnt, und ein Notlüftungssystem zu haben.

Andererseits führt der hohe Druck des Gases beim Entweichen zu einem Ausbruch von spritzendem Kältemittel mit festen Rückständen bei sehr niedriger Temperatur und Schallgeschwindigkeit. Es ist wichtig zu wissen, dass CO2 niemals in flüssigem Zustand eingefüllt werden sollte, wenn das System unter dem Tripelpunktsdruck (5,2 bar) liegt, da sonst die in das System eintretende Flüssigkeit plötzlich ihren Zustand in Trockeneis ändert und in diesem Zustand im System verbleibt.

Im Gegensatz zu anderen natürlichen Kältemitteln kann CO2 nicht in alte oder neue Anlagen nachgerüstet werden. Die Anlagen müssen für die Eigenschaften dieses Gases und für die hohen Drücke, denen es standhalten muss, ausgelegt sein. Schließlich hat CO2 gegenüber den Kohlenwasserstoffen den Vorteil, dass es in Anlagen ohne Lastbegrenzung eingesetzt werden kann.

Was ist die Geschichte von CO2 als Kältemittel?

CO2 ist seit Anbeginn der Menschheit bekannt und existiert in der Atmosphäre in einer Konzentration von 0,04 Volumenprozent.
Als Kältemittel wurde es bereits im 19. Jahrhundert in der mechanischen Kältetechnik eingesetzt. Im Jahr 1881 baute Carl Linde die erste Maschine, die CO2 verwendete. In der Folge wurden Kompressoren entwickelt, die mit CO2 arbeiten, und es wurden zweistufige Systeme entwickelt. Die Verwendung von CO2 wurde immer weiter verbreitet.
Nach dem Ersten Weltkrieg wurden synthetische Gase entwickelt, die den Einsatz von weniger robusten und effizienteren Elementen ermöglichten. Damit begann der Niedergang von CO2 als Kältemittel, und die FCKW-Gase gewannen den Kampf. 50 Jahre lang beherrschten FCKW-Kältemittel den Weltmarkt, bis 1974 entdeckt wurde, dass die Verwendung dieser Stoffe ein Ozonloch verursachte. Dies war die Geburtsstunde der FKW-Kältemittel, die bis heute verwendet werden, die aber die globale Erwärmung beeinträchtigen und deren Verwendung daher eingeschränkt ist.

Warum erwägen wir den Einsatz von CO2 in Kühlsystemen?

Das von der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen vereinbarte Kyoto-Protokoll hat zum Ziel, die Emissionen von sechs Treibhausgasen (CO2, CH4, N2O, HFC, PFC und SF6) zu reduzieren.

Zu den Maßnahmen und Verordnungen, die zur Erreichung dieser Ziele erlassen wurden, gehört die F-Gas-Verordnung, die 2006 eingeführt und in der Folge immer wieder verschärft wurde. Ihr Ziel ist es, die FKW-Gasemissionen bis 2030 um ein Drittel zu reduzieren.
Um diese Ziele zu erreichen, werden auf europäischer Ebene Verwendungsbeschränkungen und Verbote festgelegt. Gleichzeitig werden auf staatlicher Ebene Steuern auf die Verwendung von Kältemitteln festgelegt, um die Verwendung anderer Kältemittel mit geringeren Umweltauswirkungen zu fördern.

Wenn wir uns auf Kältemittel mit GWP-Werten < 150 konzentrieren, sind die meisten von ihnen entflammbar (HFO), giftig (NH3) oder arbeiten mit hohen Drücken (CO2).

Thermodynamische Eigenschaften von CO2

Der Hauptunterschied zwischen CO2 und anderen Kältemitteln ist der Betriebsdruck, bei dem es arbeitet. Dies macht es jedoch zu einem Gas mit hoher Dichte, wodurch eine höhere Kälteleistung bei geringer zirkulierender Masse erreicht wird.

Die Verdampfungsenthalpie pro verdrängtem Kubikmeter (kJ/m3) ist viel höher als bei anderen Gasen. Dies bedeutet, dass der Verdrängungsraum des Kompressors und der Rohrdurchmesser kleiner sind.

Druck-Enthalpie-Diagramm (log P-h) (Mollier-Diagramm)

Bei der Arbeit mit CO2 für die Kälteerzeugung müssen wir ein erweitertes P-h-Diagramm verwenden, d. h. zusätzlich zu den üblichen Dampf-, Dampf-Flüssigkeits- und Flüssigkeitszonen, die im Mollier-Diagramm jedes herkömmlichen Kältemittels zu sehen sind, müssen wir auch die Zone oberhalb des kritischen Punktes (überkritische Phase) sowie die Zonen unterhalb des Tripelpunktes darstellen.

Die folgende Grafik zeigt den physikalischen Zustand von CO2 in Abhängigkeit von Druck (P) und Enthalpie (h). Durch Veränderung dieser beiden Variablen erhält man vier klar differenzierte Phasen: fest, flüssig, dampfförmig und überkritisches Fluid; dazu kommen drei weitere Zweiphasen-Mischzonen: fest-flüssig, fest-dampfförmig und flüssig-dampfförmig.

