Der CO2-Ejektor

Ejektoren werden zur Effizienzsteigerung in CO2-Boostersystemen eingesetzt.

Der Ejektor

*c-Ejector wird zur Effizienzsteigerung in CO2 - Boostersystemen eingesetzt. In Verbindung mit einem Hochdruckventil können wahlweise drei verschiedene Typen Gas- und zwei Typen Flüssigejektoren beliebig miteinander kombiniert werden.

Prinzipielle Wirkungsweise eines Ejektors

Der *c-Ejector nutzt die im Kältemittel am Gaskühleraustritt vorhandene Expansionsarbeit aus, um einen anderen Teilmassenstrom anzusaugen und auf ein höheres Druckniveu zu fördern. Das auf Hochdruckniveau aus dem Gaskühler austretende CO2 wird in der Treibdüse beschleunigt. Als Folge dessen sinkt der statische Druck und die aus der Treibdüse austretende Strömung weist einen niedrigeren Druck als der Saugdruck der NK-Stufe auf. Dadurch kann wahlweise Gas oder Flüssigkeit von der Saugseite der NK-Verdichter abgezogen werden. Beide Teilströme vermischen sich in der Mischkammer. Im Diffusor wird die Strömung wieder entschleunigt, was eine Druckanhebung auf Mitteldruckniveau bewirkt. Nach dem Diffusor wird das Gemisch in den Mitteldruckabscheider geleitet.

Einbindung des *c-Ejectors in ein Booster-System

Ausgangspunkt für die Einbindung des *c-Ejectors in eine R744-Kälteanlage ist ein Booster-System mit Parallelverdichtung. Das im Mitteldruckabscheider anfallende Flashgas wird von einem Parallelverdichter abgesaugt und so der Druck im Mitteldruckabscheider konstant gehalten. Zusätzlich können Gasejektoren installiert werden, welche das nach den NK-Kühlstellen verdampfte Gas vor den NK-Verdichtern absaugen und es auf einen höheren Druck wieder in den Mitteldruckabscheider fördern.

Wird nach den NK-Kühlstellen ein Akkumulator hinzugefügt, können die Kühlstellen quasiüberflutet betrieben werden. Die sich im Akkumulator ansammelnde Flüssigkeit wird von den Flüssigejektoren abgesaugt und wieder in den Mitteldruckabscheider gefördert.

Funktionsweisen von Gas- und Flüssigejektoren

Es wird generell zwischen zwei Arten von Ejektoren unterschieden: Gas- und Flüssigejektoren. Doch worin besteht genau der Unterschied zwischen Gas- und Flüssigejektor? Schauen wir uns zunächst den Gasejektor im log p-h-Diagramm an:

Der Treibstrom wird von 1 nach 2 in der Treibdüse unter das NK- Druckniveau entspannt. Gesättigtes Gas kann von 3 nach 4 angesaugt werden. Je nach Mitreißverhältnis stellt sich Punkt 5 am Mischkammerende ein. Im Diffusor wird das Gemisch von 5 nach 6 wieder verdichtet. Die Wirklinie des Gasejektors weist somit einen höheren Dampfanteil im Mitteldruckabscheider auf.

Von den NK-Verdichtern entzieht der Gasejektor einen Kältemittelmassenstrom und fördert diesen in den Mitteldruckabscheider. Aus diesem saugt der Parallelverdichter das anfallende Gas ab. Der Effizienzvorteil besteht darin, dass der Parallelverdichter eine geringere Druckdifferenz zum Hochdruck aufbringen muss als der NK-Verdichter und dieser somit entlastet wird.

Voraussetzung für den wirksamen Einsatz des Flüssigejektors ist die quasiüberflutete Betriebsweise der Kühlstellen. Der Flüssigejektor wirkt hier wie eine Kältemittelpumpe. Er fördert flüssiges Kältemittel direkt aus dem saugseitigen Akkumulator der Normalkältestufe in den Mitteldruckbehälter. Der Akkumulator ist ein Behälter, welcher vor den NK-Verdichtern verbaut ist und die Flüssigkeit von der Gasphase trennt. Der durch den Ejektor angesaugte Massenstrom kann wieder direkt den Kühlstellen zugeführt werden. Es kann weiterhin ein herkömmliches Einspritzventil an den Kühlstellen zum Einsatz kommen, welches nach einer sehr geringen Überhitzung unterhalb des MSS geregelt wird. Ein erhöhter Wärmeübergangskoeffizient bewirkt bei gleicher Wärmeübertragerfläche eine niedrigere mögliche Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Kälteträger. Infolge dessen kann die Verdampfungstemperatur angehoben werden. Die NK-Verdichter müssen nur noch eine geringere Druckdifferenz zum Hochdruck aufbringen.

Der Treibstrom wird von 1 nach 2 in der Treibdüse unter das NK-Druckniveau entspannt. Gesättigte Flüssigkeit kann von 3 nach 4 angesaugt werden. Je nach Mitreißverhältnis stellt sich Punkt 5 am Mischkammerende ein. Im Diffusor wird das Gemisch von 5 nach 6 wieder verdichtet. Die Wirklinie des Flüssigejektors weist somit einen niedrigeren Dampfanteil im Mitteldruckabscheider auf.

Mithilfe des Flüssigejektors kann also „kostenlos“ die anfallende Flüssigkeit wieder auf Mitteldruck gepumpt werden. Der größte Effizienzgewinn wird erzielt, wenn beide Arten von Ejektoren miteinander kombiniert werden.

Gas- und Flüssigejektoren saugen aus dem Akkumulator jeweils gesättigtes Gas bzw. gesättigte Flüssigkeit ab. Je nach Lastverhältnis von Gas- zu Flüssigejektoren stellt sich nach Mischung beider Teilströme ein Punkt 7 ein, der den Eintritt in den Mitteldruckabscheider kennzeichnet.

Effizienzgewinn mit *c-Ejector

Bereits ein Booster mit Flashgas-Bypass kann bei niedrigen Außentemperaturen (<10...15°C, je nach Auslegung) effizienter als eine herkömmliche zweistufige Kälteanlage (z.B. Kaskade mit R134a / R744, Satellitenverbund mit R404A) betrieben werden. Aufgrund des transkritischen Betriebes muss der Booster aber bei hohen Außentemperaturen deutliche Einbußen hinnehmen. Um dem entgegenzuwirken, ist zunächst der Einbau eines Parallelverdichters empfehlenswert. Dieser sorgt dafür, dass der im Sommer anfallende hohe Flashgas-Anteil im Sammler nicht mehr durch die NK-Verdichter abgesaugt werden muss. Je nach Auslegung des Parallelverdichters gibt es einen Ausschaltpunkt, unter dem wieder auf Flashgas-Bypass-Modus umgeschaltet werden muss. An wenigen Tagen im Jahr sind dennoch Einsparungen von deutlich über 10 % zu erwarten.

Mit der Installation von *c-Ejectoren kann bei richtiger Auslegung des Gesamtsystems die Kälteanlage ganzjährig effizienter betrieben werden. Durch die Gasejektoren fällt auch im subkritischen Betrieb genügend Flashgas im Mitteldruckabscheider an, sodass sich die Laufzeit des Parallelverdichters verlängert. Bei hohen Außentemperaturen liegen durch die Auslegung der Ejektoren auf einen typischen Sommertag die Effizienzgewinne deutlich über denen der Parallelverdichtung.