Offizielles Organ des Bundesinnungsverbandes des Deutschen Kälteanlagenbauerhandwerks Die Kälte + Klimatechnik Planung & Technik ➔ Kältetechnik – Co2 als Kältemittel Fachbeitrag aus KK 1 – 10 | 2010 > www.diekaelte.de < KK 2010 2010 63. Jahrgang E 4031 Gentner Verlag Planung & Technik Kältetechnik CO 2 als Kältemittel – Teil 1: Einführung Eigenschaften von CO2 In der Praxis tauchen oft nicht nur Detailfragen auf, sondern auch Fragen zum generellen Umgang mit CO2 als Kältemittel in all seinen Facetten. In einer Serie, die in dieser Ausgabe mit einer Einführung zu den Eigenschaften von CO2 startet, werden die technischen Hintergründe und konkreten Herausforderungen für den Anwender beleuchtet und dabei sowohl theoretische als auch praktische Belange behandelt. Obwohl die allgemeine technische Anwendung von CO2 stets im Mittelpunkt bleibt, werden in den weiteren Teilen auch konkrete Schaltungs- und Lösungsvarianten aufgezeigt. Stephan Bachmann, Offenbach Die sich aus direkten und indirekten CO2-Emissionen zusammensetzende Gesamtmenge „TEWI“ ist ein guter Indikator für die tatsächliche Umweltbelastung Die Wissenschaft ist sich heute einig, dass Treibhausgase die Hauptursache für die globale Erwärmung sind. Viele internationale Organisationen, darunter auch die UN, teilen diese Auffassung. Energieeinsparungen wären einen Schritt in die richtige Richtung. Dennoch ist der bei der Energieerzeugung verursachte CO₂-Ausstoß nur ein Teil des Problems. Ein weiteres Problem ergibt sich durch die direkte Emission anderer Treibhausgase, von denen manche um ein Vielfaches klimaschädlicher sind als CO₂. Eine große Gruppe dieser weiteren Treibhausgase sind Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW). Das sind genau die Kältemittel, die – wie wir alle Stephan Bachmann, Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kälte technik, Offenbach 2 issen – in den meisten Kälte-, Klima- und w Wärmepumpenanlagen verwendet werden. Die gewerbliche Kältetechnik trägt zur globalen Erwärmung bei Auf globaler Ebene stellen gewerbliche Kälteanlagen den Teilsektor der Kältetechnik mit den größten Kältemittelemissionen dar (als CO₂-Äquivalente berechnet). Ihr Anteil an der Summe aller Kältemittelemissionen liegt bei 30 %. Das Emissionsniveau einschließlich Undichtigkeiten und Emissionen während Wartungsarbeiten sowie bei der Entsorgung bzw. dem Rückbau von Anlagen wird allgemein als hoch eingestuft, insbesondere im Fall von Supermärkten. Je größer die Kältemittelfüllmenge der Anlage, desto größer das Risiko bei eventuellen Havarien. Mögliche Undichtigkeiten ergeben sich hauptsächlich bei langen Rohrleitungsstrecken und einer großen Anzahl von Verschraubungen und Ventilen in der Anlage. Die Leckrate einer durchschnittlichen Kälteanlage in einem dänischen Supermarkt beträgt ca. 8–10 % pro Jahr. In anderen Ländern dieser Welt liegt sie oftmals noch höher – bei 30 % oder mehr mit einer durchschnittlichen Leckrate von 18 %. 1) Beispiel: Im Falle einer kommerziellen Kälteanlage mit einem Füllgewicht von 500 kg R 404A nehmen wir eine jährliche Leckrate von 10 % an. Das Kältemittel R404A hat einen GWP (Global Warming Potential = Treibhauspotential) von 3 750. Damit entspricht die jährliche Leckage einem CO₂Äquivalent von 187 Tonnen CO₂. Dieser Wert entspricht dem CO₂-Ausstoß von 50 Autos, mit denen jährlich 20 000 km zurückgelegt werden. Insgesamt belaufen sich die alleine von Kälteanlagen ausgestoßenen F-GasEmissionen auf ein CO₂-Äquivalent von 1) IPCC/TEAP Special Report Safeguarding the Ozone Layer and the Global Climate System: Issues Related to Hydrofluorocarbons and Perfluorocarbons. Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 [PSI] Druck [bar] Dichte [Lb/ft�] [kg/m�] überkritisch 93.6 1500 flüssig flüssig 62.4 1000 fest Kritischer Punkt: +31 °C 73,6 bar Kritischer Punkt: +31 °C 73,6 bar 31.2 Tripelpunkt: -56,6 °C 5,2 bar 500 gasförmig gasförmig 0 0 -40 -40 -20 -4 0 32 20 68 40 [oC] 104 [oF] Gesättigte Temperatur Temperatur ρ,t-Diagramm von CO2 CO2-Phasendiagramm mehr als 1 000 Millionen Tonnen – die Emissionen mobiler und stationärer Klimaanlagen nicht inbegriffen. Die Gesamtmenge aller F-Gas-Emissionen tragen zu 1 % zur globalen Erwärmung bei. Dieser Wert ❙ ❙ Vorschau und Inhalte Diese Serie soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Aus führungen von CO2-Systemen – für subkritische wie für transkritische Anwendungen – vermitteln. Sie richtet sich an technisch orientierte Leser, für die CO2-Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2-Systemen gelegt. Danach wird auf die Entwicklung vollständiger Systeme eingegangen. Weitere Teile sind: ❙❙ Gaskühler und Mitteldruck abscheider ❙❙ Kaskadenwärmetauscher ❙❙ Niederdrucksammler/Pumpen abscheider ❙❙ Verdampfer und Verdichter ❙❙ Stillstandssicherheitssysteme & Wärmerückgewinnung bei CO2Systemen ❙❙ Kaskadensysteme ❙❙ Einfache transkritische Systeme, z. B. für Lebensmitteleinzelhandel ❙❙ Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung mag gering erscheinen, jedoch kommt er in Regionen, die sich mit dem weltweiten CO₂-Ausstoß der Luftfahrt oder der Computerindustrie vergleichen lassen (beide liegen bei ca. 2 %). Natürliche Kältemittel könnten eine effiziente Alternative darstellen Die Verwendung natürlicher Kältemittel könnte die Situation entscheidend verbessern. Zur Gruppe der natürlichen Kältemittel gehören Ammoniak, Kohlenwasserstoffe und CO₂. Dabei scheint es auf den ersten Blick merkwürdig, dass CO₂ zur Bekämpfung der globalen Erwärmung eingesetzt werden kann. Tatsächlich ist dieses aber tausendfach weniger schädlich als F-Gase. CO₂ hat einen GWP von 1 (Referenzwert) im Vergleich zu R 404A mit dem GWP von 3 750. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass CO₂ bereits als Nebenprodukt vieler Industrieprozesse anfällt und damit nicht aufwendig als Kältemittel extra produziert werden muss. CO₂ kann daher, anstatt es einfach in die Atmosphäre entweichen zu lassen, zur weiteren Nutzung in Kälteanlagen verwendet werden. Es ist im Überfluss verfügbar und daher auch preislich sehr attraktiv. Ammoniak und Kohlenwasserstoffe sind ebenfalls sehr gut als Kältemittel geeignet. Jedoch beschränkt sich die Nutzung dieser Stoffe aufgrund ihrer erhöhten Toxizität bzw. Entflammbarkeit hauptsächlich auf Industrieanlagen (Ammoniak) und kompakten Kleinstkälteanlagen (Kohlenwasserstoffe). Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 CO₂ als Kältemittel hat ein ökologisches Image. Die Zahl der Unternehmen, die ein Bewusstsein dafür entwickeln, dass ihre Konsumenten immer stärker auf den Umweltschutz achten, wächst stetig. Viele Einzelhandelsunternehmen setzen sich in ihren CSR-Berichten „grüne Ziele“ (Corporate Social Responsibility – gesellschaftliche Unternehmensverantwortung). Lebensmit- teleinzelhandelsunternehmen wie Aldi, Marks & Spencer, Tesco und viele andere nehmen die Herausforderung in Bezug auf Kältemittel an. Eigenschaften von CO2 Das CO₂-Phasendiagramm zeigt die Temperatur- und Druckphasen von reinem CO₂. Die Bereiche zwischen den Kurven kennzeichnen die Temperatur- und Druckbereiche, bei denen die verschiedenen Phasen fest, flüssig, gasförmig und überkritisch vorherrschen. Die Punkte auf den Kurven kennzeichnen die Druck- und entsprechenden Temperaturbedingungen, unter denen mehrere Aggregatzustände gleichzeitig möglich sind, zum Beispiel fest und gasförmig, flüssig und gasförmig, fest und flüssig. Bei atmosphärischem Druck kann CO₂ nur als Festkörper oder gasförmig vorkommen. Der Aggregatzustand „flüssig“ ist bei diesen Druckverhältnissen nicht möglich: Unterhalb von –78,4 °C nimmt CO₂ einen festen Zustand als „Trockeneis“ an. Oberhalb dieser Temperatur sublimiert es direkt in den gasförmigen Aggregatzustand. 3 Planung & Technik Kältetechnik Druck [PSI] [bar] überkritisch flüssig 1450 100 flüssig 145 fest – flüssig 10 fest fest – gasförmig 14.5 1 gasförmig Kritischer Punkt: +31 °C 73,6 bar flüssig – gasförmig Tripelpunkt: -56,6 °C 5,2 bar grund seines eingeschränkten Temperaturbereichs und des hohen Drucks auch einige Nachteile. Der Betriebsdruck für subkritische Systeme liegt normalerweise im Bereich von 5,7 bis 35 bar, entsprechend –55 bis 0 °C CO₂ findet in der industriellen Kältetechnik zumeist in Form von Kaskaden systemen Anwendung, da der Druck hier so begrenzt werden kann, dass handelsübliche Komponenten wie Verdichter, Regler und Ventile genutzt werden können. Transkritische CO₂-Systeme sind gegenwärtig besonders für kleine und kommerzielle Anwendungen, zum Beispiel mobile Klimaanlagen, kleine Wärmepumpen und die Supermarktkälte geeignet. - -78,4 °C Enthalpie Log p,h-Diagramm für CO2 Bei einem Druck von 5,2 bar und einer Temperatur von –56,6 °C erreicht CO₂ einen ganz besonderen Zustand, den sogenannten Tripelpunkt. An diesem Punkt existieren alle drei Aggregatzustände, also fest, flüssig und gasförmig, gleichzeitig. Druck [PSI] [bar] 100 90 80 70 60 50 1450 1305 1160 1015 870 725 40 580 30 435 20 290 Subkritischer Kältekreislauf -5,5 °C subkritisch CO2 als Kältemittel CO₂ erreicht seinen kritischen Punkt bei 31,1 °C. Bei dieser Temperatur ist die Dichte im flüssigen und gasförmigen Aggregat zustand gleich. Die Unterscheidung zwischen diesen beiden Zuständen ist damit hinfällig. CO₂ lässt sich in zahlreichen unterschiedlichen Systemen, darunter sowohl sub- als auch transkritische, als Kältemittel einsetzen. Für jedes CO₂-System müssen der kritische Punkt wie auch der Tripelpunkt berücksichtigt werden. Der klassische Kältekreislauf – wie wir ihn alle kennen – ist subkritisch (unterkritisch), d. h., sämtliche Temperatur- und Druckbereiche liegen unterhalb des kritischen Punkts und oberhalb des Tripel punkts. Ein einstufiges subkritisches CO₂-System ist einfach, hat aber auf4 10 145 5 73 Druck [PSI] [bar] 100 90 80 70 60 1450 1305 1160 1015 870 50 725 40 580 30 435 20 290 10 145 5 73 -40 °C Enthalpie Transkritischer 35 °C Gaskühlung Gas cooling 95 °C Kältekreislauf -12 °C Enthalpie Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 CO 2 als Kältemittel – Teil 2: Gaskühler und Mitteldruckabscheider Stephan Bachmann, Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach Danfoss R64-1966.10 Bei Temperaturen über 31 °C kann CO₂ nicht kondensieren. Infolgedessen stehen Druck und Temperatur bei der Wärme übertragung (Abkühlung) nicht mehr miteinander in Wechselwirkung. Da CO₂ keine Aggregatzustandsänderung durchläuft, fällt die Temperatur kontinuierlich, wenn CO₂ durch den Gaskühler geleitet wird. Zudem ändert sich die Wärmekapazität von CO₂ bei der Abkühlung. Dies macht den Unterschied aus von Gaskühlern (Bild 2) im Vergleich zu Wasser-zu-Kältemittel-Wärmetauschern, in denen die Wärmekapazität der beiden Fluide gleich bleibt (Bild 1). Die Wärmeabgabe für verflüssigende Kältemittel erfolgt bei konstanter Temperatur (Enthitzung nicht berücksichtigt). Das Kühlmedium hingegen ändert seine Temperatur sensibel (Temperatur steigt an). Damit ist die kleinste Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Kühlmedium am Kühlmedienaustritt zu erwarten. Bei transkritischem CO₂ tritt der geringste Temperaturunterschied nicht am Austritt des Kühlmediums, sondern oft am Eintritt Danfoss R64-1967.10 Der erste Teil dieser praxisnahen Serie zu CO2 als Kältemittel beschäftigte sich in der KK 1/2010 zunächst mit den grundlegenden Eigenschaften von CO2 als Kältemittel. Im zweiten Teil geht es zunächst um die Komponente in einem transkritischen System, die sich am deutlichsten von einem System mit konventioneller Kältetechnik unterscheidet, den Gaskühler – in herkömmlichen Kältesystemen übernimmt der Verflüssiger diese Aufgabe. Ferner werden am Ende dieses Beitrags die Möglichkeiten diskutiert, den Mitteldruck in transkritischen CO2-Systemen zu regeln. Stephan Bachmann, Offenbach Bild 1: Wärmeübergang – verflüssigendes Kältemittel Bild 2: Wärmeübergang – transkritisches CO2 oder inmitten des Gaskühlers auf, abhängig von den Druck- und Temperaturkonfigurationen. Daher ist es möglich, mit CO₂ sehr hohe Temperaturen zu erreichen. Für eine optimale Nutzung des Gaskühlers ist es wichtig, ihn als Wärmetauscher im Gegenstromprinzip zu fahren. Der Temperaturunterschied zwischen Luft und CO₂ in einem Gaskühler beträgt etwa die Hälfte dessen, was bei einem verflüssigenden Kältemittel üblich ist. Wasser/ Sole und Luft werden am häufigsten zum Kühlen eines Gaskühlers genutzt. Da die Temperatur des Kältemittels in einem Gaskühler nicht konstant ist, kann der Druck der Hochdruckseite zur Maximierung des COP genutzt werden (Bild 3). Der Druck kann so abhängig von der Temperatur am CO₂-Austritt des Gaskühlers geregelt werden. Für die Druckoptimierung sorgen z. B. der Regler der Danfoss EKC 326A-Baureihe und das ICMTS-Expansionsventil am Austritt des Gaskühlers. In dieser Zusammenstellung ist es möglich, den Gaskühlerdruck und den Druck im Abscheider unabhängig voneinander zu optimieren. Der Druck im Abscheider ist ein wichtiger Parameter. Um den Mitteldruck niedrig zu halten, wird Flashgas über eine Bypassleitung zur Saugseite des Verdichters geführt. Die Zweiphasenmischung des ICMTS-Expansionsventils muss getrennt werden, bevor Gas in die Bypassleitung eintritt. Wenn die Trennung unvollständig ist, gelangt Flüssigkeit durch die Bypassleitung in den Verdichter. Daher muss der Abscheider möglichst effektiv arbeiten. Bei der Betrachtung des Mitteldrucks zeigt sich, dass der Druck so niedrig wie möglich sein muss, um die Menge an Flüssigkeit in der Bypassleitung zu mini mieren (Bild 4). Flüssigkeit kann nicht nur den Verdichter beschädigen, sondern ver- Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 5 Planung & Technik Kältetechnik Bild 3: Optimaler COP in Gaskühlern ringert auch den COP des Systems und ist daher an dieser Stelle unerwünscht. Oft werden Drücke zwischen 30 und 35 bar (-9 °C/0 °C) gewählt, da der Flüssigkeitsanteil in der Bypassleitung unter diesen Bedingungen bei nur ca. 1-2 % liegt. Dieser Anteil kann vernachlässigt werden. Dabei herrscht immer noch ein ausreichend großer Druckunterschied für die AKV-Ventile von 4-10 bar. Der Druck des Behälters bleibt konstant, unabhängig von der Umgebungstemperatur. Das Mischungsverhältnis zwischen der Bypassleitung und der Flüssigkeitsleitung hingegen schwankt abhängig vom Druck im Gaskühler und der Temperatur am Gaskühleraustritt (Bild 5 und Bild 6). Durch die Entkopplung von Umge bungstemperatur und Abscheiderdruck ist der Massenstrom in den Verdampfern nur eine Funktion der Kälteleistung. Bei trans R744 .8 /k g- K -0 -0 kj -0 .6 P [bar] 30°C 20°C 10°C 0°C -10°C .7 30°C 10 2 X=0.97 X=0.98 X=0.99 10 1 0.2 10 0 -500 -0 .9 -1 Danfoss R64-1957.10 10 3 -400 0.4 -300 0.6 -200 h [kj/kg] 0.8 -100 0 100 Bild 4: Kreislauf im log p,h-Diagramm bei drei verschiedenen Mitteldruckwerten Bild 5: Flüssigkeits-/Gasanteile am Gaskühler-/Verflüssigeraustritt bei 35 °C (30, 35 und 4 bar) (transkritischer Betrieb) 6 Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 R744 -0 .9 -1 Danfoss R64-1962.10 10 3 kj /k 6 84[%] 16[%] -0 . P [bar] gK -0 .7 -0 .8 10 2 10 1 0.2 0.4 0.6 0.8 Bild 7: Gaskühlerregelung im log p,h-Diagramm 0 10 -500 -400 -300 -200 h [kj/kg] -100 0 100 Bild 6: Flüssigkeits-/Gasanteile am Gaskühler-/Verflüssigeraustritt bei 10 °C (subkritischer Betrieb) kritischen Systemen ohne Bypassleitung variiert der Massenstrom um einen Faktor 2 allein aufgrund der Umgebungstemperatur, wodurch die Dimensionierung der Saugleitungen und die Ölrückführung schwierig werden. Gaskühlerregelung mit EKC 326A Die Gaskühlerregelung bei Kältesystemen ist noch recht neu und wurde daher in den vergangenen Jahren intensiv untersucht. In diesem System wurde die Gaskühlerregelung in drei Abschnitte unterteilt. Bei niedrigen Temperaturen wird das System als konventionelles Kältesystem geregelt, bei dem die Unterkühlung die Regelgröße ist (normalerweise ist eine Regelung bei verflüssigenden Kältemitteln nicht erforderlich). Bei Temperaturen, die sich dem kritischen Punkt nähern, wird der Algorithmus geändert: Die Unterkühlung wird schrittweise erhöht, um die Lücke zwischen konventioneller und transkritischer Regelung zu schließen. Unter transkritischen Bedingungen ist der Druck nach dem Gaskühler eine Funktion der Temperatur. Das Ziel ist es, einen höchstmöglichen COP bei der gegebenen Temperatur zu erreichen. Die Lüfter des Gaskühlers werden abhängig von der CO₂-Temperatur nach dem Gaskühler geregelt. Fällt die Temperatur unter den festgelegten Wert, drehen die Lüfter langsamer. Sind keine Verdichter in Betrieb, werden die Lüfter ausgeschaltet. In konventionellen Systemen wird der Druck oft als Regelgröße verwendet (da die Energieeffizienz mit der Senkung des Verflüssigungsdrucks steigt). In transkritischen Systemen kann dies bei tiefen Außentemperaturen jedoch die Unterkühlung erhöhen, was einen zu geringen Druck im Abscheider und damit einen zu geringen Differenzdruck für die Expansionsventile zur Folge hat. Wassergekühlte Gaskühler Wassergekühlte Gaskühler kommen oft in Wärmepumpen und Supermarktsystemen zum Einsatz, in denen die Wärmerückgewinnung Teil des Systems ist. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wärmestrom aufgrund hoher Wärmeübertragungskoeffizienten auf beiden Seiten aus und sind somit sehr kompakt. Ein weiterer Unterschied zu konventionellen Kältesystemen besteht im hohen Druck. Da die Eignung für hohe Drücke zusammen mit der Medienstromführung im Gegenstromprinzip die Voraussetzung für einen Gaskühler bilden, eignen sich Koaxial-Wärmetauscher besonders gut für diesen Einsatz. Rohrbündelwärmetauscher und ähnliche Wärmetauscherbauarten hingegen führen beide Medien nicht exakt im Gegenstrom zueinander und sind daher nicht geeignet. Bild 8: Wassergekühlter Gaskühler Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 7 Planung & Technik Kältetechnik ❙ ❙ Zusammenfassung Bild 9: Lamellenrohrgaskühler mit Isolierung zwischen den Rohrreihen Das Innenvolumen von Koaxial-Wärmetauschern ist sehr gering, verglichen mit deren Kapazität. Durch dieses geringe Volumen reduziert sich auch das erforderliche Abscheidervolumen. Das ist sehr wichtig, da die Kältemittelfüllung im Gaskühler je nach Druck und Temperatur stark schwankt, sodass ein Wärmetauscher mit kleinem Innenvolumen besonders wichtig ist. Bild 10: Mitteldruckregelung durch ETSSchrittmotorventil System Luftgekühlter Gaskühler mit einem Schrittmotorventil Luftgekühlter Gaskühler mit einem mechanischen Regelungsventil Luftgekühlter Gaskühler mit zusätzlichem Verdichter Vorteile Flexibles System Einfache Handhabung Hoher Wirkungsgrad, reduzierter Energieverbrauch Nachteile Geringerer Nur ein Sollwert Wirkungsgrad verfügbar als bei Systemen mit Parallel verdichtung Kostenintensiv und komplex Verwendete DanfossKomponenten ICMTS EKC 326A ETS AKS 2050 AKS11 ICMTS EKC 326A ETS AKS 2050 AKS11 Hohe CO₂-Temperaturen können zu Verkalkungsproblemen führen, denen besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte. Die Druckgastemperatur einiger Systeme liegt bei 160 °C. In Verbindung ICMTS EKC 326A ICS+CVP-XP AKS 2050 AKS11 mit der relativ hohen Wärmekapazität und einem hohen Wärmeübertragungs koeffizienten fällt die Wandungstemperatur im Wärmetauscher verglichen mit anderen Kältemitteln höher aus. Der Wasservolumenstrom im System wird durch ein temperaturgesteuertes AVTAWasserventil nach der Wasserausritts temperatur geregelt (ein minimaler Bypass des Kühlwassers über das AVTA-Ventil muss gewährleistet sein, damit auch im Falle des Schließens des AVTA ein Signal an den Temperaturfühler gelangen kann, um eine Wiederöffnung möglich zu machen). Der CO₂-Druck wird mithilfe eines ICMTS-Ventils und EKC 326A-Reglers, der eingehende Daten vom AKS 11-Temperatursensor und dem AKS2050 (AKS 32R)-Druckmessumformer abruft, geregelt (Bild 8). Bild 11: Mitteldruckregelung durch ein CVPXP-Pilotventil 8 Luftgekühlte Gaskühler Luftgekühlte Gaskühler kommen oft in Kältesystemen ohne oder mit nur Teilwärmerückgewinnung zum Einsatz. Bei der CO₂Kühlung kommen üblicherweise Lamellenrohrgaskühler zum Einsatz. Sie weisen einen niedrigeren Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Luftseite auf, wodurch die Wärmetauscher oft größer sind und über ein höheres Volumen als wassergekühlte Gaskühler verfügen. Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 Ein interessanter Aspekt von CO₂ ist, dass ein Druckabfall die Effizienz der Kälteanlage nicht in der gleichen Weise wie mit konventionellen Kältemitteln beeinflusst (Druckabfälle sind weniger gravierend). Ein Druckabfall von 0,5 bis 1 bar ist als normal anzusehen. In der Praxis bietet der hohe Druckabfall weitere Vorteile, da hiermit der interne Wärmeübertragungskoeffizient gesteigert werden kann und außerdem kleinere Rohrdurchmesser im Gaskühler verwendet werden können (8 und 10 mm Rohre werden für diesen Zweck häufig eingesetzt). Da Luftkühler keinen perfekten Gegenstrom aufweisen, ist die Wärmeleitung in den Lamellen ein Problem, das bedacht werden muss. Je nach Konstruktion können Temperaturunterschiede von 100 K zwischen zwei Rohren herrschen, deren Abstand lediglich 20 bis 25 mm beträgt. Die Rohre sind mit Lamellen von hoher Wärmeleitfähigkeit und Effizienz verbunden, um den Wärmeaustausch zu verbessern. Allerdings wird durch diese Konstruktion die Wärmeübertragung von einem warmen auf ein kaltes Rohr erleichtert, was vermieden werden sollte. Die Leistungseinbußen dieser Wärmebrücke können bei 20-25 % liegen. Durch eine Isolierung der Lamellen können diese Einbußen reduziert oder vermieden werden. Das Innenvolumen des Gaskühlers ist von besonderer Wichtigkeit, da es sich direkt auf die Größe des Abscheiders auswirkt. Die mittlere Dichte von CO₂ im Gas- kühler ändert sich drastisch – von transkritisch zu subkritisch – und beeinflusst somit die Größe des Abscheiders. Besondere Aufmerksamkeit muss Systemen gewidmet werden, bei denen die Gaskühlung in zwei Stufen erfolgt – also zunächst Wasser mit einem kompakten Wärmetauscher erhitzt und danach das transkritische Fluid im luftgekühlten Gaskühler heruntergekühlt wird (weitere Details zu dieser Thematik können Sie im Teil 6 dieser Serie „Stillstandssicherheitssysteme & Wärmerückgewinnung bei CO2-Systemen“ nachlesen). Die mittlere Dichte ist in diesem Fall sehr hoch, daher schwankt das Volumen beträchtlich. Ferner kann zudem die Unterkühlung starke Schwankungen in der Füllung des Gaskühlers verursachen. Aus diesem Grund ist die Regelung der Unterkühlung äußerst wichtig. Der Mitteldruck wird durch das ETS-Schrittmotorventil und den EKC 326A-Regler geregelt. Für die Regelung des Hochdrucks kommt das ICMTSVentil zum Einsatz. ❙❙ Option 2: In einigen Fällen (üblicherweise in größeren Systemen) kann ein ETS-Ventil durch ein ICS+CVP-XP-Pilotventil ersetzt werden, das den Druck entsprechend der Einstellung des speziell für diesen Einsatz konstruierten CVP-XP-Ventils aufrechterhält. ❙❙ Option 3: Die Parallelverdichtung ist eine gute Möglichkeit zur Senkung des Energieverbrauchs. In diesem Fall wird das Gas nicht zum Hauptverdichter umgeleitet, sondern direkt verdichtet (Bild 12). - Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Mitteldruck zu regeln: ❙❙ Option 1: Zur Senkung des Drucks in den Verteilsystemen wird dem System eine Bypassleitung hinzugefügt. Nach der hohen Druckexpansion werden Gas und Flüssigkeit getrennt, und das Gas wird über die Bypassleitung direkt an die Saugseite des Verdichters umgeleitet. Die Flüssigkeit wird an die Verdampfer verteilt. Hierdurch ist es möglich, Standardkomponenten zu nutzen, die nicht allzu hohen Drücken ausgesetzt sind (Bild 10). Bild 12: ❙ ❙ Vorschau und Inhalte Diese Serie soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Ausführungen von CO2-Systemen – für subkritische wie für transkritische Anwendungen – vermitteln. Sie richtet sich an technisch orientierte Leser, für die CO2-Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2-Systemen gelegt. Danach wird auf die Entwicklung vollständiger Systeme eingegangen. Die einzelnen Teile sind: Mitteldruckregelung ❙❙ Gaskühler und Mitteldruckabscheider mit einem Sekundär- ❙❙ Kaskadenwärmetauscher verdichter ❙❙ Niederdrucksammler/Pumpenabscheider ❙❙ Verdampfer und Verdichter ❙❙ Stillstandssicherheitssysteme & Wärme rückgewinnung bei CO2-Systemen ❙❙ Kaskadensysteme ❙❙ Einfache transkritische Systeme, z. B. für Lebensmitteleinzelhandel ❙❙ Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 9 Planung & Technik Kältetechnik CO 2 als Kältemittel – Teil 3: Kaskadenwärmeübertrager Der Einsatz von Kaskadenkältesystemen macht mit dem Kältemittel CO2 besonders Sinn. Aufgrund des niedrigen kritischen Punktes von 31,1°C kann CO2 nur (deutlich) unterhalb dieses Wertes verflüssigen. Dieser subkritische Betrieb kommt der Funktionsweise von Anlagen mit gängigen Kältemitteln wie z. B. R 134a, R 404A und R 507 sehr nahe. Wird nun CO2 in der unteren Stufe eines Kaskadensystems eingesetzt, so kann klassisch (bei niedrigen Temperaturen) verflüssigt werden. Stephan Bachmann, Offenbach Die bei der Verflüssigung entstehende Wärme wird durch das Kältemittel der oberen Stufe aufgenommen und auf herkömmlichem Wege abgeführt. Mit diesem System ist somit das umweltfreundliche Kältemittel CO₂ einsetzbar, ohne fundamentale Änderungen der Betriebsweise fürchten zu müssen, wie dies bei transkritischen Systemen der Fall wäre. Das Kältemittel der oberen Stufe bei solch einem Kaskadensystem ist nicht CO₂. Es kann hier ein beliebiges Kältemittel unter Berücksichtigung der Verflüssigungstemperatur von CO₂ verwendet werden. Konstruktion und praktischer Einsatz eines solchen Wärmeübertragers gehören zu den größten Herausforderungen von Kaskaden-Kältesystemen. Die Wahl der richtigen Leistungsgröße für den Kaskaden wärmeübertrager ist äußerst wichtig, damit er sowohl bei niedriger als auch bei hoher Kälteleistung einwandfrei arbeitet. Die Konstruktion eines Kaskadenwärmeüber- tragers für diesen Einsatz ist eine besondere Aufgabe, da auf beiden Seiten Phasenänderungen auftreten. Ist der Wärmeübertrager überdimensioniert, wird es unter Teillast beinahe unmöglich, einen stabilen Wärme übergang und einen optimalen Systembetrieb zu gewährleisten. Bei Kältesystemen für den Einsatz in Supermärkten kommen für diese Funk- Bild 1: Kaskadenwärmeübertrager mit direkter Verflüssigung Allgemeines In einem Kaskaden-Kältesystem mit CO₂ auf der Niedertemperaturseite erfolgt die CO₂-Verflüssigung im Kaskadenwärme übertrager. Die Wärme aus der Niedertemperaturstufe wird in der Hochtemperaturstufe mit abgeführt und das CO₂-Druckgas kondensiert zu Flüssigkeit. Im System der hohen Stufe wird die Wärmeabfuhr aus der niedrigen Stufe durch Verdampfen des Kälte mittels der oberen Stufe aufgenommen. der CO2-Stufe Bild 2: Kaskadenwärme übertrager mit vorgeschaltetem Enthitzer Stephan Bachmann, Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach 10 Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 tion üblicherweise Plattenwärmeübertrager zum Einsatz. Bei größeren Systemen können auch andere Arten von Kaskadenwärmeübertragern verwendet werden. In der Regel wird eines der 3 bzw. 4 folgenden Schaltungssysteme bei CO₂-Kaskaden angewandt. Standard-Kaskadenwärmeübertrager Die Einspritzung in den Kaskadenwärme übertrager auf der oberen Stufe erfolgt über ein ETS-Schrittmotorventil, das durch den EKC 316 geregelt wird. Der EKC 316 der oberen Stufe, der mittels ETS in den Kaskadenwärmeübertrager einspritzt, wird immer zeitgleich mit dem Verdichter der CO₂-Stufe aktiviert. Handelt es sich um einen Verbund, so können beispielsweise die Regler AK-PC 730 oder AK-PC 840 zur Regelung und AK-SC 255 zur Überwachung einge- setzt werden. Über diese Regler ist auch eine Freischaltung des EKC 316 mit ETS-Schrittmotorventil problemlos möglich. Beachten Sie, dass das ETS nicht für brennbare Kältemittel freigegeben ist. Wenn also beispielsweise Propan (R 290) auf der oberen Stufe genutzt wird, muss eine mechanische Lösung mit thermostatischem Expansionsventil verwendet werden. Ebenfalls wichtig ist, dass Flüssigkeit aus einem Kaskadenwärmeübertrager problemlos ablaufen kann. Diese Problematik stellt sich allgemein bei Verflüssigern. Da der CO₂-Kaskadenwärmeübertrager hier als Verflüssiger der unteren Stufe fungiert, ist er in dieser Hinsicht keine Ausnahme. Um diesen Kondensatablauf zusätzlich zu unterstützen, ist die Montage einer Ausgleichsleitung (siehe Bild 1 und 2) äußerst ratsam. ❙ ❙ Vorschau und Inhalte Diese Serie soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Ausführungen von CO2Systemen – für subkritische wie für transkritische Anwendungen – vermitteln. Sie richtet sich an technisch orientierte Leser, für die CO2-Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2-Systemen gelegt. Danach wird auf die Entwicklung vollständiger Systeme eingegangen. Die einzelnen Teile sind: ❙❙ Gaskühler und Mitteldruckabscheider ❙❙ Kaskadenwärmeübertrager ❙❙ Niederdrucksammler/ Pumpenabscheider ❙❙ Verdampfer und Verdichter ❙❙ Stillstandssicherheitssysteme & Wärmerückgewinnung bei CO2-Systemen ❙❙ Kaskadensysteme ❙❙ Einfache transkritische Systeme, z. B. für Lebensmitteleinzelhandel Bild 3: Kaskadenwärme ❙❙ Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung übertrager mit Pumpenumwälzung Bild 4: Solegekühlter Kaskadenwärmeübertrager Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 Kaskadenwärmeübertrager mit einem Mitteldruckbehälter Eine weitere Bauweise für ein CO₂-Kaskadensystem erfordert keine separate Ausgleichsleitung. Hierbei kommt der Dimensionierung und Anordnung der CO₂Rohrleitungen eine besonders wichtige Rolle zu. Die Regelung der oberen Stufe erfolgt auch hier über ein ETS- und EKC 316-System. Allerdings wird nun flüssiges CO₂ der unteren Stufe aus dem Mitteldruckbehälter zu den NK-Kühlstellen gepumpt. Der Druck im Pumpenvorlauf für die NK-Kühlstellen kann mittels Drehzahlregelung der eingesetzten Pumpen – beispielsweise mit einem Frequenzumrichter AKD 102 – konstant gehalten werden. Zusätzlich sollte ein klassischer, mechanischer Abgleich über Handdrossel-Regelventile erfolgen, wie dies auch bei Ammoniak-Kälteanlagen im überfluteten Betrieb üblich ist. 11 Planung & Technik Kältetechnik Werden nun einzelne NK-Kühlstellen abgeschaltet, so regelt sich die Pumpendrehzahl nach. Dies führt dazu, dass immer der gleiche Druck im Pumpenvorlauf herrscht. Die TK-Kühlstellen werden mittels Trockenexpansion versorgt. Das flüssige Kältemittel wird aus dem Mitteldruckbehälter entnommen, über ein Drosselorgan – z. B. Typ AKV – entspannt und durch den TK-Verdichter/ Verbund dem Mitteldruckbehälter wieder zugeführt. Kaskadenwärmeübertrager mit Sekundärkühlung Bei dieser Schaltungsvariante kann der Kaskadenwärmeübertrager in Systemen verwendet werden, in denen die NK-Kühlstellen mit Sole beschickt werden sollen. Die Pumpen, die zur Zirkulation der Sole durch die NK-Kühlstellen genutzt werden, fördern auch Sole durch den Kaskadenwärmeübertrager der unteren Stufe. Somit wird die Verflüssigungswärme der CO₂-Stufe an diesen Solekreislauf abgegeben. Durch diese Kombination kann ein Abgleich des CO₂-Kaskadenstrangs nötig sein. Deshalb ist der Einbau beispielsweise eines AB-QM von Danfoss ratsam (nur für neutrale Solen). Für die Umsetzung des ❙ ❙ Zusammenfassung System Trockenexpansion (mit und ohne Enthitzer) Trockenexpansion mit CO2Mitteldruckbehälter Sekundärkühlung Bild 1 und 2 3 4 Vorteile Einfache Verrohrung Keine Ausgleichsleitung erforderlich Stabiler Betrieb Nachteile Ausgleichsleitung erforderlich Komplexe Verrohrung Geringerer Wirkungs grad des Systems Verwendete DanfossKomponenten EKC 316 ETS AKS 11 AKS 33 EKC 316 ETS AKS 11 AKS 33 AKD AB-QM Kühlbefehls an den NK-Kühlstellen sind Magnetventile für Wasser bzw. Solen einsetzbar. Dabei muss besonders auf die Werkstoffeignung der Wasser-/Solemagnetventile geachtet werden. Je nach Aggressivität der verwendeten Sole sind Magnetventile in Messing, entzinkungsfreiem Messing oder – in besonders schwierigen Fällen – in Edelstahl einzusetzen. EV220-Magnetventile gibt es in den genannten Werkstoffspezifikationen. Ein Vorteil der solegekühlten Kaskadenschaltung ist, dass der Plattenwärmeübertrager als Standard-Plattenverflüssiger fungiert und somit wesentlich einfacher zu dimensionieren und regeln ist. Aus diesem Grund ist die einfache mechanische AB-QM-Regelung vollkommen ausreichend. - www.danfoss.de/co2 12 Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 CO 2 als Kältemittel – Teil 4: Niederdruckbehälter / Pumpenabscheider Behälter und Wärmeübertrager für CO2-Anwendungen unterscheiden sich im Grunde in ihren Funktionen und Aufgaben nicht von denen für andere Kältemittel. Ein Flüssigkeitsabscheider ist ein Behälter, in dem mithilfe der Schwerkraft Flüssigkeit und Gas voneinander getrennt werden. Er enthält eine kontrollierte Flüssigkeitsmenge, die an die Verdampfer weitergeleitet wird. CO2 kann direkt durch die Verdampfer gepumpt werden. Eine zweite Möglichkeit ist, dass ein Trockenexpansionssystem mit der Flüssigkeitsvorlage aus dem Abscheider arbeitet. Wenn zwei Temperaturniveaus benötigt werden, ist auch eine Kombination dieser beiden Optionen möglich. Stephan Bachmann, Offenbach Da die Druckverhältnisse bei CO₂ im Vergleich zu den meisten anderen Kältemitteln bei gleicher Temperatur deutlich höher sind, muss bei der Auslegung des Systems und dementsprechend auch des Behälters besonderes Augenmerk auf den Betriebsdruck gelegt werden. Die Behälter müssen den physischen Eigenschaften des Kältemittels entsprechend konstruiert sein. Trockenexpansionssysteme Bei Trockenexpansionssystemen kann auf Pumpen oder Systeme zur Regelung des Flüssigkeitsstands verzichtet werden. Ein Nachteil dieser Systeme ist der geringere Wirkungsgrad aufgrund der Überhitzung. Aus diesem Grund kommen sie eher bei kleineren Systemen (z. B. in Verbrauchermärkten oder kleinen Lebensmittelläden) zum Einsatz. Lange Rohrwege zwischen dem Flüssigkeitssammler und dem AKV-Expansionsventil sollten vermieden werden, um einer unnötigen Flashgasbildung vorzubeugen. Der Druckabfall im Filtertrockner ist in diesem Zusammenhang auch zu berücksichtigen. Stephan Bachmann, Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach Pumpenbetrieb Pumpensysteme In Pumpensystemen wird Kältemittel mit einem bestimmten Umwälzfaktor durch die Verdampfer gepumpt. Bei CO₂ wird mit einem Faktor von 1,5 bis 2 (maximal 2,5) gearbeitet. Dank des Umwälzfaktors ist das Kältemittel sowohl im Pumpenvorlauf als auch im -rücklauf stets pumpbar und auch nach dem Verdampfer nie vollständig verdampft. Aufgrund der hohen Effizienz von CO₂ sind kleinere Umwälzfaktoren als in herkömmlichen Systemen möglich. In Standard Ammoniaksystemen beispielsweise ist ein Umwälzfaktor von 3 üblich. Über den Rücklauf kehrt das CO₂ nun als Zweiphasengemisch (Hauptanteil flüssig) in den Behälter zurück. Dort wird es entsprechend den beiden Aggregatzuständen getrennt. Die Flüssigkeit wird gesammelt und der Kältemitteldampf kann nun Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 Trockenexpansion Kombiniertes System von den Verdichtern abgesaugt werden. In der Regel können industrielle Kältemittelpumpen in größeren Systemen eingesetzt werden. Diese sind hermetisch geschlossen und zeichnen sich durch einen minimalen Wartungsaufwand aus. Auf dem Markt sind CO₂-Pumpen mit Förderleistungen ab 0,5 m³/h erhältlich. Niveauregelung Der Flüssigkeitsstand in Pumpenabschneidern wird durch ein elektronisches Expansionsventil (AKV, ETS oder ICM) geregelt. Die Ansteuerung erfolgt über den Füllstandsregler EKC 347. Der Flüssigkeitsstand wird mithilfe einer Niveausonde vom Typ AKS 41 gemessen und an den EKC 347 weitergeleitet. Dieser kann nun bei zu niedrigem Füllstand über das Expansionsventil neues Kältemittel nachströmen lassen. 