CO2-Kältesysteme für den Lebensmitteleinzelhandel. Anwendungshandbuch

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1 MAKING MODERN LIVING POSSIBLE CO2-Kältesysteme für den Lebensmitteleinzelhandel Aufbau und Auslegung subkritischer und transkritischer CO2-Systeme und Auswahl geeigneter Danfoss-Komponenten REFRIGERATION & air CONDITIONING DIVISION Anwendungshandbuch

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3 Inhalt Seite Einführung zu diesem Handbuch....3 Eigenschaften von CO CO 2 als Kältemittel Gaskühler und MitteldruckSammler Allgemeine Beschreibung Gaskühlerregelung mit EKC Wassergekühlte Gaskühler Luftgekühlte Gaskühler Zusammenfassung Kaskadenwärmetauscher Allgemeine Beschreibung Standard-Kaskadenwärmetauscher Kaskadenwärmetauscher mit einem Mitteldruckbehälter Kaskadenwärmetauscher mit Sekundärkühlung Zusammenfassung Niederdrucksammler/Pumpenabschneider Arten von Kaskadensystemen DX-Systeme Pumpensysteme Kombinierte Systeme Zusammenfassung Verdampfer Überflutete Verdampfer (Pumpbetrieb) Direktverdampfung (DX) Zusammenfassung Verdichter Verdichterbauarten und Schutzvorrichtungen Leistungsregelung Erforderliche Komponenten Regelung des Gesamtsystems Stillstandssicherheitssysteme Allgemeine Beschreibung Hilfskühlungssystem CO 2 -Teilentspannung (Freigabe) CO 2 -Expansionsgefäß Zusammenfassung Wärmerückgewinnung bei CO 2 -Systemen Allgemeine Beschreibung (Wärmepumpe), einfaches System Wärmerückgewinnung (Wärmepumpe), einfaches System Wärmerückgewinnung, teilweise Zusammenfassung CO 2 -Kaskadensysteme Einleitung Temperaturen und Druckverhältnisse in Kaskadensystemen Betriebsablauf bei Kaskadensystemen Einspritzung in Kaskaden-wärmetauscher Elektronische Steuervorrichtungen bei Kaskadensystemen Kaskadensysteme mit DX-und CO 2 -Pumptechnik Kaskadensysteme in Kombination mit Sole Einfache transkritische Systemausführungen für den Lebensmitteleinzelhandel Allgemeine Beschreibung System mit automatischem Ventil System mit thermostatischem Expansionsventil System mit elektronischem Expansionsventil Zusammenfassung Transkritisches Boostersystem Allgemeine Beschreibung Transkritisches Kaskadensystem Transkritisches Boostersystem Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 1

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5 Einführung zu diesem Handbuch In den letzten Jahren hat CO 2 als Kältemittel im Lebensmitteleinzelhandel zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ausschlaggebend für diese Entwicklung war die Tatsache, dass CO 2 sowohl im Hinblick auf Umwelt- als auch auf Sicherheitsfragen eines der wenigen nachhaltigen Kältemittel für Supermarktsysteme ist. Dieses Handbuch soll einen Überblick über die am meisten verbreiteten Ausführungen von CO 2 - Systemen für subkritische wie für transkritische Anwendungen vermitteln. Darüber hinaus dient dieses Handbuch als Nachschlaghilfe für Danfoss- Komponenten zur CO 2 -Kühlung. Es richtet sich in erster Linie an Ingenieure, für die CO 2 -Systeme Neuland sind. In den ersten sieben Kapiteln des Anwendungshandbuchs werden die einzelnen Bausteine von CO 2 -Systemen erläutert, während in den Kapiteln acht bis zehn auf den Entwurf vollständiger Systeme eingegangen wird. Dieses Handbuch erhebt aber nicht den Anspruch, ein ultimativer Entwurfsleitfaden für CO 2 -Systeme zu sein. Beim Ausarbeiten eines richtigen Entwurfs wird nachdrücklich empfohlen, Programme zur Komponentenberechnung, etwa DIRcalc TM, zu nutzen und auch auf die technischen Broschüren von Danfoss und weitere relevante Literatur oder Software zurückzugreifen. Bitte wenden Sie sich bei Fragen an Ihren lokalen Danfoss-Händler. Weitere Informationen finden Sie auch auf der Danfoss-Website unter Eigenschaften von CO 2 Die folgende Abbildung zeigt das Diagramm zu den Temperatur- und Druckphasen von reinem CO 2. Die Bereiche zwischen den Kurven kennzeichnen die Temperatur- und Druckbereiche, bei denen die verschiedenen Phasen fest, flüssig, gasförmig und überkritisch vorherrschen. Die Punkte auf den Kurven kennzeichnen die Druck- und entsprechenden Temperaturbedingungen, unter denen zwei verschiedene Phasen gleichzeitig möglich sind, zum Beispiel fest und gasförmig, flüssig und gasförmig, fest und flüssig. Bei atmosphärischem Druck kann CO 2 nur als Festkörper oder Gas existieren. Der Aggregatzustand Flüssig ist bei diesen Druckverhältnissen nicht möglich: Unterhalb von -78,4 C nimmt CO 2 die Phase eines Festkörpers als Trockeneis an, oberhalb dieser Temperatur subliminiert es direkt in den gasförmigen Aggregatzustand. Bei einem Druck von 5,2 bar und einer Temperatur von -56,6 C erreicht CO2 einen einzigartigen Zustand, den so genannten Tripelpunkt. An diesem Punkt existieren alle drei Phasen, also fest, flüssig und gasförmig, gleichzeitig und im Gleichgewicht. Druck [PSI] [bar] CO 2 -Phasendiagramm Flüssig Überkritisch Fest Kritischer Punkt: +31 C 73,6 bar Tripelpunkt: -56,6 C 5,2 bar Gasförmig Temperatur Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 3

6 CO 2 als Kältemittel Dichte [Lb/ft 3 ] [kg/m 3 ] Dichte CO 2 flüssig/gasförmig flüssig Kritischer Punkt: + 31 C 73,6 bar gasförmig [ o C ] [ o F ] Gesättigte Temperatur CO 2 erreicht seinen kritischen Punkt bei 31,1 C. Bei dieser Temperatur ist die Dichte im flüssigen und gasförmigen Aggregatzustand gleich. Die Unterscheidung zwischen diesen beiden Phasen ist damit hinfällig die neue, überkritische Phase kommt zum Tragen. Druck-Enthalpie-Diagramme werden häufig für Kühlzwecke genutzt. Das oben aufgeführte Diagramm wurde ausgedehnt, um auch den festen und überkritischen Aggregatzustand abzubilden. CO 2 lässt sich in zahlreichen unterschiedlichen Systemen, darunter sowohl sub- als auch transkritische, als Kältemittel einsetzen. Für jedes CO 2 -System müssen der kritische wie auch der Tripelpunkt berücksichtigt werden. Der klassische Kältekreislauf wie wir ihn alle kennen ist subkritisch, d. h., sämtliche Temperatur- und Druckbereiche liegen unterhalb des kritischen Punkts und oberhalb des Tripelpunkts. Ein einstufiges subkritisches CO 2 -System ist einfach, hat aber aufgrund seines eingeschränkten Temperaturbereichs und des hohen Drucks auch einige Nachteile. Der Betriebsdruck für subkritische Systeme liegt für gewöhnlich im Bereich von 5,7 bis 35 bar, entsprechend -55 bis 0 C. Werden die Verdampfer mithilfe von Heißgas abgetaut, liegt der Betriebsdruck um ungefähr 10 bar. höher. Transkritische CO 2 -Systeme sind gegenwärtig nur für kleine und kommerzielle Anwendungen, zum Beispiel mobile Klimaanlagen, kleine Wärmepumpen und die Supermarktkühlung geeignet. Für Industrieanwendungen sind sie hingegen nicht geeignet. Druck [PSI] [bar] log p,h-diagramm für CO 2 überkritisch flüssig flüssig fest fest flüssig Kritischer Punkt: +31 C 73,6 bar flüssig gasförmig gasförmig fest gasförmig Tripelpunkt: -56,6 C 5,2 bar ,4 C Enthalpie 4 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

7 CO 2 als Kältemittel (Fortsetzung) Druck [bar] [PSI] Subkritisches Kälteverfahren -5,5 C Subkritisch C 5 73 Enthalpie Druck [bar] [PSI] Transkritisches Kälteverfahren Gaskühlung cooling 35 C 95 C C Enthalpie CO 2 findet in der industriellen Kältetechnik zumeist in Form von Kaskadensystemen Anwendung, da der Druck hier so begrenzt werden kann, dass handelsübliche Komponenten wie Verdichter, Regler und Ventile genutzt werden können. Es gibt verschiedene Arten von CO 2 -Kaskadensystemen, z. B. Direktverdampfungssysteme, Pumpenumwälzsysteme oder Systeme mit CO 2 in flüchtigen sekundären Sole -Systemen bzw. Kombinationen aus diesen dreien. Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 5

8 1. Gaskühler und Mitteldruck- Sammler 1.1 Allgemeine Beschreibung Der Gaskühler ist die Komponenten in einem transkritischen System, die sich am deutlichsten von einem System mit konventioneller Kältetechnik unterscheidet. In herkömmlichen Kältesystemen übernimmt der Verdichter seine Aufgabe. Bei Temperaturen über 31 C kann CO 2 nicht kondensieren. Als Folge dessen stehen Druck und Temperatur während des Wärmeabfuhrvorgangs nicht mehr miteinander in Wechselwirkung. Da CO 2 keine Phasenänderung durchläuft, fällt die Temperatur kontinuierlich, wenn CO 2 durch den Gaskühler geleitet wird. Die Wärmekapazität von CO 2 ändert sich ebenfalls, wenn es gekühlt wird. Dies macht den Unterschied von Gaskühlern im Vergleich zu Wasser-zu-Kältemittel-Wärmetauschern, bei denen die Wärmekapazität gleich bleibt, und Verflüssigern, bei denen die Wärmekapazität in der Gasphase relativ niedrig und beim Beginn der Verflüssigung sehr hoch ist, aus (Abb ). Danfoss R Danfoss R Wärmeabfuhr verflüssigendes Kältemittel Wärmeabfuhr transkritisches CO 2 Abb Die Wärmeabfuhr für verflüssigende Kältemittel erfolgt bei konstanter Temperatur, daher wird die Verflüssigungstemperatur durch die Austrittstemperatur des Kältemittels bestimmt, da die geringste Temperaturdifferenz am Kältemittelauslass vorherrscht. Bei transkritischem CO 2 tritt der niedrigste Temperaturunterschied nicht am Auslass, sondern oft am Einlass oder zwischen dem Gaskühlerein- und auslass, abhängig von den Druck- und Temperatureinstellungen, auf. Daher ist es möglich, mit CO 2 sehr hohe Temperaturen zu erreichen. Für eine optimale Nutzung des Gaskühlers ist es wichtig, ihn als Wärmetauscher mit Gegenstrom zu konfigurieren. Der Temperaturunterschied zwischen Luft- und CO 2 -Kältemitteln in einem Gaskühler beträgt üblicherweise die Hälfte dessen, was bei einem verflüssigenden Kältemittel normal ist. Wasser, Sole und Luft werden am häufigsten zum, Kühlen eines Gaskühlers genutzt. In den nächsten Abschnitten werden beide Typen beschrieben. Da die Temperatur des Kältemittels in einem Gaskühler üblicherweise nicht konstant ist, kann der hohe Anlagendruck zur Maximierung des COP optimiert werden (Abb ). Der Druck kann so abhängig von der Temperatur am CO 2 - Auslass des Gaskühlers gesteuert werden. Abb : Optimaler COP in Gaskühlern 6 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

9 1.1 Allgemeine Beschreibung (Fortsetzung) Für die Druckoptimierung sorgen der Regler der Danfoss EKC 326A-Serie und das ICMTS- Expansionsventil am Auslass des Gaskühlers. Dank dieser Zusammenstellung ist es möglich, den Gaskühlerdruck und den mittleren Sammeldruck unabhängig voneinander zu optimieren. Der Druck im Sammler ist ein wichtiger Parameter, die Konstruktion des Sammlers ist jedoch ebenso wichtig, da dieser typischerweise auch als Flüssigkeitsabscheider fungiert. Um den Mitteldruck niedrig zu halten, wird Flashgas über eine Bypassleitung an die Saugseite des Verdichters ausgestoßen. Die Zweiphasenmischung des ICMTS- Expansionsventils muss getrennt werden, bevor Gas in die Bypassleitung eintritt. Wenn die Trennung unvollständig ist, gelangt Flüssigkeit durch die Bypassleitung in den Hochdruckverdichter. Daher muss die Konstruktion des Sammlers sorgfältig geplant werden. Bei einer einfachen Ermittlung des Mitteldrucks zeigt sich, dass der Druck so niedrig wie möglich sein muss, um die Menge an Flüssigkeit in der Bypassleitung zu reduzieren (Abb ). Flüssigkeit kann nicht nur den Verdichter beschädigen, sondern verringert auch den COP des System und ist daher nicht wünschenswert. Oft werden Druckverhältnisse zwischen 30 und 35 bar (-9 C/0 C) gewählt, da der Flüssigkeitsanteil in der Bypassleitung unter diesen Verhältnissen bei ca. 1-2 % liegt. Diese Menge gilt als unbedenklich, gleichzeitig herrscht aber noch ein ausreichend großer Druckunterschied für die AKV-Ventile von 4-10 bar vor R744 Danfoss R P [bar] C 30 C 20 C 10 C 0 C -10 C kj/kg-k X=0.97 X=0.98 X= h [kj/kg] Abbildung 1.1.3: Zyklus im log P-h-Diagramm bei drei verschiedenen Mitteldruckwerten (30, 35 und 40 bar) Der Druck des Sammlers bleibt konstant, unabhängig von der Umgebungstemperatur. Das Durchflussverhältnis zwischen der Bypassleitung und der Flüssigkeitsleitung hingegen schwankt abhängig vom Druck im Gaskühler und der Temperatur am Gaskühlerauslass (Abb und Abb ). Transkritischer Betrieb Abbildung 1.1.4: Flüssigkeits-/Gasanteile am Gaskühler-/Verflüssigerauslass bei 35 C Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 7

