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Eigenschaften von CO2/R744
Herausforderung bei CO2-Kälteanlagen – Druckniveau und Regelungstechnik
Kälteanlagentechnik bei CO2
Praxisbeispiele CO2-Kälteanlagen
Fachbegriffe: Erläuterung
Eigenschaften von CO2/R744
Herausforderung bei CO2-Kälteanlagen – Druckniveau und Regelungstechnik
Kälteanlagentechnik bei CO2
Praxisbeispiele CO2-Kälteanlagen
Fachbegriffe: Erläuterung
CO2 (auch R744) wird in kältetechnischen Normen der Sicherheitsklasse A1 zugeordnet [nicht toxisch; nicht brennbar], weshalb geringe Anforderungen an die Anlagenaufstellung und -ausführung bestehen. Einzig eine gesundheitsschädigende Konzentration [ab 4 %] in den Betriebsräumen im Fall einer Leckage muss durch Sicherheitsmaßnahmen (z.B. Gasdetektoren) ausgeschlossen werden. Vor allem sind die geringen Sicherheitsbedenken und die hohe volumetrische Verdampfungswärme Vorteile, mit denen der Einsatz von CO2 als natürliches Kältemittel befürwortet werden kann. Letztere ermöglicht es beispielsweise bei gleicher Kälteleistung die Größe der einzelnen Komponenten und die Rohrleitungsquerschnitte deutlich zu reduzieren, wodurch Material und Platz eingespart wird. [1]
| Eigenschaften | R290 | R744 |
|---|---|---|
| Normalsiedepunkt in °C | -42,2 | -78,4 |
| Kritische Temperatur in °C | 96,7 | 31,0 |
| Druck bei Siedetemperatur von 40 °C | 13,7 bar | 90 -120 bar |
| Brennbarkeit | ja | nein |
| Toxizität | nein | >10 % nein |
| GWP | 3 | 1 |
| Vol. Verdampfungswärme bei 0 °C | 3.880 kJ/m^3 | 22.550 kJ/m^3 |
Trotz der positiven Eigenschaften wurden CO2-Kälteanlagen historisch von HFCKW- bzw. HFKW-Kältemitteln verdrängt. Dies liegt vor allem an den hohen erforderlichen Drucklagen und der niedrigen kritischen Temperatur von 31,0 °C (bei 73,8 bar), welche vor allem die Regelungstechnik und den Aufbau der Kälteanlagen komplizierter macht. Diese Punkte führen dazu, dass die Kälteanlagen vor allem bei hohen Außenlufttemperaturen (> 22 °C) im Vergleich zu HFKW-Anlagen deutlich mehr Energie benötigen. Aufgrund der geringen Effizienz im transkritischen Betrieb hat sich in Europa jahrelang ein CO2-Äquator gebildet, bei dem CO2-Kälteanlagen südlich des Äquators nicht mehr wettbewerbsfähig waren. Durch Weiterentwicklungen in der Kälteanlagentechnik (wie Kaskadenanlagen, zusätzliche externe Kälteanlagen, Ejektoren, Parallelverdichtung etc.) können CO2-Kälteanlagen nun auch im südlichen Teil von Europa mit HFKW-Kälteanlagen mithalten. [1]
Eine weitere Herausforderung ist die Bildung von Trockeneis, welche bei Entspannung von flüssigem Kohlendioxid auf unter 5,18 bar (bei – 56,6 °C) entsteht. Dies kann vor allem bei der Öffnung eines Sicherheitsventils auftreten. Aufgrund der daraus resultierenden Blockade von Ventilen und Rohren erfordert die Wartung und Reparatur der Anlagen eine spezielle Fachkenntnis. Die Bildung von Trockeneis begrenzt zudem die Verdampfungstemperatur in normalen Verdampfern in der Praxis auf -54 °C und -55 °C. Aufgrund der hohen Drucklagen ist es notwendig Sicherheitstechnik (z.B. Sicherheitsventile) und druckbeständige Komponenten in die Anlage zu integrieren. Möglichkeiten für die Regelungstechnik bzw. Druckregelung sind im nachfolgenden Abschnitt aufgeführt. [1]
