Komponenten für transkritische CO 2 - Anlagen kleiner Leistung

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1 Jürgen Süss, Bjarne Dindler Rasmussen Komponenten für transkritische CO 2 - Anlagen kleiner Leistung In diesem Beitrag erfolgt zuerst eine Beschreibung des transkritischen Kreisprozesses im Hinblick auf die Regelung der Leistung und seiner Effizienz. Anschließend werden der Entwicklungsprozess für Prototypen von Verdichtern und Regelventilen beschrieben und die Erkenntnisse aus den sicherheitsmäßigen Überlegungen präsentiert. Abschließend wird auf den zu erwartenden weiteren Verlauf zur Entwicklung und Herstellung von Prototypkomponenten eingegangen. Components for Transcritical CO2-Systems with Low Capacity This paper discribes the transcritical refrigeration process and explains the contol strategy and its impact on the process capacity and performance. In addition, the development status of prototype compressors and valves is summerized and safety issues are presented. Finally, further development of prototype components are discribed. Keywords: CO 2, compressors, controls Subkritischer und transkritischer Kreisprozess Beim Einsatz von CO 2 als Kältemittel benutzt man typische Ausdrücke wie unter-, über- und transkritisch zur Beschreibung von Zuständen und Prozessen. Dieser Abschnitt enthält eine kurze Beschreibung der für die Anwendung von CO 2 als Kältemittel relevanten Kreisprozesse in kleineren Anlagen sowie eine Erläuterung der genannten Ausdrücke. Tabelle 1 zeigt die kritischen Drücke und Temperaturen für ausgewählte Kältemittel. Die kritische Temperatur setzt die obere Grenze für wärmeübertragende Prozesse basierend auf einer Phasenänderung. Die Anwendung des traditionellen Kreisprozesses, bei dem die Wärmeabgabe an die Umgebung bekanntlich auf der Verflüssigung des Kältemittels basiert, ist daher nur bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes möglich. Im Temperaturbereich nahe der kritischen Temperatur reduziert sich die spezifische Verdampfungswärme beträchtlich. In der Praxis liegt die obere Grenze für die Verflüssigungstemperatur deshalb niedriger als die kritische Temperatur. Verglichen mit den traditionell eingesetzten Kältemitteln hat CO 2 eine verhältnismäßig niedrige kritische Temperatur von nur 31,0 C. Die in der Praxis obere Grenze für die Verflüssigungstemperatur liegt daher im Bereich C. Das ist niedriger, als erforderlich in einer Reihe von Kälteanlagen, die Wärme an die Umgebung abgeben. Die relativ niedrige kritische Temperatur für CO 2 verhindert jedoch nicht dessen Einsatz als Kältemittel in Anwendungen oberhalb der kritischen Temperatur. Anstatt des traditionellen Kreisprozesses kann ein Kreisprozess angewandt werden, bei dem die Wärmeabgabe an die Umgebung nicht auf Verflüssigung basiert, sondern auf eine Gasabkühlung. Der kritische Druck für CO 2 beträgt 73,8 bar, was höher ist als für die meisten anderen ausgewählten Kältemittel. Kältemittel kommen normal in Temperaturbereichen zum Einsatz, die viel niedriger als deren kritische Temperatur sind, und damit auch bei einem Druck, Tabelle 1: Kritischer Druck und kritische Temperatur für ausgewählte Kältemittel Dr.-Ing. J. Süss, M.Sc., Ph.D B.D. Rasmussen, Central R&D, Danfoss A/S, Nordborg, Dänemark Kältemittel Kritischer Druck [bar] R22 49,9 96,1 R134a 40,6 101,1 R404A 37,3 72,0 R410A 49,0 71,4 R600a 36,4 134,7 R717 (Ammoniak) 113,3 132,3 R744 (CO 2 ) 73,8 31,0 (Quelle: NIST RefProp Ver. 7.0) Kritische Temperatur [ C] 208 f KI Luft- und Kältetechnik 6/2004

