Überflutete CO₂-Systeme im Supermarktbereich

Technisch korrekt ist allerdings die Bezeichnung teilüberflutete Verdampfung, da der Verdampfer hierbei nicht mit flüssigem Kältemittel geflutet, sondern lediglich die für den Verdichter notwendige Überhitzung außerhalb des Verdampfers erzeugt wird. Durch den gesteigerten Anteil flüssigen Kältemittels im Verdampfer verbessert sich der Wärmeübergang an der Verdampferoberfläche, was wiederum höhere Verdampfungstemperaturen ermöglicht.

Technische Ausgestaltung verschiedener Anbieter

Der Problematik der verbleibenden ­Flüssigkeit in der Saugleitung begegnen die Hersteller mit unterschiedlichen Lösungsansätzen. Dabei sind im Wesentlichen drei überflutete Systeme zu unterscheiden: Systeme mit internen Wärmeübertragern (IWÜ), Systeme mit Flüssigkeitsabscheidern oder aber Kombinationen aus beiden.

Systeme mit internen Wärmeübertragern

Nachfolgend dargestellt ist eine CO₂-Boosteranlage mit Parallelverdichtung und überfluteten Normal- sowie Tiefkühlstellen (Abbildung 1), wie sie beispielsweise von den Firmen Teko und Hauser hergestellt wird.

Bei dieser Boosteranlage sind gegenüber der Standardversion zwei zusätzliche Wärmeübertrager verbaut. Hier wird die Saugleitung der Tiefkühlstellen über den ersten IWÜ geführt. Infolgedessen stellt sich die nötige Überhitzung ein und gleichzeitig wird die den Kühlstellen zugeführte Kältemittelflüssigkeit unterkühlt. Nachdem der Sauggasmassenstrom, der Anteile flüssigen Kältemittels der Normalkühlstellen enthält, mit dem bereits enthitzten Heißgas der Tiefkühlstellen gemischt wurde, leitet man beides in den zweiten Wärmeübertrager und erzielt dadurch weitere Überhitzung. Im Gegenzug kühlt sich an dieser Stelle das Kondensat, oder je nach Betriebsweise transkritische CO₂ ab, bevor dieses über das Hochdruckventil entspannt und anschließend in den Mitteldruckbehälter gleitet wird.

Systeme mit Flüssigkeitsabscheidern

Eine besondere Kombination aus Flüssigkeitsabscheidern mit einem Wärmeübertrager innerhalb einer überfluteten Anlage, stellt das FTE+ der Firma Epta dar (Abbildung 2). Die überschüssige Kältemittelflüssigkeit der Normalkühlstellen wird hier in einem Flüssigkeitsabscheider aufgefangen. Bei Erreichen eines festgelegten Flüssigkeitsstandes wird das abgeschiedene, flüssige Kältemittel den Tiefkühlstellen zugeführt. Die NK-Verdichter saugen den gasförmigen Anteil, welchem das enthitzte Heißgas der TK-Seite beigemischt wurde, ab.

Tiefkühlseitig wird hier, analog den Systemen von Hauser (HLS) und Teko (Evalift), der Nassdampf in der Saugleitung verdampft und überhitzt, indem das flüssige Kältemittel sowohl für Normal- als auch Tiefkühlstellen unterkühlt wird. Um die ­potenzielle Gefahr von Flüssigkeitsschlägen im Verdichter zu unterbinden, hatte man bei diesem System noch einen zusätzlichen Flüssigkeitsabscheider nachgeschaltet, welcher sogar mit einer Heißgas betriebenen Heizung ausgestattet war, um eventuell anfallende Flüssigkeit verdampfen zu können. Während eines laufenden Tests in einer Kaufland-Filiale ließen sich jedoch nur Ansammlungen von Öl im Abscheider nachweisen, sodass in überfluteten Anlagen künftig auf Flüssigkeitsabscheider, welche einem Wärmeübertrager nachgeschaltet positioniert sind verzichtet werden kann.

Kombinierte Systeme

Die dritte und umfangreichste Version einer überfluteten Anlage, wie sie beispielsweise von Carrier konzipiert wurde, trägt den Namen Semiflooded System (SFS) und ist mit zwei zusätzlichen Flüssigkeitsabscheidern, sowie zwei gesonderten Wärmeübertragern ausgestattet (Abbildung 3).

