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Offizielles Organ des Bundesinnungsverbandes des Deutschen Kälteanlagenbauerhandwerks

DieKälte+ Klimatechnik

Planung & Technik ➔ kälTeTechnik – co2 als kälTemiTTel

KK2010201063. JahrgangE 4031Gentner Verlag

Fachbeitrag aus kk 1 – 10 | 2010 > www.diekaelte.de <

Planung & TechnikkälTeTechnik

2 Sonderdruck aus Die Kälte + Klimatechnik 1 – 10 | 2010

co2 als kälTemiTTel – Teil 1: einFührung

Eigenschaften von CO2in 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 Wissenschaft ist sich heute einig, dass Treibhausgase die Hauptursache für die glo-bale Erwärmung sind. Viele internationale Organisationen, darunter auch die UN, tei-len 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 Treibhaus-gase, 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

wissen – in den meisten Kälte-, Klima- und Wärmepumpenanlagen verwendet werden.

Die gewerbliche kältetechnik trägt zur globalen erwärmung beiAuf globaler Ebene stellen gewerbliche Käl-teanlagen 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 allge-mein als hoch eingestuft, insbesondere im Fall von Supermärkten. Je größer die Käl-temittelfüllmenge der Anlage, desto größer das Risiko bei eventuellen Havarien. Mög-liche Undichtigkeiten ergeben sich haupt-sächlich bei langen Rohrleitungsstrecken und einer großen Anzahl von Verschrau-bungen und Ventilen in der Anlage.

Die Leckrate einer durchschnittlichen Kälteanlage in einem dänischen Supermarkt beträgt ca. 8–10 % pro Jahr. In anderen Län-dern dieser Welt liegt sie oftmals noch höher – bei 30 % oder mehr mit einer durchschnitt-lichen 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 ent-spricht die jährliche Leckage einem CO₂-Äquivalent von 187 Tonnen CO₂. Dieser Wert entspricht dem CO₂-Ausstoß von 50 Autos, mit denen jährlich 20 000 km zurück-gelegt werden.

Insgesamt belaufen sich die alleine von Kälteanlagen ausgestoßenen F-Gas- Emissionen 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.

stephan Bachmann,Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kältetechnik, Offenbach

Die sich aus direkten und indirekten CO2-Emissionen zusammensetzende Gesamtmenge „TEWI“ ist ein guter Indikator für die tatsächliche Umweltbelastung

Sonderdruck aus Die Kälte + Klimatechnik 1 – 10 | 2010 3

Druck [PSI] [bar]

Temperatur

Tripelpunkt:-56,6 °C5,2 bar

Kritischer Punkt:+31 °C73,6 bar

fest

�üssig

überkritisch

gasförmig

-40 -20 0 20 40 [oC]

-40 -4 32 68 104 [oF]

93.6 1500

62.4 1000

31.2 500

0 0

Dichte [Lb/ft�] [kg/m�]

flüssig

Kritischer Punkt:

+31 °C73,6 bar

gasförmig

Gesättigte Temperatur

mehr als 1 000 Millionen Tonnen – die Emissionen mobiler und stationärer Kli-maanlagen nicht inbegriffen. Die Gesamt-menge aller F-Gas-Emissionen tragen zu 1 % zur globalen Erwärmung bei. Dieser Wert

mag gering erscheinen, jedoch kommt er in Regio nen, die sich mit dem weltweiten CO₂-Ausstoß der Luftfahrt oder der Com-puterindustrie vergleichen lassen (beide lie-gen bei ca. 2 %).

natürliche kältemittel könnten eine effiziente alternative darstellenDie Verwendung natürlicher Kältemittel könnte die Situation entscheidend verbes-sern. Zur Gruppe der natürlichen Kältemit-tel gehören Ammoniak, Kohlenwasserstoffe und CO₂. Dabei scheint es auf den ersten Blick merkwürdig, dass CO₂ zur Bekämp-fung 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 In dustrieprozesse anfällt und damit nicht aufwendig als Kältemittel extra produziert werden muss. CO₂ kann daher, anstatt es ein-fach in die Atmosphäre entweichen zu lassen, zur weiteren Nutzung in Kälteanlagen ver-wendet werden. Es ist im Überfluss verfüg- bar 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 Indus-trieanlagen (Ammoniak) und kompakten Kleinstkälteanlagen (Kohlenwasserstoffe).

CO₂ als Kältemittel hat ein ökolo-gisches 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“ (Corpo-rate Social Responsibility – gesellschaftliche Unternehmensverantwortung). Lebens mittel ein zel han dels unternehmen wie Aldi, Marks & Spencer, Tesco und viele andere nehmen die Herausforderung in Bezug auf Kältemittel an.

eigenschaften von co2

Das CO₂-Phasendiagramm zeigt die Tem-peratur- und Druckphasen von reinem CO₂. Die Bereiche zwischen den Kurven kenn-zeichnen die Temperatur- und Druckbe-reiche, bei denen die verschiedenen Phasen fest, flüssig, gasförmig und überkritisch vor-herrschen.

Die Punkte auf den Kurven kennzeich-nen die Druck- und entsprechenden Tem-peraturbedingungen, unter denen mehrere Aggregatzustände gleichzeitig möglich sind, zum Beispiel fest und gasförmig, flüssig und gasförmig, fest und flüssig. Bei atmosphä-rischem 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. Ober-halb dieser Temperatur sublimiert es direkt in den gasförmigen Aggregatzustand.

CO2-Phasendiagramm ρ,t-Diagramm von CO2

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 CO2Systeme Neuland sind. Zunächst wird in den ersten Teilen ein Fokus auf die einzelnen Bausteine von CO2Systemen 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

Vorschau und Inhalte❙❙



1450 100

145 10

14.5 1

Druck [PSI] [bar]

fest

�üssig

fest –�üssig

fest –gasförmig

�üssig – gasförmig

überkritisch�üssig

Kritischer Punkt:+31 °C73,6 bar

Tripelpunkt:-56,6 °C5,2 bar

gasförmig

Enthalpie

-78,4 °C

101570

43530

72550

130590

735

58040

29020

14510

87060

116080

1450100

101570

43530

72550

130590

735

58040

29020

14510

87060

116080

1450100

Druck [PSI] [bar]

Enthalpie

subkritisch

-40 °C

-5,5 °C

101570

43530

72550

130590

735

58040

29020

14510

87060

116080

1450100

101570

43530

72550

130590

735

58040

29020

14510

87060

116080

1450100Gas cooling

Druck [PSI] [bar]

Enthalpie

-12 °C

35 °C 95 °CGaskühlung

Bei einem Druck von 5,2 bar und einer Temperatur von –56,6 °C erreicht CO₂ einen ganz besonderen Zustand, den sogenann-ten Tripelpunkt. An diesem Punkt existieren alle drei Aggregatzustände, also fest, flüssig und gasförmig, gleichzeitig.

co2 als kältemittelCO₂ erreicht seinen kritischen Punkt bei 31,1 °C. Bei dieser Temperatur ist die Dichte im flüssigen und gasförmigen Aggregat-zustand gleich. Die Unterscheidung zwi-schen diesen beiden Zuständen ist damit hinfällig.

CO₂ lässt sich in zahlreichen unter-schiedlichen 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 (unter-kritisch), d. h., sämtliche Temperatur- und Druckbereiche liegen unterhalb des kri-tischen Punkts und oberhalb des Tripel-punkts. Ein einstufiges subkritisches CO₂-System ist einfach, hat aber auf-

Transkritischer

Kältekreislauf

Subkritischer

Kältekreislauf

Log p,h-Diagramm für CO2

grund seines eingeschränkten Tempera-turbereichs 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 Kälte-technik 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. Transkri-tische CO₂-Systeme sind gegenwärtig beson-ders für kleine und kommerzielle Anwen-dungen, zum Beispiel mobile Klimaanlagen, kleine Wärmepumpen und die Supermarkt-kälte geeignet. -


Dan

foss

R64-19

66.10

Dan

foss

R64-19

67.10

co2 als kälTemiTTel – Teil 2:

Gaskühler und MitteldruckabscheiderDer 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

Bei Temperaturen über 31 °C kann CO₂ nicht kondensieren. Infolgedessen stehen Druck und Temperatur bei der Wärme-übertragung (Abkühlung) nicht mehr mit-einander 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 Flu-ide gleich bleibt (Bild 1).

Die Wärmeabgabe für verflüssigende Kältemittel erfolgt bei konstanter Tempera-tur (Enthitzung nicht berücksichtigt). Das Kühlmedium hingegen ändert seine Tem-peratur sensibel (Temperatur steigt an). Damit ist die kleinste Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Kühlmedium am Kühlmedienaustritt zu erwarten.

Bei transkritischem CO₂ tritt der gering-ste Temperaturunterschied nicht am Austritt des Kühlmediums, sondern oft am Eintritt

oder inmitten des Gaskühlers auf, abhän-gig von den Druck- und Temperaturkonfi-gurationen. Daher ist es möglich, mit CO₂ sehr hohe Temperaturen zu erreichen. Für eine optimale Nutzung des Gaskühlers ist es wichtig, ihn als Wärmetauscher im Gegen-stromprinzip zu fahren.