2 Bild 1: Subkritischer Kreisprozess Bild 2: Transkritischer Kreisprozess Bild 3: Charakteristische Betriebsparameter des transkritischen Kreisprozesses der viel niedriger als der kritische Druck ist. Bei CO 2 ist dies nicht der Fall hier wird ja gerade der Bereich um den kritischen Punkt (KP) benutzt, was dazu führt, dass der Druck in der Anlage höher als bei anderen Kältemitteln ist. Die Bilder 1 und 2 zeigen Kreisprozesse mit Wärmeabgabe unter beziehungsweise über dem kritischen Punkt gekennzeichnet als KP. Der traditionelle Kreisprozess (Bild 1) wird auch als subkritischer Kreisprozess bezeichnet der primäre Teil der Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgt durch Verflüssigung und damit bei Temperaturen und Drücken, die unter den Werten des kritischen Punktes liegen. Bild 2 zeigt einen Kreisprozess, bei dem die Wärmeabgabe an die Umgebung bei Temperaturen über der kritischen Temperatur erfolgt. Diesen Kreisprozess bezeichnet man als transkritisch, da er sich aus Teilprozessen zusammensetzt, die bei Drücken beziehungsweise Temperaturen ablaufen, die unter und über den Werten im kritischen Punkt liegen. Die Wärmeabgabe im transkritischen Kreisprozess erfolgt bei Drücken und Temperaturen über den Werten im kritischen Punkt, und der Prozess wird als Gaskühlung bezeichnet. Bild 3 zeigt die charakteristischen Betriebsparameter für einen transkritischen Kreisprozess. Im Vergleich zum subkritischen Kreisprozess spricht man hier nicht von der Verflüssigungstemperatur, sondern die Austrittstemperatur des Gaskühlers (t GC;OUT ) wird zur charakteristischen Größe. Bild 4 zeigt einen Rohrleitungsplan für eine einfache transkritische Anlage. Aufgrund der geänderten Terminologie für den Wärmeabgabeprozess wird der Wärmetauscher, in dem der Prozess abläuft, als Gaskühler und nicht als Verflüssiger bezeichnet. Der Rohrleitungsplan in Bild 4 entspricht der einfachsten Ausgabe einer transkritischen Anlage. Die Möglichkeiten zur Optimierung von transkritischen Anlagen umfassen unter anderem den Einsatz von Sammlern (Hoch- oder Niederdruck), internen Wärmeaustauschern, Regelung des Hochdrucks sowie mehrstufige Expansion und Regelung des Verdampfungsdrucks. Regelung Die Regelung des transkritischen Kreisprozesses ist in mehrfacher Weise anders als beim subkritischen Kreisprozess. Bei einem einfachen subkritischen Kreisprozess besteht bei Änderungen der Umgebungstemperatur oder des Kühlbedarfs in der Praxis kein Anlass, eine optimierende Regelung des Verdampfungs- und Verflüssigungsdrucks in der Anlage vorzunehmen. Unter der Voraussetzung, dass in der Anlage eine ausreichende Kältemittelmenge vorhanden ist, werden die Drücke in der Anlage ausschließlich durch das Kältemittel, entsprechend den Sättigungsdrücken bei der Verflüssigungs- beziehungsweise Verdampfungstemperatur bestimmt. Infolgedessen wird in kleineren subkritischen Anlagen in der Praxis häufig eine feste Verengung (z.b. ein Kapillarrohr) als Expansionsorgan eingesetzt. Die Kältemittelfüllung und die Kapazität des Expansionsorgans (Länge und Innendurchmesser des Kapillarrohrs) wird in der Regel an einen bestimmten dimensionierten Zustand angepasst. Bild 4: Einfaches Systemdiagramm mit den Hauptkomponenten Beim transkritischen Kreisprozess wird der Druck im Gaskühler nicht durch eine Temperatur bestimmt. Im