Wie bereits im vorangegangenen Abschnitt beschrieben, weisen Kälteanlagen mit R744 als Kältemittel generell höhere Drucklagen auf als Anlagen mit anderen Kältemitteln. Einen weiteren nicht zu vernachlässigen Punkt stellt die zwischen sub- und transkritisch wechselnde Betriebsweise der Anlagen dar. Dies führt bei der Auslegung sowie beim Betrieb der Anlagen zu verschiedenen Herausforderungen, die es zu beachten gibt. [1]
Ein gutes Beispiel für die generell hohen Drucklagen stellt die Betrachtung der Drücke auf der Verdampferseite (Niederdruckseite) der Kälteanlage im Vergleich zu anderen Kältemitteln, insbesondere R290, dar. In der nachfolgenden Grafik ist der Sättigungsdruck bei Verdampfungstemperaturen von -10 bis 5 °C dargestellt. [1]
Das generell höhere Druckniveau wird in dieser Grafik im Vergleich zu anderen Kältemitteln sehr gut deutlich. Während sich die Kältemittel R290, R22 und R134a zwischen 2 und 6 bar Sättigungsdruck bewegen, liegt dieser bei R744 zwischen 26 und ca. 40 bar. Zusätzlich zeigt sich, dass eine Erhöhung der Temperatur, in diesem Fall der Verdampfungstemperatur, einen deutlich größeren Druckanstieg im System zur Folge haben kann. Im Mittel hat eine Änderung der Temperatur um 1 K im betrachteten Intervall bei R744 eine Druckerhöhung von ca. 0,87 bar zur Folge. [1]
Hieraus lassen sich zwei wesentliche Herausforderungen ableiten. Zum einen müssen die Komponenten der Kälteanlage für die generell höheren Drucklagen ausgelegt sein und diese ertragen können, zum anderen können die im Stillstand der Anlage auftretenden Stillstandsdrücke bei zusätzlicher Wärmezufuhr durch die Umgebung schnell stark ansteigen. Dies gilt es beim Betrieb der Anlage zu berücksichtigen. [1]
Mögliche Lösungen:
Aufgrund des sich wie oben beschriebenen transkritischen Prozessverlaufs auf der Hochdruck-Seite der Kälteanlage erfolgt ab einer bestimmten Umgebungstemperatur keine klassische Verflüssigung des Kältemittels mehr. Die Wärmeabfuhr erfolgt in einem Gaskühler bei gleitender Temperatur und einem konstanten Druck. [1]
Im oben dargestellten log p-h Diagramm sind beispielhaft drei transkritischer Prozesse (blau, grün, rot) dargestellt. Solche Prozessverläufe können bei zu hohen Umgebungstemperaturen erforderlich sein um weiterhin Wärme an die Umgebung abführen zu können. Hier wird eine Gaskühleraustrittstemperatur von 40 °C angestrebt. [1]
Es zeigt sich deutlich, dass je nachdem bei welchem Hochdruck eine Entspannung des Kältemittels in das Naßdampfgebiet erfolgt, mehr oder weniger Kälteleistung zur Verfügung steht. Dies hat einen direkten Einfluss auf die Leistungszahl der Kälteanlage.
