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Kältemittel

Allgemeine Eigenschaften

Aufgrund seiner reinen thermodynamischen Eigenschaften eignet sich CO₂ nicht besonders gut als Kältemittel. Allerdings besitzt CO₂ mehrere einzigartige thermophysikalische Eigenschaften:

  • Sehr guter Wärmeübergangskoeffizient
  • Relativ unempfindlich gegenüber Druckverlusten
  • Sehr geringe Viskosität

 

In der Praxis liefern CO₂-Anlagen eine sehr hohe Leistung. Der Hauptgrund dafür sind ein besserer Wärmeaustausch, eine sehr niedrige Pumpenleistung, wenn CO₂ als Sekundärmedium verwendet wird sowie die Möglichkeit, die Anlagen in kalten Klimazonen im Winter bei sehr niedrigem Verflüssigungsdruck zu betreiben.

 

Die Effizienz von CO₂-Anlagen hängt mehr von der Anwendung und vom Klima ab als Anlagen mit einem anderem Kältemittel. Die Anlageneffizienz aller Kältemittel verzeichnet bei steigenden Verflüssigungs­temperaturen einen Rückgang. CO₂ zählt zu den Kältemitteln mit dem stärksten Rückgang. Die guten thermophysikalischen Eigenschaften von CO₂ können dies zwar bis zu einem bestimmten Grad kompensieren, es gibt jedoch Grenzen.

 

CO₂ besitzt bei höheren Tempe­raturen einen hohen Energiegehalt. Wenn diese Wärme für die Warmwassererzeugung oder ähnliche Anwendungen zurückgewonnen werden kann, ist die Effizienz der Gesamtanlage sehr hoch.

Umweltauswirkungen

Aus der Umweltperspektive ist CO₂ ein sehr attraktives Kältemittel mit einem ODP von 0 und einem GWP von 1. Es ist eine natürlich vorkommende Substanz und kommt reichlich in der Atmosphäre vor.

Druck und Temperatur

CO₂ ist ein Hochdruckkältemittel. Für einen effizienten Betrieb sind hohe Betriebsdrücke erforderlich. Während eines Stillstands kann die Umgebungstemperatur die kritische Temperatur erreichen und übersteigen und der Druck kann den kritischen Druck übersteigen. Folglich werden diese Anlagen ausgelegt, um einem Druck von bis zu 90 bar standzuhalten oder sie werden mit einem kleinen Verflüssigungssatz für den Aus-Zustand ausgestattet, um eine niedrige Temperatur zu gewährleisten.

 

Gleichzeitig besitzt CO₂ ein geringes Verdichtungs­druckverhältnis (20 bis 50 % geringer als FKW und Ammoniak), das den volumetrischen Wirkungsgrad verbessert. Bei Verdampfungstemperaturen im Bereich von -55 °C bis 0 °C beträgt die volumetrische Leistung von CO₂ z. B. das 4- bis 12-Fache der volumetrischen Leistung von Ammoniak. Das wiederum gestattet den Einsatz von Verdichtern mit kleinerem Hubvolumen.

 

Der Tripelpunkt und der kritische Punkt von CO₂ liegen sehr nah am Betriebsbereich. Der kritische Punkt kann während des normalen Betriebs der Anlage erreicht werden. Während der Wartung der Anlage kann der Tripelpunkt erreicht werden. Dies zeigt sich durch die Bildung von Trockeneis, wenn Teile der Anlage, die Flüssigkeit enthalten, dem Umgebungsdruck ausgesetzt werden. Besondere Verfahren sind erforderlich, um bei der Wartung die Bildung von Trockeneis während des Entlüftens zu verhindern.

Wechselwirkungen mit Werkstoffen

CO₂ reagiert nicht mit gängigen Metallen oder Teflon®-, PEEK- oder Neopren-Komponenten. Es diffundiert jedoch in Elastomeren und kann so zu Schwellungen von Butylkautschuk (IIR), Akrylkautschuk (NBR) und Ethylen-Propylen-Dien-Werkstoffen (EPDM) führen. Die Dichte von flüssigem CO₂ ist etwa 1,5mal so hoch wie die von Ammoniak. Dies hat eine höhere Massefüllung in Verdampfern zur Folge, wie z. B. in großen Plattenkaltwassersätzen in großen Industrieanlagen. Eine höhere Dichte ist gleichbedeutend mit einer höheren Ölzirkulation. Daher sind für Industrieanlagen effektive Ölabscheider erforderlich. 

Kosteneffizienz

CO₂ ist ein Nebenprodukt diverser Industrien. Daher ist der Preis von CO₂ sehr niedrig. Aufgrund von höheren Drücken (in transkritischen Systemen) oder höherer Komplexität (in trans- und subkritischen Systemen) sind CO₂-Systeme jedoch häufig teurer als herkömmliche Systeme. Die Komplexität der Systeme scheint mit der Einführung der Druckerhöhungs­anlagen abzunehmen. Die Anzahl der CO₂-Installationen hat zugenommen und die Vergangenheit zeigt, dass sich die Kosten eines solchen Systems an die Kosten eines vergleichbaren FKW-Systems annähern.

 

Anlagen mit CO₂ auf der Sekundärseite lassen sich vor allem in Industriekälteanwendungen kostengünstiger bauen als Systeme mit Glykol, was sich in niedrigeren Anschaffungs- und Lebenszykluskosten niederschlägt.

Anwendungen

Im Gegensatz zu anderen Kältemitteln kommt CO₂ in der Praxis in drei unterschiedlichen Kältezyklen zum Einsatz:

  • Subkritische Zyklen (Kaskadenanlagen)
  • Transkritische Zyklen (ausschließlich mit CO₂ betriebene Anlagen)
  • Zyklen mit CO₂ als Kältemittel im Sekundärkreis (CO₂ als flüchtige Sole)

 

Die verwendete Technik ist von der jeweiligen Anwendung sowie vom Standort der Anlage abhängig. Es gibt einige Anwendungsbereiche, für die CO₂ schon heute attraktiv ist:

  • Industriekälte. CO₂ wird im Allgemeinen im Zusammenspiel mit Ammoniak verwendet – und zwar entweder in Kaskadenanlagen oder als flüchtige Sole
  • Kältetechnik im Lebensmitteleinzelhandel
  • Wärmepumpen
  • Transportkühlung

 

Wir sind überzeugt, dass CO₂ das Hauptkältemittel in Gewerbekälteanlagen sein wird. Die neue F-Gas-Verordnung ist ein klarer Schritt in diese Richtung. 

 

Umgesetze Projekte mit transkritischen Verbundanlagen:

Aschauteiche Eschede, 29348 Eschede

REWE Lüchow, Dannenberger Str. 30, 29439 Lüchow

REWE Dannenberg, Develangring 1, 29451 Dannenberg

REWE Hannover, Kurländer Weg 7, 30419 Hannover

REWE Laatzen, Albert-Schweitzer-Str. 10, 30880 Laatzen

REWE Schöppenstedt, Neue Straße 2, 38170 Schöppenstedt

Kältemittel Youtube link

CO₂-Phasenwechsel im Video

Das Video zeigt die faszinierenden Phasenwechsel des CO₂, die im Danfoss Refrigeration R&D Laboratory aufgezeichnet wurden – den Übergang vom festen über den flüssigen bis hin zum gasförmigen Zustand in der Druckkammer und das Verhalten im superkritischen Bereich.

Ansprechpartner Kältemittel

Markus Lücke

Telefon +49 (0)511 2157098-18

Mobil +49 (0)151 55147456