Abb. 1: Schema einer Anlage mit Flashgaseinspritzung und Parallelverdichter.

Abb. 1: Schema einer Anlage mit Flashgaseinspritzung und Parallelverdichter.

Abb. 3: Performance und Performanceverbesserung bei Mitteldruck 45 bar.

Abb. 3: Performance und Performanceverbesserung bei Mitteldruck 45 bar.

Abb. 2: Zustandspunkte im log(p)-h-Diagramm einer Anlage mit Parallelverdichter.

Abb. 2: Zustandspunkte im log(p)-h-Diagramm einer Anlage mit Parallelverdichter.

Abb. 4: Performance und Performanceverbesserung bei Verdampfungstemperatur –10°C.

Abb. 4: Performance und Performanceverbesserung bei Verdampfungstemperatur –10°C.

Abb. 5: Effizienzsteigerungen bei Mitteldruck 45 bar.

Abb. 5: Effizienzsteigerungen bei Mitteldruck 45 bar.

Effizienzsteigerung durch Parallelverdichter bei CO2-Kältemaschinen

Im Auftrag der Firmen Leplan AG und Scheco AG wurde am IEFE die Effizienzsteigerung bei CO2-Kältemaschinen durch den Parallelverdichter untersucht. Es kann ausgewiesen werden, bei welchen Bedingungen eine Effizienzsteigerung von mehr als 10% erzielt werden kann.>

Wesentliches Kriterium bei der Auslegung eines Parallelverdichters ist, dass die höheren Investitionskosten durch eingesparte Energiekosten wettgemacht werden können. Für überschlagsmässige Rechnungen kann man davon ausgehen, dass dies ab etwa 10% Effizienzsteigerung der Fall ist. Natürlich muss jede Anlage individuell abgeklärt werden, insbesondere wenn starke Schwankungen im Betriebsverhalten der Maschine zu erwarten sind. Mit einem Parallelverdichter kann also unter Umständen eine Effizienzsteigerung bei gleichen oder sogar tieferen Kosten für den Betreiber erreicht werden. Bezüglich des TEWI bedeutet dies, dass die Einbussen durch den indirekten Treibhausgaseffekt begrenzt werden können.

Einleitung
Grundlage dieser Untersuchung ist ein transkritischer Prozess mit einstufiger Verdichtung und zweistufiger Entspannung. Im Gegensatz zum Prozess mit einstufiger Entspannung sind durch die Separation der Massenströme auf der Mitteldruckstufe einerseits kleinere Verdampfer möglich und andererseits erhöht sich der Wärmeübergang im Verdampfer durch den geringeren Dampfgehalt. Die Schaltungsvariante mit einem Bypass für das Flashgas wird auch Flashgaseinspritzung genannt und kann als Stand der Technik bezeichnet werden. Das Anlagenschema ist in Abbildung 1 ersichtlich, wobei das Expansionsventil für das Flashgas (EXP 3) aktiv und der Parallelverdichter (PV) inaktiv ist.
Als anlagentechnisch einfachste Anpassung der Flashgaseinspritzung kann das Kältemittelgas aus dem Sammler mit einem zusätzlichen Verdichter auf Gaskühlerdruck verdichtet werden. Damit reduziert sich insgesamt die technische Arbeit für die Verdichtung und der Wirkungsgrad eines Verdichters ist besser bei einem kleineren Druckverhältnis. Es folgt daher die Schlussfolgerung, dass die Schaltung mit Parallelverdichtung in jedem Fall mindestens gleich effizient (kein Flashgas) oder besser arbeitet als mit Flashgaseinspritzung. Das Schema der Anlage mit Parallelverdichter ergibt sich ebenfalls aus Abbildung 1, wobei nun der Parallelverdichter in Betrieb ist und das Expansionsventil für das Flashgas (EXP 3) deaktiviert wird.