Um die bestmögliche Leistungszahl zu erhalten, kann ein optimaler Hochdruck ermittelt werden. Dieser variiert allerdings und macht somit eine Regelung des optimalen Hochdrucks notwendig. Unter Umständen ist es vorteilhafter das Kältemittel auf höhere Drücke zu Verdichten. [1]
Kälteanlagen mit Kohlenstoffdioxid (R744) werden heutzutage sowohl als industrielle Großanlagen als auch in gewerblichen Supermarktanlagen eingesetzt. Auch in kleineren Größenordnungen finden sie im Normal- (NK) und Tiefkühlbereich (TK) ihre Anwendung. Grundsätzlich ist die Wahl von CO2 als Kältemittel in allen Bereichen möglich, jedoch aus energetischer, wirtschaftlicher oder anlagentechnischer Sicht nicht in allen Fällen sinnvoll. In Supermärkten ist häufig eine kombinierte Version (TK und NK) anzutreffen, was die Kosten durch Wärmerückgewinnung massiv minimiert. [1]
Die Besonderheit bei CO2 als Kältemittel ist die niedrige kritische Temperatur, die vor allem bei hohen Außenlufttemperaturen zu einem transkritischen Betrieb der Anlage führt. Der Vergleich der beiden unterschiedlichen Prozessverläufe ist im Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellt (s. Abbildung). Hierbei ist zu erkennen, dass im subkritischen Bereich die Verdampfung und Verflüssigung im Nassdampfgebiet bei einer konstanten Temperatur erfolgt. Dies entspricht dem Prozess einer Kälteanlage, wie sie bereits seit Jahrzehnten verbaut wird. Abweichend hiervon erfolgt im transkritischen Prozessverlauf keine Verflüssigung. Es kommt vielmehr zu einer Abkühlung des überkritischen Gases bei gleitender Temperatur. [18]
![Vergleich des transkritischen und subkritischen Prozesses (roter Punkt: kritischer Punkt) [18]](https://www.zvkkw.de/wp-content/uploads/2024/09/co2_prozesse.jpg "Vergleich des transkritischen und subkritischen Prozesses (roter Punkt: kritischer Punkt) [18]")
Aufgrund der niedrigen Effizienz der Anlagen im transkritischen Betriebspunkt, wurden verschiedene Anlagentypen mit R744 entwickelt, welche ausschließlich im subkritischen Bereich agieren. Dies wurde beispielsweise über eine Kaskadenanlage oder die Nutzung von CO2 als Kälteträger umgesetzt.
Im Folgenden sind die subkritischen Kälteanlagen mit CO2 als Kältemittel genauer beschrieben:
| Temperaturbereich | Tiefkühlung (TK) und Normalkühlung (NK) |
| Anwendung / Leistungsbereiche | Meistens große Industrieanlagen; große kommerzielle Anlagen |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Indirektes Kältesystem mit umweltschädlichem/teurem KM und R744 als verdampfender Kälteträger Indirekter Kältekreislauf mit anderem Kältemittel sorgt für Verflüssigung des R744 am Wärmeübertrager zwischen Primär und Sekundärkreislauf. Primärkreislauf: Kühlkreislauf mit Ammoniak/HFKW als Kältemittel. Kopplungspunkt CO2-Behälter: Wärmeabgabe des CO2-Kältemittels (Verflüssigung) an den Primärkreislauf. |
| Besondere Bauteile | Kalter Finger: Zusätzlicher Kältekreislauf zum Schutz vor zu hoher Druckentwicklung bei Stillstand im Flüssigkeitsbehälter (bei Verdampfung des R744) |
| Vorteile (im Vergleich zur reinen Ammoniakanlage) | R744 als verdampfender Kälteträger; Speicherung größerer Wärmemengen im Kälteträgerkreislauf möglich (höhere Effizienz in der Wärmeübertragung); Reduktion der Kältemittelfüllmenge in der eigentlichen Kälteanlage sowie im Sekundärkreislauf; geringe kinematische Viskosität des CO2 sorgt für niedrigen Druckabfall und 90 -95 % geringere Pumpenarbeit; Einsparung von Platz durch geringere Massenströme im Sekundärkreislauf (hohe Kosteneffizienz) |
| Herausforderungen und Erfahrungen | 1) Druckanstieg bei Stillstand durch Verdampfung des CO2 2) Vereisung der Kühlstellen aufgrund von Entspannung des R744 (besonders bei Wartungsarbeiten oder durch Auslösen der Sicherheitsventile) |
