R744 ist die technische Bezeichnung für Kohlenstoffdioxid (), wenn es als Kältemittel eingesetzt wird. Während in der Atmosphäre als Treibhausgas gilt, ist es in der Kältetechnik eine der umweltfreundlichsten (GWP von 1) und je nach Anwendung auch sehr effizient.
Vorteile von R744
klimafreundlich: Es hat ein GWP (Global Warming Potential) von 1. Zum Vergleich: Herkömmliche Kältemittel wie R404A haben oft einen GWP-Wert von fast 4.000.
Zukunftssicher: Da es ein natürlicher Stoff ist, unterliegt es nicht den strengen Beschränkungen oder Verboten der F-Gase-Verordnung (betrifft die EU).
Sicherheit: R744 ist nicht brennbar und ungiftig. Es gehört zur Sicherheitsklasse A1. Dennoch muss ein Gas-Warn-System installiert sein, aufgrund der Erstickunsgefahr bzw. gegebenenfalls weitere Maßnahmen.
Hohe Effizienz: R744 besitzt eine hohe volumetrische Kälteleistung. Bei indirekten Systemen mit überfluteten Verdampfern eignet sich R744 sehr gut wegen der niedrigen dynamische Viskosität (geringere Rohrreibung/ geringe Verteilverluste. Viele nördliche Länder (Norwegen, Kannada…) nutzen R744 im Wärmepumpen-Betrieb (niedrige Verdampfungstemperaturen bis ca. -50°C effizient betreibbar).
Die technischen Herausforderungen
Trotz der Umweltvorteile ist der Einsatz von R744 technisch anspruchsvoll:
Hoher Betriebsdruck: R744 arbeitet mit deutlich höheren Drücken als klassische Kältemittel. In der sogenannten „transkritischen“ Phase können Drücke von über 100 bar auftreten. Das erfordert spezielle, sehr robuste Bauteile und Rohrleitungen. Hochdruckleitunge sind dinkwandigere (Stahl-/Kupferlegierung K65) oder Stahlleitungen.
Kritischer Punkt: Der kritische Punkt von liegt bereits bei ca. 31°C. Oberhalb dieser Temperatur kann das Gas nicht mehr durch einfache Verflüssigung verflüssigt werden, was die Systemsteuerung komplexer macht.
Erstickungsgefahr: Da geruchlos und schwerer als Luft ist, kann es sich bei Leckagen in Kellerräumen oder tiefgelegenen Maschinenräumen ansammeln. Daher sind Gassensoren in Innenräumen Pflicht.
R744 im subkritischen Bereich
Mit dem Python-Modul Fluprodia und Coolprop wurde das rechte log(p)-h Diagramm erstellt. Es zeigt den linksgängigen Kreisprozess im subkritischen Bereich. Dabei wurde Überhitzung und Unterkühlung vernachlässigt. Die Verdichtung erfolgt isentrop (reibungsfrei), die Verdampfung und Verflüssigung isobar, die Expansion isenthalp.
Also, so wie man es von konventionellen Kältemitteln auch gewohnt ist. Der subkritische Betrieb wird aus energetischer Sicht meistens angestrebt (wenn uneingeschränkt möglich aufgrund des superkritischen Punktes).
R744 im transkritischem Bereich
Im Sommer erreichen die Umgebungstemperaturen leicht über 30°C und die Kühlanlage muss im trankritischem Bereich betrieben werden.
Die spezifischen Werte für CO₂
Im Vergleich zu herkömmlichen Kältemitteln (wie R134a, deren kritischer Punkt bei ca. 101 °C liegt) ist der Wert bei CO₂ extrem niedrig:
Kritische Temperatur: ca. 31,1 °C
Kritischer Druck: ca. 73,8 bar
Was ist der überkritische Punkt technisch gesehen?
Der überkritische Punkt markiert das obere Ende der Dampfdruckkurve. An diesem Punkt gleichen sich die Dichten von flüssiger und gasförmiger Phase an. Das bedeutet:
Keine Verflüssigung: Oberhalb dieses Punktes kann CO₂ nicht mehr durch bloße Druckerhöhung verflüssigt werden.