Der Temperaturunterschied zwischen Luft und CO₂ in einem Gaskühler beträgt etwa die Hälfte dessen, was bei einem ver-flüssigenden 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 Maxi-mierung des COP genutzt werden (Bild 3). Der Druck kann so abhängig von der Tem-peratur 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 Aus-tritt des Gaskühlers. In dieser Zusammen-stellung ist es möglich, den Gaskühlerdruck und den Druck im Abscheider unabhängig voneinander zu optimieren.

Der Druck im Abscheider ist ein wich-tiger Parameter. Um den Mitteldruck nied-rig zu halten, wird Flashgas über eine Bypassleitung zur Saugseite des Verdich-ters geführt. Die Zweiphasenmischung des ICMTS-Expansionsventils muss getrennt werden, bevor Gas in die Bypassleitung ein-tritt. Wenn die Trennung unvollständig ist, gelangt Flüssigkeit durch die Bypassleitung in den Verdichter. Daher muss der Abschei-der 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-

stephan Bachmann,Regional Product Manager, Danfoss GmbH, Kälte technik, Offenbach

Bild 1: Wärmeübergang – verflüssigendes Kältemittel Bild 2: Wärmeübergang – transkritisches CO2



Dan

foss

R64-19

57.10

30°C20°C

10°C0°C

-10°C

30°C

X=0.97X=0.98

X=0.990.80.60.40.2

-1-0

.9-0

.8-0

.7

-0.6 k

j/kg-K

310

210

110

010-500

h [kj/kg]-400 -300 -200 -100 0 100

P [b

ar]

R744

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 Flüssigkeits-anteil in der Bypassleitung unter diesen Bedingungen bei nur ca. 1-2 % liegt. Dieser Anteil kann vernachlässigt werden. Dabei

herrscht immer noch ein ausreichend gro-ßer Druckunterschied für die AKV-Ventile von 4-10 bar.

Der Druck des Behälters bleibt konstant, unabhängig von der Umgebungstempera-tur. Das Mischungsverhältnis zwischen der Bypassleitung und der Flüssigkeitsleitung

hingegen schwankt abhängig vom Druck im Gaskühler und der Temperatur am Gas-kühleraustritt (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-

Bild 4: Kreislauf im log p,h-Diagramm bei drei verschiedenen Mitteldruckwerten

(30, 35 und 4 bar)

Bild 5: Flüssigkeits-/Gasanteile am Gaskühler-/Verflüssigeraustritt bei 35 °C

(transkritischer Betrieb)

Bild 3: Optimaler COP in Gaskühlern


Dan

foss

R64-19

62.10

0.80.60.40.2-1

-0.9

-0.8

-0.7

-0.6 k

j/kg-K

310

210

110

010-500

h [kj/kg]-400 -300 -200 -100 0 100

P [b

ar]

R744

16[%] 84[%]

kritischen Systemen ohne Bypassleitung variiert der Massenstrom um einen Faktor 2 allein aufgrund der Umgebungstempera-tur, wodurch die Dimensionierung der Saug- leitungen und die Ölrückführung schwierig werden.

gaskühlerregelung mit ekc 326aDie Gaskühlerregelung bei Kältesystemen ist noch recht neu und wurde daher in den ver-gangenen Jahren intensiv untersucht. In die-sem System wurde die Gaskühlerregelung in drei Abschnitte unterteilt.

Bei niedrigen Temperaturen wird das System als konventionelles Kältesy-stem 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 Unterküh-lung wird schrittweise erhöht, um die Lücke zwischen konventioneller und transkri-tischer Regelung zu schließen. Unter trans-kritischen Bedingungen ist der Druck nach dem Gaskühler eine Funktion der Tem-peratur. Das Ziel ist es, einen höchstmög-lichen COP bei der gegebenen Temperatur zu erreichen.

Die Lüfter des Gaskühlers werden abhän-gig von der CO₂-Temperatur nach dem Gas-kühler 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 Ver-flüssigungsdrucks steigt). In transkritischen Systemen kann dies bei tiefen Außentempe-raturen jedoch die Unterkühlung erhöhen, was einen zu geringen Druck im Abschei-der und damit einen zu geringen Differenz-druck für die Expansionsventile zur Folge hat.

Wassergekühlte gaskühlerWassergekühlte Gaskühler kommen oft in Wärmepumpen und Supermarktsystemen zum Einsatz, in denen die Wärmerückge-winnung Teil des Systems ist. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wärmestrom auf-grund hoher Wärmeübertragungskoeffizi-enten auf beiden Seiten aus und sind somit sehr kompakt.

Ein weiterer Unterschied zu konven-tionellen 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 Ko axial-Wärmetauscher besonders gut für diesen Einsatz. Rohrbündelwärmetauscher und ähnliche Wärmetauscherbauarten hin-gegen führen beide Medien nicht exakt im Gegenstrom zueinander und sind daher nicht geeignet.

Bild 7: Gaskühlerregelung im log p,h-Diagramm

Bild 6: Flüssigkeits-/Gasanteile am Gaskühler-/Verflüssigeraustritt bei 10 °C (subkritischer Betrieb)

Bild 8:

Wassergekühlter

Gaskühler



Das Innenvolumen von Koaxial-Wär-metauschern ist sehr gering, verglichen mit deren Kapazität. Durch dieses geringe Volu-men 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.

Hohe CO₂-Temperaturen können zu Verkalkungsproblemen führen, denen besondere Aufmerksamkeit gewidmet wer-den sollte. Die Druckgastemperatur einiger Systeme liegt bei 160 °C. In Verbindung

mit der relativ hohen Wärmekapazität und einem hohen Wärmeübertragungs-koeffizienten fällt die Wandungstemperatur im Wärmetauscher ver glichen mit anderen Kältemitteln höher aus.

Der Wasservolumenstrom im System wird durch ein temperaturgesteuertes AVTA-Wasserventil 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-Reg-lers, der eingehende Daten vom AKS 11-Temperatursensor und dem AKS2050 (AKS 32R)-Druckmessumformer abruft, geregelt (Bild 8).

luftgekühlte gaskühlerLuftgekühlte Gaskühler kommen oft in Käl-tesystemen ohne oder mit nur Teilwärme-rückgewinnung zum Einsatz. Bei der CO₂-Kühlung kommen üblicherweise Lamel-lenrohrgaskühler zum Einsatz. Sie weisen einen niedrigeren Wärmeübertragungskoef-fizienten auf der Luftseite auf, wodurch die Wärmetauscher oft größer sind und über ein höheres Volumen als wassergekühlte Gas-kühler verfügen.

Zusammenfassung❙❙

system luftgekühlter gaskühler mit einem schrittmotor-ventil

luftgekühlter gaskühler mit einem mechanischen regelungsventil

luftgekühlter gaskühler mit zusätzlichem Verdichter

Vorteile Flexibles System

Einfache Handhabung

Hoher Wirkungsgrad, reduzierter Energie verbrauch

nachteile Geringerer Wirkungsgrad als bei Systemen mit Parallelverdichtung

Nur ein Sollwert verfügbar

Kostenintensiv und komplex

Verwendete Danfoss- komponenten

ICMTSEKC 326A ETS AKS 2050AKS11

ICMTSEKC 326AICS+CVPXPAKS 2050AKS11

ICMTSEKC 326AETSAKS 2050AKS11

Bild 10:

Mitteldruckregelung

durch ETS-

Schrittmotorventil

Bild 11:

Mitteldruckregelung

durch ein CVP-

XP-Pilotventil

Bild 9: Lamellenrohrgaskühler mit Isolierung zwischen den Rohrreihen


Ein interessanter Aspekt von CO₂ ist, dass ein Druckabfall die Effizienz der Käl-teanlage nicht in der gleichen Weise wie mit konventionellen Kältemitteln beein-flusst (Druckabfälle sind weniger gravie-rend). 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 Wärmeübertragungsko-effizient gesteigert werden kann und außer-dem kleinere Rohrdurchmesser im Gasküh-ler verwendet werden können (8 und 10 mm Rohre werden für diesen Zweck häufig ein-gesetzt).

Da Luftkühler keinen perfekten Gegen-strom aufweisen, ist die Wärmeleitung in den Lamellen ein Problem, das bedacht werden muss. Je nach Konstruktion können Tempe-raturunterschiede 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 verbun-den, um den Wärmeaustausch zu verbes-sern. Allerdings wird durch diese Konstruk-tion die Wärmeübertragung von einem war-men auf ein kaltes Rohr erleichtert, was vermieden werden sollte. Die Leistungs-einbußen 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 aus-wirkt. Die mittlere Dichte von CO₂ im Gas-


Die einzelnen Teile sind:

gaskühler und mitteldruck abscheider❙❙

Kaskadenwärmetauscher❙❙

Niederdrucksammler/Pumpen abscheider❙❙


Stillstandssicherheitssysteme & Wärme❙❙

rückgewinnung bei CO2Systemen




Transkritisches Boostersystem & ❙❙

Zusammenfassung


Bild 12:

Mitteldruckregelung

mit einem Sekundär-

verdichter

kühler ändert sich drastisch – von transkri-tisch zu subkritisch – und beeinflusst somit die Größe des Abscheiders.

