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Projektbeispiel: Parallelverdichter

Effizienzsteigerung bei CO2-Kälteanlagen durch Parallelverdichter

Kältemaschinen sind rund um die Uhr dominierende Stromverbraucher und rücken in den Fokus von effizienzsteigernden Massnahmen. Durch neuartige Anlagenschaltungen und die Nutzung der entstehenden Abwärme können Verbesserungen bezüglich der Energieeffizienz erzielt werden.

Gleichzeitig schränkt der Gesetzgeber auf nationaler und europäischer Ebene die Verwendung umweltschädlicher Kältemittel sukzessive ein.

Eine Alternative zu diesen stellen natürliche Kältemittel wie Ammoniak, Kohlendioxid oder Propan dar. Die Verwendung von Ammoniak und Propan kommt aufgrund der Auflagen für toxische beziehungsweise explosive Stoffe nur für besonders grosse (Ammoniak) beziehungsweise besonders kleine Anlagen (Propan) in Frage. Für eine Vielzahl von Anwendungen ist das bezüglich Sicherheitsauflagen unproblematische Kohlendioxid (CO2) eine Möglichkeit.

Insbesondere transkritisch arbeitende CO2-Kältemaschinen weisen üblicherweise eine zweistufige Entspannung, das heisst eine Zwischendruckstufe, auf. Das bei der Entspannung auf den Zwischendruck entstehende Flashgas kann nicht für die Kälteerzeugung genutzt werden. Es wird in einer separaten Flashgasleitung abermals entspannt, in die Saugleitung eingespritzt und verdichtet.

Bei der Anlagenschaltung mit Parallelverdichter hingegen wird das Flashgas abgezweigt und mit einem separaten Verdichter auf den Gaskühlerdruck verdichtet. Dadurch reduziert sich die technische Arbeit für die Verdichtung des Flashgases. Zudem arbeiten Kältemittelverdichter bei kleinen Druckverhältnissen effizienter.

Der zusätzliche Parallelverdichter führt zu höheren Investitionskosten bei der Kältemaschine, sodass diese mit tieferen Energiekosten wettgemacht werden müssen. Die zu erwartende Effizienzsteigerung durch den Parallelverdichter muss also bei der Auslegung der Kältemaschine bekannt sein.

Umsetzung und Ergebnis

Die Energieeffizienz der herkömmlichen Kältemaschine und der Kältemaschine mit Parallelverdichter wurde in Abhängigkeit der wichtigsten Einflussgrössen experimentell untersucht. Die Ergebnisse decken sich mit den Berechnungen eines eigens entwickelten Simulationsmodells, was ermöglicht, dass weitere Parameterstudien aufgrund von Modellrechnungen erfolgen können.

Mit der Arbeit kann gezeigt werden, bei welchen Betriebsbedingungen eine Effizienzsteigerung durch den Parallelverdichter von mindestens 10 % resultiert. In diesem Fall kann man davon ausgehen, dass sich die etwas teurere Kältemaschine positiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.

Im Rahmen der Untersuchung wurden auch die maximal möglichen Effizienzsteigerungen durch den Parallelverdichter ermittelt. Diese treten bei Randbedingungen auf, bei welchen beide Anlagenschaltungen sehr ungünstig betrieben werden und aufgrund tiefer Leistungszahlen der Parallelverdichter im Verhältnis zur Flashgaseinspritzung immer besser wird. Daher darauf verzichtet, auf maximale Effizienzsteigerungen hinzuweisen und stattdessen das für einen effizienten Betrieb nötige Minimum hervorgehoben.

Mit der Maschinenuntersuchung des Parallelverdichters konnte die Performanceverbesserung ausgewiesen und so eine Entscheidungsgrundlage für den Einsatz in der Praxis geschaffen werden. Damit wurde ein Beitrag zur Verbesserung der Energieeffizienz in der Kältetechnik geleistet.

Die Grafik zeigt den Bereich, in dem eine Effizienzsteigerung von mindestens 10 % durch den Parallelverdichter  in Abhängigkeit der wichtigsten Prozessgrössen  möglich ist.
Eine Effizienzsteigerung von mindestens 10 % ist im schraffierten Bereich durch den Parallelverdichter in Abhängigkeit der wichtigsten Prozessgrössen möglich.

Auf einen Blick

Beteiligte Institute und Zentren:

Projektpartner:

    Projektstatus: beendet

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