10 1.1 Allgemeine Beschreibung (Fortsetzung) 10 3 R744 Danfoss R P [bar] [%] 84[%] kj/kg-k h [kj/kg] Subkritischer Betrieb Abbildung 1.1.5: Flüssigkeits-/Gasanteile am Gaskühler-/Verflüssigerauslass bei 10 C Gaskühlerregelung mit EKC 326 Durch die Entkopplung von Umgebungstemperatur und Empfängerdruck ist der Strom in den Verdampfern nur eine Funktion der Kälteleistung. Die Gaskühlerregelung bei Kältesystemen ist relativ neu und wurde daher in den vergangenen Jahren intensiv erforscht. In diesem System wurden die Gaskühlerregelung in drei Abschnitte unterteilt Bei transkritischen Systemen ohne Bypassleitung variiert der Massenstrom um einen Faktor von 2 allein aufgrund der Umgebungstemperatur, wodurch die Konstruktion von Saugleitungen und Ölrücklauf schwierig wird. Bei Temperaturen, die sich dem kritischen Punkt nähern, wird der Algorithmus geändert: Die Unterkühlung wird schrittweise erhöht, um die Lücke zwischen konventioneller und transkritischer Steuerung zu schließen. T sc Max. T tc Min. Unter transkritischen Bedingungen ist der Druck eine Funktion der Temperatur außerhalb des Gaskühlers. Das Ziel ist es, einen höchstmöglichen COP bei der gegebenen Temperatur zu erreichen. Unterkühlungs- Modus Trans P-Band dp Unterkühlung dt Unterkühlung Übergangszone subkritisch Abbildung 1.2.1: Gaskühlersteuerungen im log P-h-Diagramm Bei niedrigen Temperaturen wird das System als konventionelles Kältesystem geregelt, bei dem die Unterkühlung der Regelungsparameter ist (normalerweise ist eine Regelung bei verflüssigenden Kältemitteln nicht erforderlich). Die Lüfter des Gaskühlers werden abhängig von der CO 2 -Temperatur außerhalb des Gaskühlers geregelt. Fällt die Temperatur unter den festgelegten Wert, drehen die Lüfter langsamer. Sind keine Verdichter in Betrieb, werden die Lüfter ausgeschaltet. In konventionellen Systemen wird der Druck oft als Regelungsparameter verwendet (da die Effizienz mit der Senkung des Verflüssigungsdrucks steigt), in transkritischen Systemen kann dies bei tiefen Außentemperaturen jedoch die Unterkühlung erhöhen, was einen zu geringen Druck im Sammler und daher keinen Differenzdruck für die Expansionsventile zur Folge hat. 8 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

11 1.2.2 Wassergekühlte Gaskühler Wassergekühlte Gaskühler kommen oft in Wärmepumpen und Supermarktsystemen zum Einsatz, wo die Wärmerückgewinnung Teil des Systems ist. Wassergekühlte Gaskühler zeichnen sich durch einen hohen Wärmestrom aufgrund hoher Wärmeübertragungskoeffizienten auf beiden Seiten aus und sind somit sehr kompakt. Ein weiterer Unterschied zu konventionellen Kältesystemen besteht in dem hohen Druck. Da ein hoher Druckwiderstand gepaart mit Gegenstrom eine Voraussetzung ist, eignen sich Koaxial- Wärmetauscher besonders gut für Gaskühler. Rohrbündelwärmetauscher und andere ähnliche Typen hingegen bewegen sich eher in der Nähe von Querstrom und sind daher nicht geeignet. Das Innenvolumen von Koaxial-Wärmetauschern ist sehr gering verglichen mit der Kapazität. Dies wiederum schlägt sich in einem geringeren erforderlichen Sammlervolumen nieder. Das ist sehr wichtig, da die Änderung der Kältemittelfüllung im Gaskühler je nach Druck und Temperatur stark schwankt, sodass ein Wärmetauscher mit kleinem Innenvolumen besonders notwendig ist. Hohe CO 2 -Temperaturen führen zu Verkalkungsproblemen, denen besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte. Die temperatur einiger Systeme liegt bei 160 C. In Verbindung mit der relativ hohen Wärmekapazität und einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten fällt die Wandtemperatur verglichen mit anderen Kältemitteln höher aus. Der Wasserstrom im System wird durch ein druckgesteuertes AVTA-Wasserventil kontrolliert, das nach der Austrittstemperatur regelt. Der CO 2 -Druck wird mithilfe eines ICMTS-Ventils und eines EKC 326-Reglers, der eingehende Daten vom -Temperatursensor und dem AKS32- Druckmessumformer abruft, reguliert (Abb ). AVTA Danfoss R EKC 326A Von den Kühlstellen MD-KM-Gas/-Flüssigkeit Wasserkreislauf 1.3 Luftgekühlte Gaskühler Abbildung 1.2.2: Wassergekühlter Gaskühler Luftgekühlte Gaskühler kommen oft in Kältesystemen ohne oder nur mit teilweiser Wärmerückgewinnung zum Einsatz. Bei der CO 2 - Kühlung kommen üblicherweise Rippen- und Röhrengaskühler zum Einsatz. Sie weisen einen Isolierung ICMTS Zu den Kühlstellen niedrigeren Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Luftseite auf, wodurch die Wärmetauscher oft größer sind und über ein höheres Volumen als wassergekühlte Gaskühler verfügen. Umgebungs- Lufteintritt Warmes CO 2 Kaltes CO 2 Abbildung Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 9

12 1.3 Luftgekühlte Gaskühler (Fortsetzung) Ein interessanter Aspekt von CO2 ist, dass ein Druckabfall die Effizienz des Kältekreislaufs wie bei konventionellen Kältemitteln nicht beeinflusst, und ein Druckabfall von 0,5 bis 1 bar normal ist. In der Praxis bietet der hohe Druckabfall weitere Vorteile, da hiermit der interne Wärmeübertragungskoeffizient gesteigert werden kann und außerdem kleinere Rohrdurchmesser im Gaskühler genutzt werden können (5/16 - oder 3/8 -Rohre werden für diesen Zweck häufig genutzt). Da Luftkühler keinen perfekten Gegenstrom aufweisen, ist die Wärmeleitung in den Lamellen ein Problem, das bedacht werden muss. Je nach Konstuktion können Temperaturunterschiede von 100 K zwischen zwei Rohren herrschen, deren Abstand lediglich 20 bis 25 mm beträgt. Die Rohre sind mit Lamellen von hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Rippeneffizienz verbunden, um den Wärmetauscher effizienter zu machen. Allerdings wird hierdurch die Wärmeübertragung von einem warmem auf ein kaltes Rohr möglich, was vermieden werden sollte. Die Kapazitätseinbußen dieser Wärmebrücke können bei % liegen. Durch eine Isolierung der Lamellen können diese reduziert oder vermieden werden. Das Innenvolumen des Gaskühlers ist von besonderer Wichtigkeit, da es sich direkt auf die Größe des Sammlers auswirkt. Die mittlere Dichte von CO 2 im Gaskühler ändert sich drastisch von transkritisch zu subkritisch und beeinflusst somit die Größe des Sammlers. Besondere Aufmerksamkeit muss Systemen gewidmet werden, bei denen die Gaskühlung in zwei Stufen erfolgt also erst Wasser mit einem kompakten Wärmetauscher erhitzt wird und dann die transkritische Flüssigkeit im luftgekühlten Gaskühler heruntergekühlt wird (weitere Details hierzu finden Sie in Kapitel 7). Die mittlere Dichte ist in diesem Fall sehr hoch, daher schwankt das Volumen beträchtlich. Die Unterkühlung kann darüber hinaus starke Schwankungen bei der Befüllung des Gaskühlers verursachen. Aus diesem Grund ist die Regelung der Unterkühlung äußerst wichtig. Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Mitteldruck zu regeln: Option 1: Zur Senkung des Drucks in Verteilersystemen wird die Bypassleitung eingeführt. Nach der hohen Druckexpansion werden Gas und Flüssigkeit getrennt, und das Gas wird über die Bypassleitung direkt an die Saugseite des Verdichters umgeleitet. Die Flüssigkeit wird an die Verdampfer verteilt. Hierdurch ist es möglich, standardmäßige Druckkomponenten zu nutzen (Abb ). Der Mitteldruck wird durch das ETS- Schrittmotorventil und den EKC 326A-Regler geregelt, für die Regelung des Hochdrucks kommt das ICMTS-Ventil zum Einsatz. EKC 326A AKS 2050 ETS MD-KM-Gas/-Flüssigkeit ICMTS Zu den Kühlstellen Abbildung 1.3.2: Mitteldruckregelung durch ETS-Schrittmotorventil Von den Kühlstellen 10 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

13 1.3 Luftgekühlte Gaskühler (Fortsetzung) Option 2: In einigen Fällen (üblicherweise in größeren Systemen) kann ein ETS-Ventil durch ein ICS+CVP-XP-Pilotventil ersetzt werden, das den Druck entsprechend der Einstellung des speziell für diesen Einsatz konstruierten CVP-XP-Ventils aufrechterhält. EKC 326A CVP-XP MD-KM-Gas/-Flüssigkeit ICS ICMTS Zu den Kühlstellen Von den Kühlstellen Abbildung 1.3.3: Mitteldruckregelung durch ein CVP-XP-Pilotventil Option 3: Die Parallelverdichtung ist eine der verfügbaren Technologien zur Senkung des Energieverbrauchs. In diesem Fall wird das Gas nicht vom Sammler aus umgeleitet, sondern direkt verdichtet (Abb ). EKC 326A Hauptverdichter ICMTS Sekundärverdichter MD-KM-Gas/-Flüssigkeit Zu den Kühlstellen Von den Kühlstellen Abbildung 1.3.4: Mitteldruckregelung mit einem Sekundärverdichter Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

14 1.4 Zusammenfassung System Luftgekühlter Gaskühler mit einem Motorventil Luftgekühlter Gaskühler mit einem mechanischen Regelungsventil Luftgekühlter Gaskühler mit zusätzlichem Verdichter Vorteile Flexibles System Einfache Handhabung Hoher Wirkungsgrad Reduzierter Energieverbrauch Nachteile Verwendete Danfoss- Komponenten Geringerer Wirkungsgrad als bei Systemen mit Parallelverdichtung ICMTS EKC 326A ETS AKS11 Nur ein Sollwert verfügbar ICMTS EKC 326A ICS+CVP-XP AKS11 Kostenintensiv und komplex ICMTS EKC 326A ETS AKS11 12 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

15 2. Kaskadenwärmetauscher 2.1 Allgemeine Beschreibung 2.2 Standard-Kaskadenwärmetauscher In einem Kaskaden-Kältesystem mit CO 2 auf der Niedertemperaturseite erfolgt die CO 2 - Verflüssigung im Kaskadenwärmetauscher. Die Wärme aus der Niedertemperaturstufe wird in der Hochtemperaturstufe mit abgeführt, und das CO 2 - kondensiert zu Hochdruckflüssigkeit. Im System der hohen Stufe wird die Wärmeabfuhr aus der niedrigen Stufe durch Verdampfen des Kältemittels der hohen Stufe absorbiert. Entwurf, Fertigung, Prüfung und Montage eines solchen Wärmetauschers gehören zu den kompliziertesten Problemen bei Kaskaden- Kältesystemen. Die Wahl der richtigen Dimensionen für den Kaskadenwärmetauscher ist äußerst wichtig, damit er sowohl bei niedriger als auch bei hoher Leistung einwandfrei arbeitet. EKC 316 Der Entwurf eines Kaskadenwärmetauschers ist eine Herausforderung, da auf beiden Seiten Phasenänderungen auftreten. Ist der Wärmetauscher überdimensioniert, wird es unter Teillast beinahe unmöglich, einen stabilen Wärmeaustausch und einen optimalen Systembetrieb zu gewährleisten. Bei Kältesystemen für den Einsatz im Handel kommen für diese Funktion üblicherweise Plattenwärmetauscher zum Einsatz. Bei größeren Systemen können auch andere Arten von Kaskadenwärmetauschern verwendet werden. In der Regel wird auf drei Konfigurationen für Kaskadenwärmetauscher zurückgegriffen. Vom Verflüssiger Zum NK-Verdichter/ Verbund AKS 33 ETS EVR Vom TK-Verdichter/ Verbund MD-KM-Gas/-Flüssigkeit ND-KM-Gas/-Flüssigkeit Zu den TK- Kühlstellen Abb : Kaskadenwärmetauscher TK- Verdichter/Verflüssiger Die Einspritzung in den Kaskadenwärmetauscher erfolgt über ein ETS-Schrittmotorventil, das durch den EKC 316 geregelt wird. Der EKC 316 wird aktiviert, wenn der Verdichter auf der CO 2 -Seite gestartet wird. Das Ganze wird durch einen Verbundregler zur Regelung des Systems (z. B.AK-SC 255, AK-PC 730 oder AK-PC 840) überwacht, der wiederum den EKC 316 und das ETS-Motorventil aktiviert. Ebenfalls wichtig ist, dass Flüssigkeit aus einem Kaskadenwärmetauscher problemlos ablaufen kann. Um dies sicherzustellen, wird die Nutzung einer Ausgleichsleitung empfohlen. Beachten Sie, dass das ETS nicht für brennbare Kältemittel geeignet ist. Wenn also beispielsweise Propan auf einer hohen Stufe genutzt wird, muss eine mechanische Lösung mit thermostatischem Expansionsventil verwendet werden. Der Regelungsalgorithmus bleibt derselbe. Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