Besondere aufmerksamkeit muss syste-men gewidmet werden, bei denen die gas-kühlung 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 kön-nen sie im Teil 6 dieser serie „stillstands-sicherheitssysteme & Wärmerückgewinnung bei co2-systemen“ nachlesen).

Die mittlere Dichte ist in diesem Fall sehr hoch, daher schwankt das Volumen beträchtlich. Ferner kann zudem die Unter-kühlung starke Schwankungen in der Fül-lung des Gaskühlers verursachen. Aus diesem Grund ist die Regelung der Unter-kühlung äußerst wichtig.

es gibt mehrere möglichkeiten, den mitteldruck zu regeln:

Option 1: ❙❙

Zur Senkung des Drucks in den Verteil-systemen wird dem System eine Bypass-leitung 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).

Der Mitteldruck wird durch das ETS-Schrittmotorventil und den EKC 326A-Regler geregelt. Für die Regelung des Hochdrucks kommt das ICMTS-Ventil 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 Energie- verbrauchs. In diesem Fall wird das Gas nicht zum Hauptverdichter umgeleitet, sondern direkt verdichtet (Bild 12). -




KaskadenwärmeübertragerDer 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 her-kömmlichem Wege abgeführt. Mit diesem System ist somit das umweltfreundliche Kältemittel CO₂ einsetzbar, ohne fundamen-tale Änderungen der Betriebsweise fürch-ten zu müssen, wie dies bei transkritischen Systemen der Fall wäre. Das Kältemittel der oberen Stufe bei solch einem Kaskaden-system ist nicht CO₂. Es kann hier ein be- liebiges Kältemittel unter Berücksichtigung der Verflüssigungstemperatur von CO₂ ver-wendet werden.

allgemeinesIn einem Kaskaden-Kältesystem mit CO₂ auf der Niedertemperaturseite erfolgt die CO₂-Verflüssigung im Kaskadenwärme-übertrager. Die Wärme aus der Niedertem-peraturstufe wird in der Hochtemperatur-stufe 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.

Konstruktion und praktischer Einsatz eines solchen Wärmeübertragers gehören zu den größten Herausforderungen von Kas-kaden-Kältesystemen. Die Wahl der rich-tigen 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 Phasenände-rungen auftreten. Ist der Wärmeübertrager überdimensioniert, wird es unter Teillast beinahe unmöglich, einen stabilen Wärme-übergang und einen optimalen Systembe-trieb zu gewährleisten.

Bei Kältesystemen für den Einsatz in Supermärkten kommen für diese Funk-


Bild 1:

Kaskadenwärme-

übertrager mit

direkter Verflüssigung

der CO2-Stufe

Bild 2:

Kaskadenwärme-

übertrager mit vorge-

schaltetem Enthitzer


tion üblicherweise Plattenwärmeübertra-ger zum Einsatz. Bei größeren Systemen können auch andere Arten von Kaskaden-wärmeübertragern verwendet werden. In der Regel wird eines der 3 bzw. 4 folgenden Schaltungssysteme bei CO₂-Kaskaden angewandt.

standard-kaskadenwärmeübertragerDie 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 Kaska-denwärmeübertrager einspritzt, wird immer zeitgleich mit dem Verdichter der CO₂-Stufe aktiviert. Handelt es sich um einen Ver-bund, so können beispielsweise die Regler AK-PC 730 oder AK-PC 840 zur Regelung und AK-SC 255 zur Überwachung einge-



Gaskühler und Mitteldruckabscheider❙❙

kaskadenwärmeübertrager❙❙

Niederdrucksammler/ ❙❙

Pumpenabscheider


Stillstandssicherheitssysteme & Wärme ❙❙

rückgewinnung bei CO2Systemen




Transkritisches Boostersystem ❙❙

& Zusammenfassung


Bild 3:

Kaskadenwärme-

übertrager mit Pumpen-

umwälzung

Bild 4:

Solegekühlter

Kaskadenwärme-

übertrager

setzt werden. Über diese Regler ist auch eine Freischaltung des EKC 316 mit ETS-Schritt-motorventil 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 mecha-nische Lösung mit thermostatischem Expan-sionsventil verwendet werden.

Ebenfalls wichtig ist, dass Flüssigkeit aus einem Kaskadenwärmeübertrager pro-blemlos 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 Aus-gleichsleitung (siehe Bild 1 und 2) äußerst ratsam.

kaskadenwärmeübertrager mit einem mitteldruckbehälterEine weitere Bauweise für ein CO₂-Kaska- densystem erfordert keine separate Aus-gleichsleitung. Hierbei kommt der Dimen-sionierung und Anordnung der CO₂-Rohrleitungen eine besonders wichtige Rolle zu. Die Regelung der oberen Stufe erfolgt auch hier über ein ETS- und EKC 316-System. Allerdings wird nun flüs-siges CO₂ der unteren Stufe aus dem Mit-teldruckbehälter zu den NK-Kühlstellen gepumpt.

Der Druck im Pumpenvorlauf für die NK-Kühlstellen kann mittels Drehzahl-regelung der eingesetzten Pumpen – bei-spielsweise mit einem Frequenzumrich-ter AKD 102 – konstant gehalten werden. Zusätzlich sollte ein klassischer, mecha-nischer Abgleich über Handdrossel-Regel-ventile erfolgen, wie dies auch bei Ammo-niak-Kälteanlagen im überfluteten Betrieb üblich ist.



Werden nun einzelne NK-Kühlstellen abgeschaltet, so regelt sich die Pumpendreh-zahl nach. Dies führt dazu, dass immer der gleiche Druck im Pumpenvorlauf herrscht. Die TK-Kühlstellen werden mittels Trocken-expansion versorgt. Das flüssige Kältemittel wird aus dem Mitteldruckbehälter entnom-men, über ein Drosselorgan – z. B. Typ AKV – entspannt und durch den TK-Verdichter/Verbund dem Mitteldruckbehälter wieder zugeführt.

kaskadenwärmeübertrager mit sekundärkühlungBei dieser Schaltungsvariante kann der Kas-kadenwärmeübertrager in Systemen ver-wendet werden, in denen die NK-Kühlstel-len mit Sole beschickt werden sollen. Die Pumpen, die zur Zirkulation der Sole durch die NK-Kühlstellen genutzt werden, fördern auch Sole durch den Kaskadenwärmeüber-trager der unteren Stufe. Somit wird die Ver-flüssigungswärme 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


system Trockenexpansion (mit und ohne enthitzer)

Trockenexpansion mit co2-mitteldruckbehälter

sekundärkühlung

Bild 1 und 2 3 4

Vorteile Einfache Verrohrung Keine Ausgleichsleitung erforderlich

Stabiler Betrieb

nachteile Ausgleichsleitung erforderlich

Komplexe Verrohrung

Geringerer Wirkungsgrad des Systems

Verwendete Danfoss- komponenten

EKC 316ETS AKS 11AKS 33

EKC 316ETSAKS 11AKS 33 AKD

ABQM

Kühlbefehls an den NK-Kühlstellen sind Magnetventile für Wasser bzw. Solen ein-setzbar. Dabei muss besonders auf die Werk-stoffeignung der Wasser-/Solemagnetven-tile geachtet werden. Je nach Aggressivität der verwendeten Sole sind Magnetventile in Messing, entzinkungsfreiem Messing oder – in besonders schwierigen Fällen – in Edel-stahl einzusetzen. EV220-Magnetventile gibt es in den genannten Werkstoffspezifi-kationen.

Ein Vorteil der solegekühlten Kaskaden-schaltung ist, dass der Plattenwärmeübertra-ger als Standard-Plattenverflüssiger fungiert und somit wesentlich einfacher zu dimensi-onieren und regeln ist. Aus diesem Grund ist die einfache mechanische AB-QM-Regelung vollkommen ausreichend. -

www.danfoss.de/co2



Niederdruckbehälter / PumpenabscheiderBehälter 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 Ver-gleich zu den meisten anderen Kältemit-teln bei gleicher Temperatur deutlich höher sind, muss bei der Auslegung des Systems und dementsprechend auch des Behälters besonderes Augenmerk auf den Betriebs-druck gelegt werden. Die Behälter müssen den physischen Eigenschaften des Kältemit-tels entsprechend konstruiert sein.

TrockenexpansionssystemeBei Trockenexpansionssystemen kann auf Pumpen oder Systeme zur Regelung des Flüs-sigkeitsstands verzichtet werden. Ein Nachteil dieser Systeme ist der geringere Wirkungs-grad aufgrund der Überhitzung. Aus diesem Grund kommen sie eher bei kleineren Syste-men (z. B. in Verbrauchermärkten oder klei-nen Lebensmittelläden) zum Einsatz.

