In diesem Beispiel soll die Problematik beim Einsatz von zeotropen Kältemittelgemischen in mehrstufigen Kompressionskälteanlagen dargestellt werden. Aufgrund der Phasentrennung stellen sich Unterschiede in der Zusammensetzung des Kältemittels ein, die zu erheblichen Abweichungen im Leistungsverhalten der Anlage führen können.
Dazu soll der abgebildete zweistufige Kältekreislauf mit Mitteldruckflasche mit K-BP² berechnet werden (Bild 1, 2).
Bild 1: Fließbild zweistufiger Kältekreislauf
Bild 2: Darstellung der Prozeßpunkte im log(p)-h-Diagramm
Für den Prozeß stehen verschiedene zeotrope Kältemittelgemische zur Verfügung. Die Temperaturänderungen beim isobaren Phasenwechsel betragen 0,2 K bis zu 5 K. In der Mitteldruckflasche kommt es aufgrund der Phasentrennung zu nicht vernachlässigbaren Änderungen in der Zusammensetzung. Deshalb kann dieser Prozeß nicht mehr mit Diagrammen oder Dampftafeln ausgelegt werden!
Die folgenden Kältemittelgemische sollen miteinander verglichen werden:
- R507: R125-R143a (50-50)
- R410A: R32-R125 (50-50)
- R404A: R125-R143a-R134a (44-52-4)
- R407C: R32-R125-R134a (23-25-52)
- (Zusammensetzung in Gew.%)
Die folgenden Prozeßdaten werden der Berechnung zugrundegelegt:
- Kondensator
- +40°C Kondensatortemperatur
- 1 K Unterkühlung
- 200 mbar Druckverlust
- Gegenstrombetrieb
- Verdampfer
- Verdampfertemperatur -45°C .. -25°C
- 10 K Überhitzung
- 100 mbar Druckverlust
- Gegenstrombetrieb
- Drosselorgane
- Keine Wärmeverluste
- Verdichter
- Isentroper Gütegrad 80%
Mit diesen Vorgaben wurde ein Berechnungslauf von K-BP² gestartet. Die Stoffdaten und binären Wechselwirkungsparameter wurden aus der Datenbank des Programms (Ver. 2.6) entnommen.
Als Beispiel sind die Berechnungsergebnisse der inneren Leistungszahl (COP) in Bild 3 dargestellt.
Bild 3: Leistungszahlen (COP) in Abhängigkeit der Verdampfertemperatur
Die Problematik der Konzentrationsänderungen soll anhand der folgenden Tabelle dargestellt werden (Tabelle 1). Die schwererflüchtige Komponente reichert sich im Niederdruckteil an. Dadurch wird einerseits die maximale Verdampfertemperatur (Tautemperatur bei 1 bar) heraufgesetzt, und andererseits das Druckverhältnis bei gegebenem Temperaturviveau vergrößert. Dies hat wiederum eine Verringerung der Leistungsziffer zur Folge.
Nur bei den binären fast-azeotropen Gemischen ist die Temperaturänderung vernachlässigbar klein.
| Kältemittel | max. Verschiebung | Änderung To |
|---|---|---|
| R407C | 21.0 % (R134a) | + 4.8 K |
| R404A | 3.6 % (R134a) | + 1.1 K |
| R410A | 3.2 % | 0.0 K |
| R507 | 1.3 % | 0.0 K |
Tabelle 1: Maximale Verschiebungen in den Zusammmensetzungen der leichtersiedenden Komponente
Ein anderer Effekt des Einsatzes von Gemischen soll nun mit K-BP² untersucht werden.
Sieht man für Verdampfer und Kondensator einen Gleich- oder Kreuzstrombetrieb vor, so ändert sich das Leistungsverhalten insbesondere der weitsiedenden Gemische drastisch. Die Leistungsziffer von R407C sinkt um 15%, während sie für R410A konstant bleibt.
Bild 4: Verdampfer und Kondensator im Kreuzstrombetrieb
Wird der Kondensator im Kreuz- oder Gleichstrom betrieben, so muß die Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids immer unterhalb der niedrigsten Temperatur des Kältemitttels liegen. Wird dagegen ein Gegenstrombetrieb installiert, so kann die Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids sehr wohl oberhalb der Eintrittstemperatur des Kältemittels liegen.
Diese Tatsache kann man sich beim Einsatz von weitsiedenden Gemischen (mit großer Temperaturdifferenz zwischen Ein- aund Austritt) zunutze machen, um Energie einzusparen. Bei vorgegebener Austrittstemperatur des Wärmeträgers kann so die Tautemperatur des Kältemittels herabgesetzt werden. Damit verringert sich der Kondensatordruck und somit auch die notwendige elektrische Antriebsleistung.
