Miniaturisierung, Leistungssteigerung, Verbrauchsreduktion: Mobile Klimatechnik mit Kohlendioxid
Kohlendioxid ist schon seit über 150 Jahren als Kältemittel bekannt. Dass es erst jetzt Einzug in die mobile Klimatechnik hält, liegt am vom Gesetzgeber ausgeübten Druck zur Reduzierung der Treibhausgase sowie an besseren technischen Möglichkeiten. Dabei spielt die Druckmessung eine zentrale Rolle.
Fluorierte Treibhausgase mit einem Treibhauspotential über 150 in Autoklimaanalgen sind seit Januar 2011 durch eine EU-Richtlinie verboten. Damit muss das bis dahin gebräuchliche Kältemittel Tetrafluotan (R134a) ersetzt werden. Da CO2 das Klima 1.430-mal weniger schädigt als R134a, bot es sich dank seiner hohen Kälteleistung und guter chemischer Eigenschaften als Alternative an.
Die Argumente für CO2 als Kältemittel sind nicht von der Hand zu weisen:
- Als natürlich vorkommender Stoff ist es weltweit unbegrenzt und kostengünstig verfügbar.
- Es ist weitaus weniger schädlich als andere Kühlmittel wie R134a, R404A, R407C und andere.
- Als Nebenprodukt industrieller Prozesse muss es nicht aufwendig hergestellt werden.
- Im Gegensatz zu anderen neuen Kühlmitteln ist es toxikologisch sehr gut erforscht.
- Es ist weder giftig noch brennbar und stellt somit ein geringeres Gefährdungsrisiko dar als andere Mittel.
- Es ist mit allen gängigen Werkstoffen verträglich.
- Es weist eine sehr hohe volumetrische Kälteleistung auf und ist auch für Wärmepumpen geeignet.
Der Wechsel von R134a zu R744 (unter dieser Abkürzung wird CO2 als Kältemittel geführt) kann allerdings nicht ohne Weiteres vollzogen werden. Den mannigfaltigen Vorteilen stehen auch einige Nachteile gegenüber, die allerdings lediglich die Konstruktion der mobilen Klimaanlagen in Fahrzeugen betreffen: Eine sehr hohe Drucklage und die niedrige kritische Temperatur von 31°C sind hier herauszustellen. Die Hinwendung zu R744 musste daher zwangsläufig einen Umweg über die Prüfstände der Hersteller und ihrer Zulieferer machen.
Klimatechnik mit CO2 – So funktioniert es
Die Funktionsweise einer herkömmlichen Klimaanlage beginnt natürlich mit dem Betätigen des AC-Schalters im Fahrzeugraum. Die Magnetkupplung am Kompressor wird in der Folge mit Spannung versorgt (bei neueren Kompressoren entfällt die Magnetkupplung, der Druck wird über den Kolbenhub intern geregelt). Es wird eine Verbindung zwischen Riemenscheibe und Kompressorwelle hergestellt. Der Verdichter saugt nun das gasförmige Kältemittel an. Es wird nun verdichtet und in die Hochdruckleitung gepresst. Damit steigt allerdings auch die Temperatur des Kühlmittels. Der in der Fahrzeugfront verbaute Kondensator ist dafür zuständig, die Temperatur wieder zu senken. Dabei wechselt das Kühlmittel den Aggregatzustand von gasförmig zu flüssig. Das nun flüssige Kühlmittel wird weiter zur Trocknerflasche weitergeleitet, wo ihm Feuchtigkeit entzogen wird. Das Kältemittel wird im Anschluss durch das Expansionsventil geführt. Nach dieser Engstelle wechselt das Kühlmittel erneut den Aggregatzustand im dahinter liegenden Verdampfer. Die für diesen Wechsel benötigte Energie wird dabei der Umgebungsluft entzogen: Die Temperatur im Fahrinnenraum kühlt sich ab. Das gasförmige Kühlmittel kann jetzt wieder vom Kompressor angesaugt werden. Der Kreislauf beginnt erneut.
Dieses Kühlprinzip bleibt auch bei der Verwendung von R744 erhalten. Allerdings ändern sich die technischen Rahmenbedingungen etwas. Kohlendioxid stellt aufgrund seiner Eigenschaften andere Anforderungen an das System hinsichtlich Druck und Temperatur.
