80 1 Physikalisches Fachwissen

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1 80 1 Physikalisches Fachwissen Was lehrt uns nun das p,v-diagramm? Es zeigt den Verlauf des Dampfdruckes und die Veränderung des Volumens im Zylinderraum eines Verdichters während einer Kurbelumdrehung. Im Saughub füllt sich der Zylinder, im Druckhub, der im unteren Totpunkt beginnt, wird der angesaugte Dampf auf den Enddruck verdichtet und durch die Druckventile in die Druckleitung und den Verflüssiger ausgeschoben. Im oberen Totpunkt bleibt immer ein bestimmtes Restvolumen im Zylinder zurück, das sich beim Abwärtsgang des Kolbens zuerst wieder vom Enddruck (Punkt 4 des Diagramms) auf den Saugdruck (Punkt 1 des Diagramms) im Zylinderraum ausdehnt. Diese Rückexpansion des Dampfes ist weitgehend abhängig vom schädlichen Raum s der Zylinder, der bei modernen Tauchkolbenverdichtern 3 bis 5 % des Zylindervolumens ausmacht. Je größer das Druckverhältnis, um so größer wird der durch die Rückexpansion bestimmte Kolbenweg s e und der Ansaugweg s 0, d. h. das angesaugte Volumen und damit der Liefergrad des Verdichters, werden kleiner. Bei höheren Drücken, bzw. Druckverhältnissen nehmen Verluste durch thermische Einflüsse, Reibung sowie Undichtigkeiten innerhalb des Zylinders zu. Der Kolben kann also erst dann neuen Dampf aus dem Verdampfer ansaugen, wenn der im Zylinder verbliebene Dampfrest von Punkt 4 auf Punkt 1 entspannt ist, wobei der Kolben schon den Weg s e zurückgelegt hat. Nur die Strecke s o bleibt für das eigentliche Ansaugen neuen Dampfes. Abb. 1-45: p,v-diagramm

2 1.9 Der Kreisprozess 81 Es ist also stets von Vorteil, die Verdichter in Kälteanlagen bei kleinen Druckverhältnissen zu betreiben. Sollen in einer Anlage tiefere Temperaturen erzielt werden, so werden auch aus diesem Grunde zweistufige Verdichter eingesetzt, bei denen das Druckverhältnis auf zwei Stufen verteilt ist, den Niederdruck- und den Hochdruckteil. Bei zweistufigen Verdichtern ergibt sich der theoretisch optimale Zwischendruck zu mmm p m = p c p o. Hätten wir z. B. einen Verflüssigungsdruck von p c = 15 bar und einen Verdampfungsdruck von p o = 1,5 bar, also ein Druckverhältnis von 10:1, so ergäbe sich in diesem Fall bei einer zweistufigen Verdichtung der nachfolgende Zwischendruck p m = p c p o = 15 1,5 = 22,5 = 4,74 bar Die Niederdruckzylinder des zweistufigen Verdichters würden das Kältemittel also mit einem Saugdruck von p o = 1,5 bar ansaugen und auf p m = 4,74 bar verdichten. Die Hochdruckzylinder übernehmen meist nach Zwischenkühlung den Druckdampf der Niederdruckstufe mit p m = 4,74 bar und verdichtet diesen auf den Druck p c = 15 bar. In jedem der beiden Verdichterstufen Niederdruck und Hochdruck wird das Druckverhältnis = 3,16. Ein günstiger Wert, der bei nur einstufiger Verdichtung 10 betragen würde! Normtemperaturen In unserem Beispiel hatten wir festgelegt, dass die Verdampfungstemperatur t o = 10 C und die Verflüssigungstemperatur t c = 30 C betragen sollte. In einem sauberen, nicht bereiften Luftkühler lässt sich beispielsweise bei t o = 10 C Luft von 0 C