16 2.2 Standard-Kaskadenwärmetauscher (Fortsetzung) Zum NK- Verdichter/- Verbund EKC 316 Vom Verflüssiger AKS 33 Dampfkühler ETS EVR + 40 C + 30 C MD-KM-Gas-/Flüssigkeit ND-KM-Gas/-Flüssigkeit Zu den TK-Kühlstellen Abb : Kaskadenwärmetauscher mit Dampfkühler Danfoss Tapp_ Kaskadenwärmetauscher mit einem Mitteldruckbehälter EKC 316 Vom Verflüssiger Zum NK-Verdichter/- Verbund AKS 33 ETS EVR Vom TK-Verdichter/Verbund AKD AK-PC 730 (optional) SGN AK-SC 255 MD-KM-Gas/-Flüssigkeit KM-Gas/-Flüssigkeit NRV DCR Abb Kaskadenwärmetauscher mit Pumpenumwälzung Zu den TK-Kühlstellen Eine andere Konfiguration für ein CO 2 - Kaskadensystem erfordert keine separate Ausgleichsleitung. Ein Nachteil dieses Systems ist, dass Größe und Anordnung der CO 2 -Leitungen sehr genau bedacht sein müssen. Die Regelung der Hochtemperaturseite erfolgt über dasselbe ETS + EKC 316-System. Die Flüssigkeit aus dem Behälter wird zu den TK-Kühlstellen gepumpt. Der Strom wird dabei entsprechend dem Druck durch eine Regelung der Pumpgeschwindigkeit angepasst, beispielsweise mithilfe einer variablen Drehzahlregelung durch ein AKD 102 oder einer Verwendung fester Durchflussöffnungen. Im Hinblick auf den Wirkungsgrad ist der variablen Drehzahlregelung Vorzug zu geben. 14 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

17 2.4 Kaskadenwärmetauscher mit Sekundärkühlung Von den NK- Kühlstellen Zu den NK- Kühlstellen Kühlmittel AB-QM Vom Verdichter/Verbund Zu den TK-Kühlstellen MD-KM-Gas/-Flüssigkeit Solekreislauf Abb : Solegekühlter Kaskadenwärmetauscher In der letzten beschrieben Konfiguration kann der Kaskadenwärmetauscher in Systemen verwendet werden, in denen Sole für die NK-Kühlstellen genutzt wird. Dieselben Pumpen können auch zur Kühlung des Kaskadenwärmetauschers genutzt werden. Ein AB-QM-Ventil von Danfoss, das speziell für Niedertemperatur-Solesysteme entwickelt wurde, wird zur Regelung des Stroms zum Kaskadenwärmetauscher genutzt. EV220- Magnetventile können auch für Sole verwendet werden. Ein Vorteil dieser Ausführung ist, dass der Plattenwärmetauscher als Standard- Plattenverflüssiger fungiert und somit wesentlich einfacher zu dimensionieren und zu regeln ist. Auf diese Weise ist eine einfachere mechanische AB-QM-Regelung möglich. 2.5 Zusammenfassung System DX DX mit CO 2 -Behälter Sekundärkühlung Vorteile Einfache Verrohrung Keine Ausgleichsleitung Stabiler Betrieb erforderlich Nachteile Ausgleichsleitung erforderlich Relativ komplexe Verrohrung Geringerer Wirkungsgrad des Systems Verwendete Danfoss- Komponenten EKC 316 ETS AKS 33 EKC 316 ETS AKS 33 AKD AB-QM Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

18 3. Niederdrucksammler/ Pumpenabschneider 3.1 Arten von Kaskadensystemen Behälter und Wärmetauscher für CO 2 -Anwendungen unterscheiden sich im Grunde in ihren Funktionen und Aufgaben nicht von denen für andere Kältemittel. Die Behälter müssen den physischen Eigenschaften des Kältemittels entsprechend konstruiert sein. Ein Flüssigkeitsabscheider ist ein Behälter, in dem mithilfe der Schwerkraft Flüssigkeit und Gas voneinander getrennt werden, und der auch eine kontrollierte Flüssigkeitsmenge enthält, die an die Verdampfer weitergeleitet wird. CO 2 wird entweder in die Verdampfer gepumpt oder aufgrund des Druckunterschieds aus den Verdichtern (DX-System) strömen. Wenn zwei Temperaturniveaus benötigt werden, ist auch eine Kombination dieser beiden Wege möglich. Da die Druckverhältnisse bei CO 2 im Vergleich zu den meisten anderen Kältemitteln bei gleicher Temperatur deutlich höher sind, muss bei der Konstruktion des Systems und dementsprechend auch des Behälters besonderes Augenmerk dem Betriebsdruck gelegt werden. Kältemittelflüssigkeit ND-Sekundärkreislauf Abb : System mit Pumpenbetrieb Abb : DX-System 3.2 DX-Systeme DX-Systeme mit geringerem Druck sind weniger komplex, da hier keine Pumpen oder Systeme zur Regelung des Flüssigkeitsstands erforderlich sind. Ein Nachteil dieser Systeme ist der geringere Wirkungsgrad aufgrund des höheren Überhitzungsniveaus. Aus diesem Grund kommen sie auch eher bei kleineren Systemen (z. B. in Verbrauchermärkten oder kleinen Lebensmittelläden) zum Einsatz. Abb : Kombiniertes System Empfohlen wird außerdem der Einsatz von AKV-Expansionsventilen in der Nähe des Flüssigkeitssammlers zur Vermeidung von Flashgas. Der Druckabfall im Filtertrocker muss bei dieser Konfiguration ebenfalls beachtet werden. AK-SC 255 (optional) AK-PC 730 MD-KM-Flüssigkeit AKD KP6 KP6 AK-CC 550 KP6 KP6 AKS 32 HD MD-KM-Flüssigkeit ND-KM-Gas/-Flüssigkeit AKS 32R AKV DCR Tiefkühlmöbel Abb. 3.2: CO 2 -DX-Kaskadensystem Niedertemperaturzyklus 16 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

19 3.3 Pumpensysteme In Pumpenrezirkulationssystemen wird Kältemittel bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit in die Verdampfer gepumpt. Ein Rezirkulationsverhältnis von 1,5:1 bis 2,5:1 bedeutet, dass etwa zwei Teile Flüssigkeit umgepumpt werden und ein Teil verdampft. Aufgrund des höheren Wirkungsgrads von CO 2 sind niedrige Zirkulationsverhältnisse als in herkömmlichen Systemen möglich. Die drei verbleibenden Teile Flüssigkeit kehren als zweiphasiger Strom in den Behälter zurück. Im Behälter wird der zweiphasige Strom dann getrennt. Die Flüssigkeit wird gesammelt, und das Trockengas kann von den Verdichtern abgesaugt werden. In der Regel können industrielle Kältemittelpumpen in größeren Systemen eingesetzt werden. Diese sind komplett geschlossen und zeichnen sich bei richtiger Montage durch einen minimalen Wartungsaufwand aus. Auf dem Markt sind CO 2 -Pumpen mit Föderleistungen von gerade einmal 0,5 m 3 /h erhältlich. Konstruktion der Flüssigkeitsstandregelung Der Flüssigkeitsstand in Pumpenabschneidern wird durch ein elektronisches Expansionsventil (AKV, ETS oder ICM) geregelt, das Signale von einem EKC 347-Regler empfängt. Der Flüssigkeitsstand wird mithilfe eines Niveausensors vom Typ AKS 41 gemessen. Nicht alle Pumpensysteme mit Flüssigkeitsrezirkulation verfügen über eine Alarmanzeige zum Flüssigkeitsstand. Häufig sind niedrige Differenzdruckverhältnisse bei der Flüssigkeitspumpe ein erstes Anzeichen für einen niedrigen Flüssigkeitsstand. Niedrige Flüssigkeitsstände führen verständlicherweise zu einem geringen Systemdruck, durch den wiederum ein niedriges Differenzdruckverhältnis an der Pumpe auftritt. Der übliche Mindestdifferenzdruck bei CO 2 -Pumpen liegt zwischen 1 und 3 bar. Ein Beispiel hierfür ist der Flüssigkeitsrückfluss von den Kühlstellen zurück in den Behälter. Nach einer Verzögerungszeit wird die Pumpe einen Neustart versuchen, bis ein wünschenswerter Differenzdruck erreicht ist. Bei horizontaler Sammlerkonstruktion gibt es üblicherweise mehrere Sichtglasanzeigen wie unten dargestellt. EKC 312 EKC 347 ETS EVRA+FA Vom HD- Flüssigkeitssammler Zum Verdichter/ Verbund AKS 41 SFA Von den TK- Kühlstellen SGRN+ RT 260A SGN MD-Kältemittelflüssigkeit HD-Flüssigkältemittel ND-KM-Gas/-Flüssigkeit NRV DCR Abb : Anordnung von Niederdrucksammler und Pumpen Zu den TK- Kühlstellen Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

20 3.3 Pumpensysteme (Fortsetzung) Pumpenkonstruktion Bei der Konstruktion von CO 2-Anwendungen mit Flüssigkeitspumpen sollte bei der Dimensionierung und dem Auslegung der Saugleitung zur Pumpe mit größter Sorgfalt gearbeitet werden. Die Daumenregel für die Geschwindigkeit des Mediums für eine optimale Leistung liegt bei 0,3 bis 0,5 m/s. Stellen Sie immer einen Mindestdurchfluss sicher, damit die Motorwicklung im niedrigen Durchflussbereich der Pumpe stets gekühlt wird. Dies erreichen Sie mithilfe einer Q-min-Durchlassöffnung, die besonders wichtig ist, wenn Kälteanlagen ihre Sollwerte erreicht haben und alle Magnet- oder AKV-Ventile geschlossen sind. Für diesen Zweck können zwei Druckmessumformer vom Typ und ein Verbundregler vom Typ AK-SC 255, verwendet werden. Diese Funktion muss in boolescher Logik programmiert werden. Da CO 2-Pumpen unter hohen Druckverhältnissen betrieben werden, können standardmäßige Sicherheitsdruckregler nicht für den Differenzdruckschutz genutzt werden. Es ist allerdings möglich, eine Sicherheitsvorrichtung durch Verwendung eines Druckmessumformers und boolescher Logik im AK-SC 255 oder der freien Druckschalter bei AK-PC 730 und AK-PC 840 zu schaffen. Eine Q-max-Durchlassöffnung wird verwendet, um Durchflussrate und Druckgefälle auf einem maximalen Niveau zu halten, die Motornennleistung aufrecht zu erhalten und eine Kavitation zu vermeiden (die üblicherweise nach dem Abtauen der Verdampfer auftritt). Alternativ kann ein Regler für konstanten Durchfluss anstelle der Q-max-Durchlassöffnung verwendet werden, wenn höhere Pumpauslassdruckverhältnisse bei höheren Durchflussraten zur Einhaltung der Systemspezifikationen erforderlich sind, Für den zufriedenstellenden Pumpenbetrieb in CO 2- Systemen sind die korrekte Montage und Betriebsweise ausschlaggebend. AK-SC 255 Zu den Kühlmöbeln Q-min- Durchlassöffnung MD-KM-Gas/-Flüssigkeit AKD 102 CO 2 -Pumpe Abb : Q-min-Durchflussöffnungsanordnung (minimale Strömung) Es müssen vier Hauptpunkte beachtet werden: Das minimale Druckgefälle muss zur Vermeidung von Kavitation überwacht werden (obwohl dieses Problem im Vergleich zu Freon-Systemen weniger stark ausfällt). Der Betrieb muss im zulässigen Bereich erfolgen, zwischen der Mindest- und der Höchstleistung. Eine passende automatische Entlüftung der Pumpe muss gewährleistet sein, um einen Einschluss von flüssigem CO 2 zu verhindern. Ein plötzlicher Abfall des Systemdrucks oder der Temperatur ist zu vermeiden. Für Verdichter wird eine variable Drehzahlregelung empfohlen. Die variable Drehzahlregelung vom Typ AKD102 ist für CO 2 -Pumpen durchaus zu empfehlen, da diese oft überdimensioniert sind. Ein Rückschlagventil muss üblicherweise in einer Ablassleitung einer Pumpe montiert werden, um einen Rückfluss bei Stillstand und Parallelbetrieb zu verhindern. Abhängig von der Rohrgröße und anderen Faktoren können NRV-, CHV- oder SCA- Ventile für diesen Zweck verwendet werden. SG ETS MD-KM-Gas/-Flüssigkeit ND-Pumpenkreislauf SG Abb 3.3.3: Empfohlene Filtertrocknermontage in CO 2 -Systemen 18 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