13 Planung & Technik Kältetechnik CO2-Trockenexpansions-Kaskadensystem – Niedertemperaturkreislauf Falls bei einem Pumpenumwälzsystem nicht explizit eine Überwachung eines zu niedrigen Flüssigkeitsstandes im Abscheider vorgenommen wird, sind niedrige Differenzdruckverhältnisse an der Flüssigkeitspumpe ein erstes Anzeichen dafür. Niedrige Flüssigkeitsstände führen zu einem geringen Systemvordruck, durch den sich wiederum ein niedriges Differenzdruckverhältnis an der Pumpe ergibt. Der übliche Mindestdifferenzdruck von CO₂-Pumpen liegt zwischen 1 und 3 bar. CO2-Pumpen Bei CO₂-Anwendungen mit Flüssigkeitsumwälzung sollte bei der Dimensionierung und der Auslegung der Rohrleitung zwischen Abscheider und Pumpe mit größter Sorgfalt vorgegangen werden. Die optimale Geschwindigkeit hierfür liegt zwischen 0,3 bis 0,5 m/s. Es sollte immer ein Mindestdurchfluss durch die Pumpe sichergestellt sein, damit die Motorwicklung stets gekühlt wird. Dies kann mit einer „Q-min-Blende“ erreicht werden. Sie tritt in Aktion, wenn die Kälteanlage ihre Sollwerte erreicht hat und alle Magnetund AKV-Ventile geschlossen sind. Zu diesem Zweck können zwei Druckmessumformer vom Typ AKS 2050 und ein Systemregler vom Typ AK-SC 255 verwendet werden. Der Systemregler versorgt den Frequenzumrichter Typ AKD mit dem aktuellen Drehzahlsollwert, mit dem dieser die Pumpe arbeiten lässt. Diese Funktion ist in boolescher Logik programmiert. Anordnung von Niederdruck abscheider und Pumpe ❙ ❙ Zusammenfassung System Trockenexpansion Pumpe Vorteile Einfach, keine Pumpen erforderlich Effiziente Bereit Hoher Wirkungsgrad, stellung von zwei CO2 kann über größere Strecken gepumpt werden Temperaturniveaus Nachteile Keine optimale Energieeffizienz Relativ komplex, Kosten Komplex, die teuerste der drei Alternativen DanfossKomponenten NRV oder CHV DCR SGN+ NRV oder CHV DCR SGRN+ AKS 41 EKC 347 AKV oder ETS NRV oder CHV DCR SGRN+ AKS 41 EKC 347 AKV oder ETS 14 Kombiniert Eine „Q-max-Blende“ wird verwendet, um die Durchflussrate und Pumpendruckvorlage auf einem maximalen Niveau zu halten und Kavitation zu vermeiden. Kavitation tritt am ehesten nach dem Abtauen der Verdampfer auf. Es müssen vier Hauptpunkte beachtet werden: 1. Der minimale Pumpenvordruck muss zur Vermeidung von Kavitation überwacht werden (obwohl dieses Problem im Vergleich zu FKW-Systemen weniger gravierend ist). 2. Der Betrieb der CO₂-Pumpe sollte stets im freigegebenen Frequenzband stattfin- Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 Q-min-Blende-Anordnung ❙ ❙ Vorschau und Inhalte Diese Serie soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Aus führungen von CO2-Systemen – für subkritische wie für transkritische Anwendungen – vermitteln. Sie richtet sich an technisch orientierte Leser, für die CO2-Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2-Systemen gelegt. Danach wird auf die Entwicklung vollständiger Systeme eingegangen. DCR-Filtertrockner anordnung in CO2-Systemen Die einzelnen Teile sind: ❙❙ Gaskühler und Mitteldruckabscheider ❙❙ Kaskadenwärmeübertrager ❙❙ Niederdrucksammler / Pumpenabscheider ❙❙ Verdampfer und Verdichter ❙❙ Stillstandssicherheitssysteme & Wärmerückgewinnung bei CO2-Systemen Verteilung für NK- und ❙❙ Kaskadensysteme TK-Kühlstellen mit Pumpe ❙❙ Einfache transkritische Systeme, z. B. für Lebensmitteleinzelhandel ❙❙ Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung den. Eine Unterschreitung der Minimaldrehzahl oder eine unerlaubt hohe Frequenz ist nicht ratsam. 3. Eingeschlossenes, flüssiges CO₂ kann besonders in der Pumpe zu größeren Problemen führen. Dies muss in jedem Fall konstruktiv ausgeschlossen sein. 4. Ein plötzlicher Abfall des Systemdrucks oder der Temperatur ist zu vermeiden. Für Verdichter wird eine variable Drehzahlregelung empfohlen. Eine variable Drehzahlregelung für CO₂Pumpen ist ratsam, da diese zu einer optimalen Leistungsanpassung führt. Ein erwünschter Nebeneffekt ist auch, dass Systemparameter wie Drücke und Temperaturen konstant gehalten werden. Ein Rückschlagventil sollte in der Pumpendruckleitung montiert werden, um einen Rückfluss bei Stillstand oder Parallelbetrieb zu verhindern. Abhängig von der Rohrgröße und anderen Faktoren können NRV-, CHVoder SCA-Ventile eingesetzt werden. Ein DCR-Filtertrockner sollte entweder in die Pumpendruckleitung oder in eine Bypassleitung eingebaut werden. Eine Bypassleitung kann in einigen Fällen die bessere Alternative sein, da auf diese Weise der Druckabfall nach der Pumpe reduziert wird. Durch den Einbau eines Filtertrockners kann sehr gut Feuchtigkeit aus dem CO₂-Kreislauf fern gehalten und im Filtertrockner gebunden werden. Es sollte ein Filtertrocknereinsatz aus 100 % Molekularsieb wie in klassischen FKW-Anlagen verwendet werden. Die Ausführung der Trocknermontage unterscheidet sich nicht bei Kaskaden- und transkritischen Systemen. Kombinierte Systeme Die Kombination eines TrockenexpansionsSystems mit CO₂-Pumpenumwälzung wird recht häufig gewählt, um zwei Temperaturni- Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 veaus (in der Regel NK- und TK-Kreislauf) zu ermöglichen. Die CO₂-Pumpe kann zu diesem Zweck zentral eingesetzt werden, um beide Temperaturniveaus mit Flüssigkeit zu beschicken. Die NK-Kühlstellen werden mit flüssigem CO₂ direkt über die Pumpe versorgt. Im Gegensatz dazu arbeiten die TKKühlstellen im Trockenexpansionsbetrieb. Somit finden sich in den TK-Kreisläufen auch Drosselorgane. Die Anordnung dieser Drosselorgane in Flussrichtung nach der CO₂Pumpe ist statthaft und bietet diverse Vorteile. Hiermit wird sichergestellt, dass jederzeit eine angemessene Flüssigkeitsvorlage vorhanden ist und keine Vorverdampfung von Kältemittel vor den AKV-Expansionsventilen bei den TK-Kühlstellen auftritt. Besonders bei großen Leitungslängen, bei denen der Maschinenraum weiter als 50 m entfernt liegt, empfiehlt es sich, diese Methode anzuwenden. 15 Planung & Technik Kältetechnik CO 2 als Kältemittel – Teil 5: Spezielle Verdampfer und Verdichter für CO2 Welchen Einfluss haben die besonderen thermodynamischen Eigenschaften von CO2 auf die Konstruktion und Betriebsweise von Verdampfern und Verdichtern? CO2 hat eine hohe volumetrische Effizienz. Dadurch sind im Verdampfer die Kreisläufe und die Rohrdurchmesser kleiner. Dies führt z. B. zu kürzeren Abtauzeiten. Verdichter gibt es sowohl für subkritische als auch für transkritische Systeme in allen bekannten Bauformen (hermetisch, halbhermetisch und offen). Einige transkritische Verdichter arbeiten einstufig, andere zweistufig. Zudem sind manche transkritische Verdichter unter Umständen mit Zwischenkühler- oder EconomiserAnschluss ausgestattet. Stephan Bachmann, Offenbach Für CO₂-Systeme kommen zwei Verdampfertypen infrage, einer für den Trockenexpansions- und einer für den Pumpbetrieb. Unterschiede bestehen in der Ausführung der Verdampferrohre sowie in der Ventilanwendung und Regelungsstrategie. Für CO₂ optimierte Verdampfer zeichnen sich aufgrund der hohen volumetrischen Kälteleistung von CO₂ durch kleinere Kreisläufe und geringere Rohrabmessungen aus. Dank dieser Tatsachen verringert sich die Dauer von Abtauvorgängen. Der weitere Vorteil von CO₂ liegt in der kurzen Abkühlzeit nach dem Abtauen verglichen mit konventionellen Systemen. Überflutete Verdampfer (Pumpbetrieb) Verdampfer gibt es in Ausführungen mit einem oder mehreren Kreisläufen. In der Regel sind Verdampfer für den Pumpenbetrieb auf mittlere Temperaturen ausgelegt. Die Verwendung von CO₂ bietet die Vorteile einer kleineren Kältemittelfüllung im Gesamtsystem sowie von geringeren Rohrund Verdampferdimensionen bei gleich- bleibend optimaler Wärmeübertragung und hohem Wirkungsgrad. Die Kälteleistung ist bei einer gegebenen Rohrdimension besser, und die Ölrückführung innerhalb des Systems wird ebenfalls erleichtert. Einkreisverdampfer Bild 1 zeigt ein typisches Flüssigkeitsumwälzungssystem mit Pumpbetrieb und Kühlmöbel- oder Kühlraumverdampfern verschiedener Größen. Zur Regelung des Flüssigkeitsstroms zu beiden Verdampfern wird ein zusätzliches Handdrosselventil (REG 10) am kleineren Verdampfer montiert, um die Flüssigkeitsversorgung der beiden Verdampfer zueinander abgleichen zu können. Diese Regelungsmethode sorgt für eine sta- bile Temperatur zwischen den verschieden großen Verdampfern. Eine der wichtigsten Aufgaben bei der Inbetriebnahme ist die Reinigung des Filters bzw. der Siebe am CO₂-Verbund und den Magnetventilen an den Kühlstellen und in den Kühlräumen. Der Filter in der Hauptflüssigkeitsleitung sollte 24 Stunden nach Inbetriebnahme der Anlage nochmals überprüft und ggf. von Fremdkörpern und Verschmutzungen gereinigt werden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die Magnetventile über den Sitz nicht mehr dicht halten. Dies kann zu einem stetigen unerwünschten Kältemitteldurchsatz durch die Verdampfer führen. Zu niedrige Temperaturen wären die Folge. Bild 1: Einkreisverdampfer in einem Pumpenumwälzsystem Stephan Bachmann, Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach 16 Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 Bild 2: Mehrkreisverdampfer in einem Pumpenumwälzsystem Bild 3: CO2-Tiefkühlung mit internem Wärmeübertrager Mehrkreisverdampfer Bild 2 zeigt den typischen Aufbau eines Pumpenumwälzsystems in Kühlmöbeln. Die Handdrosselventile (REG 10) sind an jedem Verdampfer montiert. Hiermit wird eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung für die Verdampfer erreicht. Die Regelsollwerttemperaturen für CO₂ in Kühlmöbeln und Kühlräumen sind aufgrund der überfluteten Verdampfer deutlich höher eingestellt als bei konventionellen FKW-Systemen. Sobald ein Magnetventil abschaltet, kann die Luftausblastemperatur abhängig vom Innenvolumen des Verdampfers und dem Umwälzfaktor um weitere 2 bis 4 K fallen. Dies geschieht, da auch bei bereits geschlossenem Magnetventil weiterhin im Verdampfer verbleibendes CO₂ verdampft. Trockenexpansion Trockenexpansions-Verdampfer in CO₂Systemen werden üblicherweise für Tiefkühlung (z. B. Tiefkühlkost) eingesetzt. Auch hier können die Abmessungen der Verrohrung aufgrund der Effizienz und der Vorteile von CO₂ deutlich reduziert werden. Der Rohrdurchmesser liegt oft nur bei 8 oder 10 mm. Das Abtauen bei CO₂-Systemen in Supermärkten erfolgt üblicherweise mittels Sole (Thermobankabtauung) oder elektrischer Abtauheizungen. Es ist wichtig, beim Abtauen den Druck zu begrenzen, da dieser schnell den maximal zulässigen Betriebs überdruck