IEFE Prüfstand
Das Betriebsverhalten wird experimentell anhand der vollinstrumentierten transkritischen CO2-Kältemaschine am IEFE untersucht. Mit dem in Friscaldo Nr. 6/2014 vorgestellten Prüfstand ist es möglich, mit einer Maschine beide Schaltungsvarianten zu betreiben. Verdampfer und Gaskühler sind an ein Hydrauliksystem angeschlossen, wobei die sekundärseitige Eintrittstemperatur und der Durchfluss vorgegeben werden können. Damit ist es möglich, sowohl Flashgaseinspritzung als auch Parallelverdichter mit denselben äusseren Randbedingungen zu testen, während auch die inneren Randbedingungen (Rohrleitungen und Armaturen) dieselben sind.
Aus Kapazitätsgründen ist es kaum möglich, alle zu untersuchenden Betriebspunkte mit der Versuchsmaschine messtechnisch zu erfassen. Aufgrund des schwingenden Betriebsverhaltens der Kältemaschinen ist es eine Herausforderung, eine hochpräzise Wiederholung einer Messung zu erreichen. Dies ist in hohem Masse relevant, wenn bei denselben Betriebsbedingungen beide Schaltungsvarianten gefahren werden sollen. Um einen möglichst guten Vergleich beider Schaltungen zu erhalten, wird aus den genannten Gründen ein Berechnungsmodell erstellt, welches die Labormaschine in ihren zwei Konfigurationen abbildet.

Modell und Messungen
Unter Berücksichtigung der Labormaschine wurde ein Modell für die Berechnung der Zustandspunkte gemäss Abbildung 1 eingeführt. In Abbildung 2 sind die Zustandspunkte des Kältekreislaufes im Falle der Parallelverdichtung auch im log(p)-h-Diagramm ersichtlich. Die Zustandspunkte von Ein- und Austritt der einzelnen Wärmetauscher sind in Tabelle 1 aufgeführt. Zustandspunkt 8 bezeichnet den Zustand von reinem Sattdampf im Verdampfer, wobei durch die Überhitzungsregelung das verdampfte Kältemittel in Punkt 9 aus dem Verdampfer austritt. Zwischen internem Wärmetauscher und dem Saugstutzen des Verdichters findet eine nicht nutzbare Überhitzung durch Wärmeeintrag in das System statt. Dies ist sowohl auf der Saugseite des Hauptverdichters als auch auf der Saugseite des Parallelverdichters der Fall. Damit wird ein ungewünschter Wärmeeintrag berücksichtigt. Relevant ist dieser Einfluss deshalb, weil durch diese Überhitzung letztlich auch die Temperatur des Kältemittels am Austritt des Verdichters weiter ansteigt. Es wird die Vereinfachung getroffen, dass für Modellrechnungen die Überhitzungen konstant angenommen werden. Die zugrundeliegenden Werte für die einzelnen Überhitzungen sind in Tabelle 2 ersichtlich. Damit ergibt sich eine Unterkühlung der Flüssigkeit zwischen 6’ und 6 aufgrund der Energiebilanz im Wärmetauscher. Der Gaskühlerdruck regelt sich bei transkritischen CO2-Kältemaschinen aufgrund der Temperatur am Gaskühleraustritt. Dem Modell wurde die Regelkurve eines praxisüblichen Gasdruckreglers hinterlegt. Die Charakteristik dieser Regelkurve konnte aufgrund verschiedener Messreihen hinreichend genau ermittelt werden.

 

Tabelle 1: Zustandspunkte von Ein- und Austritt der Wärmetauscher

Wärmetauscher     Eintritt          Austritt    
Verdampfer (EV)79
Gaskühler (GK)2a4 = tGKA
IWT, Saugseite910
IWT, Mitteldruckseite6’6
IWT FG, Mitteldruckseite6’’11
IWT FG, Gaskühlerdruckseite44i
Nicht nutzbare Überhitzung Saugseite
Hauptverdichter
101a
Nicht nutzbare Überhitzung Saugseite
Parallelverdichter
111b

 

Tabelle 2: Werte für Überhitzung (jeweils auf die Saugseite bezogen)

Überhitzung im Verdampfer8 °C
Überhitzung im internen Wärmetauscher (IWT)4 °C
Nicht nutzbare Überhitzung in der Saugleitung3 °C
Überhitzung im Flashgaswärmetauscher (IWT FG)       12 °C

 

Breites Spektrum an Einsatzbedingungen
Die Validierung des Modells ist in vier Messreihen mit einem breiten Spektrum von Einsatzbedingungen erfolgt. Die gemessenen Überhitzungen, der Mitteldruck, die Temperatur am Gaskühleraustritt, die Verdampfungstemperatur und die Kälteleistung eines stationären Betriebspunkts sind die vorgegebenen Grössen für das Modell. Insgesamt resultiert die Erkenntnis, dass das Modell tendenziell schlechtere EER (Energy Efficiency Ratio) berechnet und somit eine etwas konservative Aussage durch Modellrechnungen zu erwarten ist. Bezüglich der Abweichung von Modell zu Messung ergibt sich eine Standardabweichung von 2,73%.

