Projekt 15638/01

Entwicklung und Test einer Kohlendioxid-Transportkälteanlage mittlerer Leistungsklasse unter besonderer Berücksichtigung des Verdichterkonzeptes

Projektdurchführung

Konvekta AGLeiter Forschung und Entwicklung
Am Nordbahnhof 5
34613 Schwalmstadt

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Durch Leckage bei mobilen Klima- und Kälteanlagen gelangen zur Zeit große Mengen der als Kältemittel eingesetzten FKW in die Atmosphäre, wo sie als starkes Treibhausgas wirken. Als einzige langfristige Alternative wird die Verwendung von natürlichen Kältemitteln, insbesondere von Kohlendioxid, angesehen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist deshalb die Erschließung neuer Einsatzgebiete für die Verwendung des umweltfreundlichen Kältemittels Kohlendioxid. Hierbei sollen zwei verschiedenartige neu entwickelte Verdichterkonzepte in einer bisher nicht verfügbaren und untersuchten Leistungsregion miteinander verglichen werden. Außerdem soll im Bereich der Transportkälteanlagen eine Frischdienst- bzw. Tiefkühlanlage neu entwickelt und untersucht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Firma Konvekta beginnt mit der Auslegung und Konstruktion einer Laborkälteanlage. An der TU Braunschweig wird parallel mit der Auslegung und Konstruktion eines Verdichterprüfstandes begonnen.
Ein Verdichterprototyp der Firma Obrist wird in die Laborkälteanlage bei der Firma Konvekta eingebaut und im Verdichterprüfstand der TU Braunschweig messtechnisch untersucht. Geplant sind an der TU Braunschweig Indizierungs- und Leistungsmessungen. Außerdem soll der Ölumwurf mit Hilfe eines Ölabscheiders genauer untersucht werden. Bei der Firma Konvekta sind anschließend verschiedene Messungen an Laborkälteanlagenprototypen geplant. Unter anderem werden im Kalorimeterprüfstand Funktions- und Leistungsmessungen durchgeführt.
Weiterhin sollen bei der Firma Konvekta verschiedene Schaltungsvarianten zur Verdampferabtauung, der Einbau eines internen Wärmeübertragers sowie der Einbau eines Sammelgefäßes untersucht werden. Parallel dazu wird an der TU Braunschweig ein Verdichtersimulationsprogramm entwickelt, das zusammen mit der beim Antragssteller bereits entwickelten Kreisprozessplattform eine Simulation des Gesamtprozesses zulässt.
Bei Bitzer Kühlmaschinenbau wird mit der Auslegung und Konstruktion eines Verdichterprototyps nach einem weggesteuerten, ventillosen, axialen Baukonzept begonnen. Dieser Prototyp soll am Verdichterprüfstand untersucht werden. Abschließend wird ein Vergleich beider Verdichterkonzepte durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Der von der Firma Bitzer konstruierte CO2-Verdichterprototyp nach weggesteuertem Funtionsprinzip konnte so weit entwickelt werden, dass neben Funktionstests auch Leistungstests zur Bestimmung von Güte- und Liefergraden am Prüfstand durchgeführt werden konnten. Ein Vergleich der Bewertungsgrößen mit einem ebenfalls auf dem Prüfstand untersuchten druckgesteuerten Schwenkring-Verdichterprototypen der Firma Obrist ergab nahezu identische Ergebnisse bezüglich des Liefergrades. Die ge-messenen Werte für den Gütegrad des Bitzer-Verdichters lagen je nach Druckverhältnis um 14% bis 25% niedriger als die gemessenen Gütegrade des Obrist-Verdichters. Vielversprechende Ergebnisse bezüglich des Gütegrades ergaben sich beim Bitzer-Verdichter wie erwartet für den Bereich hoher Dreh-zahlen. Da sich der im Rahmen dieses Projektes neu entwickelte Bitzer-Verdichter erst in der zweiten Entwicklungsstufe befindet, ist mit einem größeren Optimierungspotenzial im Vergleich zum bereits weiterentwickelten Obrist-Verdichter zu rechnen. Weiterhin bestätigten die Messungen, dass auf Grund der hohen volumetrischen Kälteleistung und der günstigen Liefergrade der untersuchten CO2-Verdichter eine vergleichsweise hohe Leistungsdichte erzielt werden kann.