21 3.3 Pumpensysteme (Fortsetzung) Es wird empfohlen, einen DCR-Filtertrockner an einer Ablassleitung der Pumpe oder einer Parallelleitung zu montieren. Eine Parallelleitung kann in einigen Fällen die bessere Alternative sein, da auf diese Weise der Druckabfall hinter der Pumpe reduziert wird. Die Wasserkonzentration ist in der Flüssigkeitsleitung am höchsten. Durch die Installation eines Filtertrockners kann eine optimale Trennung von Wasser und CO 2 erreicht werden. Es sollte ein reiner Molekularsiebeinsatz verwendet werden. Informationen zur Berechnung der Filterleistung und zur Kalkulationssoftware DIRcalc für Druckabfallberechnungen finden Sie in der technischen Broschüre von Danfoss. Die Empfehlungen zur Trocknermontage sind bei Kaskaden- und transkritischen Systemen gleich. 3.4 Kombinierte Systeme Die Kombination eines DX-Systems mit CO 2 - Flüssigkeitsrezirkulation wird recht häufig gewählt, um zwei Temperaturniveaus (in der Regel NK- und TK-Kreislauf) zu ermöglichen. Hierfür ist es erforderlich, dass der Ausgang der Flüssigkeitspumpe an eine Versorgungsstelle für mehrere Kreisläufe angeschlossen wird, von wo aus TK- und NK-Kühlmöbel versorgt werden. Hiermit wird sichergestellt, dass ein angemessener Flüssigkeitsstand jederzeit vorhanden ist und dass keine Vorverdampfung von Kältemittel aufgrund niedriger Durchflussraten von den AKV-Expansionsventilen bei den TK-Kühlstellen auftritt. Bei bestimmten Systemanwendungen, bei denen der Maschinenraum mehr als 100 m entfernt liegt, empfiehlt es sich, diese Methode aufgrund der für die Systemkonstruktion angemessenen höheren Durchflussraten zu wählen. Zu den NK- Kühlstellen Zu den TK- Kühlstellen AK-SC 255 AK-PC 730 (Alternative) HP-Flüssigkältemittel Abb. 3.4: Drucksammler für mehrere Kühlstellen AKD Zusammenfassung System DX Pumpe Kombiniert Vorteile Einfach. Keine Pumpen erforderlich. Hoher Wirkungsgrad. CO 2 kann über relativ weite Strecken gepumpt werden. Effiziente Bereitstellung von zwei Temperaturniveaus Nachteile Verwendete Danfosskomponenten Keine optimale Energieeffizienz NRV oder CHV DCR SGN Relativ komplex und teuer. Der Energieverbrauch der Pumpe ist für kleine Systeme oft sehr hoch. NRV oder CHV DCR SGRN+ AKS 41 EKC 347 AKV oder ETS Relativ komplex. Die teuerste der drei Alternativen. NRV oder CHV DCR SGRN+ AKS 41 EKC 347 AKV oder ETS Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

22 4. Verdampfer 4.1 Überflutete Verdampfer (Pumpbetrieb) Für CO 2 -Systeme kommen zwei Verdampfertypen in Frage, einer für den DX- und einer für den Pumpbetrieb. Unterschiede bestehen in der Konstruktion der Verdampferrohre sowie in der Verwendung der Ventile und der anzuwendenden Regelungsstrategie. Das Problem, das die Effizienzvorteile des Kältemittels mit sich bringen, ist, dass die Lufttemperatur schon bei halber Auslastung des Verdampfers erreicht werden kann, was Verdampfer werden in Ausführungen mit Ein -oder Mehrfachkreislaufverdampfer angeboten. In der Regel sind Verdampfer mit Pumpenbetrieb auf mittlere Temperaturen ausgelegt für die Verflüssigungstemperatur von CO 2 in Kaskadensystemen oder Zwischentemperaturen in transkritischen Boostersystemen. Einfachkreislaufverdampfer AK-CC 450 zusätzliche Abtauvorgänge zur Vermeidung von Eisbildung notwendig macht.für CO 2 optimierte Verdampfer zeichnen sich aufgrund der volumetrischen Effizienz durch kleinere Kreisläufe und geringere Rohrabmessungen aus. Dank dieser Änderungen wird die Dauer von Abtauvorgängen verkürzt. Der weitere Vorteil von CO 2 liegt in der kurzen Abkühlzeit nach dem Abtauen verglichen mit konventionellen Systemen. Die Verwendung von CO 2 bietet die Vorteile einer niedrigeren Kältemittelfüllung im Gesamtsystem sowie von niedrigeren Anforderungen an die Rohr- und Verdampferdimensionen bei gleichbleibend optimalem Wärmetausch und Wirkungsgrad. Die Kälteleistung wird bei einer gegebenen Rohrdimension erhöht, und die Ölzirkulation innerhalb des Systems wird ebenfalls verbessert. REG 10 NRV EVRH ND-KM-Flüssigkeit Anzeigeschrank Abb : Einfachkreislaufverdampfer in einem System mit Flüssigkeitsumwälzung durch Pumpbetrieb Abbildung zeigt ein typisches Flüssigkeitsumwälzungssystem mit Pumpbetrieb und Kühlmöbel- oder Kühlraumverdampfern verschiedener Größen (kleinere Ausführungen erreichen schneller ihre Sollwerte). Zur Regelung des Flüssigkeitsstroms zu beiden Verdampfern wird ein zusätzliches mechanisches Danfoss- Drosselventil (REG-10) am kleineren Verdampfer montiert, um die Flüssigkeitsversorgung gleich zu halten. Diese Regelungsmethode sorgt für eine stabilere Temperatur zwischen den verschieden großen Verdampfern. Magnetventilen in den Kühlstellen und in den Kühlräumen. Der Trockner in der Hauptflüssigkeitsleitung muss 24 Stunden nach Inbetriebnahme der Anlage bei komplett ausgeschalteten Magnetventilen von Fremdkörpern usw. gereinigt werden. Bei Nichtbeachtung besteht die Gefahr, dass die Magnetventile über den Sitz nicht mehr dicht sind, was zur Vereisung der Verdampfer führen kann. Eine der wichtigsten Aufgaben bei der Inbetriebnahme ist die Reinigung des Filters bzw. der Siebe am CO 2 -Verbund und den 20 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

23 4.1 Überflutete Verdampfer (Pumpenbetrieb) (Fortsetzung) Mehrfachkreislaufverdampfer Abbildung zeigt einen typischen Aufbau einer Pumpflüssigkeitszirkulation in Kühlmöbel. Die Danfoss-Drosselventile (REG-10) sind an jedem Verdampfer montiert. Hiermit wird eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung für die Verdampfer erreicht. Die Regelsollwertparameter für CO 2 in Kühlmöbeln und Kühlräumen sind aufgrund der Zum Flüssigkeitsabscheider überfluteten Verdampfer wesentlich wärmer eingestellt als bei konventionellen HFKW- Systemen. Sobald ein Magnetventil ausgeschaltet hat, fällt die Lufttemperatur abhängig vom Innenvolumen und dem Zirkulationsverhältnis des Verdampfers um weitere 2 bis 4 K ab. Dies geschieht, da auch bei bereits geschlossenem Magnetventil weiterhin in dem Verdampfer verbleibendes CO 2 verdampft. NRV AK-CC 450 Von der Pumpe REG 10 REG 10 EVRH ND-KM-Flüssigkeit Tiefkühlmöbel Tiefkühlmöbel Abb : Mehrfachkreislaufverdampfer in einem System mit Flüssigkeitsumwälzung durch Pumpenbetrieb Elektronische Regelungen Es bestehen drei Möglichkeiten zur Regelung von Dezentral über EKC-Regler Verdampfern mit Pumpenbetrieb: Zentral über den Systemcontroller des Typs AK-SC 255 mit AK-XM-E/A-Modulen, mit alleiniger Regelung der Temperatur und der Abtauvorgänge über Magnetventile. Dezentral über den Schaltschrank des Typs AK-CC 750 oder AK-CC 450 und einen Kühlstellenregler 4.2 Direktverdampfung (DX) DX-Verdampfer in CO 2 -Systemen werden üblicherweise für Tiefkühlverdampfer (z. B. bei Händlern von Tiefkühlkost und in Kühlräumen) eingesetzt. Auch hier können die Abmessungen der Verrohrung aufgrund der Effizienz und der Vorteile von CO 2 deutlich reduziert werden. Der Rohrdurchmesser liegt bei höchstens 3/8 bis 5/16. Zum Erreichen der benötigten Leistung sind kleinere Verdampfer erforderlich. eines Saugwärmetauschers zwischen der CO 2 - Saugleitung und Hochdruckflüssigkeit aus einer Hochtemperaturstufe empfohlen. Dies ist erforderlich, da Saugüberhitzung, wie sie bei bestimmten Verdichtermodellen benötigt wird, nicht bei flüssigem CO 2 mit niedriger Temperatur bereitgestellt werden kann (d. h., es findet bei dem Prozess eigentlich eine Unterkühlung statt). Das Abtauen bei CO 2 -Systemen in Supermärkten erfolgt üblicherweise durch Sole oder elektrische Heizelemente. Es ist wichtig, beim Abtauen den Druck zu regeln, da dieser leicht den maximalen Arbeitsdruck der Komponenten (normalerweise 46 bar 10 C) überschreiten kann. Bei CO 2 -Kaskadensystemen wird die Nutzung Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

24 4.2 Direktverdampfungsanlagen (Fortsetzung) HT-Kältemittel von der Hochtemperaturkaskade Zum Verflüssiger NRV NRV AKV Tiefkühlmöbel Tiefkühlmöbel KP 6 Vom HD-Sammler AKD 102 Kältemittelflüssigkeit KM-Gas/-Flüssigkeit DCR Abb : Typisches niedrigstufiges CO 2 -System Elektronische Regelung Aufgrund der hohen Gasdynamik ist es überaus wichtig, eine geeignete elektronische Regelung für das CO 2 -Kältemittel zu verwenden. Bei herkömmlichen Kältemitteln war es üblich, die Überhitzung des Verdampfers mithilfe von Temperaturfühlern am Ein- und Austritt oder Temperaturfühler und Druckmessumformer nur am Austritt zu regeln. Bei CO 2 -Systemvorrichtungen ist unbedingt auf eine präzise und effektive Überhitzungsregelung zu achten, damit die Regleralgorithmen auf die raschen Veränderungen beim CO 2 -Druck reagieren können. Die Danfoss-Regler AK-CC550 bzw. AK-CC750 für Verdampfer und Kühlräume wurden für diese Anwendung entwickelt und haben sich als äußerst wirkungsvoll erwiesen. Vom Einsatz eines Standardverdampfers für HFC/HCFC oder CO 2 wird abgeraten, da sich die Überhitzung auf diese Weise praktisch nicht regeln lässt. AKS 32R AKS 32R NRV NRV Danfoss R AKV AKV AK-CC 550 AK-CC 550 Tiefkühlmöbel Tiefkühlmöbel Vom HD-Sammler Kältemittelflüssigkeit KM-Gas/-Flüssigkeit DCR Abbildung 4.2.2: Regelung der Überhitzung mit AKS-Temperaturfühler und einem AKS32R-Druckmessumformer (einzelne Regler) 22 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

25 4.2 Direktverdampfung (Fortsetzung) AKS 32R NRV NRV AK-CC 750 AKV AKV Tiefkühlmöbel Tiefkühlmöbel Vom HD-Sammler Kältemittelflüssigkeit KM-Gas/-Flüssigkeit DCR Abb : Regelung der Überhitzung mit AKS-Temperaturfühlern und einem AKS32R- Druckmessumformer (1 Regler für max. 4 Verdampfer). Danfoss R Beim Messen der Überhitzung sollten unbedingt AKS11 (Pt1000)-Temperaturfühler und AKS32R- Druckmessumformer verwendet werden, damit präzise und verlässliche Ergebnisse erreicht werden. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die alleinige Verwendung von zwei Temperaturfühlern beim Messen der Überhitzung nicht ausreicht, da das System nicht schnell genug auf die Dynamik des CO 2 reagieren kann und die Gefahr besteht, dass ein Teil der Flüssigkeit in die Verdichter gelangt. Daher eignet sich diese Konfiguration nicht für CO 2 -Verdampfer. 4.3 Zusammenfassung System DX (Direktverdampfung) Pumpe (ein Kreislauf/mehrere Kreisläufe) Vorteile Ideal geeignet für Niedertemperaturanwendungen Ermöglicht den Betrieb mit 0 K Überhitzung Einschränkungen Keine optimale Energieeffizienz Niederdruck-Regelungssystem mit Pumpen erforderlich Danfoss Verwendete Komponenten AK-CC750 AK-CC550 AKV AKS11 AKS32R AK-CC750 AK-CC450 EKC 414 oder EKC 514 REG-Ventil EVR AKS 12 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

