Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel in Busklimaanlagen und Transportkälteanlagen, Messung und Simulation

Ausgehend von den globalen Umweltproblemen der Zerstörung der Ozonschicht und der fortschreitenden Erwärmung der Erdatmosphäre, wurden Alternativen zu den FCKW und FKW, insbesondere Kohlendioxid, auf ihre Eignung als Kältemittel zur Busklimatisierung und Transportkühlung untersucht. Die meisten Stoffdatengleichungen für Luft und Kältemittel bzw. Kältemittel-Öl-Gemische wurden der Literatur entnommen. Für den Dampfdruck wurde eine eigene sehr einfache und umkehrbare Gleichung entwickelt und mit Literaturdaten verglichen. Sie dient zur Abschätzung, konnte aber auch erfolgreich auf Kältemittel-Öl-Gemische angewendet werden. Für den Verdichter wurde ein einfaches Rechenmodell aufgestellt und die Rechenergebnisse mit Meßdaten aus der Literatur verglichen. Bei der Entwicklung des Simulationsprogramms für den Kältekreis lag der Schwerpunkt auf der Berechnung der Lamellenrohrbündelwärmetauscher. Wärmeübergang und Druckverluste der Luftseite für diese Wärmetauscher wurden aus Messungen übernommen. Für die Kältemittelseite wurden verschiedene Ansätze aus der Literatur zur Berechnung des Wärmeübergangs und der Druckverlusts im Rohr mit Meßwerten aus der Literatur, darunter auch Messungen mit CO2 als Kältemittel, verglichen. Vergleichsrechnungen für eine Stadtbusklimaanlage und für eine Transportkühlanlage mit den Kältemitteln CO2 und R134a bzw. R404A wurden mit verschiedenen Ölanteilen durchgeführt. Mit zunehmenden Ölanteil nehmen die Druckverluste besonders in der Saugleitung und im Verdampfer zu. Dies führt zu Leistungs- und Effizienzeinbußen, die beim Hochdruckkältemittel CO2 weniger stark ausfallenals bei R134a bzw. R404A. Die Leistungmessungen an den ersten Prototypen einer Busklimaanlage und Transportkälteanlage mit Kohlendioxid als Kältemittel zeigten eine ähnliche Kälteleistung und Effizienz wie vergleichbare Serienanlagen. Die Meßdaten wurden mit den Simulationsrechnungen verglichen. Durch den Einsatz eines internen Wärmetauschers konnte die Leistung der Transportkälteanlage insbesondere bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Umgebungsluft und Kühlraum gesteigert werden. Der Einbau weiterentwickelter Prototypen in zwei Stadtbusse konnte neben einem Feldtest im Linieneinsatz In Bad Hersfeld auch zu Abkühlversuchen und Vergleichsmessungen genutzt werden. Messungen zweier sonst identischer Busse ließen keinen Unterschied zwischen dem mit einer CO2-Klimaanlage und dem mit einer R134a-Klimaanlage ausgerüsteten Bus erkennen. Der Feldtest der beiden Stadtbusse mit jeweils ca. 1600 Verdichterbetriebsstunden und der Dauertest der Transportkälteanlage mit über 1800 Stunden zeigten die Alltagstauglichkeit der CO2-Anlagen. Die Reduzierung der Treibhausgasemissionen wurde auf 20 bis 30% gegenüber Serienanlagen abgeschätzt.