auf 3 C abkühlen. Mit zunehmender Bereifung des Luftkühlers ist das nicht mehr möglich. Entweder sinkt die Verdampfungstemperatur oder die Lufttemperatur steigt an. Das Gleiche geschieht, wenn die Kühlfläche des Luftkühlers zu klein ausgelegt wurde. Dann kann die Luft bei einer Verdampfungstemperatur von t o = 10 C nicht auf 3 C abgekühlt werden. Die Verdampfungstemperatur muss dann eventuell t o 12 C oder niedriger betragen. Die spezifische Kälteleistung sinkt. Ähnlich verhält es sich mit dem Verflüssiger. Verschmutzte Innenrohre eines wassergekühlten Verflüssigers bewirken, dass die Verflüssigungstemperatur und damit der Leistungsbedarf des Verdichters ansteigt oder, dass zur Erhaltung einer Verflüssigungstemperatur kälteres Wasser benötigt wird. Will man also Kälteanlagen, die sich in unterschiedlichen Zuständen befinden oder solche verschiedener Hersteller miteinander vergleichen, benötigt man Normtemperaturen. (Temperaturen und nicht Drücke deshalb, um nicht für jedes Kältemittel eigene Werte festlegen zu müssen.) Bei diesen Normtemperaturen sind die spez. Werte verschiedener Anlagen vergleichbar. In den DKV Kältemaschinenregeln, 7. Auflage, sind Normtemperaturen folgendermaßen definiert: Normtemperaturen sind vereinbarte Temperaturen zur einheitlichen Festlegung von Betriebsbedingungen, für die die Kälteleistung oder Wärmeleistung einer Kältemaschine, eines Kältemittelverdichters, einer Kälteanlage oder eines Kältesatzes angegeben wird.

3 82 1 Physikalisches Fachwissen Sie haben die Bedeutung von Vergleichstemperaturen und sollen nach Möglichkeit in der Nähe der wahren Betriebstemperaturen liegen, müssen jedoch mit diesen nicht identisch sein CO 2 -Kältemittelkreisläufe Drei unterschiedliche Anwendungen sollen betrachtet werden: Kohlenstoffdioxid als Wärmeträger, CO 2 -Kälteanlagen bei unterkritischem Prozess, CO 2 -Kälteanlagen bei überkritischem (transkritischem) Prozess Kohlenstoffdioxid als Wärmeträger Kälteanlagen mit Wärmeträgern gemäß heutiger Normung Wärmeträger-Fluide sind allgemein bekannte Anlagen. In der Regel werden hierfür Salzlösungen oder Wasser- Glykolgemische verwendet. Dies sind Fluide, deren Verdampfungstemperatur weit oberhalb der Einsatztemperatur liegt. Der Unterschied zwischen diesen klassischen Wärmeträgern und CO 2 als Wärmeträger ist, dass bei CO 2 während des Umlaufs der Aggregatszustand wechselt. Es findet ein Phasenwechsel statt. Ein Verdampfer in derartigen Kälteanlagen ist der CO 2 -(Rück-)Verflüssiger. Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur des CO 2 sind bis auf die Druckverluste im Verdampfer und der Saugleitung gleich. Das flüssige CO 2 wird mittels einer Kältemittelpumpe den Verdampfern zugepumpt und gelangt als Dampf-Flüssigkeitsgemisch (wie bei NH 3 -Umpumpanlagen) in den Sammler/ Verflüssiger zurück. Die Vorteile gegenüber Wärmeträgersystemen mit Sole sind im Wesentlichen beachtlich kleinere Rohrdurchmesser in den Zuleitungen und bessere Wärmeübergangswerte in den Wärmeaustauschern (Verdampfern). CO 2 -Kälteanlagen bei unterkritischem Prozess CO 2 -Kälteanlagen bei