Gaskühler befindet sich nur Kältemittel im überkritischen Zustand, und der Druck hängt daher von der Kältemittelmasse Gaskühler ab. Näherungsweise kann man daher davon sprechen, dass der Druck proportional mit der im Gaskühler enthaltenen Kältemittelmenge ist. Der Druck im Gaskühler hat große Bedeutung für Leistung und Effizienz des Kreisprozesses. Bild 5 illustriert diesen Einfluss durch Vergleich von Kreisprozessen mit gleicher Verdampfungstemperatur (t E ), Überhitzung und Austrittstemperatur vom Gaskühler (t GC;OUT ), aber mit verschiedenen Gaskühlerdrücken. Es wird angenommen, dass die Verdichtungsprozesse (1 bis 2 beziehungsweise 2 L und 2 H ) reversibel und adiabatisch sind entsprechend einem Verdichter f KI Luft- und Kältetechnik 6/

3 Bild 5: Einfluss des Gaskühlerdrucks auf die Kälteleistung und den COP des Kälteprozesses Bild 6: Systemcharakteristik von transkritischen Anlagen (Simulation) mit einem isentropischen Wirkungsgrad von 1. Ausgangspunkt für den Vergleich ist der Kreisprozess mit den Zustandspunkten 1, 2, 3 und 4. In diesem Betriebszustand wird die Kälteleistung der Anlage auf Index 100 gesetzt. Erhöht sich der Gaskühlerdruck mit p ändert sich der Kreisprozess auf die Zustandspunkte 1 H, 2 H, 3 H und 4 H. Bei den gewählten Betriebszuständen erfolgt eine Änderung der spezifischen Verdampfereintrittsenthalpie, was eine Erhöhung der Kälteleistung um 6 % bewirkt. Wird der Gaskühlerdruck mit Dp gesenkt, ändert sich der Kreisprozess auf die Zustandspunkte 1 L, 2 L, 3 L und 4 L. Die Änderung in der spezifischen Enthalpie fällt, weshalb die Kälteleistung mit ganzen 36 % abnimmt. Unter den drei Kreisprozessen weist der Kreisprozess mit den Zustandspunkten 1, 2, 3 und 4 den höchsten COP auf. Dieses Beispiel zeigt, dass der Druck im Gaskühler großen Einfluss auf die Kälteleistung hat, und dass es für jeden Betriebszustand einen Druck zum Erreichen des optimalen COP gibt. Bild 6 zeigt die simulierte Charakteristik (Kälteleistung Q E und COP) für eine transkritische Anlage mit einem realen Verdichter, bei dem sowohl der isentropisch als auch der volumetrische Wirkungsgrad vom Betriebszustand abhängen. Erwartungsgemäß wird deutlich, dass es einen optimalen COP gibt, der sich mit den gewählten Betriebszuständen bei einem Gaskühlerdruck von ca. 89 bar ergibt. Es wird ebenfalls ersichtlich, dass sich die Kälteleistung mit dem Druck im Gaskühler ändert, und dass der maximale Wert nicht mit dem gleichen Druck wie für den maximalen COP erreicht wird. Im gewählten Fall wird die höchste Kälteleistung bei einem Druck von ca. 98 bar erreicht, doch ist der Unterschied zwischen der Leistung bei maximalem COP und maximaler Kälteleistung klein. Die optimalen Betriebspunkte (maximaler COP oder maximale Leistung) hängen von den übrigen gewählten Betriebszuständen sowie der Charakteristik des Verdichters ab. Insbesondere die Austrittstemperatur des Gaskühlers hat große Bedeutung und sollte zur Optimierung der Anlage so niedrig wie möglich sein. Komponenten Wie früher erwähnt, arbeitet eine transkritische Kälteanlage mit CO 2 mit einem viel höheren Druck als traditionelle subkritische Anlagen. Das führt dazu, dass Komponenten für transkritische Anlagen so auszulegen sind, dass ihre mechanische Festigkeit ausreichend ist. Wie im vorigen Abschnitt gezeigt, ist es selbst in einfachen transkritischen Anlagen notwendig, eine optimierende Regelung des Gaskühlerdrucks vorzunehmen. Dieser