SEPCOO - Simulationsbasierte Entwicklung füllmengenminimierter Propan-Module zur Performanceverbesserung von CO2-Kälteanlagen

Aufgrund der Bestimmung der F-Gase Verordnung finden natürliche Kältemittel, wie Kohlenstoffdioxid (CO2 bzw. R744) und Propan (R290) immer größeren Einsatz in der Kältetechnik. R744 als Kältemittel hat in Kühl- und Tiefkühlsystemen im industriellen Bereich, insbesondere in der Lebensmittelproduktion und -weiterverarbeitung Einkehr gefunden. Veränderliche Lasten und das dynamische Verhalten des Gesamtsystems im Betrieb führen einerseits zu Herausforderungen bei der Regelung und der Auslegung der Komponenten, andererseits zu einer verringerten Effizienz. Vor allem aber das Abführen der Abwärme industrieller Kühl- und Tiefkühlsystemen bei kurzfristig ansteigender Kühlleistung und/oder höhere Außentemperaturen (ab ca. 27 °C), ab welcher eine transkritische Betriebsweise von R744 Kälteanlagen auftritt, führt zu einer deutlichen Erhöhung des Flashgases bei der Drosselung. Dies verursacht ein Absinken der R744 Kälteleistung bzw. einen Aufwand bei der Verdichtung und damit eine stark von der Außentemperatur abhängige Effizienz. Zur Erreichung der gewünschten Kälteleistung bei allen Betriebsbedingungen ist auf Grund der R744 Charakteristik eine relativ starke Überdimensionierung der Kälteanlage notwendig. Generell ist im Betrieb eine maximal mögliche Effizienz anzustreben, um damit die (indirekten) Treibhausgasemissionen durch den Stromverbrauch zu minimieren. Um die Effizienz und Leistung von R744 Kälteanlagen bei subkritischer, aber vor allem bei transkritischer Betriebsweise bzw. höheren Außentemperaturen zu verbessern und somit deren Einsatzgebiete zu vergrößern bzw. Lastschwankungen zu glätten wurden in den letzten Jahren - vorwiegend theoretisch - diverse „Unterkühlmethoden“ zur Absenkung der R744 Temperatur vor der Drosselung untersucht. In der Lebensmittelindustrie werden i.d.R. Kälteleistungen von ca. 70 100 kW benötigt, wodurch sich eine notwendige „Unterkühlerleistung“ von ca. 10 - 30 kW ergibt, um eine ausreichend niedrige R744 Temperatur am Eintritt in den Verdampfer zu erreichen. Im gegenständlichen Projekt soll die Unterkühlung mittels R290 Kältekreisläufen (R290 Module) simulationstechnisch und experimentell untersucht werden. Die damit mögliche Leistungssteigerung kann zum Abdecken von Lastspitzen genutzt werden, wodurch die R744-Kälteanlage besser auf die überwiegend auftretende Teillast ausgelegt werden kann. Dadurch kann die Anlage kompakter ausgeführt, kosteneffizienter errichtet und die Betriebssicherheit bei Lastschwankungen durch die von der Außentemperatur entkoppelte R744 Temperatur (vor der Drosselung) erhöht werden.