unterkritischem Prozess arbeiten wie jede andere Kälteanlage, allerdings bei wesentlich höherem Druckniveau. Tabelle 1 13: Vergleich der Drucklage einiger Kältemittel R744 (CO 2) R717 (NH 3) R404A Verflüssigungstemp. HD 25 C 25 C 25 C Verflüssigungsdruck HD 64,3 bar 10,0 bar 12,5 bar Verflüssigungstemp. ND 15 C 15 C 15 C Verflüssigungstemp. ND 22,9 bar 2,4 bar 3,7 bar Diese kleine Tabelle zeigt, dass selbst bei der niedrigen Verflüssigungstemperatur von t c = 25 C der Sättigungsdruck von CO 2 so hoch liegt, dass für den Bau derartiger CO 2 - Kälteanlagen keine Standardkomponenten mehr verfügbar wären. Der maximal zulässige Betriebsdruck solcher Komponenten liegt heute in der Regel bei PN 25 bis PN 40 bar, für Absperrventile bis zu PN 42 bar. Nach dieser Betrachtung darf die maximale Verflüssigungstemperatur einer aus Standardkomponenten gebauten CO 2 -Kälteanlage lediglich bei maximal t c = +1 C (p =36 bar) liegen. Solche Anlagen sind mit natürlichen Kühlmedien (Luft, Wasser) nicht mehr

4 1.9 Der Kreisprozess 83 Abb. 1-46: Beispiel eines CO 2-Kreislaufs im p,h-diagramm (Tieftemperatur-Teil einer Kaskadenanlage) zu betreiben. Entweder wird deshalb ein entsprechend gekühlter Wärmeträger z. B. eine Sole verwendet oder es kommt eine Kaskadenanlage zum Einsatz. Letzteres ist sowohl für Industrie- als auch für gewerbliche Kälteanlagen vielfach ausgeführt worden. Die theoretische Leistungszahl dieser CO 2 -Kälteanlagen beträgt etwa e th = 5 (für NH 3 e th = 4,6) bei t 0 = 50 C und e th = 6,5 (für NH 3 e th = 6,8) bei t 0 = 40 C. Unter einer Kaskadenanlage versteht man eine Kälteanlage mit zwei von einander unabhängigen Kältemittelkreisläufen, wobei die Verflüssigungswärme des Kreislaufes mit dem niedrigeren Temperaturniveau (Tieftemperaturteil) direkt an einen Verdampfer des Kreislaufes mit dem höheren Temperaturniveau (Hochtemperaturteil) abgegeben wird. Die verwendeten Kältemittel sind in der Regel unterschiedlich und nach den Einsatzbedingungen ausgewählt (s. 5.2) Der CO 2 -Teil von Kaskadenanlagen wird für Temperaturen bis t 0 = 50 C und t c = 10 C gebaut. Die Nähe dieser Verdampfungstemperatur zur Temperatur am Tripelpunkt (Gefahr der Schneebildung im Verdampfer) wird durch den beachtlichen Druckunterschied von p = 6,84 bar bei t = 50 C und p tripel = 5,18 bar möglich. Tabelle 1-14: Zustandswerte eines CO 2-Kreislaufs Punkt Druck Temperatur Dichte (1) 9,9 bar 20 C 22,5 kg/m 3 (2) 30,9 bar 96 C 50 kg/m 3 (3) 30,5 bar 5,4 C 954 kg/m 3 (4) 10,4 bar 39,2 C Gemischphase [Technical University of Denmark]

5 84 1 Physikalisches Fachwissen Abb. 1-47: Darstellung der Kälteleistung in Abhängigkeit des Druckes im Gaskühler bei überkritischen Prozess im p,h- Diagramm für CO 2 CO 2 -Kälteanlagen bei überkritischem (transkritischem) Prozess Überkritisch bedeutet, dass der Kältemitteldampf im Kreislauf auch bei steigendem Druck auf der HD-Seite nicht mehr verflüssigt werden kann. Dieser Zustand beginnt oberhalb des so genannten kritischen Punkts. Der kritische Punkt von CO 2 liegt bei der kritischen Temperatur t kr = 31 C und dem Druck p kr = 73,8 