Einsatz in CO2-Supermarktanlagen

Praxiserfahrungen mit Ejektoren

Ejektoren werden gegenwärtig öfters in Supermarkt-Kälteanlagen verbaut, welche als Kältemittel CO2 verwenden – vor allem bei transkritisch betriebenen Anlagen. Ejektoren an sich sind schon länger bekannt. Diese gewinnen in CO2-Anlagen aufgrund der hohen Drucklage erneut Bedeutung, weil man mit einem mechanisch einfach aufgebauten Ejektor unter bestimmten Voraussetzungen Energie aus dem Entspannungsvorgang zurückgewinnen kann. Ejektoren in heutigen Anlagen können zwei Aufgaben erfüllen: Sie können flüssiges Kältemittel oder aber Gas von einem tieferen auf ein höheres Druckniveau heben. Beide Formen erfordern jeweils unterschiedliche Verfahren. Untersucht wurden Flüssig-Ejektoren zur Kältemittelrückführung, statische Gas-Ejektoren und regelbare Ejektoren.

Die Entwicklung von statischen und regelbaren Ejektoren durch die Wurm (Schweiz) AG wurde durch die Arbeiten von Dr. Armin Hafner SINTEF et al., Norwegen (1) und das Planungsbüro Frigo Consulting in der Schweiz angeregt; letzteres schlägt Ejektoren in Ausschreibungen vor. Die Entwicklung erfolgte in drei Schritten: Erst wurde der Arbeitsrahmen mit den entsprechenden Auslegedaten durch uns definiert. Anschliessend wurde am SINTEF das theoretische Design der Ejektoren festgelegt. Daraufhin folgte die sorgfältige, aufwändige Fertigung. In einem weiteren Schritt wurde ein Referenzexemplar im Prüfstand des SINTEF genau vermessen. Die Auswertung der Daten erlaubt, Ejektoren mit gut dokumentierten Leistungsdaten anzubieten. Die Ejektoren wurden anschließend in Anlagen verbaut und auf ihre Wirkung untersucht (siehe Bild 1). Parallel wurde die Entwicklung eines regelbaren Ejektors verfolgt. Hier liegen Erfahrungen aus mehreren Anlagen über einen Zeitraum von drei Jahren vor.     

Flüssig-Ejektoren zur Kältemittelrückführung

Es wird von einer klassischen Flash-Gas-Bypass-Anlage ausgegangen. Diese wird erweitert um einen Flüssigkeitsabscheider in der Saugleitung vor den Verdichtern, einen Ejektor zwischen der Hochdruckseite und dem Mitteldruckbehälter, einen Rückschläger zwischen Abscheider und der Saugseite des Ejektors (siehe Bild 2). Zusätzlich wird ein Druckfühler SD-E zwischen Rückschläger und Ejektor vorgesehen. Er ermöglicht Aussagen über die Saugkraft des Ejektors: Liegt dieser Druck tiefer als der Saugdruck der Verdichtergruppe SD-NK, kann davon ausgegangen werden, dass der Ejektor saugt. Kältemittel kann dann vom Abscheider zum Mitteldruckbehälter zurückgeführt werden. Der so beschriebene Aufbau ermöglicht die Flutung der Verdampfer, d.h. dass die Überhitzung in den einzelnen Kühlstellen soweit verkleinert wird, bis Flüssigkeit aus den Verdampfern austritt. Diese wird im Abscheider gesammelt und bei hinreichendem Vordruck am Ejektor durch ebendiesen zurück in den Mitteldruckbehälter gefördert. Bild 3 zeigt die Saugwirkung vs. Treibdruck. Ausgehend von einem Füllstand im Abscheider von 35 % wird der Ejektor eingeschaltet. Augenblicklich sinkt der Saugdruck SD-E am Ejektor. Er muss jedoch unter jenen des Saugdruckes an den Verdichtern, resp. des Abscheiders fallen, um seine Saugwirkung zu entfalten. Der Druck muss um mindestens den Öffnungsdruck des Rückschlägers tiefer liegen. Das Bild 3 zeigt, wie abhängig vom Treibdruck ab 50 bar die Saugwirkung eintritt und der Pegel im Abscheider zu sinken beginnt. Mit steigendem Treibdruck steigt auch die Saugwirkung. Dies zeigt sich in der steiler werdenden Entleerungskurve am Abscheider, gemessen mit einem analogen Füllstandmesser. Idealer Weise wird durch die Regelung der Kühlstellen, beziehungsweise der Überwachung der Überhitzung, der Flüssigkeitsanfall im Abscheider so gesteuert, dass das Saugvermögen des Ejektors reicht, um einen bestimmten, niedrigen Pegel im Abscheider zu halten. Hierzu hat Wurm Systeme ein Regel-Verfahren entwickelt, welches zu stabilen Verhältnissen bezüglich des Flüssigkeitsstandes im Abscheider und der Verdampfungstemperatur in den einzelnen Kühlstellen führt.