der Komponenten (bei Standardgeräten für den unterkritischen Einsatz selten höher als 46 bar) überschreiten kann. Bei CO₂-Kaskadensystemen wird die Nutzung eines internen Wärmeübertragers zwischen der CO₂-Saugleitung und der Hochdruckflüssigkeit aus der Hochtemperaturstufe empfohlen. Durch diese Maßnahme erreicht man eine zusätzliche Überhitzung des Kältemittels in der Saugleitung, was sich bis zu einem bestimmten Grad positiv auf den Verdichter auswirkt. Außerdem wird eine weitere Unterkühlung der Kältemittelflüssigkeit der Hochdruckstufe erreicht. Das führt zu zuverlässigerer Flüssigkeitsvorlage vor dem entsprechenden Drosselorgan der Hochdruckstufe. Regelung Zur Regelung von Verdampfern mit Pumpenbetrieb gibt es drei Möglichkeiten: ❙❙ Zentral über den Systemcontroller des Typs AK-SC 255 mit AK-XME/A-Modulen, zur Regelung der Temperatur über Magnetventile und der Abtauvorgänge ❙❙ Dezentral über die Kühlstellenregler AK-CC 750 oder AK-CC 450 ❙❙ Dezentral über EKC-Regler Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 Elektronische Regelung Aufgrund der hohen Gasdynamik ist es überaus wichtig, eine geeignete elektronische Regelung für CO₂ zu verwenden. Bei herkömmlichen Kältemitteln war es üblich bei elektronischer Einspritzregelung die Überhitzung mithilfe von Temperaturfühlern am Beginn und Ausgang, oder Temperaturfühler und Druckmessumformer nur am Ausgang des Verdampfers zu regeln. Bei CO₂-Einspritzreglern ist eine präzise und effektive Überhitzungsregelung besonders wichtig, da rasche Veränderungen beim CO₂-Druck üblich sind. Die Regler AK-CC550 bzw. AK-CC750 für Verdampfer und Kühlräume wurden für diese Anwendung entwickelt und haben sich in der Praxis bewährt. Vom Einsatz eines FKW/HFCKW-Standardverdampfers für CO₂ wird abgeraten, da die Überhitzung in dieser Konstellation kaum in den Griff zu bekommen ist. Beim Messen der Überhitzung sollten unbedingt zuverlässige und schnell ansprechende Temperaturfühler (z. B. AKS11 sind einsetzbar – AKS12-Fühler sind nicht empfehlenswert, da diese eine leicht dämpfende Wirkung haben) und Druckmessumformer (z. B. AKS32R) verwendet werden. Damit bekommt der Regler immer schnellstmöglich die aktuellen Informationen und kann unmittelbar Aktionen einleiten oder diese zeitlich verzögern. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die alleinige Verwendung von zwei Temperaturfühlern beim Messen der Überhitzung nicht ausreicht, da das System nicht schnell genug auf die Dynamik von CO₂ reagieren kann und die Gefahr besteht, dass Flüssigkeit zum Verdichter gelangt. Daher eignet sich diese Konfiguration nicht für CO₂-Verdampfer. Verdichterbauarten und Schutzvorrichtungen Inzwischen werden von mehreren Unternehmen Verdichter für CO₂ angeboten. Einige Verdichter befinden sich im Prototyp-Status, andere wiederum sind bereits seit Jahren im Einsatz. Es gibt hermetische, halbhermetische und offene Verdichter für subkritische und transkritische Systeme. Einige transkritische Verdichter arbeiten einstufig, andere zweistu17 Planung & Technik Kältetechnik Bild 4: Regelung der Überhitzung mit Temperatur- fig. Zudem sind einige transkritische Verdichter unter Umständen mit Zwischenkühleroder Economiser-Anschluss ausgestattet. Transkritische CO₂-Verdichter, Typ TN, eignen sich speziell für MBP-Anwendungen (mittlerer Verdampfungstemperaturbereich), z. B. Flaschenkühler. Die Bandbreite der einstufigen Hubkolbenverdichter mit einer Drehzahl von 2 900 U/min (ein Polpaar, 50 Hz) liegt im Bereich von 1 bis 2,5 cm³. Für transkritische Systeme sind CCBPatronendruckschalter von Danfoss Saginomiya verfügbar. In kleinen hermetischen Systemen fungieren Drosselventile, z. B. Typ MBR und TBR, zudem gewissermaßen als Sicherheitsventile, durch die Druck von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite ent lastet wird. In subkritischen Systemen können Danfoss KP6-Druckschalter mit einem maximal zulässigen Betriebsüberdruck von 46,5 bar eingesetzt werden. Die robusten Druckschalter der Serie MBC 5000 sind sowohl für subkritische als auch für transkritische Systeme geeignet. Darüber hinaus können die Differenzdruckschalter MBC 5080 und MBC 5180 verwendet werden, um den Öldruck des Verdichters zu überwachen. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass MBC-Geräte nicht gemäß Kategorie IV der Druckbehälterverordnung zugelassen sind. Allgemein sollte in CO₂-Anlagen immer an den Einsatz eines Sicherheitsventils als letzte Sicherheitsmaßnahme gedacht werden, auch wenn bereits andere Maßnahmen ergriffen wurden. Bei der Öldrucküberwachung mittels Differenzdruckschaltern muss ein externes Verzögerungsrelais verwendet werden. Leistungsregelung CO₂ ist ein höchst effizientes und dynamisches Kältemittel. Bei Verbundanlagen ist die Kälteleistung aufgrund der Ein/AusSchaltungen und Grobabstufung der Verdichtergrößen im Vergleich zur tatsächlichen Kühllast meist entweder zu niedrig oder zu hoch. Zudem ist der schwankende Saugdruck für die Schmierung der Verdichter unvorteilhaft, besonders bei CO₂. Wird ein Verdichter bei Verbundanlagen durch den AKD 102 (Frequenzumrichter) mit variabler Drehzahl geregelt, bleibt der 18 fühler und einem Druckmessumformer (separate Regler) Bild 5: Regelung der Überhitzung mit Temperaturfühler und einem Druckmessumformer (ein Regler für maximal vier Verdampfer) Saugdruck sehr stabil. Dadurch verringert sich zudem die Anzahl der Starts und Stopps der Verdichter. Bild 6 zeigt eine Verbundanlage, bei der einer der drei Verdichter (in der Regel der Führungsverdichter) auf Basis des vom Druckmessumformer (hier AKS 2050) gemessenen Saugdrucks durch den Frequenzumrichter (hier AKD102) geregelt wird. Bild 7 zeigt ein Leistungsdiagramm der Verbundanlage mit zwei, drei, vier und fünf Verdichtern, wenn einer dieser Verdichter im Bereich 30–60 Hz durch einen Frequenzumrichter geregelt wird. Nachts und an Wochenenden kann die Kühllast so gering sein, dass nur der drehzahlgeregelte Verdichter auf Minimaldrehzahl läuft. Auch dies bedeutet eine geringere Teillast, als bei einer Verbundanlage mit reinen On/Off-Verdichtern möglich wäre. Bei der Regelung des Verdichters mit variabler Drehzahl muss sowohl die Mindest- als auch die Maximaldrehzahl den Vorgaben des Verdichterherstellers entsprechen. Saug- und Druckleitung müssen so dimensioniert sein, dass die Ölrück führung bei Minimal- wie auch Volllast stets gewährleistet ist. ❙ ❙ Vorschau und Inhalte Diese Serie soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Aus führungen von CO2-Systemen – für subkritische wie für transkritische Anwendungen – vermitteln. Sie richtet sich an technisch orientierte Leser, für die CO2-Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2-Systemen gelegt. Danach wird auf die Entwicklung vollständiger Systeme eingegangen. Die einzelnen Teile sind: ❙❙ Gaskühler und Mitteldruckabscheider ❙❙ Kaskadenwärmeübertrager ❙❙ Niederdrucksammler / Pumpenabscheider ❙❙ Verdampfer und Verdichter ❙❙ Stillstandssicherheitssysteme & Wärmerückgewinnung bei CO2-Systemen ❙❙ Kaskadensysteme ❙❙ Einfache transkritische Systeme, z. B. für Lebensmitteleinzelhandel ❙❙ Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 Bild 6: Einer der drei Verbundverdichter wird durch einen Frequenzumrichter geregelt Bild 7: Leistungsregelung, wenn ein Verdichter im Bereich 30 bis 60 Hz geregelt wird und die restlichen On/Off arbeiten Erforderliche Komponenten Das System muss so ausgelegt sein, dass durch eingeschlossene Flüssigkeit bzw. eingeschlossenen Dampf kein zu hoher Druck während der Nutzung, Wartung oder Reparatur des Systems entstehen kann. Der Kaskadenwärmeübertrager (Bild 8, Nr. 10) muss so montiert sein, dass die Flüssigkeit gut ablaufen kann. Der Saugleitungsfilter (Bild 8, Nr. 12) DCHR mit Sieb schützt die Verdichter vor feinen Schmutzpartikeln im System. Der DCHR eignet sich für Kupferund Stahlrohre. Für Edelstahlrohre können FIA-Filter verwendet werden. Bei CO₂-Anwendungen empfiehlt sich die Verwendung von 100 %-Molekularsieb- Filtertrocknern (Bild 8, Nr. 13 – z. B. DCHR). Das Schauglas (Bild 8, Nr. 14) zeigt an, ob die Feuchte in der Anlage zu hoch ist. SFA-Sicherheitsventile (Bild 8, Nr. 16) schützen das System vor zu hohem Druck. Im Flüssigkeitssammler sind üblicherweise zwei Sicherheitsventile auf einem DSV-Wechselventil (Bild 8, Nr. 17) aufgebaut. In manchen Fällen ist der Flüssigkeitssammler mit einem Druckschalter (KP6 oder MBC) ausgerüstet, der das EVRH-Magnetventil (Bild 8, Nr. 15) öffnet, wenn sich der Druck in der Nähe des Sicherheitsniveaus befindet. Dadurch lässt sich der CO₂-Verlust in den meisten Fällen auf ein Mindestmaß beschränken. Regelung des Gesamtsystems In Kaskadensystemen muss mindestens ein Verdichter der oberen Stufe bereits in Betrieb sein, ehe der erste Verdichter der unteren Stufe startet. Anderenfalls könnte der Verdichter im Kreislauf der unteren Stufe über den Hochdruckschutzschalter abschalten. Bild 8: Schematisches Kreislaufdiagramm einer subkritischen CO2-Verbundanlage Bild 9: Regelung Kaskadensystem Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 Wichtig ist zudem, dass die Einspritzung in den Kaskadenwärmetauscher über das Einspritzventil in dem Moment beginnt, in dem der erste Verdichter im Niederdruckkreislauf gestartet wird. Ebenso sollte die Einspritzung unbedingt stoppen, sobald der letzte Verdichter im Niederdruckkreislauf ausgeschaltet wird. Danfoss Regler der Typen AK-SC 255, AK-PC 730 und AK-PC 840 sind mit integrierten Funktionen zur Koordination derartiger Vorgänge ausgestattet. 19 Planung & Technik Kältetechnik CO 2 als Kältemittel – Teil 6: Sicherheit beim Stillstand von CO2-Anlagen Anders als bei Anlagen mit herkömmlichen Kältemitteln kann bei CO2-Anlagen der Druck im Stillstand je nach Umgebungstemperatur schnell 80 bar und mehr erreichen. Will man nun nicht die komplette Anlage für diese Drücke auslegen, gibt es drei elegante Möglichkeiten, einen moderaten CO2-Druck in der Anlage zu gewährleisten. Stephan Bachmann, Offenbach Als ersten Schritt zur Definition des maximal zulässigen Anlagendrucks müssen folgende Systemparameter beachtet werden: ❙❙ Druck im Betrieb ❙❙ Druck bei Stillstand der Anlage ❙❙ Besondere Temperaturanforderungen bei Abtauung ❙❙ Drucktoleranzen für Sicherheitsventile (10–15 %) Grundsätzlich ist der Stillstandsdruck der wesentliche Beschränkungsfaktor in Bezug auf den maximal zulässigen Anlagendruck bei CO₂-Systemen. Bei den meisten Systemen mit herkömmlichen Kältemitteln kann durch Ausschalten des Druckerzeugers (Verdichters) ein weiteres Ansteigen des Systemdrucks zuverlässig verhindert werden. Bei CO₂-Systemen kann jedoch der Druck bei Stillstand schnell 65–80 bar (entspricht 25–30 °C) erreichen. Dieser Wert liegt über dem maximal zulässigen Betriebsüberdruck der meisten handelsüblichen Kältekomponenten. Theoretisch besteht die Möglichkeit das System komplett für diese hohen Drücke auszulegen, eleganter ist es aber, entsprechende Maßnahmen zur Sicherstellung eines moderaten CO₂-Drucks zu ergreifen. Dies ist gleichermaßen ein Thema bei transkritischen wie auch bei Kaskadensystemen. Auslegungsdruck/ -temperatur für CO2 Stephan Bachmann, Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach Druckanstieg bei dampfförmigem CO2 20 Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 ❙ ❙ Zusammenfassung System Mit Verflüssigungssatz CO2-Freisetzung Ausdehnungsgefäß Vorteile CO2 gelangt nicht in die Atmosphäre Keine zusätzlichen Behälter erforderlich Einfache Systemauslegung Keine zusätzlichen oder besonderen Behälter erforderlich Keine