| Temperaturbereich | Tiefkühlung (TK) und Normalkühlung (NK) |
| Anwendung / Leistungsbereiche | Industriell: Große Kühlhäuser; Kunsteisbahnen; Einzelhandel/Warenlager in warmen Klimazonen; Fischerboote; Supermärkte Anwendung vor allem in Europa und den USA aufgrund strengerer Sicherheitsvorschriften im Einsatz von großen Ammoniakfüllmengen. Meistens große Leistungsbereiche. |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Zwei gekoppelte Kältekreisläufe: CO2 in TK-Stufe, Ammoniak in NK-Stufe |
| Besondere Bauteile | Kalter Finger: Zusätzlicher dritter Kältekreislauf zum Schutz des CO2-Kältekreislaufs vor zu hoher Druckentwicklung bei Stillstand der oberen Kaskadenstufe |
| Vorteile (im Vergleich zur reinen Ammoniakanlage) | Kein direkter Kontakt der Produktseite mit Ammoniak (keine Gefahr für Mitarbeiter sowie durch Warenschädigung); aufgrund der Kopplung der Kältekreisläufe ist ganzjährlicher Betrieb der CO2 -Stufe im subkritischen Bereich möglich (Kühlung der Hochdruckseite des R744-Kältekreislaufs); Ausnutzung positiver Eigenschaften von CO2 im Tiefkühlbereich; Einsatz von CO2 für TK- und NK-Bereich möglich; schnellere Regulierung/Anpassung der Temperatur; geringer Platzbedarf für Verdichter und Rohrleitungen |
| Herausforderungen und Erfahrungen | 1) Interaktion von CO2-/NH3-Verdichtern (Regelung): direkter Einfluss des CO2-Verdichters auf die Last des NH3-Verdichters zu träge Reaktionen führen zu einem Problem in der Einstellung des Druckniveaus 2) Keine einfache Regelung des Kaskadenwärmetauschers, sowie Sicherheitsrisiken bei direktem Wärmeübergang zwischen den Kaskadenstufen Verunreinigung der oberen Kaskadenstufe durch Eintrag von CO2 3) Nähe des Tripelpunkts von CO2: minimale Kälteleistung des CO2-Verdichters bestimmen und ggfs. bei zu niedriger Last Abschaltung einleiten (Gefahr der Trockeneisbildung) |
Neben den subkritischen Anlagen werden vermehrt auch transkritische Anlagen weltweit verbaut. Vor allem durch die Verbesserung der Effizienz der Anlagen im transkritischen Betriebsbereich, hat sich die transkritische Anlagentechnik auch in wärmere Klimazonen ausgedehnt. Als Besonderheit dieser Anlagen erfolgt die Wärmeabgabe auf der Hochdruckseite mittels eines Gaskühlers. Die gleitende Temperatur ermöglicht vor allem bei der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung eine Effizienzsteigerung des Gesamtsystems. Grundsätzlich gilt jedoch, dass bei fehlender Nutzung der Wärme stets ein konventioneller subkritischer Betrieb energetisch vorzuziehen ist.
Im Folgenden werden die verschiedenen Bauformen von transkritischen CO2-Kälteanlagen beschrieben:
| Temperaturbereich | Meist NK-Bereich |
| Anwendung / Leistungsbereiche | Kleine kommerzielle Anlagen wie Getränkeautomaten; Warmwasserwärmepumpen; KFZ-Klimaanlage |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Einstufige Anlage mit Verdichterkältekreislauf 1) Verdichtung erfolgt in einer Stufe 2) Verflüssigung in einem Gaskühler 3) Flüssiges CO2 wird über Niederdruckbehälter zum Expansionsventil und Verdampfer transportiert 4) Gasförmige Anteile des Kältemittels werden über den Niederdrucksammler an die Saugleitung weitergegeben und vom Verdichter angesaugt |
| Besondere Bauteile | Entspannungsorgan meist als elektronisches Expansionsventil: Steuerung der Drucklagen der Kälteanlagen sowie die Kältemittelzufuhr, Umschaltung zwischen sub- und transkritischem Prozess Niederdrucksammler: kontinuierliche Zugabe von Kältemittel-Öl-Gemisch in Saugleitung für effektiven (überfluteten) Betrieb des Verdampfers; Speicherbehälter für überschüssiges Kältemittel für Druckanpassung Sauggaswärmeübertrager: Schutz der Anlage vor Flüssigkeitsschlägen durch Erwärmung des gasförmigen Kältemittels |
| Vorteile | Einfache Regelung der Drucklagen, geeignet für Kleinanlagen |