26 5. Verdichter 5.1 Verdichterbauarten und Schutzvorrichtungen Inzwischen werden Verdichter für R744 von mehreren Unternehmen angeboten. Einige Verdichter befinden sich im Prototyp-Status, andere wiederum sind bereits seit Jahren im Einsatz. Es gibt hermetische, halbhermetische und offene Verdichter für subkritische und transkritische Systeme. Einige transkritische Verdichter arbeiten einstufig, andere zweistufig. Zudem sind einige transkritische Verdichter möglicherweise mit Zwischenkühler oder Economiser-Anschluss ausgestattet. Transkritische CO 2 -Verdichter, Typ TN, eignen sich speziell für MBP-Anwendungen, z. B. Flaschenkühler. Die Bandbreite der einstufigen Hubkolbenverdichter mit einer Drehzahl von 2950 U/min liegen von 1 bis 2,5 cm 3. Für transkritische Systeme bietet Danfoss optional CCB-Patronendruckschalter von Danfoss-Saginomiya an. In kleinen hermetischen Systemen fungieren Drosselventile, z. B. Typ MBR und TBR, zudem als Sicherheitsventile, durch die Druck von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite abgelassen wird. (Siehe auch Kapitel 9, Einfache transkritische Systeme.) In subkritischen Systemen können Danfoss KP6-Druckregler mit einem maximalen Betriebsdruck von 46,5 bar verwendet werden. Die robusten Druckschalter der Serie MBC 5000 sind sowohl für subkritische als auch für transkritische Systeme geeignet. Darüber hinaus können die Differenzdruckschalter MBC 5080 und MBC 5180 verwendet werden, um den Öldrucks des Verdichters zu regeln. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass MBC-Geräte nicht gemäß Kategorie IV der Druckbehälterverordnung zugelassen sind. Der Gebrauch von Sicherheitsventilen ist stets die letzte Schutzmaßnahme. Bei der Regelung des Drucks anhand von Differenzdruckschaltern muss ein externes Verzögerungsrelais verwendet werden. 5.2 Leistungsregelung R744 ist ein höchst effizientes und dynamisches Kältemittel. Bei Verbundanlagen ist die Kälteleistung aufgrund der Ein/Aus-Schaltungen im Vergleich zur tatsächlichen Kühllast meist zu niedrig oder zu hoch. Zudem wird durch den schwankenden Saugdruck die Schmierung des Verdichters beeinträchtigt, insbesondere bei CO 2. Wird ein Verdichter bei Verbundanlagen durch den AKD 102 (Frequenzumrichter mit variabler Drehzahl) geregelt, bleibt der Saugdruck weitgehend stabil. Dadurch verringert sich zudem die Anzahl der Starts und Stopps des Verdichters. Wie viele Verdichter verwendet werden, hängt vom günstigsten Verhältnis zwischen Leistung, Zuverlässigkeit und Gesamtkosten ab. Abb zeigt eine Verbundanlage, bei der einer der drei Verdichter (i. d. R. der Führungsverdichter) auf Basis des vom Druckmessumformer gemessenen Saugdrucks durch den AKD102 geregelt wird. Abb zeigt die Leistungskurven der Verbundanlagen mit 2, 3, 4 und 5 Verdichtern, wenn einer dieser Verdichter im Bereich Hz durch den AKD 102 geregelt wird. Saugdrucksensoren temperatursensoren AKD 102 Abb : Einer der drei parallel geschalteten Verdichter wird durch den AKD102 geregelt % % % % Abb : Leistungsregelung, wenn ein Verdichter im Bereich 30 bis 60 Hz arbeitet und die anderen bei 50 Hz (ein/aus) laufen 24 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

27 5.2 Leistungsregelung (Fortsetzung) Nachts und an Wochenenden kann die Kühllast so gering sein, dass selbst die niedrigste Leistungsstufe möglicherweise zu groß ist. Um die Startreihenfolge ändern zu können, empfiehlt sich daher die Regelung eines weiteren Verdichters mit dem AKD102 Frequenzumrichter (siehe Abbildung ). Saugdrucksensoren temperatursensoren AKD 102 AKD 102 Abb : Zwei der vier parallel geschalteten Verdichter werden durch den AKD102 geregelt. Abbildung zeigt die Leistungskurven bei Verbundanlagen mit 2, 3, 4 und 5 Verdichtern, wenn zwei dieser Verdichter im Bereich Hz durch den AKD geregelt werden. Dies ermöglicht eine stufenlose Regelung der Leistung von der Mindestleistung zur Höchstleistung % % % % Abb : Leistungsregelung, wenn zwei Verdichter im Bereich Hz arbeiten und die anderen bei 50 Hz (ein/aus) laufen In diesen Beispielen ist die Größe der Verdichter jeweils identisch. Wenn unterschiedlich große Verdichter eingesetzt werden, lässt sich die Leistung auch ohne AKD regeln. Dabei ist jedoch darauf zu achten, welche Folgen ein Ausfall des größten Verdichters hat. Bei der Regelung des Verdichters mit variabler Drehzahl muss sowohl die Mindest- als auch die Höchstdrehzahl den Empfehlungen des Herstellers entsprechen. Saug- und Druckleitung müssen so dimensioniert und installiert sein, dass der Ölumlauf bei jeder Kühllast sicherstellt ist. Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

28 5.3 Erforderliche Komponenten Ein Flüssigkeitsabscheider (1) wird dringend empfohlen, wenn sich der Verdichter nicht an einem höher gelegenen und wärmeren Ort als die Verdampfer befindet. Ohnehin empfiehlt sich die Verwendung des Flüssigkeitsabscheiders, da die meisten Verdichterausfälle beim Auffüllen und beim Systemstart auftreten. Obwohl der Verdichter in der Regel per Pump- Down gestoppt wird, besteht bei Stromausfall oder bei Ausschalten des Verdichters durch Sicherheitseinrichtungen die Gefahr eines Flüssigkeitsschlags. Das System muss so ausgelegt sein, dass durch eingeschlossene Flüssigkeit bzw. eingeschlossenen Dampf kein zu hoher Druck während der Nutzung, Wartung oder Reparatur des Systems entstehen kann. Dazu gehören auch Verdichter (2) und ein Ölrücklaufsystem, das aus einem Ölabscheider (3), einem Ölbehälter (4), einem Differenzdruckregler (5), einem Ölfilter (6) und Ölstandsreglern (7) besteht. Bei Verdichtern ohne Ölpumpe empfiehlt sich die Nutzung eines Ölstandsreglers, der den Verdichter ausschaltet, wenn der Ölstand zu niedrig ist. Ferner ist es hilfreich, den Ölbehälter (4) und den Flüssigkeitsbehälter (8) mit einem Füllstandsregler (9) auszustatten. Dieser gibt eine Warnung aus, wenn der Füllstand zu niedrig ist. Der Kaskadenwärmetauscher (10) muss so angebracht und angeschlossen sein, dass die Flüssigkeit aus dem Behälter ablaufen kann. Dabei ist es zweckmäßig, die Kondensatleitung an die Unterseite des Sammlers anzuschließen. Je nach System befindet sich an der kalten Seite des Kaskadenwärmetauschers entweder Kältemittel oder Sole. Bei Druckleitungen aus Stahl und insbesondere bei Vibrationsgefahr sind CHV-Rückschlagventile (11) zu empfehlen. Es sind Stahl- und Edelstahlleitungen mit einem maximalen Betriebsdruck (MWP) von 52 bar erhältlich. Bei Kupferrohren werden NRV- und NRVH-Rückschlagventile mit einem maximalen Betriebsdruck von 46 bar verwendet. Bei Kupferrohren kommen -Kugelabsperrventil (15) zum Einsatz. Bei Stahl- und Edelstahlrohranwendungen bietet Danfoss eine breite Palette an SVA-Absperrventilen und SNV- Absperr-/Nadelventilen als Wartungsventil. SFA-Sicherheitsventile (16) schützen das System vor Überdruck. Im Flüssigkeitssammler sind üblicherweise zwei Sicherheitsventile mit dem DSV-Doppel-Absperrventil (17) verbunden. In manchen Fällen ist der Flüssigkeitssammler mit einem Druckregler (KP6-Druckschalter oder MBC) ausgestattet, der eine Warnung abgibt und das EVRH-Magnetventil (18) öffnet, wenn sich der Druck in der Nähe des Sicherhheitsniveaus befindet. Dadurch lässt sich der CO 2 -Verlust in den meisten Fällen auf ein Mindestmaß beschränken. Eine Beschreibung der transkritischen Systeme folgt in Kapitel 10. Der Saugleitungsfilter (12) DCHR mit Sieb schützt die Verdichter vor feinen Schmutzpartikeln im System. Der DCHR eignet sich für Kupfer- und Stahlrohre. Für Edelstahlrohre können FIA-Filter verwendet werden. Bei CO 2 -Anwendungen empfehlen wir die Verwendung rein molekularer Siebe in DCHR- Filtertrocknern (13). Das Schauglas (14) zeigt an, ob die relative Luftfeuchtigkeit in CO 2 - Anwendungen zu hoch ist. 26 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

29 5.3 Erforderliche Ausstattung (Fortsetzung) 12 DCRH AK-SC 255 CVPP-HP 5 ICS SCA 11 SCA SCA SCA KP6 KP6 KP6 KP AKD DMT 6 SGRN OIL 7 3 SG SG 16 SFA DCR 13 SGN KP6 SFA Danfoss R KM-Gas/-Flüssigkeit LL EVRH6 Abb : Schematisches Kreislaufdiagramm einer subkritischen CO 2 -Verbundanlage. Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

30 5.4 Regelung des Gesamtsystems In Kaskadensystemen muss mindestens ein Verdichter im Hochdruckkreislauf bereits laufen, ehe der erste Verdichter im Niederdruckkreislauf startet. Andernfalls könnte der Verdichter im Niederdruckkreislauf aufgrund des hohen Drucks abschalten. Wichtig ist zudem, dass die Einspritzung in den Kaskadenwärmetauscher über das ETS-Ventil in dem Moment beginnt, in dem der erste Verdichter im Niederdruckkreislauf gestartet wird. Ebenso sollte die Einspritzung beendet werden, sobald der letzte Verdichter im Niederdruckkreislauf ausgeschaltet wird. Danfoss-Verbundregler wie AK-SC 255, AK-PC 730 und AK-PC 840 sind eigens mit integrierten Steuerungsfunktionen zur Koordination derartiger Vorgänge ausgestattet. Die Umstellung vom transkritischen auf den subkritischen Betrieb und der optimale Druck im Gaskühler wird durch EKC 326A und das Motorventil ICMTS geregelt. AK-PC 730 HD-Verdichter ND-Anforderung Leistungsanforderung Leistungsfreigabe HD-Verdichter HD-Freigabe ND-Verdichter KM-Gas/-Flüssigkeit ND-Verdichter AK-PC 730 Abb : Steuerung des Kaskadensystems 28 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

31 6. Stillstandssicherheitssysteme 6.1 Allgemeine Beschreibung Der erste Schritt bei der Definition des Prüfdrucks ist die Bestimmung der Systemparameter. Der Prüfdruck hängt von folgenden Parametern ab: Druck bei Betrieb Druck bei Stillstand Temperaturanforderungen für die Abtauung Drucktoleranzen für Sicherheitsventile (10-15 %) Grundsätzlich ist der Druck bei Stillstand der wesentliche Beschränkungsfaktor in Bezug auf den Prüfdruck bei CO 2 -Systemen. Die meisten Systeme mit herkömmlichen Kältemitteln können ausgeschaltet werden, ohne dass der Druck möglicherweise den maximalen Betriebsdruck übersteigt. Bei CO 2 -Systemen kann der Druck bei Stillstand bar (entspricht ºC) betragen. Dieser Wert liegt über dem maximalen Betriebsdruck der meisten handelsüblichen Komponenten. Falls es nicht möglich ist, ein System zu entwickeln, dass diesem hohen Druck bei Stillstand standhält, müssen entsprechende Maßnahmen zur Sicherstellung eines niedrigen CO 2 -Drucks ergriffen werden sowohl bei transkritischen Anlagen als auch bei Kaskadensystemen. Der CO 2 -Druck bei Stillstand wird maßgeblich von zwei Faktoren bestimmt: Umgebungstemperatur und Anlagenfüllung. Solange sich das CO 2 in flüssigem Zustand befindet, ist der Druck im System gesättigt und entspricht dem Umgebungsdruck (z. B. 57 bar bei einer Umgebungstemperatur von 20 ºC). Bei gasförmigem CO 2 hingegen ist der Druck nicht mehr gesättigt, was wiederum bedeutet, dass der Druckanstieg geringer ausfällt, auch wenn er im Vergleich zum Druck bei herkömmlichen Kältemitteln höher ist. Geht beispielsweise die CO 2 -Füllung bei 0 ºC in den gasförmigen Zustand über, entspricht der Druck ca. 34,8 bar. Bei einem weiteren Temperaturanstieg um bis zu 30 ºC steigt der Druck lediglich auf 42,5 bar. Bar 60 Prüfdruck p + 15 % bar 754 psi p + 10 % Gesättigter Druck p bar 580 psi 25 bar 363 psi C Abb : Prüfdruck/-temperatur für CO C Aufheizung 0 C CO 2 [bar] bar 42.5 bar T P CO 2 : P / T ~ R717: P / T ~ R134a: P / T ~ [ C] Abb : CO 2 -Flüssigkeitsexpansion Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

