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R744 Kälteanlage
Die R744-Boosterkälteanlage und das Prinzip der Kälteerzeugung für Normal- und Tiefkühlung der Kühlmöbel und Kühlräume. (Quelle: H. Wendelborn)

Fachbeitrag: Einsatz natürlicher Kältemittel am Beispiel einer Supermarktkühlung mit R744

1. Die transkritische R744-Booster Kälteanlage

In Bild 1 sind die R744-Boosterkälteaanlage für einen Supermarkt und das Prinzip der Kälteerzeugung für Normal- und Tiefkühlung von Kühlmöbeln und Kühlräumen gezeigt. Zwei in Serie geschaltete Verbundanlagen übernehmen die Verdichtung des Kältemit­tels für beide Verdampfungstemperaturen: -10 °C für die Normalkühlung und -32 °C für die Tiefkühlung. Die Tiefkühlverdichter drücken das Druckgas direkt in die Sauggasleitung der Normalkühlverdichter, dadurch können diese Verdichter mit sehr kleinen, Energie sparenden Verflüssigungstemperaturen von -10 °C/25 bar arbeiten. Das ist der Vorteil der Booster Schaltung, gegenüber separaten Anlagen oder Kaskaden. Während die Verflüssigungstemperatur des luftgekühlten Verflüssigers der Normal­kühlung im transkritischen Bereich bei hohen Umgebungstemperaturen von 30 °C/110 bar einen wesentlich größeren Energieverbrauch benötigt. Wobei dieser höhere Verbrauch im Jahresdurchschnitt durch den kleineren Ver­brauch bei normalen Umgebungstemperaturen in Mitteleuropa mehr als ausgeglichen wird. Aber diese bessere Wirtschaftlichkeit der Booster-Anlage gegenüber zwei parallel mit  getrennten Kreisläufen arbeitenden Kälteanlagen, war nicht der alleinige Grund für die Wahl der Booster-Schaltung. Es war auch notwendig mit einem Gaskühler über das Hochdruck-Expansionsventil und den Mitteldrucksammelbehälter mit Bypassregelung, eine gemeinsame Flüssigkeitsvorlage mit konstantem Druck für die Expansionsventile der Normal- und Tiefkühlverdampfer zu erhalten. Durch diese zweistufige Expansion entsteht eine Anlage mit vier Druckbereichen: Der Hochdruckseite, bestehend aus Normal­kühl-Verdichter, Gaskühler und Hochdruck Expansionsventil mit einem max. Betriebsdruck von 120 bar. Der Mitteldruckseite, bestehend aus isoliertem Sammelbehälter, Bypass-Regel­ventil und den AKVH Expansionsventilen vor den Verdampfern mit einem Betriebsdruck von 35 bar. Und schließlich die Niederdruckseite der Normalkühlung mit 18 bar und der Tief­kühlung mit 13 bar.        

R744-Boosterkälteanlage, Danfoss
Bild 1: Die R744-Boosterkälteanlage und das Prinzip der Kälteerzeugung für Normal- und Tiefkühlung der Kühlmöbel und Kühlräume.

Der Hochdruckbereich von 70 bis 120 bar befindet sich im transkritischen Bereich des log p, h-Zustandsdiagramms, es gibt hier keinen Zusam­menhang zwischen Sättigungstemperatur und Druck, wie es bei traditionellen Kältemitteln der Fall ist. Das Kältemittel R744 bleibt hier während der Abkühlung im Gaskühler gasförmig und steht mit hoher Dichte vor dem Hochdruck-Expansionsventil an. Um dennoch in diesem Hochdruck­bereich, für die Einstellung von Druckschaltern und Verbundanlagenreglern mit den gewohnten Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen arbeiten zu können, bietet sich die Verlängerung der Antoine Sättigungstemperatur-Druckkurve für CO2, über den kritischen Punkt hinaus an.

Diese Hilfsdruckkurve erleichtert die Inbetrieb­nahme und den Service einer R744-Kälteanlage.

Die Druckregelung des Gaskühlers erfolgt über das Hochdruck-Expansionsventil ICMTS. Hierzu sind zwei Sensoren erforderlich – der Hochdruck Pgc und die Gasaustrittstemperatur Sd, wobei die Sensoren direkt am Austritt des Gaskühlers montiert sind. Beide Messwerte ermöglichen die Berechnung des optimalen Sollwertes des Gaskühlerdrucks. Diese Optimierungsdruckkurve wurde experimentell ermittelt und ist im Regler als Näherungsgleichung abgelegt. Die Berech­nung führt der Gaskühlregler EKC326A bzw. der integrierte Verbundanlagenregler AK-PC783 aus. Bild 2, Optimaler Hochdruck, zeigt drei COP’s bei drei verschiedenen Drücken. Infolge des Verlaufs der Isothermen nimmt der COP zunächst bei Druckanhebung zu, dann aber nach Erreichen des Optimums, verliert der COP seine guten Werte. Falls maximale Leistung gewünscht wird, kann der Regler umgestellt werden auf den maximalen Leistungsmodus. Damit kann die Leistung um ca. 5 Prozent angehoben werden.

Bild 2: Optimaler Hochdruck – drei COP’s bei drei verschiedenen Drücken.

Die Druckregelung des Mitteldrucksammlers erfolgt über ein Bypassventil zwischen Sammler und Saugseite der Normalkühlverbundanlage. Dies ist eine Konstantdruckregelung durch das Ventil CCM und den Reglern EKC326A bzw. AK-PC783. Das durch die Expansion entstandene überschüssige Gas wird nach der Trennung von Gas und Flüssigkeit im Sammelbehälter auf die Saugseite im Kurzschluss abgeführt. Das bedeu­tet ein kleiner energetischer Verlust. Es ist eine sehr einfache und zweckmäßige Lösung zur Gewinnung einer konstanten Flüssigkeitsvorlage für die Verdampfer. Ein Wärmetauscher zwi­schen Druckgas am Hochdruckventileintritt und Sauggas verkleinert den Gasanteil im Sammler und schützt die Verdichter vor evtl. zu kleiner Überhitzung in die Saugleitung. Dieser Fall kann zusätzlich durch entsprechende druckabhängige Übersteuerung des Hochdruckventils verhindert werden. Eine zu große Sauggastemperatur der NK-Verdichter durch zu große Druckgastemperatur der Tiefkühlverdichter verhindert eine Druckgaskühlung durch eine Einspritzung von R744 mit einem AKVH-Expansionsventil.

Die Kälteerzeugung geschieht letztlich durch die zweite Expansion mit AKVH-Ventilen zur Verdampfung des Kältemittels R744 in den Verdampfern von Kühlmöbeln und Kühlräumen. Eine adaptive Überhitzungsregelung der Ver­dampfer mit den Kühlstellenreglern AK-CC550A, passt die Flüssigkeitsfüllung der Verdampfer an die beste Flächenausnutzung an und führt zusammen mit der Optimierung des Verdamp­fungsdrucks, nach meist belasteter Kühlstelle, zu einem maximierten COP der Kälteanlage.

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