Lange Rohrwege zwischen dem Flüssig-keitssammler und dem AKV-Expansions-ventil sollten vermieden werden, um einer unnötigen Flashgasbildung vorzubeugen. Der Druckabfall im Filtertrockner ist in diesem Zusammenhang auch zu berück-sichtigen.

PumpensystemeIn 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 ver-dampft. Aufgrund der hohen Effizienz von CO₂ sind kleinere Umwälzfaktoren als in herkömmlichen Systemen möglich. In Stan-dard Ammoniaksystemen beispielsweise ist ein Umwälzfaktor von 3 üblich.

Über den Rücklauf kehrt das CO₂ nun als Zweiphasengemisch (Hauptanteil flüs-sig) in den Behälter zurück. Dort wird es entsprechend den beiden Aggregatzustän-den getrennt. Die Flüssigkeit wird gesam-melt und der Kältemitteldampf kann nun

von den Verdichtern abgesaugt werden. In der Regel können industrielle Kältemittel-pumpen in größeren Systemen eingesetzt werden. Diese sind hermetisch geschlos-sen und zeichnen sich durch einen minima-len Wartungsaufwand aus. Auf dem Markt sind CO₂-Pumpen mit Förderleistungen ab 0,5 m³/h erhältlich.

niveauregelungDer Flüssigkeitsstand in Pumpenabschnei-dern wird durch ein elektronisches Expansi-onsventil (AKV, ETS oder ICM) geregelt. Die Ansteuerung erfolgt über den Füllstands-regler EKC 347. Der Flüssigkeitsstand wird mithilfe einer Niveausonde vom Typ AKS 41 gemessen und an den EKC 347 weitergelei-tet. Dieser kann nun bei zu niedrigem Füll-stand über das Expansionsventil neues Käl-temittel nachströmen lassen.


Pumpenbetrieb Trockenexpansion Kombiniertes System



Falls bei einem Pumpenumwälzsystem nicht explizit eine Überwachung eines zu niedrigen Flüssigkeitsstandes im Abschei-der vorgenommen wird, sind niedrige Dif-ferenzdruckverhältnisse an der Flüssigkeits-pumpe ein erstes Anzeichen dafür. Niedrige Flüssigkeitsstände führen zu einem gerin-gen Systemvordruck, durch den sich wiede-rum ein niedriges Differenzdruckverhältnis an der Pumpe ergibt. Der übliche Mindest-differenzdruck von CO₂-Pumpen liegt zwi-schen 1 und 3 bar.

co2-PumpenBei CO₂-Anwendungen mit Flüssigkeitsum-wälzung sollte bei der Dimensionierung und der Auslegung der Rohrleitung zwi-schen 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 wer-den. Sie tritt in Aktion, wenn die Kälteanlage ihre Sollwerte erreicht hat und alle Magnet- und AKV-Ventile geschlossen sind.

Zu diesem Zweck können zwei Druck-messumformer vom Typ AKS 2050 und ein Systemregler vom Typ AK-SC 255 verwen-det werden. Der Systemregler versorgt den Frequenzumrichter Typ AKD mit dem aktu-ellen Drehzahlsollwert, mit dem dieser die Pumpe arbeiten lässt. Diese Funktion ist in boolescher Logik programmiert.

Eine „Q-max-Blende“ wird verwendet, um die Durchflussrate und Pumpendruck-vorlage auf einem maximalen Niveau zu hal-ten und Kavitation zu vermeiden. Kavitation tritt am ehesten nach dem Abtauen der Ver-dampfer auf.

Es müssen vier Hauptpunkte beachtet werden:1. Der minimale Pumpenvordruck muss zur

Vermeidung von Kavitation überwacht werden (obwohl dieses Problem im Ver-gleich zu FKW-Systemen weniger gravie-rend ist).

2. Der Betrieb der CO₂-Pumpe sollte stets im freigegebenen Frequenzband stattfin-

CO2-Trockenexpansi-ons-Kaskadensystem – Niedertemperatur-kreislauf

Anordnung von Niederdruck-

abscheider und Pumpe


system Trockenexpansion Pumpe kombiniert

Vorteile Einfach, keine Pumpen erforderlich

Hoher Wirkungsgrad, CO2 kann über größere Strecken gepumpt werden

Effiziente Bereitstellung von zwei Temperaturniveaus

nachteile Keine optimale Energieeffizienz

Relativ komplex, Kosten Komplex, die teuerste der drei Alternativen

Danfoss- komponenten

NRV oder CHVDCRSGN+

NRV oder CHVDCRSGRN+AKS 41EKC 347AKV oder ETS

NRV oder CHVDCRSGRN+AKS 41EKC 347AKV oder ETS


den. Eine Unterschreitung der Minimal-drehzahl oder eine unerlaubt hohe Fre-quenz 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 Dreh-zahlregelung empfohlen.

Eine variable Drehzahlregelung für CO₂-Pumpen ist ratsam, da diese zu einer opti-malen Leistungsanpassung führt. Ein erwünschter Nebeneffekt ist auch, dass Systemparameter wie Drücke und Tempera-turen konstant gehalten werden.

Ein Rückschlagventil sollte in der Pum-pendruckleitung montiert werden, um einen Rückfluss bei Stillstand oder Parallelbetrieb zu verhindern. Abhängig von der Rohrgröße und anderen Faktoren können NRV-, CHV- oder SCA-Ventile eingesetzt werden.

Ein DCR-Filtertrockner sollte entweder in die Pumpendruckleitung oder in eine Bypass-leitung 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 Feuchtig-keit aus dem CO₂-Kreislauf fern gehalten und im Filtertrockner gebunden werden. Es sollte ein Filtertrocknereinsatz aus 100 % Moleku-larsieb wie in klassischen FKW-Anlagen ver-wendet werden.

Die Ausführung der Trocknermontage unterscheidet sich nicht bei Kaskaden- und transkritischen Systemen.

kombinierte systemeDie Kombination eines Trockenexpansions-Systems mit CO₂-Pumpenumwälzung wird recht häufig gewählt, um zwei Temperaturni-




Kaskadenwärmeübertrager❙❙

niederdrucksammler / ❙❙

Pumpenabscheider


Stillstandssicherheitssysteme ❙❙

& Wärmerückgewinnung bei CO2Systemen





& Zusammenfassung


Q-min-Blende-Anordnung

Verteilung für NK- und

TK-Kühlstellen mit Pumpe

DCR-Filtertrockner-

anordnung

in CO2-Systemen

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 ver-sorgt. Im Gegensatz dazu arbeiten die TK-Kühlstellen im Trockenexpansionsbetrieb.

Somit finden sich in den TK-Kreisläufen auch Drosselorgane. Die Anordnung dieser Drosselorgane in Flussrichtung nach der CO₂-Pumpe ist statthaft und bietet diverse Vorteile. Hiermit wird sichergestellt, dass jederzeit eine angemessene Flüssigkeitsvorlage vorhanden ist und keine Vorverdampfung von Kältemit-tel vor den AKV-Expansionsventilen bei den TK-Kühlstellen auftritt. Besonders bei großen Leitungslängen, bei denen der Maschinen-raum weiter als 50 m entfernt liegt, empfiehlt es sich, diese Methode anzuwenden. -




Spezielle Verdampfer und Verdichter für CO2Welchen 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 economiser-anschluss ausgestattet. stephan Bachmann, offenbach

Für CO₂-Systeme kommen zwei Verdamp-fertypen infrage, einer für den Trockenex-pansions- und einer für den Pumpbetrieb. Unterschiede bestehen in der Ausführung der Verdampferrohre sowie in der Ventilan-wendung und Regelungsstrategie.

Für CO₂ optimierte Verdampfer zeich-nen sich aufgrund der hohen volumetrischen Kälteleistung von CO₂ durch kleinere Kreis-läufe und geringere Rohrabmessungen aus. Dank dieser Tatsachen verringert sich die Dauer von Abtauvorgängen. Der weitere Vorteil von CO₂ liegt in der kurzen Abkühl-zeit nach dem Abtauen verglichen mit kon-ventionellen Systemen.

überflutete Verdampfer (Pumpbetrieb)Verdampfer gibt es in Ausführungen mit einem oder mehreren Kreisläufen. In der Regel sind Verdampfer für den Pumpenbe-trieb auf mittlere Temperaturen ausgelegt.

Die Verwendung von CO₂ bietet die Vor-teile einer kleineren Kältemittelfüllung im Gesamtsystem sowie von geringeren Rohr- und Verdampferdimensionen bei gleich-

bleibend optimaler Wärmeübertragung und hohem Wirkungsgrad. Die Kälteleistung ist bei einer gegebenen Rohrdimension bes-ser, und die Ölrückführung innerhalb des Systems wird ebenfalls erleichtert.

einkreisverdampferBild 1 zeigt ein typisches Flüssigkeitsumwäl-zungssystem mit Pumpbetrieb und Kühl-möbel- oder Kühlraumverdampfern ver-schiedener Größen. Zur Regelung des Flüs-sigkeitsstroms zu beiden Verdampfern wird ein zusätzliches Handdrosselventil (REG 10) am kleineren Verdampfer montiert, um die Flüssigkeitsversorgung der beiden Ver-dampfer 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 Haupt-flüssigkeitsleitung sollte 24 Stunden nach Inbetriebnahme der Anlage nochmals über-prüft und ggf. von Fremdkörpern und Ver-schmutzungen gereinigt werden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die Magnetventile über den Sitz nicht mehr dicht halten. Dies kann zu einem stetigen unerwünschten Käl-temitteldurchsatz durch die Verdampfer führen. Zu niedrige Temperaturen wären die Folge.