bar. Bei üblichen Luft- bzw. Wassertemperaturen des Kühlmediums sind diese Werte rasch überschritten. In vorstehenden Kapiteln wurde gesagt, dass CO 2 -Kälteanlagen vorzugsweise auf Kühlschiffen Anwendung fanden. In tropischen Gewässern in den Anbaugebieten von Bananen liegen die Wassertemperaturen häufig über 35 C. Ein Blick auf das p, h-diagramm lässt erkennen, dass bei solchen Temperaturen eine Verflüssigung des CO 2 nicht mehr möglich ist. Wie funktioniert dann eine solche Kälteanlage? Die bei überkritischem Prozess betriebene CO 2 -Kälteanlage unterscheidet sich von der bei unterkritischem Prozess betriebenen Kälteanlage u. a. dadurch, dass der gewohnte Verflüssiger durch einen Gaskühler auf der HD-Seite ersetzt ist, in dem die im Kreislauf aufgenommene Wärme an die Umgebung (Kühlwasser oder Luft) abgegeben wird, ohne dass ein Phasenwechsel erfolgt. Der Dichteanstieg bei der Abkühlung ist allerdings beachtlich (s. Tabelle 1-15). Eine CO 2 -Verflüssigung findet (bei t $ 31 C) nicht statt. Zwischen Gaskühler und Expansionsventil wird häufig ein Kältemittelsammler angeordnet Den Gaskühler verlässt in der Regel keine Flüssigkeit sondern CO 2 -Dampf mit hoher Dichte. Dem p,h-diagramm ist zu entnehmen, dass die Dichte des CO 2 -Dampfes im Punkt 3 bei p HD = 100 bar und t = 35 C r = 713 kg/m 3 beträgt. Die Dichte der CO 2 -Flüssigkeit am Schnittpunkt der Expansionslinie mit der linken Grenzlinie des Nassdampfgebiets im gleichen Diagramm (Punkt 3 des gewählten Bei-

6 1.9 Der Kreisprozess 85 Abb. 1-48: Phasendiagramm von CO 2 spiels) liegt bei etwa 68 bar und hat mit r = 667 kg/m 3 eine nur geringfügig niedrigere Dichte. Trägt man diesen Expansionsvorgang in das Phasendiagramm (Abb. 1-48) ein, sollte man annehmen, beim Unterschreiten der kritischen Temperatur beginnt schlagartig die Phasentrennung zwischen Dampf und Flüssigkeit. Entsprechende Versuche ergaben jedoch, dass in diesem Bereich Flüssigkeit und Dampf nebeneinander bestehen. Die von unterkritischen Prozessen gewohnte Phasentrennung erfolgt erst eindeutig im Nassdampfgebiet. Werfen wir nochmals einen Blick auf das p,h-diagramm (Abb. 1-47). Erfahrungsmäßig möchte man sagen, geringeres HD-Niveau führt zu größerer Kälteleistung. Das ist aber im überkritischen Prozess nicht der Fall. Es kann davon ausgegangen werden, dass abhängig von der Temperatur des Kühlmediums des Gaskühlers sich eine etwa konstante Austrittstemperatur des CO 2 -Dampfes einstellt, z. B. t = 35 C. Der Vergleich der beiden eingezeichneten Prozesse lässt aber deutlich erkennen, dass die Kälteleitung mit steigendem Druck größer wird. Betrachtet man darüber hinaus den Verlauf der theoretischen Leistungszahl e th des Prozesses, ist abhängig von der Temperatur am Gaskühler-Austritt (Abb. 1-49) ein Optimum zwischen 90 und 110 bar zu erkennen. Tabelle 1-15: Zustandswerte eines überkritischen CO 2-Kreislaufs Punkt Druck Temperatur Dichte (1) 22,8 bar 5 C 55,5 kg/m 3 (2) 100 bar etwa 125 C 164 kg/m 3 (3) 100 bar 35 C 713 kg/m 3 (3) 68 bar 27,5 C 667 kg/m 3 (4) 22,9 bar 15 C Gemischphase [Technical University of Denmark]