Recknagel
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

2. Thermodynamische Eigenschaften von R744 im trans­kritischen Bereich

In Bild 3, Log p, h-Diagramm R744, ist eine Verdichtung von -10 °C/27 bar auf 75 bar in den transkritischen Bereich hinein, zu sehen. Mit zunehmender Arbeit in die Verdichtung, steigt der Hochdruck exponentiell und die Druck­gastemperatur nimmt annähernd linear zu. Wie zum Heizen gewünscht, führt das bei Druckanhebung durch die Regelung im Winterbetrieb, zu hohen Drücken und Gastemperaturen. Im Vergleich zu traditionellen Kältemitteln erreicht R744 vorteilhafte Druckgastemperaturen von 95 °C bei nur 75 bar für die Heizung.

Bild 3: Log p, h-Diagramm R744 – eine Verdichtung von -10 °C/ 27 bar auf 75 bar in den transkritischen Bereich hinein.

Das Log p, h-Diagramm zeigt zunächst einen Kreisprozess bei Winterbetrieb im subkritischen Bereich bei einem Verflüssigungsdruck von 50 bar. Für Heizzwecke ist die zur Verfügung stehende Enthalpiedifferenz mit 60 kJ/kg bei 60 °C Druckgastemperatur am Verdichteraustritt und Abkühlung auf 14 °C am Eintritt in das Nassdampfgebiet, zu klein. Aber nach Anhebung des Hochdrucks über den kritischen Punkt auf 75 bar, steht eine Enthalpiedifferenz von 211 kJ/kg bei 95 °C am Eintritt und 30 °C am Austritt des Gaskühlers bzw. Wärmetauschers für Heizwasser zur Verfügung. Das entspricht bei einer Kälteleistung von 100 kW einer Heizleistung von 88 kW, bei Gastemperaturen, die Wasservorlauftemperaturen im Plattenwärmetauscher von 60 °C erzeugen können. Da die Gasaustritt­stemperatur hier mit 30 °C gewählt wurde, sind für die Gebäudeheizung eine Fußbodenheizung und Niedertemperaturkonvektoren vorzusehen. Aufgrund des Verlaufes der Isothermen oberhalb des kritischen Punktes, fällt die Druckgastemperatur von 95 °C nach dem Eintritt in den Wärmetauscher, nach Abgabe von etwa der halben Wärmemenge, auf etwa 33 °C ab und kühlt dann bis zur Abgabe der restlichen Wärmemenge bis auf 30 °C ab. Diese Beharrung in einem kleinen Temperaturbereich muss bei der Dimensionierung des Wärmetauschers berücksichtigt werden. Eine hohe Vorlauftemperatur des Heizwassers ermöglicht das Gegenstromprinzip eines Wärmetauschers. Die verbleibende Abkühlung des Gases annähernd an die Umgebungstemperatur, geschieht im luftgekühlten Gaskühler bis auf 15 °C. In diesem statischen Beispiel bei 75 bar müssen die Verdichter für die Heizung etwa 56 Prozent mehr Energie verbrauchen als für den reinen Käl­tebetrieb im Winter notwendig wäre. Ob dieser Mehraufwand für die Heizung wirtschaftlich ist, zeigen die anschließende Betrachtung und die Verbrauchsmessungen eines Supermarktes.

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