Die Erfahrung aus verschiedenen Anlagen in Deutschland und der Schweiz zeigen, dass durch die Flutung eine erhebliche Anhebung der Verdampfungstemperatur, verglichen mit einer Trockenexpansionsanlage, erfolgen kann. Verdampften die klassischen CO2-Anlagen mit -5 bis -6 °C, sind heute Werte zwischen 0 und -3 °C möglich. Diese Anhebung führt in der Regel zu einer ganzjährigen Energieeinsparung von >10 %. Vorteilhaft werden Flüssig-Ejektoren auf den Massenstrom bei Schwachlast und einem hinlänglichen Treibdruck ausgelegt. Es zeigt sich auch, dass aufgrund der zuverlässigen Steuerung der Überhitzung die Größe des Abscheiders kontinuierlich verkleinert werden konnte. Der Flüssigkeitsanfall ist auch abhängig von der Aufstellung der Verdich­tergruppe. In zu Kühlstellen wesentlich tiefer angeordneten Verbundanlagen baut sich der Flüssigkeitsanfall u.U. sehr schnell auf. Das Verfahren ist letztlich relativ einfach. Die Rückführung des flüssigen Kältemittels ist energetisch praktisch neutral und die dauernd realisierbaren energetischen Einsparungen bedeutend.

Statische Gasejektoren

Gasejektoren erfordern eine Parallelverdichtung. Hier fördert der Ejektor mit steigendem Treibdruck mehr Gas über den Rückschläger aus der Saugleitung und verdichtet diesen Gasstrom auf das Druckniveau des Mitteldruckbehälters. Dieser „Druckgewinn“ kann anschließend über einen entsprechen dimensionierten Verdichter direkt ab Mitteldruck wieder auf das hochdruckseitige Niveau verdichtet werden. Die Einsparung ergibt sich hier aus der durch den Parallelverdichter geringeren zu überwindenden Druckdifferenz und der entsprechenden Gasmenge (siehe Bild 4).

Untersuchungen zur Parallelverdichtung (2) zeigen, dass mit zum Verdampfungsdruck steigendem Mitteldruck der Effizienzgewinn zunimmt. Gas-Ejektoren weisen hingegen in einem bestimmten Arbeitspunkt ein optimales Verhältnis zwischen Saugmassenstrom und der zu überwindenden Druckdifferenz (Mitteldruck zu Saugdruck) auf (siehe Bild 5). Das Diagramm zeigt den optimalen Betriebspunkt bei einem Druckverhältnis von 1,15. Das heißt, in diesem Betriebspunkt wäre der ideale Mitteldruck um das 1,15-Fache höher als der Saugdruck. Bei höherem Treibdruck steigt dieser Faktor in unseren Breitengraden auf bis 1,28. Der zu erzielende punktuelle Effizienzgewinn ist daher abhängig von der Gasaustrittstemperatur und der Verdampfungstemperatur. Zunehmende Spreizung bedeutet steigender Effizienzgewinn. Bei einer Gasaustrittstemperatur von 33 °C wurden 13 % Effizienzgewinn gegenüber einem Flashgas-Bypass-Betrieb derselben Anlage vermerkt. Im Wärmepumpenbetrieb ist mit einer Steigerung von etwa 8 % zu rechnen.      

Mehrere Ejektoren unterschiedlicher Größe, sogenannte Multiejektoren, erlauben eine vielstufige Regelung mit hoher Effizienz jedes einzeln zugeschalteten Ejektors. Ein zusätzliches Hochdruckventil regelt die Zwischenstufen. Die Anordnung mehrerer Ejektoren ist allerdings aufwändig.

Regelbarer Ejektor

Regelbare Ejektoren vereinen die Funktion eines Hochdruckventils, eines Absperrventils und von Ejektoren. Sie sind eine Alternative zu Multiejektoren (Bild 6). Regelbare Ejektoren in der vorliegenden Form vereinfachen den Aufbau der Anlage wesentlich. Sie sind robust gegenüber Schmutz, regeln den Hochdruck präzise und fördern ab einem bestimmten Ventilöffnungsgrad wie statische Ejektoren.

Parallel zu Multiejektoren wurden in mehreren Anlagen regelbare Ejektoren eingesetzt. Es zeigt sich, dass im höheren Leistungsbereich, d.h. bei Gasaustrittstemperaturen ab 18 °C, vergleichbare Resultate zu erzielen sind. Der regelbare Ejektor zeigt im Betrieb eine etwas größere Zuverlässigkeit, da weniger mechanische Komponenten wie Absperrventile und Rückschläger ein Ausfallpotential aufweisen (Bild 7). Regelbare Ejektoren vereinfachen das System und ermöglichen es, durch die Gasförderung den Plusverbund an besonders heißen Tagen deutlich zu entlasten. Diese Entlastung hilft, den Plusverbund um den entsprechenden Betrag kleiner auszulegen.

Grundsätzlich zeigen die mit Ejektoren ausgerüsteten Anlagen bessere Energiewerte als klassische Flash-Gas-Bypass-Anlagen vergleichbarer Größe und Aufstellung. Dies ist zu einem guten Teil der überfluteten Betriebsweise geschuldet. Die Gasförderung in den nördlichen Breitengraden verhilft bei praktisch ganzjährig hohen Betriebsdrücken, (Wärmepumpenbetrieb), ebenfalls zu höherer Effizienz (Bild 8).

Literatur

1) R744-Supermarktkälteanlagen mit Multi­ejektorenkonzept, Armin Hafner, Krzysztof Banasiak et al. DKV Tagung 2012

2) Efficiency increase in carbon dioxid technology with parallel compression, H. Fritisch, F Tillenkamp, International Journal of Low-Carbon Technologies 2016, p 1-10