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11. Oktober 2017 Autor: Benedikt Vogel

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Grundlagen: Die Ejektortechnik im Kühlkreislauf von CO2-Kälteanlagen

Der Ejektor ist ein Bauteil im Kühlkreislauf von Kälteanlagen, die CO2 als Kältemittel nutzen. Dank des Ejektors und des zugehörigen Parallelverdichters muss die Kühlflüssigkeit weniger stark abgekühlt werden. Es sind also höhere Temperaturen im Kühlkreislauf möglich: Für Kühlregale sind nur noch Temperaturen von -2 °C erforderlich (statt -8 °C wie früher), für Tiefkühlregale reichen -25 °C (statt -32 °C wie früher). Damit kann der Kühlkreislauf mit weniger Stromverbrauch betrieben werden.

Transkritische CO2-Kälteanlagen arbeiten mit einer hohen Druckdifferenz und verfügen daher über ein energetisches Sparpotenzial, das durch Einsatz eines Ejektors optimal genutzt werden kann. (alle Abb. Frigo-Consulting)Transkritische CO2-Kälteanlagen arbeiten mit einer hohen Druckdifferenz und verfügen daher über ein energetisches Sparpotenzial, das durch Einsatz eines Ejektors optimal genutzt werden kann. (alle Abb. Frigo-Consulting) Lebensmittelmärkte müssen alle 10 bis 15 Jahre modernisiert und auf den neuesten Stand gebracht werden. Vor rund drei Jahren war die Migrosfiliale in Ibach/Schweiz an der Reihe: Für die Kühlung der 170 Laufmeter Kühl- und Tiefkühlmöbel sowie der insgesamt 280 m² Kühl- und Tiefkühlräume der Supermarktfiliale wird seit Anfang 2015 ein Ejektor eingesetzt. Mit der relativ simplen Komponente gelang es, den Stromverbrauch für die Kälteerzeugung dauerhaft um 23 % zu senken.

Die Technik

Die Grundfunktion eines Ejektors basiert auf der Umwandlung von Druckenergie in kinetische Energie und umgekehrt. In einer transkritischen CO2-Anlage dient der Kältemittelmassenstrom des Gaskühlers als Treibmedienstrom (m_Ej.in). Dieser tritt unter hohem Druck (p_Ej.in) in die Düse des Ejektors ein. In der Düse verringert sich zunehmend die angeströmte Querschnittsfläche bis zum Düsenhals, wodurch sich die Strömung zu einem Strahl formt. Dadurch wird nach dem Impulserhaltungssatz die Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt, und der Strahl erreicht bis zum Düsenausgang annähernd Schallgeschwindigkeit. Hier ist der Druck aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit auf den Druckwert p_Ej.min abgesunken, der so niedrig ist, dass dieser unterhalb des Drucks des Ansaugstroms p_Ans.in liegt. Durch dieses Druckgefälle kann Volumenänderungsarbeit verrichtet werden. Dadurch kann Kältemittelgasstrom m_Ans.in von den Kühlstellen angesaugt werden. Dieses mischt sich mit dem Strömungsstrahl des Gaskühlers. Der Strömungsstrahl tritt zusätzlich nach der Düse auf eine größere Querschnittsfläche, wodurch die Geschwindigkeit des Strahls verringert wird und der Druck wieder ansteigt. Durch diesen Vorgang wird das Kältemittel verdichtet. Das verdichtete Gemisch strömt nach dem Ejektor zum Sammler mit dem Druck p_Ej.out. Je höher der Druck p_Ej.in des Gaskühlermassenstroms ist, desto mehr Kältemittelmassenstrom wird vom Druckniveau p_Ans.in auf das Druckniveau p_Ej.out vorverdichtet.

Ein Ejektor-CO2-System unterscheidet sich von einem herkömmlichen CO2-System nur unwesentlich. Der Unterschied ist, dass anstelle des Hochdruckregelventils nach dem Gaskühler der Ejektor verbaut ist. Der Ejektor saugt den Gasmassenstrom der Normalkühlungsverdichterstufe an und verdichtet diesen. Dadurch wird Antriebsleistung auf der Normalkühlungsverdichterstufe eingespart. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das System mit höheren Gaskühlerdrücken arbeitet, z. B. bei Außentemperaturen über 20 °C oder bei aktivierter Wärmerückgewinnung.

Ejektoren werden durch die Lieferanten der Kälteanlagen selber hergestellt oder sind als Komponenten von Herstellern wie Danfoss oder Wurm erhältlich.

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