Bild 1:

Einkreisverdampfer

in einem Pumpen-

umwälzsystem


mehrkreisverdampferBild 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 auf-grund der überfluteten Verdampfer deut-lich höher eingestellt als bei konventionellen FKW-Systemen. Sobald ein Magnetventil abschaltet, kann die Luftausblastemperatur abhängig vom Innenvolumen des Verdamp-fers und dem Umwälzfaktor um weitere 2 bis 4 K fallen. Dies geschieht, da auch bei bereits geschlossenem Magnetventil weiterhin im Verdampfer verbleibendes CO₂ verdampft.

TrockenexpansionTrockenexpansions-Verdampfer in CO₂-Systemen werden üblicherweise für Tiefküh-lung (z. B. Tiefkühlkost) eingesetzt. Auch hier können die Abmessungen der Verrohrung aufgrund der Effizienz und der Vorteile von CO₂ deutlich reduziert werden. Der Rohr-durchmesser liegt oft nur bei 8 oder 10 mm.

Das Abtauen bei CO₂-Systemen in Supermärkten erfolgt üblicherweise mit-tels Sole (Thermobankabtauung) oder elek-trischer Abtauheizungen. Es ist wichtig, beim

Abtauen den Druck zu begrenzen, da dieser schnell den maximal zulässigen Betriebs-überdruck der Komponenten (bei Standard-geräten für den unterkritischen Einsatz sel-ten höher als 46 bar) überschreiten kann.

Bei CO₂-Kaskadensystemen wird die Nutzung eines internen Wärmeübertra-gers zwischen der CO₂-Saugleitung und der Hochdruckflüssigkeit aus der Hochtempera-turstufe 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 Kältemittel-flüssigkeit der Hochdruckstufe erreicht. Das führt zu zuverlässigerer Flüssigkeitsvorlage vor dem entsprechenden Drosselorgan der Hochdruckstufe.

regelungZur Regelung von Verdampfern mit Pum-penbetrieb gibt es drei Möglichkeiten:

Zentral über den Systemcontroller ❙❙

des Typs AK-SC 255 mit AK-XM- E/A-Modulen, zur Regelung der Temperatur über Magnetventile und der AbtauvorgängeDezentral über die Kühlstellenregler ❙❙

AK-CC 750 oder AK-CC 450Dezentral über EKC-Regler❙❙

Bild 2:

Mehrkreisverdampfer

in einem Pumpen-

umwälzsystem

Bild 3:

CO2-Tiefkühlung

mit internem

Wärmeübertrager

elektronische regelungAufgrund der hohen Gasdynamik ist es überaus wichtig, eine geeignete elektronische Regelung für CO₂ zu verwenden. Bei her-kömmlichen Kältemitteln war es üblich bei elektronischer Einspritzregelung die Über-hitzung mithilfe von Temperaturfühlern am Beginn und Ausgang, oder Temperaturfüh-ler und Druckmessumformer nur am Aus-gang des Verdampfers zu regeln.

Bei CO₂-Einspritzreglern ist eine präzise und effektive Überhitzungsregelung beson-ders wichtig, da rasche Veränderungen beim CO₂-Druck üblich sind. Die Regler AK-CC550 bzw. AK-CC750 für Verdampfer und Kühlräume wurden für diese Anwen-dung entwickelt und haben sich in der Pra-xis bewährt.

Vom Einsatz eines FKW/HFCKW-Stan-dardverdampfers 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 anspre-chende Temperaturfühler (z. B. AKS11 sind einsetzbar – AKS12-Fühler sind nicht emp-fehlenswert, da diese eine leicht dämpfende Wirkung haben) und Druckmessumformer (z. B. AKS32R) verwendet werden. Damit bekommt der Regler immer schnellstmög-lich die aktuellen Informationen und kann unmittelbar Aktionen einleiten oder diese zeitlich verzögern.

Die Erfahrung hat gezeigt, dass die allei-nige Verwendung von zwei Temperaturfüh-lern 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 schutzvorrichtungenInzwischen werden von mehreren Unterneh-men 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 zweistu-



fig. Zudem sind einige transkritische Verdich-ter unter Umständen mit Zwischenkühler- oder Economiser-Anschluss ausgestattet.

Transkritische CO₂-Verdichter, Typ TN, eignen sich speziell für MBP-Anwendungen (mittlerer Verdampfungstemperaturbe-reich), 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 CCB-Patronendruckschalter von Danfoss Sagi-nomiya 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 Dan-foss KP6-Druckschalter mit einem maximal zulässigen Betriebsüberdruck von 46,5 bar eingesetzt werden. Die robusten Druckschal-ter der Serie MBC 5000 sind sowohl für sub-kritische als auch für transkritische Systeme geeignet. Darüber hinaus können die Diffe-renzdruckschalter MBC 5080 und MBC 5180 verwendet werden, um den Öldruck des Ver-dichters zu überwachen. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass MBC-Geräte nicht gemäß Kategorie IV der Druckbehälter-verordnung zuge lassen sind. Allgemein sollte in CO₂-Anlagen immer an den Einsatz eines Sicherheitsventils als letzte Sicherheitsmaß-nahme gedacht werden, auch wenn bereits andere Maßnahmen ergriffen wurden.

Bei der Öldrucküberwachung mittels Differenzdruckschaltern muss ein externes Verzögerungsrelais verwendet werden.

leistungsregelungCO₂ ist ein höchst effizientes und dyna-misches Kältemittel. Bei Verbundanlagen ist die Kälteleistung aufgrund der Ein/Aus-Schaltungen und Grobabstufung der Ver-dichtergrößen im Vergleich zur tatsäch-lichen Kühllast meist entweder zu niedrig oder zu hoch. Zudem ist der schwankende Saugdruck für die Schmierung der Verdich-ter unvorteilhaft, besonders bei CO₂.

Wird ein Verdichter bei Verbundanlagen durch den AKD 102 (Frequenzumrichter) mit variabler Drehzahl geregelt, bleibt der

Saugdruck sehr stabil. Dadurch ver ringert 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 Fre-quenzumrichter (hier AKD102) geregelt wird. Bild 7 zeigt ein Leistungsdiagramm der Verbundanlage mit zwei, drei, vier und fünf Verdichtern, wenn einer dieser Ver-dichter im Bereich 30–60 Hz durch einen Frequenzumrichter geregelt wird.

Nachts und an Wochenenden kann die Kühllast so gering sein, dass nur der dreh-zahlgeregelte Verdichter auf Minimaldreh-zahl läuft. Auch dies bedeutet eine geringere Teillast, als bei einer Verbundanlage mit rei-nen On/Off-Verdichtern möglich wäre.

Bei der Regelung des Verdichters mit variabler Drehzahl muss sowohl die Min-dest- als auch die Maximaldrehzahl den Vorgaben des Verdichterherstellers ent- sprechen. Saug- und Druckleitung müssen so dimensioniert sein, dass die Ölrück-führung bei Minimal- wie auch Volllast stets gewährleistet ist.

Bild 4:

Regelung der

Überhitzung

mit Temperatur-

fühler und

einem Druck-

messumformer

(separate

Regler)

Bild 5:

Regelung der

Überhitzung

mit Temperatur-

fühler und

einem Druck-

messumformer

(ein Regler für

maximal vier

Verdampfer)





Niederdrucksammler / ❙❙

Pumpenabscheider



& Wärmerückgewinnung bei CO2Systemen





& Zusammenfassung



erforderliche komponentenDas System muss so ausgelegt sein, dass durch eingeschlossene Flüssigkeit bzw. ein-geschlossenen Dampf kein zu hoher Druck während der Nutzung, Wartung oder Repa-ratur des Systems entstehen kann. Der Kas-kadenwärmeübertrager (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 Ver-dichter vor feinen Schmutzpartikeln im System. Der DCHR eignet sich für Kupfer- und Stahlrohre. Für Edelstahlrohre können FIA-Filter verwendet werden.