Bei dieser Art der überfluteten Betriebsweise ist den NK- und TK-Stellen nachgelagert jeweils ein Flüssigkeitsabscheider aufgestellt. Anschließend wird das aus den Abscheidern abgesogene Sauggas noch über einen Wärmeübertrager geführt, wobei die Überhitzung der Tiefkühlseite auch hier dadurch erzeugt wird, dass die den Kühlstellen zugeführte Flüssigkeit, eine Unterkühlung erfährt. Der Saugstrom, welcher den NK-Abscheider verlässt, wird durch Abkühlen des kondensierten Kältemittels oder je nach Betriebsweise überkritischen Mediums überhitzt, um den Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen zu bewahren.

Dieses Prinzip der überfluteten Betriebsweise, welches auf Sicherheit bauend sowohl Wärmeübertrager als auch Flüssigkeitsabscheider beinhaltet, kommt in etwas abgewandelter Form auch bei dem Verbundhersteller Advansor zum Einsatz. Das optional bestellbare Modul vermarktet Advansor unter dem Namen Ultra Low Superheat (ULS). Das Fabrikat der Firma Fischer trägt den Namen [CF] Supreme und kommt dabei mit nur einem Flüssigkeitsabscheider als zusätzliches Bauteil aus.

Praktische Tests

Um die tatsächliche Energieeinsparung der überfluteten Betriebsweise zu verifizieren, und die nominellen Angaben der Hersteller überprüfen zu können, hat Kaufland mehrere überflutete Anlagen verschiedener Fabrikationen einem intensiven Test unterzogen. Dabei wurden die Anlagen über einen Zeitraum von mehreren Monaten wochenweise in Trockenexpansion und anschließend in überfluteter Betriebsweise gefahren. Damit der Einfluss variierender Außentemperaturen das Ergebnis nicht verfälscht wurden einzelne Tage mit sehr ähnlichem Außentemperaturverlauf ausgewählt. Ebenso wurde darauf geachtet, zum Vergleich nur identische Wochentage zuzulassen, da aufgrund der wöchentlichen Angebotssituation der schwankende Kundenstrom in gleicher Weise den Energieverbrauch einer Supermarktkälteanlage beeinflusst. Anhand der aufgezeichneten Daten wurden dann zur Effizienzfeststellung mehrere Kennzahlen gebildet:

Energieverbrauch/m² Displayfläche^*

COP der Kälteerzeugung

COP der Gesamtanlage

Mittels dieser Kennzahlen lässt sich bei den geprüften Anlagen eine Energieersparnis zwischen 6-7,5% bei überfluteter Betriebsweise dokumentieren (Abbildung 4).

Den Tests zugrunde liegen CO₂-Bossteranlagen mit einer Kälteleistung in der NK-Stufe zwischen 80 und 120kW und tiefkühlseitig zwischen 50 und 70kW. Bemerkenswert ist auch eine permanent um knapp 8% reduzierte Auslastung. Somit könnten Neuanlagen, welche in überfluteter Betriebsweise ausgeführt sind, künftig kleiner projektiert werden. Bei der Anhebung der Verdampfungstemperaturen unterscheiden sich die Hersteller ein wenig. So waren während der laufenden Tests NK-seitig bis zu 5K und TK-seitig maximal 4K festzustellen. Aufgrund der europaweit stark auseinanderklaffenden Stromkosten stellt sich die Amortisation für den zusätzlichen Invest einer überfluteten Betriebsweise bei 4 bis 6 Jahren ein. Nicht zu vergessen ist an dieser Stelle, dass die Überflutete Betriebsweise bei Boosteranlagen immer für beide Stufen ausgeführt werden sollte, da sich bei alleiniger Überflutung etwa der NK-Stufe negative Konsequenzen für die TK-Stufe ergeben.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die überflutete Betriebsweise einen leicht gangbaren Weg zur Effizienzsteigerung von CO₂-Anlagen darstellt, wobei der Trumpf gegenüber anderen Maßnahmen klar in der Einfachheit der Technik liegt, was wiederum vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels auch in Zukunft insbesondere für Betreiber von Kälteanlagen von Bedeutung sein dürfte.

* Displayfläche nach VDMA 24247-4