32 6.1 Allgemeine Beschreibung (Fortsetzung) Üblicherweise erfolgt die Beschränkung des Drucks bei Stillstand anhand der folgenden Verfahren: 6.2 Hilfskühlungssystem Im Fall eines Druckanstiegs bei Stillstand wird ein Hilfskühlungssystem gestartet, das den CO 2 - Tank kühlt und so den Druck auf den maximal zulässigen Wert beschränkt. Ein Generator empfängt ein Signal vom Druckschalter am Sammler (Typ KP oder MBS 500, je nach Druck). KP6 SFA In beiden Fällen wird zur Kühlung des CO 2 -Tanks ein kleiner Verflüssigungssatz verwendet. Dieses System ist eher typisch für große Gewerbeanwendungen (Supermärkte und Großmärkte, Kühlhäuser usw.). Für diesen Anwendungsbereich sind die kleinen Verflüssigungssätze der Reihe Danfoss Optyma ideal geeignet. Dedizierter Generator CO 2-Sammler Abb : Hilfskühlungssystem 6.3 CO 2 -Teilentspannung (Freigabe) Bei Druckanstieg wird eine geringe Menge CO 2 in die Atmosphäre freigesetzt, ehe der Prüfdruck erreicht ist. Daher beschränkt sich der Druck auf: das Freisetzen einer kleinen Menge CO 2 in die Atmosphäre Die Kühlung der Restflüssigkeit durch siedendes CO 2 Sobald der Druck im Sammler einen bestimmten am CVP-XP eingestellten Punkt übersteigt, setzt die Freigabe von CO 2 über ein Druckregelventil ein. Da es sich bei dem CVP-XP um ein Proportionalregelventil handelt, wird nur allmählich Druck abgelassen, und es entweicht lediglich eine sehr geringe Menge an Kältemittel. Zu diesem Zweck kann ein ICS-Druckregler verwendet werden. Bei kleineren Systemen kann ein Pilotventil vom Typ CVP-XP direkt im CVH- Ventilgehäuse eingesetzt werden. Während der Druck im Sammler nachlässt, beginnt das CO 2 abzusieden. Dadurch sinkt die Temperatur, und der Druckabfall setzt sich fort. Übersteigt der Druck den am CVP-XP eingestellten Punkt um %, wird eine große Menge CO 2 in die Atmosphäre freigesetzt. Mit diesem System lassen sich mitunter erhebliche Kosteneinsparungen erzielen, da lediglich eine geringe Menge CO 2 freigesetzt werden muss. Alternativ kann am Auslassrohr des Sammlers ein Magnetventil vom Typ EVRH6 angebracht werden. Gesteuert wird das Magnetventil mittels logischer Verknüpfungsfunktionen in einem Systemcontroller des Typs AK-SC 255 bzw. einem AK-SC 720, der wiederum ein Signal vom Druckmessumformer AKS2050 empfängt. Das EVRH6 muss am Auslass angebracht werden, damit sich kein Trockeneis bilden kann. Dieses System lässt sich vereinfachen, indem ein Magnetventil vom Typ EVR6 (NO) mit einem Druckschalter vom Typ KP6 verwendet wird oder der freien Druckschalter bei AK-PC 730 und AK-PC 840 zu schaffen. nach außen CVP-HP ICS SFA+DSV Flüssigkeit und Gas KM-Gas/-Flüssigkeit Abb : System zur CO 2 -Freigabe mit Pilotregelventil Sammler (HP oder LP) 30 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

33 6.3 CO 2 -Teilentspannung (Fortsetzung) AK-SC 255 AK-PC 730 (alternativ) SFA+DSV Außerhalb des Systems EVRH Flüssigkeit und Gas KM-Gas/-Flüssigkeit Abb : System zur CO 2 -Freigabe mit Pilotregelventil Sammler (HP oder LP) 6.4 CO 2 -Expansionsgefäß In Systemen mit begrenzter Füllkapazität kann zur Gewährleistung eines akzeptablen Druckniveaus ein gesonderter Expansionssammler eingesetzt werden. Sobald der Druck im System ansteigt, expandiert das CO 2 über das NRV-Ventil in den Sammler. Das Gefäß muss so groß sein, dass es ausreichend CO 2 aufnehmen kann, um den Druck im übrigen Teil des Systems konstant zu halten. Wenn das System erneut startet, wird das CO 2 - Gas anhand eines ICS-Gegendruckreglerventils mit Pilotventil vom Typ CVC-HP in die Saugleitung zurückgeführt. Bei kleineren Systemen kann ein Ventil vom Typ CVC-HP direkt im CVH-Ventilgehäuse eingesetzt werden. CVC-XP An Saugleitung angeschlossen ICS SFA+DSV NRV Gas KM-Gas/-Flüssigkeit Abb. 6.4: CO 2 -Expansionsgefäß Spezialsammler Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

34 6.5 Zusammenfassung System Zusätzlicher CO 2 -Freigabe Expansionsgefäß Verflüssigungssatz Vorteile - CO 2 gelangt nicht in die Atmosphäre - Keine zusätzlichen Gefäße erforderlich - Einfache Systemauslegung - Keine zusätzlichen oder besonderen Gefäße erforderlich - Zusätzliche Stromquellen werden nicht benötigt - Vergleichsweise kostengünstig Nachteile - Spezialgefäß erforderlich - CO 2 gelangt in die - Unterbrechungsfreie die Atmosphäre Stromzufuhr erforderlich - Füllmenge muss genau - Zusätzliches Kältemittel berechnet werden wird benötigt - Vergleichsweise kostspielig Verwendete Danfoss- Komponenten OPTYMA Verflüssigungssatz MBS 5000 oder KP-Druckschalter ICS+CVP-XP- oder CVH+CVP-XP-Druckregler -Kugelventile Sicherheitsventil SFA15 EVR NO KP - CO 2 gelangt nicht in die Atmosphäre - Zusätzliche Stromquellen werden nicht benötigt - Zusatzgefäß erforderlich - Füllmenge muss genau berechnet werden - Vergleichsweise kostspielig ICS+CVC-XP- oder CVH+CVC-XP-Druckregler -Kugelventile Sicherheitsventil SFA15 NRV-Rückschlagventil 32 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

35 7. Wärmerückgewinnung bei CO 2 -Systemen 7.1 Allgemeine Beschreibung 7.2 Wärmerückgewinnung (Wärmepumpe), einfaches System Wärmerückgewinnungssysteme für Kälteanlagen sind Gegenstand zahlreicher Bücher und Fachartikel. Bei der Planung einer Kälteanlage mit CO 2 zählt die Wärmerückgewinnung möglicherweise zu den Anforderungen des Kunden. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dieser Anforderung gerecht zu werden. Zwei Verfahren werden in den nachfolgenden Abschnitten beschrieben: (a) teilweise und (b) vollständige Wärmerückgewinnung Bei der Konzeption dieser Systeme bzw. Anlagen erfordern folgende Aspekte besondere Aufmerksamkeit: Kondensation von Flüssigkeit in der Wärmerückgewinnungseinheit Verhinderung von Siedeprozessen an der Wasserseite Das einfachste System (ohne Unterkühler) ist in Abb dargestellt. In diesem Fall wird die Systemlast von der Wasserseite aus bestimmt. Das System ist durch die Funktionen von der Wasserseite her eingeschränkt, da die Wärme von der Wasserseite immer aus dem Kältezyklus ausgeschlossen werden muss. Sicherstellen einer ausreichenden Wasserqualität, unterschiedliche Konzentrationen an Calciumcarbonat, Bakterien usw. Betriebstemperaturen lassen die Entstehung einer zu niedrigen/zu hohen Verflüssigungstemperatur nicht zu Es ist allgemein bekannt, dass die Wärmerückgewinnung mit CO 2 in transkritischen Systemen hervorragend funktioniert. Doch auch in subkritischen Anwendungen ist die CO 2 -basierte Wärmerückgewinnung wesentlich effizienter als beispielsweise beim Einsatz der Kältemittel 134a und 404A. Zudem lassen sich bei subkritischen Anwendungen aufgrund der Temperaturverteilung im Verflüssiger hohe Temperaturen erreichen. Beträgt die Verflüssigungstemperatur +15 C, können rund 30 % der Energie bei ca. +60 C zurückgewonnen werden. Der Nachteil dieses Systems besteht darin, dass es deutlich schwieriger ist, die optimale Auslegung für den Gaskühler zu bestimmen (massgebend ist der Pinch-Point ). Verdichterregelung AK-SC 255, AK-PC730 oder AK-PC840 Gaskühlerregelung EKC 326A und ICMTS Regelung des Bypass-Ventils ETS + EKC 326A Wasser EKC 326A ICMTS ETS MD-KM-Gas/-Flüssigkeit Abb : Einfache Wärmerückgewinnungsanlage Danfoss R Bei einem typischen Wärmerückgewinnungssystem (Abb ) muss der Wärmetauscher richtig dimensioniert sein, damit ein unterbrechungsfreier Betrieb als Gaskühler sichergestellt werden kann. Zudem muss das Wasser sorgfältig kontrolliert werden. Der Gaskühler muss optimal ausgelegt sein. Maßgebend ist dabei der Pinch-Point für diesen Prozess. Der Hauptgrund für den Einsatz von zwei Wärmetauschern besteht darin, dass sich mit zwei unabhängigen Wasserströmungen die bestmögliche Leistung erzielen lässt. Das Ventil wird verwendet, wenn kein Wasserfluss stattfindet. Es arbeitet ausschließlich im Ein/ Aus-Modus. Läuft die Wasserpumpe nicht, öffnet das Ventil und leitet via Bypass CO 2 weiter. Auf diese Weise wird eine Überhitzung des Wasserwärmetauschers vermieden. Zu diesem Zweck kann ein ICMTS-Ventil verwendet werden. Die Regelung des Hochdruckventils kann wie gewohnt über einen Gaskühlerregler vom Typ EKC 326A erfolgen, das ebenfalls für diese Anwendung geeignet ist. Der EKC 326A kann zudem das für den Gas-Bypass zuständige ETS- Ventil regeln, während das ICMTS-Ventil betätigt wird. Verdichterregelung AK-SC 255, AK-PC730 oder AK-PC840 Gaskühlerregelung EKC 326 und ICMTS Steuerung des Bypass-Ventils ETS + EKC 326A Kühlturmregelung AK-PC420 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

36 7.2 Wärmerückgewinnung (Wärmepumpe), einfaches System (Fortsetzung) Wärmerückgewinnungseinheit Regelventil und Pumpe an der F s Wasserseite Kühlturm +50 C +25 C +15 C +10 C EKC 326A Unterkühler ICMTS Mitteldrucksammler MD-KM-Gas/-Flüssigkeit ETS Abb : System zur Wärmerückgewinnung (oder Wärmepumpe) Danfoss R Wärmerückgewinnung, teilweise Diese Anwendung unterscheidet sich von der vorherigen (Abb ) lediglich darin, dass ein herkömmlicher Gaskühler in Verbindung mit der Wärmegewinnungseinheit verwendet werden kann. Dadurch ist dieses System äußerst flexibel. Dies hat den großen Vorteil, dass das System an bestimmte Anforderungen angepasst werden kann, sodass die Hochdruckseite des Kältekreislaufs stets ausreichend gekühlt ist. Verdichterregelung AK-SC 255, AK-PC 730 oder AK-PC 840 Gaskühlerregelung EKC 326A und ICMTS Regelung des Bypass-Ventils ETS + EKC 326A Kühlturmregelung AK-PC420 Bei neuen Versionen des EKC 326A ist es eine gleichzeitige Regelung des ICMTS- und des ETS- Ventils mit demselben Regler möglich. Wärmerückgewinnungseinheit Regelventil und Pumpe an der F s Wasserseite +50 C +25 C Luftgekühlter Verflüssiger EKC 326A ICMTS Mitteldrucksammler MD-KM-Gas/-Flüssigkeit ETS Abb. 7.3: Anlage zur teilweisen Wärmerückgewinnung Danfoss R DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

37 7.4 Zusammenfassung System Einfache Wärmerückgewinnungsanlage Anlage zur vollständigen Wärmerückgewinnung (Wärmepumpe) Anlage zur teilweisen Wärmerückgewinnung Vorteile Einfaches System Hohe Leistung Flexibilität Nachteile Temperaturkonstanz schwer zu erzielen Komplexität; zwei Wärmetauscher erforderlich Höhere Füllung Verwendete Danfoss- Komponenten ICMTS EKC 326A ETS AK-PC 730 (oder AK-PC840) AK PC 420 AK-SC 255 ICMTS EKC 326A ETS AK PC 730 (oder AK- PC840) AK PC 420 AK-SC 255 ICMTS EKC 326A ETS AK PC 730 (oder AK- PC840) AK PC 420 AK-SC 255 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