| Herausforderungen und Erfahrungen | Geringere Effizienz; Regelventil muss die Öffnungsweite für die Regelung der gesamten Anlage sorgfältig anpassen; Einstellung nur eines Temperaturniveaus möglich |
| Anwendung / Leistungsbereiche | Kleine kommerzielle Anlagen wie Getränkeautomaten |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Einstufige Anlage mit zweistufiger Entspannung; Zweistufige Entspannung: Das Kältemittel wird in zwei Stufen vom Gaskühlerdruck zunächst auf Zwischensammeldruck und dann auf Verdampferdruck entspannt. Es besteht somit keine direkte Verbindung zwischen Gaskühler- und Verdampferdruck. |
| Besondere Bauteile | Sauggaswärmeübertrager: Verhinderung von Tropfenbildung durch Erwärmung des gasförmigen R744 Leistungsverluste Differenzdruckventil (Alternative zu Sauggaswärmeübertrager): sorgt für konstanten Druckunterschied zwischen Verdampfer und Gaskühler; im subkritischen Betrieb mit Bypassventil überbrückbar Konstantdruckventil: Aktive Druckregelung, stabiler Druck durch flexible Regelung des Sammlerdrucks |
| Vorteile | Unabhängige Regelung des Verdampfungsdrucks möglich |
| Temperaturbereich | TK- / NK-Bereich |
| Anwendung / Leistungsbereiche | Supermarktanwendung; Warmwasserwärmepumpen; Einzelhandel: Flaschenkühler, Verkaufsautomaten, Tiefkühlschränke, Kühlschränke für Lebensmittellagerung/-transport. Kleinerer bis großer Leistungsbereich |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Zweistufige Anlage mit meist zweistufigen Verdichter- und Drosselsystemen; Verdichtung erfolgt aufgrund hoher Druckdifferenzen in zwei Stufen unter Wärmeabfuhr: 1) Sammler wird auf Zwischendruck (Mitteldruck) zwischen Verdampfer- und Gaskühlerdruck gehalten 2) Direktanschluss an Hochdruckverdichter: Verdichtung von Mittel- auf Hochdruck mit anschließender Verflüssigung im Gaskühler 3) Entspannung mit Expansionsventil von Mittel- auf Niederdruck mit nachfolgender direkter Verdampfung 4) Niedrigdruckverdichter: Niedrig- auf Mitteldruck mit anschließender Zwischenkühlung |
| Besondere Bauteile | Zwischenkühlung: Nach erster Verdichterstufe wird Kältemittel der Anlage abgekühlt, wodurch der Hochdruckverdichter eine höhere volumetrische Leistung erzielt und die Effizienz der Gesamtanlage steigt. Zudem wird die Lebensdauer des HD-Verdichters verlängert. Gaskühler als Verflüssigungseinrichtung im Fall von Überschreitung der kritischen Temperatur, Druckregelungsbereich (Zwischendrucksammler, Druckregelventil) für zusätzliche Betriebssicherheit bei hohen Drucklagen |
| Vorteile | Höhere Energieeffizienz (-40 % Energieeinsparungen); effizienterer Verdichter & Einbindung Frequenzumrichter für den Verdichter; niedrige Kosten für Installation und Wartung; Abwärmenutzung möglich Optimierung durch Zwischenkühlung, niedriges Druckverhältnis und reduzierte Druckdifferenz |
| Herausforderungen und Erfahrungen | Zusätzliche Raumklimatisierung im Sommer durch Abwärme notwendig; Versorgung von Kühlstellen mit gekühltem Sekundärmedium für geringen Energiebedarf sehr entscheidend |
| Temperaturbereich | TK- / NK-Bereich |
| Anwendung / Leistungsbereiche | Supermarktanwendung; Großer Leistungsbereich |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Integration des NK- und TK- Bereichs in denselben Kältekreislauf für direkte Verbindung von NK-/TK; drei Drucklagen (101 bar, 41 bar und 26 bar) 1) Zwei Verdichtungsstufen (HD- und ND) für jeweilige Anpassung des Druckniveaus an TK- und NK-Bereich 2) Verteilung des Kältemittels aus Zwischendrucksammler durch Regelungsventile auf NK- und TK-Kreislauf |
| Besondere Bauteile | Konstantdruckventil (Flashgaspassventil) + Saugleitung im NK-Verdichter: Regelung des Druckniveaus im Kältemittelsammler |
