Thermodynamische Berechnungen für CO₂-Kältemaschinenprozesse mit ein- oder zweistufiger Verdichtung in Klimaanlagen

Zusammenfassung

Für die Projektierung einer (Fahrzeug-) Klimaanlage, in der zur Kälteerzeugung eine Kältemaschine mit dem Kältemittel R744 (Kohlendioxid, CO₂) eingesetzt wird, werden thermodynamische Berechnungen des Kompressionskältemaschinenprozesses mit ein- oder zweistufiger Verdichtung und Expansion durch Drosselung durchgeführt. Die Prozessparameter werden systematisch variiert für eine Verdampfungstemperatur von 0 °C und CO₂-Kühleraustrittstemperaturen (tiefste CO₂-Temperatur bei der Wärmeabgabe an die Umgebung) zwischen 15 und 55 °C. Der Einfluss auf die Leistungszahl der Kältemaschine, die spezifische Kälteleistung sowie die volumetrische Kälteleistung und bei zweistufiger Verdichtung auch das Verhältnis der Massenströme im Hochdruck- und im Niederdruckkreislauf wird untersucht. Die zweistufige Verdichtung mit äußerer Zwischenkühlung und innerem Wärmeübertrager im Niederdruck- oder im Hochdruckkreislauf ermöglicht eine deutliche Steigerung der Leistungszahl der Kältemaschine gegenüber dem Prozess mit einstufiger Verdichtung. Aus energetischer Sicht optimale Werte für den Zwischendruck, den Hochdruck und die Temperaturänderungen in den inneren Wärmeübertragern werden exemplarisch für die CO₂-Kühleraustrittstemperaturen 25 und 40 °C angegeben. Die Verbesserung der Energieeffizienz wird durch zusätzliche Investitionen und eine komplexere Betriebweise der CO₂-Kältemaschine erkauft.

Die Ergebnisse können nicht nur für die Kälteerzeugung in Klimaanlagen, sondern auch für andere Anwendungsfälle mit einer Verdampfungstemperatur von 0 °C als Grundlage für die Auslegung und den Betrieb einer CO₂-Kältemaschine herangezogen werden.

Abstract

For the design of an (automotive) air-conditioning system which employs R744 (carbon dioxide, CO₂) as a refrigerant, thermodynamic calculations are performed for vapour compression refrigeration processes with single-stage or double-stage compression and throttle-valve expansion. The process parameters are varied systematically for an evaporation temperature of 0 °C and a CO₂-cooler exit-temperature (lowest CO₂ temperature in heat transfer to the ambient) between 15 °C and 55 °C. Their influence upon the coefficient of performance, the specific and the volumetric refrigeration capacities is described. For the double-stage compression cycle, the ratio of the high-pressure and low-pressure mass flows is determined, too. The double-stage compression with interstage cooling and internal heat exchanger in the low- or high-pressure cycle shows the potential for a substantial increase in coefficient of performance relative to the single-stage compression cycle. Thermodynamically optimized intermediate pressure, high pressure and temperature change in the internal heat exchangers are presented for CO₂-cooler exit-temperatures of 25 and 40 °C. The increase in energy efficiency is paid for by additional invest and the more complex operation of the CO₂ refrigeration unit.

The results are not only valid for air conditioning systems but can also be applied in the design and operation for other applications of CO₂ refrigeration systems with an evaporation temperature of 0 °C.