Im Vergleich zu einem herkömmlichen mobilen Kühlsystem stellt der zusätzliche innere Wärmetauscher den grössten Unterschied dar. Dieser ist nötig, weil Kälteanlagen mit CO2 mit überkritischer Wärmeabgabe oberhalb von 31°C arbeiten. Der Kühlkreislauf läuft wie folgt ab: Das Gas wird im Kompressor auf einen überkritischen Druck verdichtet. Von dort gelangt das Gas in einen Gaskühler, der im Vergleich zum herkömmlichen System die Rolle des Kondensators übernimmt. Hier wird das Gas abgekühlt. Eine Kondensation findet dabei nicht statt. Im darauf folgenden Wärmetauscher kommt es zu einer weiteren Abkühlung. Im nächsten Schritt wird das CO2 durch das Expanionsventil gepresst. Die Expansion führt das Gas in den Nassdampfbereich. Dieser Nassdampfanteil wird im Anschluss im Verdampfer verdampft – die Kühlwirkung tritt ein.
Abgesehen vom inneren Wärmetauscher und dem Gaskühler, der an die Stelle des Kondensators tritt, stellt der hohe Druck, mit dem das System arbeitet, den grössten Unterschied zu vorherigen mobilen Kühlsystem dar. Die Anforderungen an die Festigkeit aller verwendeten Bauteile steigt mit dem Druck im System. Dieser hohe Druck wirkt sich besonders auf die Konstruktion des Kompressors aus, der dadurch neu konzipiert werden muss.
Hohe Drücke erfordern leistungsstarke Messtechnik
Ein zentraler Aspekt bei der Konstruktion neuer Kompressoren stellt die sehr geringe Molekülgrösse von CO2 dar, da es schnell durch die herkömmlichen Dichtungsmaterialien diffundiert. Es braucht also eine neu konzipierte Wellenabdichtung, um einen Kälteverlust zu verhindern. Die Dichtung muss den chemischen Eigenschaften des Kühlmittels gewachsen sein und den hohen Drücken im Kompressor im Dauerbetrieb standhalten können – was in Langzeittests am Prüfstand sicherzustellen ist.
Auch das Kompressorgehäuse selbst kann nicht einfach von herkömmlichen Kühlsystemen übernommen werden. Um langfristig effizient zu arbeiten, muss es hohen Temperaturen standhalten. Die stark schwankenden Saugdrücke, die massgeblich auch die Triebraumdrücke beeinflussen, stellen ebenso eine Herausforderung dar. Auf der Hochdruckseite sind Maximaldrücke von 200 bar möglich. Aufgrund dieser Eigenschaften würde es bei herkömmlichen Kompressoren viel schneller zu Undichtigkeiten kommen als bei der Verwendung von R134a. Da heute aber eine viel genauere Fertigung der Teile als vor einigen Jahren möglich ist, kann diesem Problem beigekommen werden. Demnach ist eine konstante Überwachung der Drücke beim Prototypenbau unabdingbar.
Der hohe Druck, der bei Klimasystemen mit CO2 aufkommt, hat abgesehen von den guten Umwelteigenschaften und der im Vergleich zu R134a besseren Kälteleistung weitere Vorteile: Aufgrund der höheren Dichte von CO2 verringert sich der benötigte Bauraum bei gleicher oder gar besserer Kühlleistung gegenüber R134a. Man braucht für die gleiche Kälteleistung lediglich 13 Prozent des Volumenstroms eines R134a Kältemittelverdichters.
Die Verringerung der Grösse verstärkt auch den Ruf nach immer kleinerer Druckmesstechnik. Drucksensoren auf piezoresistiver Basis bieten sich aufgrund der Miniaturisierungsmöglichkeiten hier an, weil sie im Niedrigdruckbereich hochpräzise arbeiten und selbst bei hohen Drücken genaue Ergebnisse liefern – insbesondere bei Langzeittests. Die Drucktransmitter von STS auf piezoresistiver Basis bieten Herstellern bei der Entwicklung neuer Modelle darüber hinaus den entscheidenden Vorteil, dass die Instrumente dank ihres modularen Aufbaus schnell an neue Anforderungen unkompliziert anzupassen sind.
