Transcritical cycle

 

Booster

In transkritischen Systemen, wird CO2 gekühlt, kondensiert aber nicht am Gaskühleraustritt wenn es über der kritischen Temperatur liegt.

Ein Boostersystem ist gegeben, wenn es zwei Verdichtungsstufen des gleichen Kühlmittels gibt, wobei das CO2, wobei das CO2 durch die Niedrigtemperaturverdichtung über den Zwischenkühler zum Saugstutzen der Verdichter mit mittlerer Temperatur fließt.

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Transkritische CO2-Boostersysteme sind die vielversprechendsten Lösungen für den Einsatz von natürlichen Kühlmitteln in Bezug auf den Wiederverkauf, besonders für alle Klimazonen, die nicht zu heiß sind.

Allgemein bieten sie vier Abschnitte mit unterschiedlichem Druck:

  • Hochdruck: der Abschnitt vom Kompressoraustritt mit mittlerer Temperatur zum HPV Ventil (rot), Sicherheitseinstellung 130 Bar;
  • Mitteldruck: der Abschnitt vom HPV Ventil zu allen Expansionsventilen (orange), Sicherheitseinstellung 90 Bar;
  • Mitteldruck: der Abschnitt von den Verdampfern mit mittlerer Temperatur hinter dem Expansionsventil auf der Ansaugseite des Kompressors mit mittlerer Temperatur (hellblau), Sicherheitseinstellung 60 Bars;
  • Niederdruck: der Abschnitt von den Verdampfern mit Niederdruck nach den Druckregulierungsventilen zur Ansaugseite der Kompressoren mit niedriger Temperatur (blau), Sicherheitseinstellung 45 Bars.

Hierzu gibt es auf dem Markt verschiedene Varianten, vor allem beim Einsatz von Plattenwärmetauschern, um die Systemeffizienz zu erhöhen und/oder zur Unterstützung von einwandfreier Funktion. Diese sind normalerweise nicht Bestandteil der Funktionslogik des Systems und sind nicht durch dieses Dokument abgedeckt.

Vorteile:

  • System nutzt komplett natürliche Kühlmittel (CO2);
  • Verschiedene Studien haben höhere Effizienz als alle anderen Installationstypen (traditionell R404a oder unterkritisch) bei durchschnittlichen Außentemperaturen von weniger als 15°C ergeben;
  • Technologie wird standardisiert, Kosten fallen.

Kritisch:

  • Involvierte hohe Drücke (bis zu 120 barg);
  • Systeme sind normalerweise komplexer als traditionelle;
  • Gute Effizienz auch in warmen Klimazonen (>15 °C), durch Einsatz von Zusatztechnologie wie parallele Kompressoren, chillBooster und Wärmerückgewinnung.

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CAREL Lösung

  • pRack pR300T + EVD: die kompakte Carel Lösung für komplette Kontrolle und Steuerung des CO2-Kompressorgestells; die Lösung beinhaltet einen Treiber für zweipolige Schrittmotoren zur unabhängigen Regelung von zwei elektronischen Expansionsventilen;
  • E3V-C: die innovative Ventilserie für CO2 Anwendungen basierend auf Carels umfassender Erfahrung im Bereich der hocheffizienten Expansionsventile, besonders für natürliche Kühlmittelsysteme;
  • Ultracap: stellt vollständiges Schließen der Ventile sicher (am Wärmetauscher und Vitrinen) selbst bei plötzlichem Stromausfall;
  • E2V-C: schöpft die Vielseitigkeit und Effizienz des E2V Ventils aus bei gleichzeitiger Kontrolle der involvierten Hochdrücke; niedrigerer Umwelteinfluss kombiniert mit zusätzlichem Bewusstsein zur Energieeinsparung.

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Wärmerückgewinnung

In einem CO2 Boostersystem, nutzt die Wärmerückgewinnungsfunktion die Wärme welche normalerweise durch den Gaskühler für Brauchwasser oder Raumheizung abgeleitet wird.

Der für transkritische CO2-Lösungen ausgelegte Regler (pRack pR300T) kann zwei Wärmerückgewinnungsfunktionen gleichzeitig steuern (Wasser oder Luft).

Je Rückgewinnungsfunktion wird basierend auf dem Prozentsatz von Wärmebedarf aktiviert und gesteuert, der auf folgender Basis kalkuliert werden kann:

  • ein digitaler Eingang;
  • eine Temperatursonde;
  • ein externes Analogsignal.
  • Ein zusätzlicher digitaler Eingang kann zur  vorläufigen Aktivierung der Funktion genutzt werden.

Die Wärmerückgewinnung kann nach Aktivierung, gemäß der Einstellung am Hochdruckventil und der Einstellung des effektiven Gaskühlers agieren, entweder simultan (beide zur gleichen Zeit) oder sequentiell, basierend auf Grenzwerten (zuerst das Hochdruckventil und dann der Gaskühler, sobald ein bestimmter Grenzwert des Wärmebedarfs überschritten wird).

Bei Aktivierung durch den Sollwert am Hochdruckventil, hat die Wärmerückgewinnung einen direkten Effekt auf den unteren Grenzwert zur Kalkulation des dynamischen Sollwertes für das Hochdruckventil.

Die Erhöhung dieses minimalen Sollwertes bedeutet, dass das System unter transkritischen Bedingungen auch arbeitet, wenn die Austrittstemperatur am Gaskühler anfangs unter dem kritischen Wert liegt, was normalerweise im Winter in der westlichen Hemisphäre der Fall ist, der Periode wann Wärmerückgewinnung am meisten benötigt wird.

Wenn der Sollwert des Hochdruckventils, kalkuliert basierend auf der Temperatur des Gaskühlers den minimalen Sollwert überschreitet, modifiziert durch die Wärmerückgewinnungsfunktion, wird der Regler diesen neu kalkulierten Sollwert übernehmen.

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Bei Reaktion auf den Sollwert des Gaskühlers, kann der Sollwert der Lüftertemperatur des Gaskühlers schrittweise erhöht werden, bis der maximal zulässige Grenzwert erreicht wird.

Wenn die schwebende Kondensierungsfunktion aktiviert ist, d.h. die Möglichkeit die Lüfter basierend auf der Außentemperatur zu regeln, kann diese deaktiviert werden, wenn die Wärmerückgewinnung aktiv ist.

Wenn andererseits diese Funktion nicht deaktiviert ist, wenn die Wärmerückgewinnung aktiv ist, kann die Erhöhung der Einstellung des Gaskühlers direkt der Außentemperatur zugeschlagen werden.

Eine letzte Maßnahme zur Maximierung der Wärmerückgewinnung bezieht die Umgehung des Gaskühlers ein, wenn die folgenden Bedingungen zutreffen:

  • Bypass ist aktiviert;
  • Prozentsatz des Wärmebedarfs überschreitet einen einstellbaren Grenzwert;
  • Die Bypasstemperatur des Gaskühlers liegt unter einem einstellbaren Grenzwert.
  • Wenn diese Bedingungen zutreffen, beginnt das Bypassventil mit der Modulation entsprechend des kalkulierten Sollwertes für die Bypasstemperatur des Gaskühlers, bis zur absoluten Umgehung des Gaskühlers, wenn diese Temperatur dies ermöglicht.

Wenn die Wärmerückgewinnung deaktiviert ist, kehrt der Sollwert des HPV-Ventils schrittweise in einem eingestellten Zeitraum zum kalkulierten Wert zurück. Das Gleiche gilt für den Sollwert der Verdampfungstemperatur.