CO₂

  • Carbon Dioxide (CO2)
  • 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 bis zwar 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

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

     

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