Randbedingungen
Entscheidende Grösse für den Prozess bei CO2-Kältemaschinen ist die Temperatur am Gaskühleraustritt (tGKA). Diese Temperatur wird von den Umgebungsverhältnissen bestimmt und führt je nach klimatischen Bedingungen des Standorts zu einem subkritischen oder transkritischen Betrieb der Anlage. Es konnte herausgefunden werden, dass sich bei der untersuchten Maschine bei tGKA > 27,5°C ein transkritischer Betrieb einstellt. Der im Folgenden zu untersuchende Bereich ergibt sich aus der minimalen und der maximalen Gaskühleraustrittstemperatur. Bezüglich des Maximums kann angegeben werden, dass sich bei einer Temperatur am Gaskühleraustritt von 39°C ein maximaler Gaskühlerdruck von 100 bar aufgrund des Regelsystems ergibt. Bei tiefen Verdampfungstemperaturen (t0) und einstufiger Verdichtung wird die maximale Temperatur am Gaskühleraustritt zudem durch die Temperatur am Austritt des Verdichters begrenzt. In der vorliegenden Parameterstudie wurde eine Grenze von 125°C für das Heissgas nach dem Verdichter festgelegt. Ausgehend vom Gaskühlerdruck kann durch die Regelcharakteristik auf die Austrittstemperatur am Gaskühler geschlossen werden. Der minimal möglichen Temperatur am Austritt des Gaskühlers sind durch die isenthalpe Entspannung vom Hochdruck auf die Siedelinie des Mitteldruckes Grenzen gesetzt. Da sich das Modell bei der Berechnung der Verdichter auf Herstellerangaben stützt, ergeben sich zusätzlich Einschränkungen aufgrund deren Einsatzgrenzen bzw. aufgrund der bekannten Performancewerte.

Resultate
Bei konstantem Mitteldruck und konstanter Verdampfungstemperatur verschlechtert sich sowohl die Performance der Schaltung mit Flashgaseinspritzung als auch mit Parallelverdichter, wenn die Temperatur am Gaskühleraustritt ansteigt. Mit steigender Temperatur am Austritt des Gaskühlers nimmt der Dampfgehalt auf der Mitteldruckstufe zu. Dieser Anteil Kältemittel kann nicht für die Verdampfung genutzt werden, weshalb die Performance zusätzlich abnimmt. Bei der Schaltung mit Parallelverdichter wird dieser Massenstrom direkt auf Hochdruck verdichtet, was zu einer weniger starken Abnahme der Performance und somit zu einer zunehmenden Effizienzsteigerung gegenüber der Schaltung mit Flashgaseinspritzung führt. In Abbildung 3 sind der Performanceverlauf und der Verlauf der prozentualen Verbesserungen bei einem Mitteldruck von 45 bar ersichtlich. In diesem Diagramm ist bei einer Temperatur am Gaskühleraustritt von etwa 23  °C ein Knick in allen Kurven zu sehen. Dieser ist durch den Wechsel von einer subkritischen zu einer transkritischen Regelkurve begründet. Die Untersuchung des Mitteldrucks ergab, dass es bei tiefem Saugdruck einen optimalen Mitteldruck in Bezug auf die Effizienzsteigerung durch den Parallelverdichter gibt. Je nach Temperatur am Gaskühleraustritt und somit des Gaskühlerdruckes herrscht ein anderes Optimum vor. Dieser Umstand ist darauf zurückzuführen, dass sich mit steigendem Mitteldruck einerseits die technische Arbeit des Parallelverdichters reduziert, was ein positiver Effekt ist. Andererseits nimmt bei steigendem Mitteldruck die Verdampfungsenthalpie ab. Die Ursache dafür ist ein sich verengendes Nassdampfgebiet bei steigendem Mitteldruck und die Charakteristik der Siedelinie, auf welcher die Enthalpie bei steigendem Druck zunimmt. Dies führt zu einer höheren Enthalpie am Eintritt in den Verdampfer bei einem höheren Mitteldruck und somit einer Abnahme der Kälteleistung. Der optimale Mitteldruck ergibt sich somit aus der maximalen theoretischen Leistungsziffer in Abhängigkeit von Verdampfungstemperatur und Temperatur am Gaskühleraustritt. Der Einfluss des Mitteldruckes auf die Performance und Effizienzsteigerung ist in Abbildung 4 bei t0 = –10°C bei verschiedenen Temperaturen am Gaskühleraustritt ersichtlich.