Im Vergleich zu anderen Kältemitteln fällt auf, dass schon bei sehr niedrigen Temperaturen hohe Sättigungsdrücke erreicht werden (z. B. 0 °C ⟹ 35 bar). Die folgenden Punkte im Phasendiagramm sollten beachtet werden:

• Kritischer Punkt: 30,98 °C und 73,77 bar ⟹ Phasenwechsel ohne Kondensation.
• Tripelpunkt: -56,56 °C und 5,187 bar ⟹ Die flüssige Phase kann nur bei einem Druck von über 5,187 bar existieren, dann entsteht bei der Ausdehnung der Flüssigkeit bei einem niedrigeren Druck Trockeneis (fest).

Mollier-Diagramm für typische Kühlanwendungen

Üblicherweise wird zur Darstellung von Kältemaschinenkreisläufen ein vereinfachtes Mollier-Diagramm verwendet, in dem weder der Bereich mit Feststoff oder Fest-Flüssig (linke Seite) noch der Bereich unterhalb des Tripelpunkts (< 5,2 bar) dargestellt ist. Daher würde das Diagramm für den normalen Kälteeinsatz nur durch die Zonen mit Flüssigkeit und Dampf (oder Flüssig-Dampf) dargestellt, ganz ähnlich wie das Diagramm für jedes andere Kältemittel im täglichen Gebrauch, aber mit viel höheren Drücken:

Was passiert in der kritischen Region?

Wenn man sich dem kritischen Punkt nähert, tendieren die Dichten von Flüssigkeit und Dampf zum gleichen Wert, und der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Dampf verschwindet, wenn der kritische Punkt erreicht ist. Es entsteht ein Bereich mit hoher Dichte.

Die Tatsache, dass wir unterhalb des kritischen Punktes arbeiten können oder nicht, bestimmt die Art der Anlage und die Betriebsweise, wodurch wir völlig unterschiedliche Systeme erhalten. In luftgekühlten Kälteanlagen können wir bei Umgebungstemperaturen unter ca. 25 °C in einem unterkritischen Kreislauf arbeiten, während wir bei höheren Temperaturen in einem transkritischen Kreislauf arbeiten müssen.

Die häufigsten Anwendungen, Vorteile, Nachteile und Vorschriften für CO2 als Kältemittel.

Die häufigsten Anwendungen der CO2-Kälte.

• Gewerbliche und industrielle Kältetechnik.
• Gekühlter Transport.
• Kompakte Systeme.
• In Supermärkten.
• Und zwar in direkten, kaskadierten und indirekten Systemen.

 

Vorteile der Verwendung von CO2 als Kältemittel.

• Ozonabbaupotenzial (ODP) = 0, Erderwärmungspotenzial (GWP) = 1.
• Nicht entflammbar.
• Es hat eine geringe Toxizität (nur in hohen Konzentrationen gefährlich).
• Enthält einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten.
• Hohe Leistung, niedriger Energieverbrauch.
• Es hat keine Langzeitnebenwirkungen.
• Sie ist wirtschaftlich und birgt kein Risiko der Veralterung.
• Hohe Verfügbarkeit, da es als Nebenprodukt verschiedener Prozesse gewonnen wird.
• Kann mit POE-, PGA- und PVE-Schmierstoffen gemischt werden.

Nachteile der Verwendung von CO2 als Kältemittel.

• Es funktioniert bei höheren Temperaturen und Drücken als HFKW und andere Kältemittel.
• Im Falle einer Leckage sammelt sich das CO2 am Boden und verdrängt die Luft; da es geruchlos ist, kann es olfaktorisch nicht wahrgenommen werden.
• CO2 ist nur für neue Anlagen geeignet. Als Hochdruckkältemittel mit niedriger kritischer Temperatur ist es nicht für die Nachrüstung von Anlagen mit bestehenden fluorierten Kältemitteln geeignet.
• Der Preis des Systems ist hoch.

Die bei der CO2-Kühlung zu berücksichtigenden Vorschriften.

• Verordnung (EG) Nr. 1005/2009 des Europäischen Parlaments über Stoffe, die zum Abbau der Ozonschicht führen.
• Königlicher Erlass 552/2019 vom 27. September zur Verabschiedung der Sicherheitsvorschriften für Kälteanlagen und ihrer ergänzenden technischen Anweisungen.
• Königlicher Erlass 1042/2013 vom 27. Dezember zur Genehmigung der Verordnung über die Steuer auf fluorierte Treibhausgase. Gesetz 16/2013.
• Gesetz 6/2018, vom 3. Juli, über den allgemeinen Staatshaushalt 2018. Artikel 85 (Änderung der vorherigen Verordnung).
• Verordnung (EU) Nr. 517/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. April 2014 über fluorierte Treibhausgase. “F-Gas-Verordnung”.
• Königlicher Erlass 115/2017 vom 17. Februar, der das Inverkehrbringen und die Handhabung von fluorierten Gasen und Ausrüstungen, die auf diesen basieren, sowie die Zertifizierung von Fachleuten, die diese verwenden, regelt und die technischen Anforderungen für Anlagen festlegt, die Tätigkeiten ausführen, bei denen fluorierte Gase freigesetzt werden.
• Internationales Elektrotechnisches Komitee (IEC 60335-2-89). Kältemittelfüllung in gekühlten Möbeln.