| Vorteile | Standardisierung der Anlagen sorgen für hohe Zuverlässigkeit im Betrieb (durch sorgfältige Wartung und Installation); energetisch effizienter in Mittel- und Nordeuropa als Anlagen mit HFKW 404A; Nutzung von Abwärme möglich; im Vergleich zu Kaskadenanlagen das beste Verhältnis von Kosten und Energiebedarf; Entwicklung von Standardbauteilen für hohe Drucklagen |
| Herausforderungen und Erfahrungen | Hoher regelungstechnischer Aufwand; Probleme in der Ölrückführung zu den Verdichtern wurde bereits behoben |
| Temperaturbereich | TK- / NK-Bereich |
| Anwendung / Leistungsbereiche | Supermarktanwendung; Großer Leistungsbereich |
| Aufbau / Funktionsprinzip | Produktion von Kälteleistung im NK- und TK-Bereich; jedoch in abgekoppelten Systemen (indirekte Stufenverbindung über Kaskadenwärmetauscher) 1. Zwei Verdichtungsstufen (HD- und ND) in voneinander entkoppelten Bereichen 2. Sammlung von Kältemittel auf Mitteldruckniveau im Zwischendrucksammler als Speicher 3. NK: Verdampfung auf Mitteldruckniveau mit anschließender Rückführung zum Hochdruckverdichter + Gaskühler 4. TK: Entspannung auf Niedrigdruckniveau; Transport über Kaskadenwärmetauscher zur Tiefkühlverdampfung (mit zusätzlicher Abkühlung durch Rückstrom); anschließende Rückführung über ND-Verdichter und Kaskadenwärmetauscher in Mitteldruckbereich 5. Zusammenführung des Kältemittels mit Mitteldruckbereich |
| Besondere Bauteile | Kaskadenwärmetauscher: Kopplung des NK- und TK-Kreislaufs; Herzstück der Kaskadenanlage |
| Vorteile | Einsatz von Öl mit verschiedenen Viskositäten für die beiden Temperaturstufen; kein Problem mit Ölrückführung; hohe Betriebssicherheit durch abgetrennte Temperaturniveaus |
| Herausforderungen und Erfahrungen | Höhere Kosten, höherer Energiebedarf; aufgrund der Entwicklung von Standardbauteilen für Boosteranlagen wird die Kaskadenanlage kaum noch gebaut |
| Typ | Direktverdampfende CO2-Anlage |
| Anwendung | Kunsteisbahnen |
| Kältemittel/-träger | CO2 |
| Temperaturbereich | - 14 °C |
| Leistungsbereich | 300 kW TK |
| Aufbautypen | Entweder direktverdampfende CO2-Anlage ODER Kaskadenanlage mit CO2 als Kälteträger und NH3-Anlage in oberer Stufe |
| Vorteile gegenüber NH3-Anlagen | Schnellere Regulierung und Anpassung der Eistemperatur; Höhere Verdampfungstemperatur (2 - 3 K); Sehr viel stabilere Temperaturen an Eisoberfläche; Niedrige Pumpleistung & direkte Verdampfung > 25 % geringerer Energiebedarf |
| Typ | Industrielle CO2/NH3-Kaskadenanlage |
| Anwendung | Tiefkühlung für Fischkutter |
| Kältemittel/-träger | NH3, CO2 |
| Temperaturbereich | - 48 °C |
| Leistungsbereich | 1.359 kW TK |
| Funktionsweise | CO2-Kälteanlage: Kühlung von elf Plattengefrieranlagen und neun Räumen (Meerwassertanks); Absicherung durch „Kalten Finger“ (max. - 25 °C als Stillstandstemperatur); NH3-Kälteanlage: Aufbereitung des gefühlten Meerwassers in separater Anwendung |
| Herausforderungen im Betrieb | Interaktion von CO2 und NH3-Verdichtern muss beachtet werden (Lastveränderung durch Betrieb des anderen Verdichters); Druckregelung im CO2-Sammelbehälter; Tripelunkt von CO2 führt zu Trockeneisbildung bei niedriger Last > minimale Betriebsleistung der CO2-Verdichter |
| Vorteile gegenüber R22-Anlagen | Höhere TK-Kapazität durch niedrigere Verdampfungstemperatur (im Vergleich R22: -40 °C); Zufriedenstellende Zuverlässigkeit; Effektives Abtauen der Plattengefrieranlage > Heutzutage auch oft reine CO2-Anlagen |
| Typ | CO2/NH3-Kaskadenanlage |
| Anwendung | Warenlager in warmen Klimazonen |
| Kältemittel/-träger | NH3(obere Kaskadenstufe); CO2 (Kälteträger) |
| Temperaturbereich | TK, NK |
| Leistungsbereich | Mittelgroße Anlagen |
| Funktionsweise | Zwei gekoppelte Kältekreisläufe: CO2 in TK-Stufe, Ammoniak in NK-Stufe Meist eine zusätzliche Sicherheit durch „Kalten Finger“ als Schutz vor zu hohen Drücken bei Stillstand. |