38 8. CO 2 -Kaskadensysteme 8.1 Einleitung Kaskadensysteme werden nicht in FR- Anwendungen mit herkömmlichen Kältemitteln eingesetzt. Hierfür gibt es mehrere Gründe, z. B. die Tatsache, dass zwei verschiedene Kältemittel in einem System verwendet werden müssen. Des Weiteren ist die Strategie zur Regelung des Systems (besonders zu der des Kaskadenwärmetauschers) komplexer. Gleichzeitig bietet die Verwendung von CO 2 in Kaskadensystemen aber auch eine Reihe Vorteile: Die Arbeitsdruckverhältnisse von CO 2 in Kaskadensystemen sind niedrig (üblicherweise bar) Die Systemeffizienz ist unter heißen Klimabedingungen noch höher Für den HD-Kreislauf ist lediglich eine kleine Menge an Kältemittel erforderlich Der Temperaturunterschied für den Kaskadenwärmetauscher ist relativ niedrig Beispiele typischer Kaskadenanwendungen finden Sie in Kapitel 3 (Abb bis 3.1.3). Im HD-Kreislauf können HC, HFKW oder NH 3 verwendet werden. Beachten Sie, dass die Verwendung von HC-Kältemitteln der lokalen Rechtsprechung unterliegt und in diesem Handbuch nicht behandelt wird. Ammoniak-/ CO 2 -Kaskadensysteme weisen die höchste Effizienz von allen auf. Wenn HFKW in einem HD-Kreislauf verwendet werden soll, ist R134a eine empfehlenswerte Option aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften und des niedrigeren Treibhausgaspotenzials (verglichen mit R404A). Die Wärmeabfuhr von der ND- zur HD-Seite erfolgt wie in Abb. 9.1 dargestellt. Es ist wichtig den HD-Verflüssiger richtig zu dimensionieren. M1 M2 Q Q+M1+M2 MD-KM Gas/-Flüssigkeit ND-KM Gas/-Flüssigkeit Q+M1 Abb. 8.1: Energieübertragung in einem Kaskadensystem 8.2 Temperaturen und Druckverhältnisse in Kaskadensystemen Die Mitteltemperatur in einem Kaskadensystem wird basierend auf der erforderlichen Temperatur für die NK-Kühlstellen in einer Anlage ausgewählt, was bedeutet, dass die Kühlstellen direkt mit CO 2 gekühlt werden können. Die Mitteltemperatur kann auch für höchste Energieeffizienz optimiert werden, wenn das System nur im Niedertemperaturbereich genutzt wird. Da ein Kaskadensystem eigentlich aus zwei verschiedenen Kältesystemen besteht, die zwar eine gemeinsame Schnittstelle haben, aber am Kaskadenwärmetauscher voneinander getrennt werden, kann der vorgesehene Arbeitsdruck für die beiden Systeme unterschiedlich sein. Der CO 2 -Normdruck, der normalerweise von den verfügbaren Komponenten abhängig ist, liegt zwischen 40 und 45 bar (entsprechend C). Um zu vermeiden, dass der Druck die genannten Werte übersteigt, werden Stillstandsysteme empfohlen. Sicherheitsventile sollten die höchste Einstellung aufweisen. Beispiel: CO 2 -Seite Vorgesehener Systemarbeitsdruck (gesättigte Saugtemperatur): 40 bar (+5 C) Sicherheitsventileinstellungen: 36 bar (-10 % maximaler Betriebsdruck) Einstellung zur Systementlastung im Notfall: 34 bar (-1 C) CO 2 -Auslassdruck-Einstellung: 30 bar (-5 C) Je höher die Effizienz des Kaskadenwärmetauschers, desto niedriger die Differenz zwischen der Kondensationstemperatur von CO 2 und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels auf der HD-Seite. Mit steigendem Temperaturunterschied beim Kaskadenverflüssiger sinkt die Gesamteffizienz des Kältesystems. Je geringer der Temperaturunterschied, desto kostspieliger 36 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

39 8.2 Temperaturen und Druckverhältnisse in Kaskadensystemen (Fortsetzung) der Kaskadenverflüssiger.Bei Systemen mit niedrigen CO 2 -temperaturen (geringe Überhitzung) kann die Überhitzung des Expansionsventils der Dimensionierungsfaktor für den Wärmetauscher sein. Wenn ein CO 2 - System eine hohe Überhitzung aufweist, müssen Dampfkühler eingesetzt werden, um die Last auf im HD-Kreislauf zu verringern. Der optimale Mitteldruck in CO 2 - Kaskadensystemen hängt von verschiedenen Parametern (Hochtemperatur-Kältemittel, Lastverteilung usw.) ab. Generell sollten zwei Fälle beachtet werden: Systeme mit Last bei Mitteltemperatur. In diesem Fall sollte der Mitteldruck so hoch wie möglich sein, um die Last auf der Hochtemperaturstufe zu senken. Einschränkungen sind daher die erforderliche Temperatur auf mittlerer Stufe und der Systemnenndruck. Systeme ohne Last bei Mitteltemperatur. In diesem Fall sollte sich die Mitteltemperatur im Bereich von-10 bis 0 C bewegen, wobei die Untergrenze durch die Effizienz definiert wird und die obere durch den Systemnenndruck. 8.3 Betriebsablauf bei Kaskadensystemen Bei Kaskadensystemen ist es unerlässlich, dass mindestens ein Verdichter im HD-Kreislauf aktiv ist, bevor der erste Verdichter im ND-Kreislauf aktiviert wird. Andernfalls kann es passieren, dass der Verdichter im ND-Kreislauf aufgrund des hohen Drucks abgeschaltet wird. Dieselbe Reihenfolge gilt auch bei der Systembefüllung. Als erstes muss der Hochtemperaturkreislauf mit Kältemittel befüllt und gestartet werden. Danach kann CO 2 in das Niedertemperatursystem gefüllt werden. Das Hochdruck-Expansionsventil (ETS) für den Kaskadenwärmetauscher sollte gleichzeitig mit den Hochdruckverdichtern in Betrieb genommen werden. Danach regelt das Ventil die Überhitzung des Hochdruckgases. LT-Verdichter werden dann durch den CO 2 -Druckanstieg auf der Saugleitung gestartet. Danfoss-Verbundregler wie der AK-SC 255, der AK-PC 730 und der AK-PC 840 wurden speziell mit integrierten Regelungsfunktionen zur Koordination dieser Operationen konstruiert. 8.4 Einspritzung in Kaskadenwärmetauscher Das Einspritzen von Flüssigkeit in einen Plattenwärmetauscher ist keine Nebensächlichkeit. Der Wärmetauscher ist oft kompakt, daher ist die Zeitkonstante sehr niedrig. AKV-Ventile werden deshalb für diese Anwendung nicht empfohlen. Es wird empfohlen, Motorventile oder andere Ventile, die einen konstanten Strom gewährleisten, zu verwenden. Die Dampfkühlung von CO 2 -Gas, das in den Kaskadenwärmetauscher eintritt, wird ebenfalls aus drei Gründen empfohlen. Ein Grund ist, dass das Gas oft eine Temperatur von 60 C aufweist und die Wärme daher problemlos an die Umgebung abgeführt oder zur Rückgewinnung genutzt werden kann. Der zweite Grund ist eine Reduzierung des thermischen Stress im Wärmetauscher. Der dritte Grund: Das CO 2 -Gas verfügt über eine sehr hohe Wärmestromdichte, was zu instabilen Bedingungen auf der Verdampferseite führt. Aus diesem Grund wird empfohlen, die Überhitzung auf CO 2 -Seite zu senken. Die Verteilung auf CO 2 -Seite ist ebenfalls ein wichtiges Thema. Der Wärmetauscher muss für eine Direktverdampfung konstruiert sein, um eine gleichmäßige Verteilung der Gas- Flüssigkeits-Mischung an den Wärmetauscher zu gewährleisten. Wenn der Wärmetauscher für einen angemessenen Druckabfall bei Teillast konstruiert wurde, funktionieren der Öltransport und die Verteilung unter den meisten Bedingungen. Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

40 8.5 Elektronische Steuervorrichtungen bei Kaskadensystemen Kaskadensysteme mit DXund CO 2 -Pumptechnik MD-KM-Gas/-Flüssigkeit Eine Kombination aus ETS-Ventil und EKC 316 bietet üblicherweise die beste Regelungsleistung bei Kaskadenwärmetauschern. Der EKC 316 misst sowohl Druck als auch Temperatur am Ausgang des Wärmetauschers, um die Überhitzung zu regeln. Kaskadensysteme mit CO 2 -Pumpenumwälzung bei MT gehören zu den ersten CO 2 -Anlagen, die nach der Wiederentdeckung von CO 2 in der Kältetechnikbranche gebaut wurden und sind auch heute noch weit verbreitet. Der Wirkungsgrad von Kaskadensystemen gehört wahrscheinlich zu den bestmöglichen und ist auch was die kleinen Rohrabmessungen sowohl für NK- als auch TK-Modelle im Vergleich zu Sole- Der Temperatursensor sollte in 12-Uhr-Position am Rohr platziert werden, der Drucksensor sollte so positioniert werden, dass sich keine Öl- oder Flüssigkeitsansammlungen bilden können. Modellen betrifft, einzigartig. Systeme mit Pumpenumwälzung eignen sich am besten für Anlagen mit relativ hoher Leistung. In kleinen Systemen oder Systemen mit sehr hohen Lastenunterschieden sind Pumpen unter Umständen schwer zu regeln. AK-PC 730 AKD 102 EKC 316 AKD 102 DCR GD AK-SC 255 AKS 33 ETS EVR SFA 15 AK-PC 730 AK-CC 450 NRV Pump EVR AKD 102 SGN AKS 32R GD AKD 102 AKS 32 DCR NRV AK-CC 550 NRV AKV Abb. 8.2: Kaskadensysteme mit NK- und TK im DX sowie im Pumpenbetrieb 38 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

41 8.5.2 Kaskadensysteme in Kombination mit Sole Systeme mit Sole bei NK und CO 2 bei TK werden seit 1998 gebaut und sind besonders in nördlichen Ländern noch immer sehr weit verbreitet. Allerdings hat es den Anschein, dass Sole-Systeme langsam aber sicher durch Kaskadensysteme nur mit CO 2 oder durch transkritische Systeme ersetzt werden. AK-PC 420 AKD 102 AK-CH 650 M AKD 102 EKC 316 AKS 32 AK-CC 450 EKC 316 GD AK-SC 255 AKS 33 ETS EVR AKS 11 DCR AB-QM AK-PC 730 SFA 15 EVR ETS AKS 32R AK-CC550 NRV AKV AKD 102 DCR NRV GD Abb. 8.3: Kaskadensystem mit NK-Sole und DX TK-CO 2 MD-KM-Gas/-Flüssigkeit ND-KM-Gas/-Flüssigkeit Sole Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

42 8.5.2 Kaskadensysteme in Kombination mit Sole (Fortsetzung) Der Vorteil von Sole-Systemen liegt in der relativ langsamen Zeitkonstante, wodurch der Verdichter einfacher zu regeln ist. Um das System noch weiter zu verlangsamen, wird der Solekreislauf zum Verflüssigen des CO 2 genutzt. Der Vorteil hierbei ist, dass sich der Kaskadenwärmetauscher einfacher regeln lässt. Der Nachteil: Es bestehen zwei Temperaturdifferenzen und nicht nur eine. Die maximale Verflüssigungstemperatur von CO 2 setzt die Grenze für die Soletemperatur fest. AK-PC 420 AKD 102 AK-CH 650 M AKD 102 AK-CC 450 EKC 316 AKS 33 AKS 11 GD AK-SC 255 AB-QM DCR ETS EVR AB-QM AK-PC 730 SFA 15 AK-CC550 AKS 32R NRV AKV AKD 102 DCR NRV GD Abb. 8.4: Kaskadensystem mit DX TK-CO 2, NK-Sole und solegekühltem Kaskadenwärmetauscher MD-KM-Gas/-Flüssigkeit Sole 40 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

43 9. Einfache transkritische Systemausführungen für den Lebensmitteleinzelhandel 9.1 Allgemeine Beschreibung Transkritische Systeme können ganz verschieden konstruiert sein von einfachen Systemen in Einkomponentenausführung, beispielsweise eigenständigen Auslagen, bis hin zu ausgefeilten Konstruktionen, wie sie in kompletten Supermarkt-Verbundanlagen zum Einsatz kommen. Die einfachsten transkritischen Systeme kommen bei Einkomponentenausführung zum Einsatz, die innerhalb oder außerhalb des Verkaufsbereichs aufgestellt wird. Diese Konstruktionen beinhalten wenige elektronische Komponenten mit einfacher Hochdruckregelung, z. B. eine Ventilöffnung oder ein Kapillarrohr, die gleichzeitig als Expansionsorgan fungiert. Bei Anwendungen, für die mehr Leistung und Effizienz benötigt wird, wird ein automatischer Konstantdruckregler integriert. (Weitere Informationen zu den Eigenschaften von CO 2 und der Theorie des transkritischen Prozesses finden Sie im Danfoss-Anwendungsartikel PZ.000.F1.02.). Abbildung 10.1 zeigt ein Verrohrungsdiagramm für ein sehr einfaches transkritisches System. Das System besteht aus einem Verdichter (TN-Typ), einem Gaskühler, einem Verdampfer und einem Expansionsorgan. Das einfachste Expansionsorgan, das eingesetzt werden kann, ist eine feste Druchflussreduzierung (z. B. eine Durchflussöffnung (Düse) oder ein Kapillarrohr). In einem solchen System wird der Hochdruck nicht geregelt, und das System wird folglich nur mit dem optimalen Hochdruck und maximalem Wirkungsgrad (bzw. Leistung) unter lediglich einer Betriebsbedingung betrieben. Eine weitere Möglichkeit bietet die Verwendung eines Thermostatventils zur Regelung der Gaskühlungstemperatur. Danfoss R TN-Verdichter Abbildung 9.1.1: Darstellung eines einfachen Kältesystems für transkritischen Betrieb Durch die Verwendung eines internen Wärmetauschers zwischen der Saugleitung und der Ablaufleitung des Gaskühlers kann die Systemleistung verbessern (Abbildung 8). Wenn es sich bei dem Expansionsorgan um ein Kapillarrohr handelt, kann der interne Wärmetausch durch Verlöten des Kapillarrohrs oder von Teilen davon mit der Saugleitung ermöglicht werden. Die Darstellung in der Abbildung kann für Systeme verwendet werden, die bei mittleren Schwankungen der Umgebungstemperatur betrieben werden, gleichzeitig aber bei der Leistung oder Effizienz nur einen Bemessungspunkt aufweisen. Ändern sich die Betriebsbedingungen (z. B. die Umgebungstemperatur oder die Verdampfungstemperatur während dem Abtauen eines z.b. Gefrierschranks), ändert sich auch die Kältemittelverteilung zwischen den Komponenten. Damit ändert sich also auch der Gaskühlerdruck. Für Anwendungen, bei denen eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Betriebsbedingungen erforderlich ist, die also Leistungs- und Effizienzanforderungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen erfüllen müssen, ist ein Hochdruckregelventil zu verwenden. Dies kann ein mechanisches oder ein elektronisches Ventil sein. Darüber hinaus ist es eventuell notwendig, einen Niederdrucksammler zu installieren, um die Lastschwankungen auf Hochdruckseite zu kompensieren. Interner Wärmetauscher TN-Verdichter Danfoss R Abbildung 9.1.2: Darstellung eines transkritischen Kältesystems mit internem Wärmetauscher und festem als Expansionsorgan Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