Regelbedarf besteht in den traditionellen subkritischen Anlagen nicht, weshalb für transkritische Anlagen ein neuer Regelventiltyp erforderlich ist. Verdichter Danfoss startete 2001 ein Entwicklungsprojekt mit dem Ziel, Verdichter für transkritische Anlagen mit Kälteleistungen bei 10 C Verdampfung im Bereich 0,4 bis 1,2 kw zu entwickeln. Eine Analyse der relevanten Verdichtertypen für derartige Anlagen favorisierte Kolbenverdichter. Die Entwicklung eines Prototyps eines einstufigen Kolbenverdichters für transkritische Anlagen erfolgte in 4 Stufen: Stufe 1: Die ersten Versuchsmodelle wurden mit Ausgangspunkt in der für die Verdichter Typ S benutzten Konstruktionsplattform entwickelt. Es wurden eine Reihe von Modifikationen vorgenommen, um die beweglichen Teile sowie die Saug- und Druckkammer an den höheren Druck, die höhere volumetrische Kälteleistung sowie die höhere Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckseite anzupassen. In dieser Entwicklungsstufe wurden vor allem die Möglichkeiten zur Herstellung der Kolbe-Pleuelverbindung untersucht. Stufe 2: Aufbauend auf den Erfahrungen aus Stufe 1 wurde jetzt die Konstruktionsplattform gewechselt. In Entwicklungsstufe 2 wurde die für den Verdichter 210 f KI Luft- und Kältetechnik 6/2004

4 Typ N benutzte Konstruktionsplattform gewählt. Hauptaufgabe in dieser Entwicklungsstufe war die Untersuchung der Lebensdauer einer unaufwändigen Triebwerkskonstruktion. Stufe 3: Darauf aufbauend wurde eine völlig neue Verdichterplattform (TN-Plattform) entwickelt, die ausschließlich bei CO 2 - Verdichtern Anwendung finden soll. Schwerpunkt dieser Entwicklungsstufe war es, dem Verdichter die erforderlichen Charakteristiken hinsichtlich maximaler Leistung und Effizienz zu verleihen. Stufe 4: Die vorläufig letzte Stufe fokussierte auf die herstellungsmäßigen Aspekte. Es ist noch immer von einem Prototyp die Rede, so dass die Verdichterplattform in Verbindung mit der Entwicklung und Errichtung einer Produktionslinie für Prototypen laufend angepasst wird. Die Bilder 7 und 8 zeigen Ansichten des TN-Verdichter-Prototyps. Dieser Verdichter weist wie traditionelle Hermetikverdichter einen robusteren und in vielfältiger Weise auch einfacheren Aufbau auf. Da die oszillierenden Massen (Kolben und Teile der Pleuelstange) klein sind, ist es nicht im gleichen Maße wie bei traditionellen hermetischen Kolbenverdichtern erforderlich, den Verdichterblock und Motor abzufedern. Der Verdichterblock ist gleichzeitig ein Bestandteil des Verdichtergehäuses. Der Zylinderkopf mit Saug- und Druckkammern, Saug- und Druckventilen sowie den Rohrverbindungen kann daher die Wärme direkt an die Umgebung abgeben. Die Charakteristik des Verdichters wird sowohl mit numerischen Analysen als auch mit Hilfe von Versuchen, z.b. der Messung von Druck und Temperatur im Zylinder und der Druckkammer, untersucht. Die Ergebnisse aus diesen Untersuchungen werden laufend zur Optimierung von Komponenten im Verdichter angewandt. Automatik Wie vorher beschrieben, ist es in transkritischen Anlagen notwendig, eine Regelung des Gaskühlerdrucks vorzusehen. Dazu können verschiedene Ventiltypen angewandt werden. Im Hinblick auf den hohen Druck und die Sicherheitsanforderungen bevorzugt Danfoss den Einsatz von Membranventilen. Bild 9 zeigt einen Prototyp eines Ventils Bild 7: TN-Verdichter (Schnitt von vorne gesehen) Bild 8: TN-Verdichter (von hinten gesehen) zur Regelung des