Spannungsversorgung notwendig Vergleichsweise kostengünstig CO2 gelangt nicht in die Atmosphäre Keine Spannungsversorgung notwen dig Nachteile Spezialbehälter erforderlich Spannungsversorgung notwendig USV empfehlenswert Zusätzliches Kältemittel wird benötigt Vergleichsweise kostspielig CO2 gelangt in die Atmosphäre Füllmenge muss präzise bemessen werden Zusatzbehälter erforderlich Füllmenge muss präzise bemessen werden Vergleichsweise kostspielig OPTYMAVerflüssigungssatz MBS 5000 oder KP Druckschalter ICS+CVP-XP oder CVH+CVP-XP Druckregler Sicherheitsventil SFA15 EVR(H) KP Komponenten Der CO₂-Druck bei Stillstand wird maßgeblich von zwei Faktoren bestimmt: ❙❙ Umgebungstemperatur und ❙❙ Anlagenfüllung. Solange sich das CO₂ in flüssigem Zustand befindet, korrespondiert der Druck im System mit der Umgebungstemperatur (z. B. 57 bar bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C). Bei dampfförmigem CO₂ entspricht der Druck nicht dem Nassdampfdruck bei der gegebenen Temperatur, sondern ist niedriger. Der Druckanstieg fällt geringer aus, auch wenn er im Vergleich zum Druck bei herkömmlichen Kältemitteln höher ist. Geht beispielsweise die CO₂-Füllung bei 0 °C in den dampfförmigen Zustand über, liegt der Druck bei ca. 34,8 bar. Bei einem weiteren Temperaturanstieg bis zu 30 °C steigt der Druck lediglich auf 42,5 bar. Die „Deckelung“ des Drucks bei Stillstand erfolgt üblicherweise anhand folgender Verfahren: ICS+CVC-XP oder CVH+CVC-XP Druckregler Sicherheitsventil SFA15 NRV-Rückschlag ventil Die Regelung setzt die Hilfskühlung in Betrieb, sobald das Signal vom Druckschalter am Sammler (Typ KP oder MBS 500, je nach Drucklage) eine Drucküberschreitung signalisiert. Es empfiehlt sich eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) einzusetzen, um auch gegen einen Stromausfall gerüstet zu sein. In beiden Fällen wird zur Kühlung des CO₂-Tanks ein kompakter Verflüssigungssatz verwendet. Dieses System ist typisch für Hilfskühlung mit Verflüssigungssatz große Gewerbeanwendungen (Super- und Großmärkte, Kühlhäuser usw.). Für diesen Anwendungsbereich sind z. B. die Verflüssigungssätze Danfoss Optyma A04 gut geeignet. CO2-Freisetzung Bei Druckanstieg wird eine geringe Menge CO₂ in die Atmosphäre freigesetzt, ehe der maximal zulässige Anlagendruck erreicht ist. Der Druck wird damit durch folgende Maßnahmen beschränkt: ❙❙ Freisetzen einer kleinen Menge CO₂ in die Atmosphäre ❙❙ Kühlung der Restflüssigkeit durch siedendes CO₂ Sobald der Druck im Sammler den am Pilotregelventil CVP-XP eingestellten Punkt übersteigt, wird CO₂ freigesetzt. Da es sich System zur CO2-Freisetzung mit Pilotventil Hilfskühlung Im Fall eines Druckanstiegs bei Stillstand wird ein Hilfskühlungssystem aktiviert, das den CO₂-Tank kühlt und so den Druck auf den maximal zulässigen Wert beschränkt. Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 21 Planung & Technik Kältetechnik Ausdehnungsgefäß. Es muss so groß dimensioniert sein, dass es ausreichend CO₂ aufnehmen kann, um den Druck im übrigen Teil des Systems konstant zu halten. Fährt das System erneut an, dann wird das CO₂ anhand eines ICS Hauptventils mit Pilotventil vom Typ CVC-XP in die Saugleitung zurückgeführt (niedriger Druck in der Saugleitung = ICS + CVC-XP offen; hoher Druck in der Saugleitung = ICS + CVC-HP geschlossen). Bei kleineren Systemen kann das Pilotventil CVC-XP direkt in ein externes Ventilgehäuse (CVH) eingeschraubt werden. System zur CO2-Freisetzung mittels Magnetventil ❙ ❙ Vorschau und Inhalte Diese Serie soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Aus führungen von CO2-Systemen – für subkritische wie für transkritische Anwendungen – vermitteln. Sie richtet sich an technisch orientierte Leser, für die CO2-Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2-Systemen gelegt. Danach wird auf die Entwicklung vollständiger Systeme eingegangen. CO2-System mit Ausdehnungsgefäß bei dem CVP-XP um ein Proportionalregelventil handelt, wird nur allmählich Druck abgelassen, und es entweicht lediglich eine sehr geringe Menge an Kältemittel. Zu diesem Zweck kann ein ICS-Hauptventil mit aufgeschraubtem Pilotventil CVP-XP verwendet werden. Bei kleineren Systemen kann die Montage des CVP-XP direkt in einem externen Pilotgehäuse CVH ausreichend sein. Während der Druck im Sammler abfällt, beginnt das CO₂ zu sieden. Dadurch sinkt die Temperatur, und der Druck sinkt weiter. Übersteigt der Druck den am CVP-XP eingestellten Punkt um 10–15 %, wird eine größere Menge CO₂ in die Atmosphäre freigesetzt. Alternativ kann am Austritt des 22 Sammlers ein Magnetventil angebracht werden. Angesteuert wird dieses z. B. von einem Systemcontroller des Typs AK-SC 255 (bzw. AK-SC 720), der ein Signal vom Druckmessumformer (AKS2050) empfängt. Das Magnetventil muss am Austritt des Sammlers angebracht sein, damit sich kein Trockeneis (festes CO₂) bilden kann. Alternativ kann das Magnetventil auch über einen Druckschalter vom Typ KP6 geregelt werden. CO2-Ausdehnungsgefäß In Systemen mit begrenzter Füllmenge kann zur Gewährleistung eines akzeptablen Druckniveaus ein gesondertes Ausdehnungsgefäß eingesetzt werden. Sobald der Druck im System ansteigt, strömt das CO₂ über das Rückschlagventil (NRV) in das Die einzelnen Teile sind: ❙❙ Gaskühler und Mitteldruckabscheider ❙❙ Kaskadenwärmeübertrager ❙❙ Niederdrucksammler / Pumpenabscheider ❙❙ Verdampfer und Verdichter ❙❙ Stillstandssicherheitssysteme für CO2-Anlagen ❙❙ Wärmerückgewinnung bei CO2-Systemen ❙❙ Kaskadensysteme ❙❙ Einfache transkritische Systeme, z. B. für Lebensmitteleinzelhandel ❙❙ Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 CO 2 als Kältemittel – Teil 7: Wärmerückgewinnung bei CO2-Systemen Wärmerückgewinnung bei Kälteanlagen ist aktueller denn je. Auch bei der Planung einer Kälteanlage mit CO2 kann Wärmerückgewinnung eine Anforderung des Kunden sein. Es gibt mehrere Möglichkeiten dies umzusetzen. Zwei Verfahren werden nachfolgend beschrieben: die teilweise und die vollständige Wärmerückgewinnung. Stephan Bachmann, Offenbach Bei der Konzeption dieser Systeme bzw. Anlagen erfordern folgende Aspekte besondere Aufmerksamkeit: ❙❙ Kondensation von Flüssigkeit in der Wärmerückgewinnungseinheit ❙❙ Verhinderung von Wasserdampfbildung bei der Wärmerückgewinnung ❙❙ Sicherstellen einer ausreichenden Wasserqualität, unterschiedliche Konzentrationen an Calciumcarbonat, Bakterien usw. ❙❙ Vermeidung von zu niedrigen bzw. zu hohen Verflüssigungstemperaturen aufgrund unterschiedlicher Temperaturen des Wärmerückgewinnungswassers Wärmerückgewinnung mit CO₂ in transkritischen Systemen funktioniert hervorragend. Doch auch in subkritischen Anwendungen ist die Wärmerückgewinnung bei CO₂-Systemen wesentlich effizienter als beispielsweise beim Einsatz der Kältemittel R 134a und R 404A. Zudem lassen sich bei subkritischen Anwendungen aufgrund der Temperaturverteilung im Verflüssiger hohe Temperaturen erreichen. Beträgt die Verflüssigungstemperatur +15 °C, können rund 30 % der Energie bei ca. +60 °C zurückgewonnen werden. Stephan Bachmann, Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach Einfaches Wärmerück gewinnungssystem Wärmerückgewinnung, einfaches System Das einfache System ist durch die Funktio nen von der Wasserseite her eingeschränkt, da die Wärme von dort immer aus dem Kältesystem abgeführt werden muss. In diesem Fall wird die Systemlast also von der Wasserseite bestimmt. Der Nachteil dieses Systems besteht darin, dass es deutlich schwieriger ist, den optimalen Arbeitspunkt für den Gaskühler zu definieren. ❙❙ Verdichterregelung AK-SC 255, AK-PC730 oder AK-PC840 ❙❙ Gaskühlerregelung EKC 326A und ICMTS ❙❙ Regelung des Bypass-Ventils ETS + EKC 326A Bei einem typischen Wärmerückgewinnungssystem (WRG) muss der Wärme übertrager korrekt dimensioniert sein, damit ein reibungsloser Betrieb als Gaskühler sichergestellt werden kann. Zudem muss Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 das Wasser sorgfältig kontrolliert werden und der Gaskühler muss optimal ausgelegt sein. Der Hauptgrund für den Einsatz von zwei Wärmeübertragern besteht darin, dass sich mit zwei unabhängigen Wasserkreisläufen die bestmöglichen Ergebnisse erzielen lassen. Das WRG-Bypass-Ventil (1) wird aktiviert, wenn kein Wasser durch das WRGRegister strömt. Es arbeitet ausschließlich im Ein/Aus-Modus. Läuft die Wasserpumpe nicht, öffnet das Ventil und die WRG wird umgangen. Auf diese Weise wird eine zu hohe Temperatur in der WRG vermieden. Die Regelung des ICMTS-Drosselorgans kann wie gewohnt über den Gaskühlerregler (EKC 326A) erfolgen, der ebenfalls für diese Anwendung geeignet ist. Der EKC 326A kann zudem das für den Gas-Bypass zuständige ETS-Ventil regeln, während das ICMTS-Ventil in Betrieb ist. 23 Planung & Technik Kältetechnik System zur Wärmerückgewinnung ❙ ❙ Vorschau und Inhalte Diese Serie soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Ausführungen von CO2-Systemen – für subkritische wie für transkritische Anwendungen – vermit teln. Sie richtet sich an technisch orien tierte Leser, für die CO2-Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2-Systemen gelegt. Danach wird auf die Entwicklung vollständiger Systeme eingegangen. Die einzelnen Teile sind: Anlage zur ❙❙ Gaskühler und Mitteldruckabscheider teilweisen ❙❙ Kaskadenwärmeübertrager Wärmerück- ❙❙ Niederdrucksammler / Pumpenabscheider gewinnung ❙❙ Verdampfer und Verdichter ❙❙ Stillstandssicherheitssysteme für CO2-Anlagen ❙❙ Wärmerückgewinnung bei CO2-Systemen ❙❙ Kaskadensysteme ❙❙ Einfache transkritische Systeme, z. B. für Lebensmitteleinzelhandel ❙❙ Verdichterregelung AK-SC 255, AK-PC730 oder AK-PC840 ❙❙ Gaskühlerregelung EKC 326 und ICMTS ❙❙ Ansteuerung des Bypass-Ventils ETS + EKC 326A ❙❙ Kühlturmregelung AK-PC420 Teilweise Wärmerückgewinnung Diese Anwendung unterscheidet sich von der vorherigen lediglich darin, dass ein herkömmlicher Gaskühler in Verbindung mit der Wärmerückgewinnungseinheit verwendet werden kann. Dadurch ist dieses System äußerst flexibel. Dies hat den großen Vorteil, dass das System an bestimmte Anforderungen angepasst werden kann, so dass die Hochdruckseite des Kältekreislaufs stets ausreichend gekühlt ist. ❙❙ Verdichterregelung AK-SC 255, AK-PC 730 oder AK-PC 840 ❙❙ Gaskühlerregelung EKC 326A und ICMTS ❙❙ Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung ❙❙ Regelung des Bypass-Ventils ETS + EKC 326A ❙❙ Kühlturmregelung AK-PC420 Bei EKC 326A ist eine gleichzeitige Regelung des ICMTS- und des ETS-Ventils mit demselben Regler möglich. - ❙ ❙ Zusammenfassung System Einfache Wärmerückgewinnung Vollständige Wärmerückgewinnung Teilweise Wärmerückgewinnung Vorteile Einfaches System Hohe Leistung Flexibilität Nachteile Temperaturkonstanz schwer zu erzielen Komplexität, zwei Wärmetauscher erforderlich Höhere Kältemittelfüllung Komponenten ICMTS EKC 326A ETS AKS 2050 AK-PC 730 (oder AK-PC840) AK PC 420 AK-SC 255 ICMTS EKC 326A ETS AKS 2050 AK PC 730 (oder AK-PC840) AK PC 420 AK-SC 255 ICMTS EKC 326A ETS AKS 2050 AK PC 730 (oder AK-PC840) AK PC 420 AK-SC 255 24 Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 CO 2 als Kältemittel – Teil 8: CO2 in Kaskadensystemen Kaskadensysteme mit zwei herkömmlichen Kältemitteln werden selten in SupermarktAnwendungen eingesetzt. Hierfür gibt es mehrere Gründe, z. B. die Tatsache, dass zwei verschiedene Kältemittel in einem System verwendet werden müssen. Des Weiteren ist die Strategie zur Regelung des Systems (besonders zu der des Kaskadenwärmeübertragers) komplexer. Stephan Bachmann, Offenbach Gleichzeitig bietet die Verwendung von CO₂ in Kaskadensystemen