| Herausforderungen im Betrieb | Interaktion von CO2 und NH3-Verdichtern muss beachtet werden (Lastveränderung durch Betrieb des anderen Verdichters); Druckregelung im CO2-Sammelbehälter; Tripelunkt von CO2 führt zu Trockeneisbildung (niedrige Last) > minimale Betriebsleistung der CO2-Verdichter |
| Verwendung | Früher: Einbau von Kaskadenanlagen (subkritischer Betrieb) Heute: in Nord- und Mitteleuropa sind transkritische CO2-Anlagen verbreitet; in warmen Klimaregionen (USA, Asien, Südeuropa) sind im Bestand primär Kaskadenanlagen eingebaut, jedoch geht der Trend zur energieeffizienten transkritischen CO2-Anlage > einstiger CO2-Äquator verschwindet |
| Typ | Zweistufige Transkritische Kaskadenanlage (getrennte TK/NK) |
| Anwendung | zentrale leistungsstarke Anlage für kleine Supermärkte, Einzelhandel und Industriekälteanlagen |
| Temperaturbereich | TK: -35 °C; NK: -10 °C |
| Leistungsbereich | Mittlerer Leistungsbereich; 120 kW NK und 25 kW TK |
| Funktionsweise | Aufbau der vorliegenden Anlage mit zwei separaten NK- (Redundanz) und einer TK-Einheit; Druckniveau zwischen 50 - 70 bar TK-Bereich: zweistufige Verdichtung; Einsatz eines Sauggas-Wärmeübertragers; Druckregelung über Differenzdruckventil NK-Bereich: einstufige Verdichtung; Verflüssigung über wassergekühlten Gaskühler (Kühlwasserkreislauf); Redundanz durch zwei Kühlkreisläufe > Im transkritischen Betrieb: zweistufige Entspannung |
| Besondere Bauteile | Einsatz von Gaskühlern als Verflüssiger des kritischen CO2 im transkritischen Betriebspunkt; Wärmeabfuhr über gemeinsamen Sekundärkreislauf mit Trockenkühler; Sauggaswärmeübertrager im TK-Bereich zum Schutz des Verdichters vor Flüssigkeitsschlägen; Zweistufige Verdichtung aufgrund hoher Drucklagen |
| Typ | Transkritische Boosteranlage |
| Anwendung | Supermärkte mit TK und NK-Bereich im selben Kreislauf |
| Temperaturbereich | TK; NK |
| Leistungsbereich | Mittlerer bis großer Leistungsbereich |
| Funktionsweise | Integration des NK- und TK- Bereichs in denselben Kältekreislauf für direkte Verbindung von NK-/TK; drei Drucklagen (101 bar, 41 bar und 26 bar) 1. Zwei Verdichtungsstufen (HD- und ND) für jeweilige Anpassung des Druckniveaus an TK- und NK-Bereich 2. Verteilung des Kältemittels aus Zwischendrucksammler durch Regelungsventile auf NK- und TK-Kreislauf |
| Besondere Bauteile | Konstantdruckventil (Flashgaspassventil) und Saugleitung im NK-Verdichter zur Regelung des Druckniveaus im Kältemittelsammler |
| Vorteile | Höhere Effizienz im Vergleich zur 404A-Anlage; Wärmerückgewinnung möglich (Regelung der Wärmemenge); Durch Standardisierung: hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit im Betrieb; Verfügbarkeit von Standardbauteilen gegeben |
| Typ | Transkritische CO2-Kälteanlage |
| Anwendung | Großmarkt mit 8.500 m2 Verkaufsfläche |
| Temperaturbereich | TK; NK; Klima (Abwärmenutzung) |
| Leistungsbereich | 345 kW NK; 93 kW TK |
| Funktionsweise | Aufbau der Kälteanlage nicht weiter bekannt (Booster- oder Kaskade) > Nutzung von 62 Kühlmöbeln mit doppelter Verglasung > Container-Kühlregale für TK-Bereich Nutzung der Abwärme zur Beheizung der Verkaufsfläche und Warmwasseraufbereitung |
| Vorteile im Betrieb | Energiebedarfssenkung von 2.700 MW auf 1.000 MW/Jahr; Kombination der Kälteanlage mit PV-Anlage zur Generierung des eigenen Strombedarfs für Kälteanlage; Hohe Effizienz der Kühlmöbel sorgt für niedrigeren Kälteleistungsbedarf |
Die Verordnung zum Schutz vor gefährlichen Stoffen (kurz GefStoffV) regelt umfassend die Schutzmaßnahmen für Beschäftigte bei Tätigkeiten mit Gefahrstoffen. Ihr Hauptziel ist es, die Gesundheit und Sicherheit der Arbeitnehmer vor den Gefahren zu schützen, die mit der Handhabung, Lagerung und Verwendung dieser Stoffe verbunden sind.