Hochdrucks (HP-Ventil). Die Membrane ist im Ventilblock festgespannt und trennt damit das Federgehäuse von den mit Kältemittel beaufschlagten Teilen. Bei dem in Bild 9 gezeigten Ventil befindet sich der Eingang auf der rechten Seite. Der Eingangsdruck wirkt auf die Unterseite der Membran und über den Druckschuh auf die Feder, die dem Ventil seine Vorspannung gibt. Übersteigt der Eingangsdruck die eingestellte Federkraft, hebt sich die Membrane, wodurch eine Passage zum Ventilausgang geschaffen wird. Die Vorspannung der Feder lässt sich justieren, und damit der Öffnungsdruck des Ventils bzw. Der Hochdruck der Anlage einstellen. Dieser Ventiltyp verfügt aufgrund seiner Konstruktion über eine eingebaute Sicherheitsfunktion, da ein steigender Eingangsdruck den Öffnungsgrad des Ventils vergrößert. Insbesondere beim Anlauf der Anlage ist eine rasche und sichere Reaktion der Hochdruckregelung erforderlich, so dass kurzfristig keine zu hohen Drücke im Gaskühler entstehen können. Bild 9: HP-Ventil (Schnitt) Einlauf von rechts Bild 10: Motorgesteuertes HP-Ventil (Schnitt) Andere Ausführungen des HP-Ventils werden in Erwägung gezogen. Wie im Abschnitt über den Regelungsbedarf erwähnt, ist der optimale Hochdruck vom Betriebszustand abhängig. Deshalb kann Bedarf für eine thermostatische Ausführung des Ventils bestehen, bei der der Fühler auf die Gaskühleraustrittstemperatur reagiert. In Verbindung mit dem Test und der Optimierung von transkritischen Anlagen kann auch eine motorgesteuerte Ausführung zur elektronischen Regelung eingesetzt werden. Bild 10 zeigt eine solche Ausführung. Diverse Komponenten Die Entwicklung weiterer Komponenten in kleineren transkritischen Anlagen hängt von den individuellen Anforderungen der Hersteller gewerblicher Kühlgeräte und Wärmepumpen ab. f KI Luft- und Kältetechnik 6/

5 Sicherheitsaspekte In einstufigen transkritischen Kälteanlagen mit CO 2 liegt der höchste Arbeitsdruck im Bereich von 120 bar doch sind bei hohen Umgebungstemperaturen auch größere Drücke möglich. Für die Verdichterprototypen und die zugehörige Automatik wurde ein maximaler Arbeitsdruck (MWP) von 80 bar für mit Niederdruck und von 120 bar für mit Hochdruck beaufschlagte Bereiche festgelegt. In der weiteren Entwicklung von transkritischen Anlagen werden daher Möglichkeiten zum Einbau von den Ausgangsdruck begrenzenden Sicherheitsausrüstungen in Verdichter untersucht. Die Anwendung einer derartigen Komponente kann zu einer Herabsetzung der zukünftigen Anforderungen an den Sicherheitsfaktor beitragen. Ausblick Die Entwicklung von Komponenten für kleinere transkritische Kälteanlagen hat ein Stadium erreicht, in dem Prototypen für alle erforderlichen Hauptkomponenten zur Verfügung stehen. Der Entwicklungsprozess bewegt sich daher jetzt in eine Phase, in der eine enge Zusammenarbeit mit den Herstellern gewerblicher Kälteanlagen und Wärmepumpen zum Aufbau, Optimierung und zur Evaluierung kleinerer transkritischer Anlagen entsteht. Der Bedarf an Prototypenkomponenten für diesen Zweck ist steigend, weshalb Danfoss eine Pilotproduktion von Prototypenverdichtern und Regelorganen errichtet. Im Jahr 2004 wird sich die Kapazität zwischen 10 und 100 Stück pro Woche bewegen, und da ein stark steigender Bedarf erwartet wird, wird die im Aufbau befindliche Pilotproduktionslinie für jährlich ca Stück dimensioniert. Schlüsselwörter CO 2 Verdichter Regelung 212 f KI Luft- und Kältetechnik 6/2004