Bei CO₂-Anwendungen empfiehlt sich die Verwendung von 100 %-Molekularsieb-

Bild 7:

Leistungsregelung,

wenn ein Verdichter

im Bereich 30 bis 60 Hz

geregelt wird und

die restlichen On/Off

arbeiten

Bild 6:

Einer der drei Verbund-

verdichter wird durch

einen Frequenz umrichter

geregelt

Bild 8: Schematisches Kreislaufdiagramm einer subkritischen CO2-Verbundanlage

Bild 9:

Regelung

Kaskaden-

system

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-Wech-selventil (Bild 8, Nr. 17) aufgebaut. In man-chen 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 befin-det. Dadurch lässt sich der CO₂-Verlust in den meisten Fällen auf ein Mindestmaß beschränken.

regelung des gesamtsystemsIn Kaskadensystemen muss mindestens ein Verdichter der oberen Stufe bereits in Betrieb sein, ehe der erste Verdichter der unteren Stufe startet. Anderenfalls könnte der Ver-dichter im Kreislauf der unteren Stufe über den Hochdruckschutzschalter abschalten.

Wichtig ist zudem, dass die Einspritzung in den Kaskadenwärmetauscher über das Einspritzventil in dem Moment beginnt, in dem der erste Verdichter im Niederdruck-kreislauf 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 inte-grierten Funktionen zur Koordination der-artiger Vorgänge ausgestattet. -




Sicherheit beim Stillstand von CO2-Anlagenanders 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 maxi-mal zulässigen Anlagendrucks müssen fol-gende Systemparameter beachtet werden:

Druck im Betrieb❙❙

Druck bei Stillstand der Anlage❙❙

Besondere Temperaturanforderungen ❙❙

bei AbtauungDrucktoleranzen für Sicherheitsventile ❙❙

(10–15 %)Grundsätzlich ist der Stillstandsdruck der wesentliche Beschränkungsfaktor in Bezug auf den maximal zulässigen Anlagendruck bei CO₂-Systemen. Bei den meisten Syste-men mit herkömmlichen Kältemitteln kann durch Ausschalten des Druckerzeugers (Ver-dichters) ein weiteres Ansteigen des System-drucks zuverlässig verhindert werden.

Bei CO₂-Systemen kann jedoch der Druck bei Stillstand schnell 65–80 bar (ent-spricht 25–30 °C) erreichen. Dieser Wert liegt über dem maximal zulässigen Betriebsüber-druck der meisten handelsüblichen Kälte-komponenten. Theoretisch besteht die Mög-lichkeit das System komplett für diese hohen Drücke auszulegen, eleganter ist es aber, ent-sprechende Maßnahmen zur Sicherstellung eines moderaten CO₂-Drucks zu ergreifen. Dies ist gleichermaßen ein Thema bei trans-kritischen wie auch bei Kaskadensystemen.


Auslegungsdruck/

-temperatur für CO2

Druckanstieg bei dampfförmigem CO2


Der CO₂-Druck bei Stillstand wird maß-geblich 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 nied-riger. 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 Still-stand erfolgt üblicherweise anhand fol-gender Verfahren:

hilfskühlungIm Fall eines Druckanstiegs bei Stillstand wird ein Hilfskühlungssystem aktiviert, das den CO₂-Tank kühlt und so den Druck auf den maximal zulässigen Wert beschränkt.

Die Regelung setzt die Hilfskühlung in Betrieb, sobald das Signal vom Druckschal-ter am Sammler (Typ KP oder MBS 500, je nach Drucklage) eine Drucküberschrei-tung signalisiert. Es empfiehlt sich eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) ein-zusetzen, um auch gegen einen Stromausfall gerüstet zu sein.

In beiden Fällen wird zur Kühlung des CO₂-Tanks ein kompakter Verflüssigungs-satz verwendet. Dieses System ist typisch für

große Gewerbeanwendungen (Super- und Großmärkte, Kühlhäuser usw.). Für diesen Anwendungsbereich sind z. B. die Verflüssi-gungssätze Danfoss Optyma A04 gut geeig-net.

co2-FreisetzungBei 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 AtmosphäreKühlung der Restflüssigkeit ❙❙

durch siedendes CO₂Sobald der Druck im Sammler den am Pilotregelventil CVP-XP eingestellten Punkt übersteigt, wird CO₂ freigesetzt. Da es sich


system mit Verflüssigungssatz co2-Freisetzung ausdehnungsgefäß

Vorteile CO2 gelangt nicht

in die Atmosphäre Keine zusätzlichen Behälter erforderlich

Einfache SystemauslegungKeine zusätzlichen oder besonderen Behälter erforderlichKeine Spannungs versorgung notwendigVergleichsweise kostengünstig

CO2 gelangt nicht

in die Atmosphäre Keine Spannungs versorgung notwendig

nachteile Spezialbehälter erforderlich Spannungsversorgung notwendig USV empfehlenswertZusätzliches Kältemittel wird benötigtVergleichsweise kostspielig

CO2 gelangt

in die AtmosphäreFüllmenge muss präzise bemessen werden

Zusatzbehälter erforderlich Füllmenge muss präzise bemessen werden Vergleichsweise kostspielig

komponenten OPTYMA VerflüssigungssatzMBS 5000 oderKP Druckschalter

ICS+CVPXP oderCVH+CVPXP DruckreglerSicherheitsventil SFA15EVR(H)KP

ICS+CVCXP oderCVH+CVCXP DruckreglerSicherheitsventil SFA15NRVRückschlagventil

System zur

CO2-Freisetzung

mit Pilotventil

Hilfskühlung mit Verflüssigungssatz



bei dem CVP-XP um ein Proportionalregel-ventil handelt, wird nur allmählich Druck abgelassen, und es entweicht lediglich eine sehr geringe Menge an Kältemittel. Zu die-sem Zweck kann ein ICS-Hauptventil mit aufgeschraubtem Pilotventil CVP-XP ver-wendet werden. Bei kleineren Systemen kann die Montage des CVP-XP direkt in einem externen Pilotgehäuse CVH ausrei-chend sein.

Während der Druck im Sammler ab- fällt, 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 frei-gesetzt. Alternativ kann am Austritt des






Pumpenabscheider


stillstandssicherheitssysteme ❙❙

für co2-anlagen

Wärmerückgewinnung ❙❙

bei CO2Systemen





& Zusammenfassung


System zur CO2-Freisetzung mittels Magnetventil

CO2-System mit Ausdehnungsgefäß

Sammlers ein Magnetventil angebracht wer-den. Angesteuert wird dieses z. B. von einem Systemcontroller des Typs AK-SC 255 (bzw. AK-SC 720), der ein Signal vom Druck-messumformer (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-ausdehnungsgefäßIn Systemen mit begrenzter Füllmenge kann zur Gewährleistung eines akzeptablen Druckniveaus ein gesondertes Ausdeh-nungsgefäß eingesetzt werden. Sobald der Druck im System ansteigt, strömt das CO₂ über das Rückschlagventil (NRV) in das

Ausdehnungsgefäß. Es muss so groß dimen-sioniert sein, dass es ausreichend CO₂ auf-nehmen 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 Sauglei-tung 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 exter-nes Ventilgehäuse (CVH) eingeschraubt werden. -



Wärmerückgewinnung bei CO2-SystemenWärmerückgewinnung 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 beson-dere Aufmerksamkeit:

Kondensation von Flüssigkeit in der ❙❙

WärmerückgewinnungseinheitVerhinderung von Wasserdampfbildung ❙❙

bei der WärmerückgewinnungSicherstellen einer ausreichenden Wasser-❙❙

qualität, unterschiedliche Konzentrationen an Calciumcarbonat, Bakterien usw.Vermeidung von zu niedrigen bzw. zu ❙❙

hohen Verflüssigungstemperaturen aufgrund unterschiedlicher Temperaturen des Wärmerückgewinnungswassers

Wärmerückgewinnung mit CO₂ in trans-kritischen Systemen funktioniert hervorra-gend. Doch auch in subkritischen Anwen-dungen 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 Ver-flüssigungstemperatur +15 °C, können rund 30 % der Energie bei ca. +60 °C zurückge-wonnen werden.

Wärmerückgewinnung, einfaches systemDas einfache System ist durch die Funktio-nen von der Wasserseite her eingeschränkt, da die Wärme von dort immer aus dem Käl-tesystem abgeführt werden muss. In diesem Fall wird die Systemlast also von der Wasser-seite 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-PC840Gaskühlerregelung EKC 326A und ❙❙

ICMTSRegelung des Bypass-Ventils ETS + EKC ❙❙

326ABei einem typischen Wärmerückgewin-nungssystem (WRG) muss der Wärme-übertrager korrekt dimensioniert sein, damit ein reibungsloser Betrieb als Gasküh-ler sichergestellt werden kann. Zudem muss

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 Wasserkreis-läufen die bestmöglichen Ergebnisse erzie-len lassen.

Das WRG-Bypass-Ventil (1) wird akti-viert, wenn kein Wasser durch das WRG-Register 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 Gaskühlerreg-ler (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.


Einfaches Wärmerück-

gewinnungssystem



Verdichterregelung AK-SC 255, ❙❙

AK-PC730 oder AK-PC840Gaskühlerregelung EKC 326 und ICMTS❙❙

Ansteuerung des Bypass-Ventils ETS + ❙❙

EKC 326AKühlturmregelung AK-PC420❙❙

Teilweise WärmerückgewinnungDiese Anwendung unterscheidet sich von der vorherigen lediglich darin, dass ein her-kömmlicher Gaskühler in Verbindung mit

der Wärmerückgewinnungseinheit verwen-det werden kann. Dadurch ist dieses System äußerst flexibel. Dies hat den großen Vor-teil, dass das System an bestimmte Anfor-derungen angepasst werden kann, so dass die Hochdruckseite des Kältekreislaufs stets ausreichend gekühlt ist.