aber auch eine Reihe Vorteile: ❙❙ Die Betriebsdrücke von CO₂ in Kaskadensystemen sind niedrig (üblicherweise 40 bis 45 bar). ❙❙ Für den Hochtemperatur-Kreislauf (HT) ist eine vergleichsweise geringere Menge an Kältemittel erforderlich. ❙❙ Der Temperaturunterschied für den Kaskadenwärmeübertrager ist relativ niedrig. Im HT-Kreislauf können Kohlenwasserstoffe, FKW oder Ammoniak als Kältemittel verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Kältemittel aufgrund der Brennbarkeit besonderen Regularien unterliegt, die hier nicht weiter behandelt werden. Die Kombination von Ammoniak in der oberen und CO₂ in der unteren Stufe eines Kaskadensystems weist den besten Wirkungsgrad von allen gängigen Kältemittel-Paarungen auf. Wenn ein FKW in einem HT-Kreislauf verwendet werden soll, so ist R 134 a eine empfehlenswerte Option aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften und des niedrigeren Treibhauspotenzials (verglichen mit z. B. R 404 A). Wärmeübertragung in einem Kaskadensystem (schematisierte Darstellung) Anlage festgelegt. Das bedeutet, dass die Kühlstellen direkt mit CO₂ beaufschlagt werden können. Gibt es keine NK-Kühlstellen, dann kann die Mitteltemperatur nach dem optimalen Mitteldruck festgelegt werden. Da ein Kaskadensystem eigentlich aus zwei verschiedenen Kältesystemen besteht, die zwar eine gemeinsame Schnittstelle haben, aber Kaskadensysteme mit NK- und TK im Pump- und Trocken expansionsbetrieb Temperaturen und Druckverhältnisse Die Mitteltemperatur in einem Kaskadensystem wird basierend auf der erforderlichen Temperatur für die NK-Kühlstellen in einer Stephan Bachmann, Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 25 Planung & Technik Kältetechnik am Kaskadenwärmeübertrager voneinander getrennt sind, kann der Betriebsdruck für die beiden Systeme unterschiedlich sein. Der übliche maximal zulässige Betriebsüberdruck von CO₂ in der unteren Stufe von Kaskadensystemen liegt meist zwischen 40 und 45 bar (das entspricht +5 bzw. +10 °C). Um zu vermeiden, dass der Druck die genannten Werte übersteigt, werden Stillstandsysteme zur Druckbegrenzung empfohlen. Sicherheitsventile sollten dabei immer als letzte Schutzmaßnahme vorgesehen werden und dabei die höchste Druckeinstellung aufweisen. Beispiel: CO₂-Seite ❙❙ Vorgesehener maximaler Systembetriebs überdruck (Nassdampfdruck): 40 bar (+5 °C) ❙❙ Sicherheitsventileinstellungen: 36 bar (−10 Prozent des maximal zulässigen Betriebsüberdrucks) ❙❙ Einstellung zur Systementlastung im Bedarfsfall: 34 bar (−1 °C) ❙❙ CO₂ Druckseite (Orientierungswert): 30 bar (−5 °C) Je höher die Effizienz des Kaskadenwärme übertragers, desto niedriger die Differenz zwischen der Kondensationstemperatur von CO₂ und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels auf der HT-Seite. Mit steigendem Temperaturunterschied beim Kaskadenwärmeübertrager sinkt der Wirkungsgrad des Kältesystems. Je geringer der Temperatur unterschied, desto kostspieliger ist allerdings der Kaskadenwärmeübertrager. Bei Systemen mit niedrigen CO₂-Druckgastemperaturen kann die Überhitzung des Expansionsventils der Dimensionierungsfaktor für den Wärmeübertrager sein. Wenn ein CO₂-System hohe Druckgastemperaturen aufweist, sollten separate Enthitzer eingesetzt werden, um die Last auch im HT-Kreislauf zu verringern. Der optimale Mitteldruck in CO₂Kaskadensystemen hängt von verschiedenen Parametern (Hochtemperatur-Kältemittel, Lastverteilung usw.) ab. Generell sollten zwei Fälle beachtet werden: ❙❙ Systeme mit Last bei Mitteltemperatur. In diesem Fall sollte der Mitteldruck so hoch wie möglich sein, um die Last auf der Hochtemperaturstufe zu senken. Einschränkungen sind daher die 26 Kaskadensystem mit NK-Sole und TK-CO2-Trockenexpansion erforderliche Temperatur auf mittlerer Stufe und der Auslegungsdruck des Systems. ❙❙ Systeme ohne Last bei Mitteltemperatur. In diesem Fall sollte sich die Mitteltemperatur im Bereich von −10 bis 0 °C bewegen, wobei die Untergrenze durch den Wirkungsgrad definiert wird und die obere durch den Auslegungsdruck des Systems. Regelung bei Kaskadensystemen Bei Kaskadensystemen ist es unerlässlich, dass mindestens ein Verdichter im HT-Kreislauf aktiv ist, bevor der erste Verdichter im Niedertemperatur (NT)-Kreislauf aktiviert wird. Anderenfalls ist es möglich, dass der Verdichter im NT-Kreislauf über den Hochdruckschalter abgeschaltet wird. Dies ist der gleiche Effekt, wie bei einstufigen Kälteanlagen, bei denen der Verflüssigerlüfter defekt oder das Register verschmutzt ist. Dieselbe Reihenfolge gilt auch bei der Systembefüllung. Als Erstes muss der Hochtemperaturkreislauf mit Kältemittel befüllt und (der Verdichter) in Betrieb gesetzt werden. Danach kann CO₂ in das Niedertemperatursystem gefüllt werden. Das Expansionsventil (ETS) der Hochtemperaturstufe für den Kaskadenwärmeübertrager sollte gleichzeitig mit den Hochtemperaturverdichtern in Betrieb genommen werden. Danach regelt das Ventil die Überhitzung des Kältemittels der Hochtemperaturstufe. NT-Verdichter werden durch den CO₂Druckanstieg auf der Saugleitung gestartet. Danfoss-Verbundregler wie AK-SC 255, AK-PC 730 oder AK-PC 840 wurden speziell mit integrierten Regelungsfunktionen zur Koordination dieser Aufgaben konzipiert. Einspritzung in Kaskadenwärmeübertrager Das Einspritzen von flüssigem Kältemittel in einen Plattenwärmeübertrager ist nicht so einfach, wie man vielleicht annehmen mag. Der Wärmeübertrager ist sehr kompakt, damit ändern sich die Betriebsbedingungen oft schlagartig. Diese geringe Zeitkonstante stellt hohe Anforderungen an Regelung und Stellglied. AKV-Ventile sind für diese Anwendung nicht ideal. Es wird empfohlen, Motorventile oder andere Ventile einzusetzen, die einen stetigen Kältemittelfluss im Kühlmodus sicherstellen. Die Enthitzung von CO₂-Gas, bevor es in den Kaskadenwärmeübertrager eintritt, wird aus drei Gründen empfohlen. Ein Grund ist, dass das Gas oft eine Temperatur von 60 °C aufweist und die Wärme Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 daher problemlos an die Umgebung abgeführt oder zur Rückgewinnung genutzt werden kann. Der zweite Grund ist eine Reduzierung des thermischen Stresses im Wärmeübertrager. Dies bedeutet eine zusätzliche Betriebssicherheit der Anlage über lange Jahre. Der dritte Grund: Das CO₂-Gas verfügt über eine sehr hohe Wärmestromdichte, was zu instabilen Bedingungen auf der Verdampferseite führen kann. Aus diesem Grund wird empfohlen, die Druckgastemperatur auf der CO₂-Seite zu senken. Die Verteilung auf der CO₂-Seite ist ebenfalls ein wichtiges Thema. Der Wärmeübertrager muss für eine Direktverdampfung konstruiert sein, um eine gleichmäßige Verteilung des Nassdampfs im Wärmeübertrager zu gewährleisten. Wenn der Wärmeübertrager für einen angemessenen Druckabfall bei Teillast konstruiert wurde, funktionieren der Öltransport und die Verteilung meist anstandslos. Elektronisches Regelsystem Eine Kombination aus ETS-Ventil und EKC 313 bietet üblicherweise die beste Regelungsleistung bei Kaskadenwärmeübertragern. Der EKC 313 misst sowohl Druck als auch Temperatur am Ausgang des Wärmeübertragers auf der Hochtemperaturseite und gleichzeitig am Eingang der Niedertemperaturseite. Damit kann er die Überhitzung der Hochtemperaturstufe trotz des „nervösen“ Verhaltens von CO₂ optimal regeln. Der Temperaturfühler sollte in 12-Uhr-Position am Rohr platziert werden. Der Montageort des Druckmessumformers ist weitgehend beliebig, sollte aber so positioniert sein, dass sich keine Öl- oder Flüssigkeitsansammlungen bilden können. Kaskadensysteme mit Trockenexpansion und gepumptem CO2 Kaskadensysteme mit CO₂-Pumpenum wälzung für Normalkühlung gehören zu den ersten CO₂-Anlagen, die nach der Wiederentdeckung von CO₂ in der Kältetechnikbranche gebaut wurden und sind auch heute noch im Einsatz. Der Wirkungsgrad von Kaskadensystemen gehört wahrscheinlich zu den bestmöglichen und ist, was die kleinen Rohrabmessungen betrifft, einzigar- Kaskadensystem mit TK-CO2-Trockenexpansion, NK-Sole und solegekühltem Kaskadenwärmeübertrager tig. Dies gilt sowohl für den NK- als auch TK-Einsatz im Vergleich zu Sole-Lösungen. Systeme mit gepumptem CO₂ eignen sich am besten für Anlagen mit relativ hoher Leistung. In kleinen Systemen oder Systemen mit sehr hohen Lastunterschieden können Pumpen zu träge sein. Kaskadensysteme in Kombination mit Sole Systeme mit Sole bei NK und CO₂ bei TK werden seit 1998 gebaut und sind besonders in nördlichen Ländern verhältnismäßig weit verbreitet. Allerdings hat es den Anschein, dass Sole-Systeme langsam durch Kaskadensysteme mit CO₂ oder durch transkritische Systeme ersetzt werden. Der Vorteil von Sole-Systemen liegt in der relativ großen Zeitkonstante, wodurch der Verdichter einfacher zu regeln ist. Um das System noch weiter zu verlangsamen, kann der Solekreislauf zum Verflüssigen des CO₂ genutzt werden. Der Vorteil hierbei ist, dass sich der Kaskadenwärmetauscher einfacher regeln lässt. Der Nachteil: Es bestehen zwei Temperaturdifferenzen und nicht nur eine. Die maximale Verflüssigungstemperatur von CO₂ setzt die Grenze für die Soletemperatur. - Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 ❙ ❙ Vorschau und Inhalte Diese Serie soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Ausführungen von CO2-Systemen – für subkritische wie für transkritische Anwendungen – vermit teln. Sie richtet sich an technisch orien tierte Leser, für die CO2-Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2-Systemen gelegt. Danach wird auf die Entwicklung vollständiger Systeme eingegangen. Die einzelnen Teile sind: ❙❙ Gaskühler und Mitteldruckabscheider ❙❙ Kaskadenwärmeübertrager ❙❙ Niederdruckbehälter/ Pumpenabscheider ❙❙ Verdampfer und Verdichter ❙❙ Stillstandssicherheitssysteme ❙❙ Wärmerückgewinnung ❙❙ Kaskadensysteme ❙❙ Einfache transkritische Systeme für z. B. Lebensmitteleinzelhandel ❙❙ Transkritisches Boostersystem & Zusammenfassung 27 Planung & Technik Kältetechnik CO 2 als Kältemittel – Teil 9: Einfache transkritische Systeme Transkritische Systeme können ganz verschieden ausgeführt sein – von Einfachkreisläufen für ein „Stand-alone“-Kühlregal bis hin zu komplexen Systemen, wie sie in kompletten Supermarkt-Verbundanlagen zum Einsatz kommen. Die einfachsten transkritischen Systeme kommen bei Kühlmöbeln mit integrierten Verdichtern zum Einsatz, die innerhalb oder außerhalb des Verkaufsbereichs aufgestellt werden. Stephan Bachmann, Offenbach Bei einfachen transkritischen Systemen kleiner Leistung werden gerne Kapillarrohre als Drosselorgan eingesetzt. Bild 1 zeigt ein sehr einfaches transkritisches System. Das System besteht aus einem Verdichter, einem Gaskühler, einem Verdampfer und einem Expansionsorgan. Das einfachste Expansionsorgan, das eingesetzt werden kann, ist eine feste Drosselstelle (z. B. eine Blende oder ein Kapillarrohr). In einem solchen System wird der Hochdruck nicht geregelt, und das System wird folglich nur mit dem optimalen Hochdruck – und maximalem Wirkungsgrad – unter einer bestimmten Betriebsbedingung betrieben. Eine weitere Möglichkeit bietet die Verwendung eines thermostatischen Ventils zur Regelung der Gaskühleraus trittstemperatur. Durch die Verwendung eines internen Wärmeübertragers zwischen der Saugleitung und der Leitung, die vom Gaskühler kommt, kann die Systemleistung verbessert werden. Wenn es sich bei dem Expansionsorgan um ein Kapillarrohr handelt, kann dies an die Saugleitung angelötet werden und den internen Wärmeübergang zusätzlich fördern. Ein System, wie in Bild 2 dargestellt, ist gut geeignet für Anwendungen, bei denen