44 9.2 System mit automatischem Ventil Abbildung 9.2 zeigt ein System mit automatischem Ventil. Das Ventil registriert den Eingangsdruck (Gaskühlerdruck) und wird entsprechend dem festgelegten Eingangsdruckwert geöffnet oder geschlossen. Der Einstellwert des Ventils kann manuell angepasst werden. Das MBR-Ventil von Danfoss wurde für diesen Zweck entwickelt. Das automatische Expansionsventil kann bei Systemen eingesetzt werden, die nur geringen Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind (also etwa Systeme, die nur oberhalb der kritischen Temperatur betrieben werden), gleichzeitig aber zwei oder mehr Bemessungspunkte für Leistung oder Effizienz aufweisen. Interner Wärmetauscher TN-Verdichter KM-Gas/-Flüssigkeit MBR Abbildung 9.2: Darstellung eines transkritischen Kältesystems mit internem Wärmetauscher und einem automatischen Ventil als Expansionsorgan Danfoss R System mit thermostatischem Expansionsventil Abbildung zeigt ein System mit thermostatischem Expansionsventil. Das Ventil funktioniert mithilfe einem traditionellen Fühler (gefüllt mit einer Flüssigkeits-Dampf-Mischung einer speziellen Substanz) zur Erfassung der Kältemittelausgangstemperatur des Gaskühlers und damit zur Regelung des Eingangsdrucks (Gaskühlerdrucks). Alternativ kann der Fühler auch die Lufteingangstemperatur eines luftgekühlten Gaskühlers erfassen. Das thermostatisch Expansionsventil kann bei Systemen verwendet werden, die unter stark schwankenden Umgebungsbedingungen eingesetzt werden und zwei oder mehr Bemessungspunkte für Leistung oder Effizienz aufweisen. Interner Wärmetauscher TN-Verdichter KM-Gas/-Flüssigkeit Abbildung 9.3.1: Darstellung eines transkritischen Kältesystems mit internem Wärmetauscher und einem thermostatischen Expansionsventil als Expansionsorgan 42 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

45 9.3 System mit thermostatischem Expansions-Ventil (Fortsetzung) Leistungsverbesserungen für diesen Systemtyp können durch Verwendung eines Niederdrucksammlers wie in Abbildung erzielt werden. Ändert sich die Temperatur am thermostatischen Expansionsventil, wird das Hochdruckkältemittel dem Niederdrucksammler entnommen oder zugeführt. Hierbei muss besonders darauf geachtet werden, dass es nicht zu Ölansammlungen im Sammler kommt. Dies lässt sich durch eine Ölablassleitung vermeiden, über die kleine Mengen flüssigen Öls/ Kältemittels aus dem Sammler in den internen Wärmetauscher fließen können. Für den Systembetrieb reicht ein einfacher elektronischer Regler (z. B. ein Regler vom Typ EKC 202). Interner Wärmetauscher TN-Verdichter Danfoss R Abbildung 9.3.2: Darstellung eines transkritischen Kältesystems mit internem Wärmetauscher, einem Thermostatventil als Expansionsorgan und einem Niederdrucksammler Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

46 9.4 System mit elektronischem Expansionsventil Volle Steuerungsflexibilität bietet ein System mit elektronischem Expansionsventil JKV und einem elektronischen Systemregler vom Typ EKC 326, der Information über ein oder mehrere Temperatur- und Drucksensoren im System empfängt. Darüber hinaus muss ein Impulswandler für das Schrittmotorventil verwendet werden. Die in Abbildung 9.4 dargestellte Lösung eignet sich für Systeme, die unter stark schwankenden Umgebungsbedingungen und mit extremen Leistungs- oder Effizienzanforderungen unter allen Betriebsbedingungen betrieben werden. Eine solche Flexibilität der Regelung ist oft nur in Systemen notwendig, die experimentell in einem Labor analysiert werden. Neben den in diesem Dokument aufgeführten sind auch weitere Systemkonfigurationen möglich. Die Wahl der Systemkonfiguration hängt von den Leistungsanforderungen unter einer gegebenen Reihe von Konstruktionsbedingungen oder möglicherweise sogar einem gegebenen Anwendungsbereich ab. Interner Wärmetauscher TN-Verdichter JKV LNE EKC 326A Danfoss R Abbildung 9.4: Darstellung eines transkritischen Kältesystems mit internem Wärmetauscher und einem elektronisch gesteuerten Ventil als Expansionsorgan 9.5 Zusammenfassung System Kapillarrohr Mechanisches Ventil Thermostatisches Expansionsventil Vorteile Einfach und Reagiert flexibel auf zuverlässig Leistungsschwankungen Nachteile Verwendete Danfoss- Komponenten Nur für bestimmte Bedingungen optimiert TN-Verdichter Nur ein Einstellwert; reagiert nicht auf Änderungen der Umgebungstemperatur MBR TN-Verdichter Reagiert flexible auf Schwankungen der Umgebungstemperatur Nicht optimal bei Leistungsschwankungen TN-Verdichter Elektronisches Expansionsventil Erlaubt die komplette Regelung und Optimierung des Systems Komplexes und kostenintensives System JKV-Impulswandler EKC 326A AKS11 TN-Verdichter 44 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

47 10. Transkritisches Boostersystem 10.1 Allgemeine Beschreibung Das transkritische System ist eine der vielversprechendsten Lösungen in Bereichen mit kaltem Klima. Der Grund dafür ist, dass der Energieverbrauch vergleichbar mit dem von R404A-Systemen oder sogar besser ist, und dass die Konstruktion relativ einfach ist. Auf der anderen Seite muss der Druck niedriger sein als der Prüfdruck. Alle abgebildeten Regler mit Ausnahme des Gaskühlerreglers entsprechen dem Danfoss- Standard und kommen bereits branchenweit in herkömmlichen Anlagen zum Einsatz. Ein typisches transkritisches CO 2 - Boostersystem ist in drei Druckabschnitte eingeteilt. Der Hochdruckabschnitt beginnt beim Hochdruckverdichter (1), und verläuft über den Gaskühler (2) und den Saugleitungswärmetauscher (3) zum Hochdruckregelventil (4). GC 2 1 Danfoss R Der Solldruck in diesem Abschnitt liegt gewöhnlich zwischen 90 und 120 bar. Die Regelung eines transkritischen Systems lässt sich in vier Gruppen unterteilen: Regelung des Gaskühlers, Einspritzregelung, Sammlerdruckregelung und Verdichterleistungsregelung PC 3 Der Mitteldruckabschnitt beginnt beim Hochdruck-Expansionsventil (4), bei dem der Strom im Sammler nach Gas und Flüssigkeit getrennt wird (5). Das Gas wird über ein Bypassventil an die Saugleitung der Hochdruckverdichter geleitet (6). Die Flüssigkeit strömt zu den Expansionsventilen (7 and 8), wo es vor dem Eintritt in die MT (NK)- (9) und LT (TK)-Verdampfer (10) expandiert. 7 MT 9 11 Das Gas aus dem LT (NK)-Verdampfer wird im LT (TK)-Verdichter (11) komprimiert und mit dem Gas aus dem MT-Verdampfer und der Gasbypassleitung gemischt. Von hier aus strömt das Gas in den Saugleitungswärmetauscher, und der Kreislauf schließt sich, wenn es zum HD- Verdichter gelangt. Der Solldruck für den MT-Abschnitt liegt oft zwischen 40 und 45 bar, beim LT-Abschnitt ist ein Druck von 25 bar vorgesehen. Offensichtlich besteht eine Tendenz dahingehend, die MT- und LT-Seite für den gleichen Druck auszulegen. Der Druck im Sammler wird über das ETS- Schrittmotorventil (6) geregelt. Um den erforderlichen Differenzdruck über das MT (NK)-Expansionsventil (7) zu gewährleisten, muss der Druck im Sammler höher sein als der Verdampfungsdruck in den MT (NK)- Verdampfern. 8 LT 10 Abbildung 10.1: PI-Diagramm des transkritischen Boostersystems mit Gas- Bypass MD-KM-Gas/-Flüssigkeit Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

48 10.2 Transkritisches Kaskadensystem HD/MD-KM-Gas/-Flüssigkeit ND-KM-Gas/-Flüssigkeit Der Verbundregler AK-PC 730 regelt den Verflüssigungsdruck und dient als Standardregler zur Regelung eines Verbundes in einer beliebigen Kälteanlage. Anhand des Reglers lässt sich der Verflüssigungsdruck im TK-Kreislauf regeln und gleichzeitig den Saugdruck überwachen. Zudem ermöglicht der AK-PC 730 durch Koordination des TK- und NK-Starts einen störungsfreien Betrieb. Die Einspritzregelung bei Kühlmöbel- und Kühlraumverdampfern erfolgt über einen standardmäßigen elektronischen Regler. Der Regler AK-CC 550 sorgt in Verbindung mit pulsbreitenmodulierten Einspritzventilen vom Typ AKV und patentierten Softwarealgorithmen für eine optimale Systemleistung und einen störungsfreien Betrieb. Die AKV-Ventile werden auch als Standardventile für HFC-Kältemittel verwendet. Die Überwachung des gesamten Systems und der Schnittstelle erfolgt je nach Anwendungszweck mittels eines Systemmanagers vom Typ AK-SM 350, AK-SC 255 oder AK-SM 720. EKC 326A AK-PC 730 GD ICMTS AKS 11 ETS AK-SC 255 AKS 32R DCR AK-CC 550 AKV AKS 32R ETS EKC 316 SFA 15 AK-PC 730 GD DCR AK-CC 550 AKS 33 AKD 102 AKS 11 Danfoss R AKV Abbildung 10.2: Transkritisches Kaskadensystem 46 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009

49 10.3 Transkritisches Boostersystem HD/MD-KM-Gas/-Flüssigkeit ND-KM-Gas/-Flüssigkeit Der Verbundregler AK-PC 730 regelt den Verflüssigungsdruck und dient als Standardregler zur Regelung eines Verbundes in einer beliebigen Kälteanlage. Zudem ermöglicht der AK-PC 730 durch Koordination des TK- und NK-Starts einen störungsfreien Betrieb. Die Einspritzregelung bei Kühlmöbel- und Kühlraumverdampfern erfolgt über einen standardmäßigen elektronischen Regler. Der Regler AK-CC 550 sorgt in Verbindung mit pulsbreitenmodulierten Einspritzventilen vom Typ AKV und patentierten Softwarealgorithmen für eine optimale Systemleistung und einen störungsfreien Betrieb. Die AKV-Ventile werden auch als Standardventile für HFC-Kältemittel verwendet. Die Überwachung des gesamten Systems und der Schnittstelle erfolgt je nach Anwendungszweck mittels eines Systemmanagers vom Typ AK-SM 350, AK-SC 255 oder AK-SM 720. EKC 326A AK-PC 730 GD ICMTS AKS 11 ETS AK-SC 255 AKS 32R DCR AK-CC 550 AKV AK-PC 730 GD AK-CC 550 AKS 32R AKD 102 AKS 11 Danfoss R AKV Abbildung 10.3: Transkritisches Boostersystem. Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), April 2009 DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H

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52 Danfoss Ihr Anbieter von CO 2 -Lösungen Danfoss bietet ein vollständiges Programm an Komponenten für CO 2 -Kaskadensysteme an. Komplette ADAP-KOOL -Lösungen zur Regelungen von Systemen Danfoss verfügt über mehr als 15 Jahre Erfahrung bei der Entwicklung von subkritischen und transkritischen CO 2 -Systemen Danfoss hat eine Reihe von Tests durchgeführt, um sicherzustellen, dass die für den Einsatz mit CO 2 vorgesehenen Komponenten CO 2 verträglich und in jeder Hinsicht standhalten können. Erfahren Sie mehr über die CO 2 -Produkte und -Lösungen von Danfoss besuchen Sie uns unter Für Deutschland + Schweiz: Danfoss GmbH Postfach D Offenbach Tel: kaelte-info@danfoss.com Für Österreich: Danfoss Ges.m.b.H. Danfoss Straße 8 A-2353 Guntramsdorf Tel: kaelte-info@danfoss.com DKRCE.PA.R1.A1.03 / 520H3465 Hergestellt von Danfoss RA Marketing/MWA, August 2009