Verdichterregelung AK-SC 255, AK-PC ❙❙

730 oder AK-PC 840Gaskühlerregelung EKC 326A ❙❙

und ICMTS






Pumpenabscheider



für CO2Anlagen

Wärmerückgewinnung ❙❙

bei co2-systemen





& Zusammenfassung


Regelung des Bypass-Ventils ETS + ❙❙

EKC 326AKühlturmregelung AK-PC420❙❙

Bei EKC 326A ist eine gleichzeitige Regelung des ICMTS- und des ETS-Ventils mit dem-selben Regler möglich. -

System zur

Wärmerück-

gewinnung

Anlage zur

teilweisen

Wärmerück-

gewinnung


system einfache Wärme rück gewinnung Vollständige Wärmerückgewinnung Teilweise Wärmerückgewinnung

Vorteile Einfaches System Hohe Leistung Flexibilität

nachteile Temperaturkonstanz schwer zu erzielen

Komplexität, zwei Wärmetauscher erforderlich

Höhere Kälte mittelfüllung

komponenten ICMTS EKC 326A ETS AKS 2050 AKPC 730 (oder AKPC840) AK PC 420 AKSC 255

ICMTS EKC 326A ETS AKS 2050 AK PC 730 (oder AKPC840) AK PC 420 AKSC 255

ICMTS EKC 326A ETS AKS 2050 AK PC 730 (oder AKPC840) AK PC 420 AKSC 255



CO2 in Kaskadensystemen kaskadensysteme mit zwei herkömmlichen kältemitteln werden selten in supermarkt-anwendungen 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:

Anlage festgelegt. Das bedeutet, dass die Kühlstellen direkt mit CO₂ beaufschlagt wer-den können. Gibt es keine NK-Kühlstellen, dann kann die Mitteltemperatur nach dem

optimalen Mitteldruck festgelegt werden. Da ein Kaskadensystem eigentlich aus zwei ver-schiedenen Kältesystemen besteht, die zwar eine gemeinsame Schnittstelle haben, aber


Wärmeübertragung in

einem Kaskadensystem

(schematisierte

Darstellung)Die Betriebsdrücke von CO₂ in Kaskaden-❙❙

systemen sind niedrig (üblicherweise 40 bis 45 bar). Für den Hochtemperatur-Kreislauf (HT) ❙❙

ist eine vergleichsweise geringere Menge an Kältemittel erforderlich. Der Temperaturunterschied für den Kaska- ❙❙

denwärmeübertrager ist relativ niedrig.Im HT-Kreislauf können Kohlenwasserstoffe, FKW oder Ammoniak als Kältemittel ver-wendet werden. Es ist zu beachten, dass die Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Kältemittel aufgrund der Brennbarkeit beson-deren 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 Eigen-schaften und des niedrigeren Treibhauspo-tenzials (verglichen mit z. B. R 404 A).

Temperaturen und DruckverhältnisseDie Mitteltemperatur in einem Kaskaden-system wird basierend auf der erforderlichen Temperatur für die NK-Kühlstellen in einer

Kaskadensysteme

mit NK- und TK im

Pump- und Trocken-

expansionsbetrieb



am Kaskadenwärmeübertrager voneinan-der getrennt sind, kann der Betriebsdruck für die beiden Systeme unterschiedlich sein. Der übliche maximal zulässige Betriebsüber-druck von CO₂ in der unteren Stufe von Kas-kadensystemen 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. Sicher-heitsventile sollten dabei immer als letzte Schutzmaßnahme vorgesehen werden und dabei die höchste Druckeinstellung aufwei-sen. 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 Kaskadenwär-meübertrager sinkt der Wirkungsgrad des Kältesystems. Je geringer der Temperatur-unterschied, desto kostspieliger ist allerdings der Kaskadenwärme übertrager. Bei Systemen mit niedrigen CO₂-Druckgastemperaturen kann die Überhitzung des Expansionsventils der Dimensionierungsfaktor für den Wär-meübertrager sein. Wenn ein CO₂-System hohe Druckgastemperaturen aufweist, sollten separate Enthitzer eingesetzt werden, um die Last auch im HT-Kreislauf zu ver-ringern. Der optimale Mitteldruck in CO₂-Kaskadensystemen 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

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 Mittel-temperatur 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 kaskadensystemenBei Kaskadensystemen ist es unerlässlich, dass mindestens ein Verdichter im HT-Kreislauf aktiv ist, bevor der erste Verdichter im Nie-dertemperatur (NT)-Kreislauf aktiviert wird. Anderenfalls ist es möglich, dass der Verdich-ter im NT-Kreislauf über den Hochdruck-schalter 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 Hoch-temperaturkreislauf mit Kältemittel befüllt und (der Verdichter) in Betrieb gesetzt wer-den. Danach kann CO₂ in das Niedertem-peratursystem gefüllt werden. Das Expan-sionsventil (ETS) der Hochtemperaturstufe

für den Kaskadenwärmeübertrager sollte gleichzeitig mit den Hochtemperaturver-dichtern in Betrieb genommen werden. Danach regelt das Ventil die Überhitzung des Kältemittels der Hochtemperaturstufe. NT-Verdichter werden durch den CO₂-Druckanstieg auf der Saugleitung gestar-tet. Danfoss-Verbundregler wie AK-SC 255, AK-PC 730 oder AK-PC 840 wurden spezi-ell mit integrierten Regelungsfunktionen zur Koordination dieser Aufgaben konzipiert.

einspritzung in kaskadenwärmeübertragerDas 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 Anwen-dung nicht ideal. Es wird empfohlen, Motor-ventile 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 Tem-peratur von 60 °C aufweist und die Wärme


daher problemlos an die Umgebung abge-führt oder zur Rückgewinnung genutzt wer-den kann. Der zweite Grund ist eine Redu-zierung des thermischen Stresses im Wär-meübertrager. Dies bedeutet eine zusätz-liche Betriebssicherheit der Anlage über lange Jahre. Der dritte Grund: Das CO₂-Gas verfügt über eine sehr hohe Wärmestrom-dichte, was zu instabilen Bedingungen auf der Verdampferseite führen kann. Aus die-sem Grund wird empfohlen, die Druckgas-temperatur auf der CO₂-Seite zu senken.

Die Verteilung auf der CO₂-Seite ist ebenfalls ein wichtiges Thema. Der Wärme-übertrager muss für eine Direktverdamp-fung konstruiert sein, um eine gleichmä-ßige Verteilung des Nassdampfs im Wär-meübertrager zu gewährleisten. Wenn der Wärme übertrager für einen angemessenen Druckabfall bei Teillast konstruiert wurde, funktionieren der Öltransport und die Ver-teilung meist anstandslos.

elektronisches regelsystem Eine Kombination aus ETS-Ventil und EKC 313 bietet üblicherweise die beste Regelungs-leistung bei Kaskadenwärmeübertragern. Der EKC 313 misst sowohl Druck als auch Temperatur am Ausgang des Wärmeüber-tragers auf der Hochtemperaturseite und gleichzeitig am Eingang der Niedertempera-turseite. 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 Flüssigkeitsansamm-lungen bilden können.

kaskadensysteme mit Trockenexpansion und gepumptem co2 Kaskadensysteme mit CO₂-Pumpenum-wälzung für Normalkühlung gehören zu den ersten CO₂-Anlagen, die nach der Wie-derentdeckung von CO₂ in der Kältetech-nikbranche gebaut wurden und sind auch heute noch im Einsatz. Der Wirkungsgrad von Kaskadensystemen gehört wahrschein-lich zu den bestmöglichen und ist, was die kleinen Rohrabmessungen betrifft, einzigar-

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 Leis tung. In kleinen Systemen oder Syste-men mit sehr hohen Lastunterschieden kön-nen Pumpen zu träge sein.

kaskadensysteme in kombination mit soleSysteme 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 Kaskaden-systeme 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 Kas-kadenwärmetauscher einfacher regeln lässt. Der Nachteil: Es bestehen zwei Temperatur-differenzen und nicht nur eine. Die maxi-male Verflüssigungstemperatur von CO₂ setzt die Grenze für die Sole temperatur. -




Kaskadenwärmeübertrager ❙❙

Niederdruckbehälter/ ❙❙

Pumpenabscheider



Wärmerückgewinnung❙❙

kaskadensysteme ❙❙

Einfache transkritische Systeme ❙❙

für z. B. Lebensmitteleinzelhandel


& Zusammenfassung


Kaskadensystem mit TK-CO2-Trocken expansion, NK-Sole und solegekühltem Kaskadenwärme übertrager




Einfache transkritische SystemeTranskritische 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 ein-gesetzt werden kann, ist eine feste Dros-selstelle (z. B. eine Blende oder ein Kapil-larrohr). In einem solchen System wird der Hochdruck nicht geregelt, und das System wird folglich nur mit dem optimalen Hoch-druck – 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 Sauglei-tung und der Leitung, die vom Gaskühler kommt, kann die Systemleistung verbessert werden. Wenn es sich bei dem Expansions-organ um ein Kapillarrohr handelt, kann dies an die Saugleitung angelötet werden und den internen Wärmeübergang zusätz-lich 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

Bild 2: Transkritisches Kältesystem mit internem Wärmeübertrager und Kapillarrohr als Drosselorgan


Bild 3: Transkritisches Kältesystem mit internem Wärmeübertrager und einem automatischen Ventil als Expansionsorgan

der Umgebungstemperatur auftreten und gleichzeitig nur ein definierter Betriebs-punkt auf der Verdampferseite zu beach-ten ist.