Effizienzsteigerung durch Parallelverdichter
Es kann gezeigt werden, welche Effizienzsteigerungen durch den Parallelverdichter in Abhängigkeit von Temperatur am Gaskühler-austritt und der Verdampfungstemperatur möglich sind. In Abbildung 5 ist die Situation für einen Mitteldruck von 45 bar dargestellt. Zu sehen sind Kurven für konstante prozentuale Verbesserungen bei Verwendung des Parallelverdichters. Dabei zeigt sich, dass die grössten Effizienzsteigerungen bei denjenigen Bedingungen erzielt werden, welche ohnehin den Betrieb einer jeden Kältemaschine negativ beeinflussen. Man kann davon ausgehen, dass eine minimale Effizienzsteigerung durch den Parallelverdichter von 10% gefordert wird. Ist diese Bedingung erfüllt, kann überschlagsmässig angenommen werden, dass die Mehrinvestitionen durch Einsparungen bei den Energiekosten wettgemacht werden können. In Abhängigkeit dieser 10-%-Randbedingung kann nun der Bereich angegeben werden, in welchem diese Effizienzsteigerung mindestens erzielt wird. In Abbildung 6 sind bei unterschiedlichem Mitteldruck die Bereiche schraffiert, in welchen eine minimale Effizienzsteigerung von 10% erreicht wird. Es zeigt sich, dass bei t0 > 0°C allenfalls noch mit einem sehr hohen Mitteldruck signifikante Effizienzsteigerungen erzielt werden können.

Schlussfolgerung
Die Untersuchung hat gezeigt, dass mit einem Parallelverdichter teilweise deutliche Effizienzsteigerungen gegenüber der Schaltung mit Flashgaseinspritzung möglich sind. Der Fokus dieser Untersuchung liegt nicht auf den maximal möglichen Effizienzsteigerungen. Es ist absehbar, dass diese bei Bedingungen auftreten, die wenig praxisrelevant sind. Interessant sind die Effizienzgewinne bei den am häufigsten auftretenden Randbedingungen. Von grossem Interesse für die Praxis ist, unter welchen Bedingungen sich die Schaltung mit Parallelverdichter mutmasslich auch wirtschaftlich lohnt. Es lässt sich nun zusammenfassend sagen, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit sich der Parallelverdichter aufgrund der getroffenen 10-%-Annahme in jedem Fall rechnet: tGKA > 27,5°C (d.h. sämtliche überkritischen Betriebspunkte) t0 < –7°C Möglichkeit, Mitteldrücke bis 45 bar zu realisieren Die Untersuchung des Mitteldruckes hat gezeigt, dass je nach Betriebsbedingungen ein Optimum existiert. Das führt zum Schluss, dass mit einer Mitteldruckregelung eine Prozessverbesserung bei Anlagen zu erzielen ist, welche ein schwankendes Betriebsverhalten aufweisen, d.h. bei welchen die Drucklagen von Gaskühlerdruck und/oder Verdampfungsdruck wechseln. Bezüglich der Mitteldruckstufe kann bei Anlagen in der Praxis beobachtet werden, dass selten Drücke grösser 40 bar realisiert werden. Mit der Möglichkeit, Mitteldrücke bis 45 bar oder 50 bar zu realisieren, können auch Betriebspunkte mit t0 > –10°C ef- fizient betrieben werden. Eine Recherche bei Komponentenherstellern hat gezeigt, dass genügend druckfeste Armaturen für die Mitteldruckstufe auf dem Markt erhältlich sind. Betreffend den Anwendungsbereich einer Kältemaschine mit Parallelverdichter lässt sich sagen, dass sich insbesondere Anlagen zur Plus- oder Minuskühlung bzw. Booster-Anlagen eignen. Der Einsatz als Wärmepumpe ist individuell abzuklären und ist insbesondere durch den Rücklauf des Sekundärmediums bestimmt. Die charakteristischen saisonalen Schwankungen müssen in einer Jahresbetrachtung berücksichtigt werden, da sie die Verdampfungstemperatur in einem Bereich betreffen, wo ein effizienter Betrieb unter Umständen nur mit hohem Mitteldruck möglich ist. Ein Einsatz des Parallelverdichters bei Klimaanwendungen dürfte aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse aus wirtschaftlichen Gründen kaum infrage kommen.

 

Kontakt:
ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften

School of Engineering
IEFE Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering

Technikumstrasse 9
Postfach
CH-8401 Winterthur
www.iefe.zhaw.ch

Prof. Dr. Frank Tillenkamp
Institutsleiter
058 934 73 61
frank.tillenkamp(at)zhaw.ch

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