Zustand: Der Stoff liegt als „überkritisches Fluid“ (Supercritical Fluid) vor – ein Zustand, der Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten vereint. Und damit undefiniert ist.
Regelungstechnisch anspruchsvoller ist der transkritische Arbeitsbereich in R744-Kälteanlagen aufgrund der Tatsache, dass der Druck im Gaskühler (oft zwischen 80 und 100 bar) aktiv geregelt werden muss (COP optimiert).
Welche Optimierungsmöglichkeiten gibt es, um den schlechten Wirkungsgrad im Sommer auszugleichen?
In den letzten 20 Jahren wurde viel daran geforscht die Effizienz in transkritisch betriebenen R744-Kälteanlagen zu steigern. Und sie auch in heißen Ländern attraktiv bzw. wettbewerbsfähiger zu machen. Um dem Verdichter Arbeit abzunehmen werden Ejektoren, Expander und Turbinen eingesetzt.
Problembeschreibung:
Die einfachste Art eine transkritische R744-Anlage zu betreiben, wäre das Kältemittel nach dem Gaskühler direkt auf Saugrdruck zu entspannen, sowie im Prozess-Bild (siehe R744 transkritisch) dargestellt. Der Anteil an (schlecht nutzbaren) Dampf ist dabei sehr groß. Daher empfiehlt es sich den Prozess zu optimieren.
Die Lösung: Überfluteter Verdampfer mit innerem Wärmeübertrager und Einsatz eines/mehrerer Ejektoren
Im Bild ist der Betrieb eines überfluteten Verdampfers (also keine Überhitzungsregelung) und dem Einsatz eines Ejektors eingezeichnet. Eine weitere energetische Optimierung ist ein eingebauter innerer Wärmeübertrager.
Was ist denn ein Ejektor?
Der Ejektor arbeitet nach dem Bernoulli-Effekt [1]. Kältemittel-Gas aus dem Gaskühler gelangt über eine Düse in den Ejektor. Das Kältemitttel wird stark beschleunigt und der statische Druck nimmt lokal stark ab. In diesem Unterdruck-Raum ist der Ejektor hydraulisch mit dem Verdampfer verbunden (Saugleitung). In der Folge der lokalen Drucksenkung kommt es zu einem Saugeffekt und das Kältemittel schließlich im Sammler. Falls hier mehr Informationsbedarf ist, gehe ich gern noch weiter darauf ein. Schreibt mich einfach an!
Der Parallelverdichter
Das teilweise oder komplett verdampfte Kältemittel wird nicht direkt vom Verdichter angesaugt, sondern ein Ejektor zwischengeschaltet. Der Verdichter saugt den dampfförmigen Teil direkt aus dem Sammler. In Folge dieser Anlagenoptimierung muss weniger Verdichterarbeit aufgewendet werden.
Natürlich gibt es weit mehr Optimierungsmöglichkeiten. Eine in der Supermarktkühltechnik weit verbreitete Optimierung ist ein Multi-Ejektor-Betrieb [1]. Falls euch das Thema interessiert, lasst es mich wissen.
Quellen
- „ECKERT, M. u. a. (Hrsg.). Natürliche Kältemittel – Anwendungen und Praxiserfahrungen. In: Natürliche
Kältemittel – Anwendungen und Praxiserfahrungen. 1. Auflage. VDE Verlag, 2019.“ - Erstellung der log(p)-h-Diagramme: „Das Python-Skript verwendet CoolProp (Copyright (c) Ian H. Bell et al.) und fluprodia (Copyright (c) Francesco Witte), lizenziert unter der MIT-Lizenz.“
Links
*„Bei den mit Sternchen gekennzeichneten Links handelt es sich um Affiliate-Links. Wenn du über diesen Link einkaufst, erhalte ich eine kleine Provision. Für dich ändert sich der Preis nicht.“
Prozess Anlagenschema einer subkritischen R744-Anlage. Mit Schieberegler zur Anzeige von Verdampfungs- und Verflüssigungsdrücken. Das Tool befindet sich noch im Entwicklungsprozess. Vorschau durch Klicken auf den Knopf unten.