Ändern sich die Betriebsbedingungen (z. B. die Umgebungstemperatur oder die Verdampfungstemperatur während der Abkühlphase), ändert sich ebenso die Kälte-mittelverteilung zwischen den Komponen-ten. Damit ändert sich auch der Gaskühler-druck.

Für Anwendungen, bei denen eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Betriebs-bedingungen erforderlich ist, die Leistungs- und Effizienzanforderungen unter verschie-denen Betriebsbedingungen erfüllen müs-sen, ist ein Regelventil für den Hochdruck unerlässlich. Dies kann ein mechanisches oder ein elektronisches Ventil sein.

Darüber hinaus ist es eventuell notwen-dig, einen Niederdrucksammler zu instal-lieren, um die Lastschwankungen auf der Hochdruckseite zu kompensieren.

system mit automatischem VentilBild 3 zeigt ein System mit einem automa-tischen Ventil als Drosselorgan. Das Ventil regelt nach dem Eingangsdruck (Gaskühler-druck) und öffnet oder schließt nach einem definierten Sollwert.

Der Einstellwert des Ventils kann manu-ell angepasst werden. Das MBR-Ventil von Danfoss wurde speziell für diesen Anwen-dungszweck entwickelt.

Das automatische Drosselventil kann bei Systemen eingesetzt werden, die nur gerin-gen Schwankungen der Umgebungstem-peratur 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 eingangs-seitigen Druck (vom Gaskühler) konstant hält.

Bild 4: Transkritisches Kältesystem mit internem Wärmeübertrager und einem thermostatischen Drosselorgan

als Expansionsventil

system mit thermostatischem DrosselventilBild 4 zeigt ein System mit thermosta-tischem Drosselorgan. Das Ventil arbeitet mithilfe eines klassischen Fühlers (mit einer Flüssigkeits-Dampf-Füllung) zur Erfassung der Kältemittelaustritts temperatur des Gas-kühlers und somit zur Regelung des Ein-gangsdrucks des Ventils. Alternativ kann mit dem Fühler auch die Lufteintritts-temperatur des luftgekühlten Gaskühlers erfasst werden.

Das thermostatische Drosselventil kann bei Systemen eingesetzt werden, die starken Schwankungen der Umgebungstempera-tur ausgesetzt sind und gleichzeitig bei zwei oder mehreren Betriebspunkten optimale Leistungs- und Effizienzwerte aufweisen müssen.

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 geach-tet werden, dass es nicht zu größeren Öl ansammlungen im Niederdrucksammler kommt. Dies lässt sich durch eine Ölablass-leitung vermeiden, über die kleine Men-gen Öl und flüssiges Kältemittel aus dem Sammler in den internen Wärmeübertrager fließen können.

Für den Systembetrieb reicht ein ein-facher Kühlstellenregler aus (z. B. ein Regler vom Typ EKC 202).



system mit elektronischem expansionsventilVolle 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 Gas-kühlerausgang 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 schwan-kenden Umgebungsbedingungen und mit sehr hohen Leistungs- oder Effizienzanfor-derungen unter allen Betriebsbedingungen betrieben werden. -





Niederdruckbehälter/ ❙❙

Pumpenabscheider





einfache transkritische systeme,❙❙ z. B. für Lebensmitteleinzelhandel

Transkritisches Boostersystem❙❙



system kapillarrohr automatisches Drosselorgan

Thermostatisches Drosselorgan

elektronisches Drosselorgan

Vorteile Einfach und zuverlässig

Reagiert flexibel auf Leistungsschwankungen

Reagiert flexibel auf Schwankungen der Umgebungstemperatur

Komplette Regelung und Optimierung des Systems

nachteile Nur für bestimmte Bedingungen optimiert

Nur ein Einstellwert; reagiert nicht auf Änderungen der Um gebungstemperatur

Nicht optimal bei Leistungsschwankungen

Komplexes und kostenintensives System

Danfoss- komponenten

TNVerdichter MBR TNVerdichter

TNVerdichter JKVImpulswandlerEKC 326AAKS 2050AKS11TNVerdichter

Bild 5: Transkritisches Kältesystem mit internem

Wärmeübertrager, einem thermostatischen

Drosselorgan und einem Niederdrucksammler

Bild 6:

Transkritisches

Kältesystem

mit internem

Wärmeübertra-

ger und einem

elektronischen

Expansionsventil


Der maximal zulässige Betriebsüberdruck in diesem Abschnitt liegt gewöhnlich zwischen 90 und 120 bar. Die Regelung eines transkri-tischen Systems lässt sich in vier Gruppen unterteilen: Regelung des Gaskühlers, Ein-spritzregelung, 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 Hoch-druckverdichters geleitet (Bild 1/6). Die Flüssigkeit strömt zu den Expansionsven-tilen (Bild 1/7 und Bild 1/8), wo sie vor dem Eintritt in die NK- (Bild 1/9) und TK-Ver-dampfer (Bild 1/10) expandiert.

Das Kältemittel aus dem TK-Verdamp-fer wird im ND-Verdichter (Bild 1/11) kom-primiert 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 HD-Verdichter gelangt.

Der maximale Betriebsüberdruck für den NK-Abschnitt liegt in der Regel zwi-schen 40 und 45 bar, beim TK-Abschnitt ist

meist ein Druck von nur 25 bar ausreichend. In der Realität hatte sich aber eingebür-gert, die NK- und TK-Seite für den gleichen (höheren) Druck auszulegen.

Der Druck im Abscheider wird über das ETS-Schrittmotorventil (Bild 1/6) gere-gelt. Um den erforderlichen Differenzdruck

über das NK-Expansionsventil (Bild 1/7) zu gewährleisten, muss der Druck im Abschei-der höher sein als der Verdampfungsdruck in den NK-Verdampfern.

Auf der anderen Seite muss der Druck niedriger sein als der maximale Betriebsü-berdruck.


Transkritisches BoostersystemDas 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


Bild 1:

RI-Fließbild eines

transkritischen

Boostersystems

mit Bypass



Transkritisches kaskadensystemDer Verbundregler AK-PC 730 regelt den Verflüssigungsdruck und gleichzeitig den Verdichterverbund bzw. ein Frequenzum-richter-Verdichterpaket.

Mit solch einem Regler lässt sich der Verflüssigungsdruck im TK-Kreislauf regeln und gleichzeitig den Saugdruck überwa-chen. Zudem ermöglicht der AK-PC 730 durch Koordination des NT- und HT-Starts einen störungsfreien Betrieb.

Die Einspritzregelung bei Kühlmöbel- und Kühlraumverdampfern erfolgt über einen elektronischen Standard-Regler. Der Regler AK-CC 550 sorgt in Verbindung mit pulsbreitenmodulierten Einspritzventilen vom Typ AKV und patentierten Softwareal-gorithmen für eine optimale Systemleistung und einen störungsfreien Betrieb. AKV-Ventile 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.

Transkritisches BoostersystemAuch hier regelt der Verbundregler AK-PC 730 den Verflüssigungsdruck und gleichzei-tig 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-Verdich-ters drückt. Damit kann auf den Kaskaden-wärmeübertrager und einen zusätzlichen Sammler verzichtet werden. Die Enthit-zung des ND-Verdichter-Heißgases wird vom Saugleitungs-Kältemittelstrom der NK-Kühlstelle übernommen.

Transkritisches BoostersystemDer Trend hin zu natürlichen Kältemit-teln wie Kohlendioxid (CO₂) beschleunigt sich, während die synthetischen FCKW und HFCKW-Kältemittel bereits verboten sind oder zumindest besonderen Restrik-tionen unterliegen. Selbst der Einsatz von FKW als Kältemittel wird derzeit unter-sucht und in einigen Ländern bereits regle-mentiert. 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 CO2- Systeme Neuland sind. Der aktuelle Artikel bildet den Abschluss dieser Serie. Die einzelnen Teile sind.



Niederdruckbehälter / Pumpenabscheider❙❙




Kaskadensysteme ❙❙

Einfache transkritische Systeme für z. B. ❙❙

Lebensmitteleinzelhandel Transkritisches Boostersystem ❙❙

Bild 2: Transkritisches Kaskadensystem Bild 3: Transkritisches Boostersystem

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