Die bei der Firma Konvekta konstruierten und untersuchten Prototypen verschiedener CO2-Transportkälteanlagen mit unterschiedlicher Anlagenverschaltung zeigten sowohl im fahrzeugnahen Aufbau am Kälteanlagenprüfstand als auch bei ersten Straßeneinsätzen in einem Kühlfahrzeug einer Supermarktkette eine gute Funktionstüchtigkeit bei Abkühl- und Leistungstests. Messungen ergaben im Vergleich zu einer untersuchten R134a-Serienanlage für alle auf dem Prüfstand untersuchten CO2-Anlagen eine deutlich höhere Kälteleistung sowohl im Frischdienst- als auch im Tiefkühlbetrieb. Im Frischdienstbetrieb konnten gleiche Leistungszahlen erzielt werden, wohingegen im Tiefkühlbetrieb niedrigere Leistungszahlen gemessen wurden, da das Verdichterhubvolumen im Verhältnis zu den verwendeten Wärmeübertragerflächen überdimensioniert war. Simulationsrechnungen an einer optimierten CO2-Anlage mit reduziertem Verdichterhubvolumen ergaben für eine mittlere Drehzahl günstigere Leistungszahlen und größere Kälteleistungen für den relevanten Temperaturbereich bei Umgebungstemperaturen unter 30°C. Für hohe Umgebungstemperaturen lagen die berechneten Leistungszahlen und Kälteleistungen etwas niedriger als bei der R134a-Anlage. Messungen und Rechnungen ergaben, dass durch einen internen Wärmeübertrager sowohl die Kälteleistung als auch die Leistungszahl bei Umgebungstemperaturen über 20°C deutlich gesteigert werden kann. Für eine Wärmepumpenverschaltung wurden deutlich höhere Leistungszahlen und Heizleistungen im Vergleich zur untersuchten R134a-Anlage berechnet.
Eine auf dieser Simulation basierende TEWI-Studie weist als Ergebnis für die CO2-Anlage für eine gemäßigte Klimazone eine insgesamt bis zu 50% niedrigere CO2-Emissionsbelastung auf und liegt damit sowohl bezüglich der direkten als auch indirekten CO2-Emissionsanteile unter dem Wert herkömmlicher Anlagen mit R134a bzw. R404a.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ergebnisse wurden auf nationalen und internationalen Tagungen vorgetragen und veröffentlicht:
Försterling, S.; Tegethoff, W. and Köhler, J.:
Theoretical and Experimental Investigations on Carbon Dioxide Compressors for Mobile Air Conditioning Systems and Transport Refrigeration. Proceedings of the International Purdue Compressor Technology Conference, Nr. R11-9, Purdue West Lafayette, USA, 2002
Lemke, N., Köhler, J.,Sonnekalb, M., Försterling, S.:
Nutzfahrzeugklimatisierung und Transportkälte mit dem Kältemittel Kohlendioxid. DKV-Tagungsbericht Bremen 2000, 27. Jahrgang, Band III: 241-256.


Fazit

Der Einsatz von Kohlendioxid in Frischdienst- und Transportkälteanlagen stellt für eine gemäßigte Klimazone eine umweltfreundliche Alternative zu dem Einsatz von HFKW-Kältemitteln wie R134a, R 404A und R 410A dar. Das niedrige Treibhauspotenzial, günstige Ökobilanzen beim Herstellungs- und Entsorgungsprozess und die weltweite Verfügbarkeit von Kohlendioxid rechtfertigen einen ökologisch sinnvollen Einsatz von CO2 in Transportkälteanlagen in gemäßigten Klimazonen, trotz entstehender Mehrkosten, die für eine Serienfertigung im Bereich zwischen 16% bis 35% abgeschätzt wurden.
Zur Weiterentwicklung der bisher untersuchten Prototypenanlage sind sowohl im Bereich der Verdichterentwicklung als auch bei der Anlagenkonstruktion weitere Entwicklungsschritte erforderlich. Neben einer weiteren Untersuchung der Anlage im Straßeneinsatz über einen längeren Zeitraum ist vor allem eine begleitende Untersuchung durch Langzeittests von großer Bedeutung, um die Lebensdauer einzelner Anlagenkomponenten - insbesondere des Verdichters - zu ermitteln und zu überprüfen.