keine größeren Schwankungen Bild 1: Einfachstes Kältesystem für transkritischen Betrieb Stephan Bachmann, Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach Bild 2: Transkritisches Kältesystem mit internem Wärmeübertrager und Kapillarrohr als Drosselorgan 28 Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 der Umgebungstemperatur auftreten und gleichzeitig nur ein definierter Betriebspunkt auf der Verdampferseite zu beachten ist. Ändern sich die Betriebsbedingungen (z. B. die Umgebungstemperatur oder die Verdampfungstemperatur während der Abkühlphase), ändert sich ebenso die Kältemittelverteilung zwischen den Komponenten. Damit ändert sich auch der Gaskühlerdruck. Für Anwendungen, bei denen eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Betriebsbedingungen erforderlich ist, die Leistungsund Effizienzanforderungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen erfüllen müssen, ist ein Regelventil für den Hochdruck unerlässlich. Dies kann ein mechanisches oder ein elektronisches Ventil sein. Darüber hinaus ist es eventuell notwendig, einen Niederdrucksammler zu installieren, um die Lastschwankungen auf der Hochdruckseite zu kompensieren. System mit automatischem Ventil Bild 3 zeigt ein System mit einem automatischen Ventil als Drosselorgan. Das Ventil regelt nach dem Eingangsdruck (Gaskühlerdruck) und öffnet oder schließt nach einem definierten Sollwert. Der Einstellwert des Ventils kann manuell angepasst werden. Das MBR-Ventil von Danfoss wurde speziell für diesen Anwendungszweck entwickelt. Das automatische Drosselventil kann bei Systemen eingesetzt werden, die nur geringen Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind (also etwa Systeme, die nur oberhalb der kritischen Temperatur betrieben werden), gleichzeitig aber unter zwei oder mehr Betriebspunkten optimale Leistungs- und Effizienzwerte aufweisen müssen. Bei diesem automatischen Drosselventil handelt es sich nicht um ein automatisches Expansionsventil klassischer Prägung. Automatische Expansionsventile halten den Ausgangsdruck (Verdampfungsdruck) stets konstant, wobei das hier beschriebene automatische Drosselventil den eingangsseitigen Druck (vom Gaskühler) konstant hält. Bild 3: Transkritisches Kältesystem mit internem Wärmeübertrager und einem automatischen Ventil als Expansionsorgan Bild 4: Transkritisches Kältesystem mit internem Wärmeübertrager und einem thermostatischen Drosselorgan als Expansionsventil System mit thermostatischem Drosselventil Bild 4 zeigt ein System mit thermostatischem Drosselorgan. Das Ventil arbeitet mithilfe eines klassischen Fühlers (mit einer Flüssigkeits-Dampf-Füllung) zur Erfassung der Kältemittelaustrittstemperatur des Gaskühlers und somit zur Regelung des Eingangsdrucks des Ventils. Alternativ kann mit dem Fühler auch die Lufteintrittstemperatur des luftgekühlten Gaskühlers erfasst werden. Das thermostatische Drosselventil kann bei Systemen eingesetzt werden, die starken Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind und gleichzeitig bei zwei oder mehreren Betriebspunkten optimale Leistungs- und Effizienzwerte aufweisen müssen. Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 Performanceverbesserungen für diesen Systemtyp können durch Verwendung eines Niederdrucksammlers, wie in Bild 5 gezeigt, erzielt werden. Ändert sich die Temperatur am thermostatischen Drosselventil, wird das Kältemittel dem Niederdrucksammler entnommen bzw. zugeführt. Hierbei muss besonders darauf geachtet werden, dass es nicht zu größeren Ölansammlungen im Niederdrucksammler kommt. Dies lässt sich durch eine Ölablassleitung vermeiden, über die kleine Mengen Öl und flüssiges Kältemittel aus dem Sammler in den internen Wärmeübertrager fließen können. Für den Systembetrieb reicht ein einfacher Kühlstellenregler aus (z. B. ein Regler vom Typ EKC 202). 29 Planung & Technik Kältetechnik System mit elektronischem Expansionsventil Volle Regelungsflexibilität bietet ein System mit elektronischem Expansionsventil JKV und einem elektronischen Systemregler vom Typ EKC 326. Über Temperatur- und Drucksensoren im System ist der Regler stets über die Anlagensituation am Gaskühlerausgang informiert. Darüber hinaus muss ein Impulswandler zwischen das Schrittmotorventil JKV und den Regler geschaltet werden. Die in Bild 6 dargestellte Lösung eignet sich für Systeme, die unter stark schwankenden Umgebungsbedingungen und mit sehr hohen Leistungs- oder Effizienzanforderungen unter allen Betriebsbedingungen betrieben werden. - ❙ ❙ Zusammenfassung System Kapillarrohr Automatisches Drosselorgan Thermostatisches Drosselorgan Vorteile Einfach und zuverlässig Reagiert flexibel auf Leistungs schwankungen Reagiert flexibel auf Komplette Regelung Schwankungen der und Optimierung Umgebungstemperatur des Systems Nachteile Nur für bestimmte Bedingungen optimiert Nur ein Einstellwert; Nicht optimal reagiert nicht auf bei Leistungs Änderungen der Um- schwankungen gebungstemperatur DanfossTN-Verdichter MBR Komponenten TN-Verdichter TN-Verdichter Elektronisches Drosselorgan Komplexes und kostenintensives System JKV-Impulswandler EKC 326A AKS 2050 AKS11 TN-Verdichter Bild 5: Transkritisches Kältesystem mit internem Wärmeübertrager, einem thermostatischen Drosselorgan und einem Niederdrucksammler ❙ ❙ Vorschau und Inhalte Bild 6: Transkritisches Kältesystem Diese Serie soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Ausführungen von CO2-Systemen – für subkritische wie für transkritische Anwendungen – vermit teln. Sie richtet sich an technisch orien tierte Leser, für die CO2-Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2-Systemen gelegt. Danach wird auf die Entwicklung vollständiger Systeme eingegangen. Die einzelnen Teile sind: mit internem ❙❙ Gaskühler und Mitteldruckabscheider Wärmeübertra- ❙❙ Kaskadenwärmeübertrager ger und einem elektronischen Expansionsventil ❙❙ Niederdruckbehälter/ Pumpenabscheider ❙❙ Verdampfer und Verdichter ❙❙ Stillstandssicherheitssysteme ❙❙ Wärmerückgewinnung ❙❙ Kaskadensysteme ❙❙ Einfache transkritische Systeme, z. B. für Lebensmitteleinzelhandel ❙❙ Transkritisches Boostersystem 30 Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 CO 2 als Kältemittel – Teil 10: Transkritisches Boostersystem Das transkritische Boostersystem eignet sich besonders für Regionen mit kälterem Klima. Der Energieverbrauch eines solchen Systems ist äußerst moderat. Ein typisches transkritisches CO2-Boostersystem (oder „zweistufige Kälteanlage“) kann grob in drei Druckabschnitte eingeteilt werden. Der Hochdruckabschnitt beginnt beim Hochdruckverdichter (Bild 1/1) und verläuft über den Gaskühler (Bild 1/2) und den internen Wärmeübertrager (Bild 1/3) zum Hochdruck-Expansionsventil (Bild 1/4). Stephan Bachmann, Offenbach Der maximal zulässige Betriebsüberdruck in diesem Abschnitt liegt gewöhnlich zwischen 90 und 120 bar. Die Regelung eines transkritischen Systems lässt sich in vier Gruppen unterteilen: Regelung des Gaskühlers, Einspritzregelung, Abscheiderdruckregelung und Verdichterleistungsregelung. Der Mitteldruckabschnitt beginnt beim Hochdruck-Expansionsventil (Bild 1/4), bei dem das Kältemittel im Abscheider nach dampfförmig und flüssig getrennt wird (Bild 1/5). Der Kältemitteldampf wird über ein Bypassventil an die Saugleitung des Hochdruckverdichters geleitet (Bild 1/6). Die Flüssigkeit strömt zu den Expansionsventilen (Bild 1/7 und Bild 1/8), wo sie vor dem Eintritt in die NK- (Bild 1/9) und TK-Verdampfer (Bild 1/10) expandiert. Das Kältemittel aus dem TK-Verdampfer wird im ND-Verdichter (Bild 1/11) komprimiert und mit dem Sauggas aus dem NK-Verdampfer und der Bypassleitung gemischt. Von hier aus strömt das CO₂ in den internen Wärmeübertrager, und der Kreislauf schließt sich, wenn es zum HDVerdichter gelangt. Der maximale Betriebsüberdruck für den NK-Abschnitt liegt in der Regel zwischen 40 und 45 bar, beim TK-Abschnitt ist Stephan Bachmann, Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach Bild 1: RI-Fließbild eines transkritischen Boostersystems mit Bypass meist ein Druck von nur 25 bar ausreichend. In der Realität hatte sich aber eingebürgert, die NK- und TK-Seite für den gleichen (höheren) Druck auszulegen. Der Druck im Abscheider wird über das ETS-Schrittmotorventil (Bild 1/6) geregelt. Um den erforderlichen Differenzdruck Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 über das NK-Expansionsventil (Bild 1/7) zu gewährleisten, muss der Druck im Abscheider höher sein als der Verdampfungsdruck in den NK-Verdampfern. Auf der anderen Seite muss der Druck niedriger sein als der maximale Betriebsüberdruck. 31 Planung & Technik Kältetechnik Bild 2: Transkritisches Kaskadensystem Transkritisches Kaskadensystem Der Verbundregler AK-PC 730 regelt den Verflüssigungsdruck und gleichzeitig den Verdichterverbund bzw. ein Frequenzumrichter-Verdichterpaket. Mit solch einem Regler lässt sich der Verflüssigungsdruck im TK-Kreislauf regeln und gleichzeitig den Saugdruck überwachen. Zudem ermöglicht der AK-PC 730 durch Koordination des NT- und HT-Starts einen störungsfreien Betrieb. Die Einspritzregelung bei Kühlmöbelund Kühlraumverdampfern erfolgt über einen elektronischen Standard-Regler. Der Regler AK-CC 550 sorgt in Verbindung mit pulsbreitenmodulierten Einspritzventilen vom Typ AKV und patentierten Softwarealgorithmen für eine optimale Systemleistung und einen störungsfreien Betrieb. AKVVentile werden auch für FKW-Kältemittel verwendet. Das Management des Gesamtsystems kann, je nach Anwendungszweck, mit einem Systemmanager vom Typ AK-SM 350, AK-SC 255 oder AK-SM 720 realisiert werden. 32 Bild 3: Transkritisches Boostersystem Transkritisches Boostersystem Auch hier regelt der Verbundregler AK-PC 730 den Verflüssigungsdruck und gleichzeitig das Frequenzumrichter-Verdichterpaket und stellt sicher, dass die Koordination der HD- und ND-Verdichter gewährleistet ist. Der Unterschied zum transkritischen Kaskadensystem besteht hauptsächlich darin, dass der ND-Verdichter Kältemittel direkt auf die Saugseite des HD-Verdichters drückt. Damit kann auf den Kaskadenwärmeübertrager und einen zusätzlichen Sammler verzichtet werden. Die Enthitzung des ND-Verdichter-Heißgases wird vom Saugleitungs-Kältemittelstrom der NKKühlstelle übernommen. Transkritisches Boostersystem Der Trend hin zu natürlichen Kältemitteln wie Kohlendioxid (CO₂) beschleunigt sich, während die synthetischen FCKW und HFCKW-Kältemittel bereits verboten sind oder zumindest besonderen Restriktionen unterliegen. Selbst der Einsatz von FKW als Kältemittel wird derzeit untersucht und in einigen Ländern bereits reglementiert. Wie aber baut man nun konkret CO₂-Kälteanlagen? Das war die Frage, die wir in den letzten 9 Ausgaben aufzulösen versucht haben. Wir hoffen, Ihnen hat die CO₂-Serie gefallen und bedanken uns für Ihr Interesse. - Inhalte Diese Serie vermittelte einen Überblick über die am meisten verbreiteten Ausführungen von CO2-Systemen – für subkritische wie für transkritische Anwendungen. Sie richtete sich an technisch orientierte Leser, für die CO2Systeme Neuland sind. Der aktuelle Artikel bildet den Abschluss dieser Serie. Die einzelnen Teile sind. ❙❙ Gaskühler und Mitteldruckabscheider ❙❙ Kaskadenwärmeübertrager ❙❙ Niederdruckbehälter / Pumpenabscheider ❙❙ Verdampfer und Verdichter ❙❙ Stillstandssicherheitssysteme ❙❙ Wärmerückgewinnung ❙❙ Kaskadensysteme ❙❙ Einfache transkritische Systeme für z. B. Lebensmitteleinzelhandel ❙❙ Transkritisches Boostersystem Sonderdruck aus DIE KÄLTE + Klimatechnik 1 – 10 | 2010
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