Die ATEX-Richtlinie ist eine EU-Gesetzgebung, die Sicherheitsanforderungen für Arbeitsplätze festlegt, in denen explosive Atmosphären auftreten können. Die Richtlinie umfasst Vorschriften für die Konstruktion, Herstellung und den Einsatz von Geräten sowie für Arbeitsverfahren und den Arbeitsschutz in explosiven Umgebungen.
Ein durch elektrische Energie angetriebener technischer Kreisprozess, welcher einer Wärmequelle bei niederen Temperaturen Energie entnimmt und diese einer Wärmesenke auf höherem Temperaturniveau zuführt. Für den Transport entgegengesetzt des natürlichen Temperaturgefälles ist das Durchlaufen eines speziellen Kälteprozesses notwendig. [8]
Der Coefficient of Performance (kurz COP), auch Leistungszahl genannt ist die Bewertungsgröße für die Effizienz einer Wärmepumpe. Sie entspricht dem Quotienten aus Nutzen (Wärmeleistung) und Aufwand (elektrische Leistung) und liegt stets oberhalb von 1 (100 %). [20]
Der Energy Efficiency Ratio (kurz EER), stellt analog zum COP die Bewertungsgröße der Effizienz einer Kälteanlage dar. In diesem Fall besteht der Nutzen aus der Kälteleistung der Anlage, weshalb der EER aus dem Quotienten von abgeführter Wärmeleistung (Nutzen) und elektrischer Leistung (Aufwand) definiert ist. Der EER einer Kälteanlage ist immer um 1 kleiner als der COP desselben Kreisprozesses. [20]
Bei direkten Kälteanlagen ist die Wärmesenke und -quelle direkt mit dem Kältemittel (über die Rohrleitungen) in Kontakt. Das Kältemittel fließt hierbei durch alle Anlagenteile, weshalb es in großen Füllmengen in der Kälteanlage vorliegt. Bei sicherheits- und umwelttechnisch unbedenklichen Kältemitteln werden diese Systeme aufgrund geringerer Kosten und höherer Effizienz eingesetzt. [21]
Bei indirekt verdampfenden Systemen erfolgt die Änderung des Aggregatszustands des Kältemittels nicht direkt im Kontakt mit der Wärmequelle/-senke. Stattdessen wird ein Kälteträger in einem (einfach indirekt) oder zwei (doppelt indirekt) Zwischenkreisläufen eingesetzt, welche über einen Wärmeübertrager die Wärme ein- bzw. auskoppelt. Der Einsatz indirekt verdampfender Systeme erfolgt vor allem bei sicherheits- oder umwelttechnisch bedenklichen Kältemitteln, da die kompakte Bauweise eine geringe Kältemittelfüllmenge ermöglicht. [22]
Der GWP-Wert (engl.: Global Warming Potential) ist eine Bewertungsgröße, um die Treibhausaktivität verschiedener Stoffe miteinander vergleichen zu können. Hierbei wurde die Klimawirkung von CO2 als Referenzpunkt gesetzt (GWP = 1). . F-Gase besitzen meist ein hundert- bis tausendfach höheres Treibhauspotenzial als CO2. [10]
