Resultierende Auslegungs- und Ausführungskriterien

Für die Hochtemperaturstufe einer solchen Kaskade lässt sich ein kompakter Kühlsatz verwenden, dessen Verdampfer auf der Sekundärseite als Verflüssiger für CO₂ dient. Als Kältemittel eignen sich chlorfreie Stoffe (NH₃, KW oder auch HFKW, HFO und HFO/HFKW-Gemische).

Bei NH₃ sollte der Kaskadenkühler so ausgeführt werden, dass die gefürchtete Bildung von Hirschhornsalz im Falle einer Leckage verhindert wird. In Brauereien wird diese Technik seit langem eingesetzt.

In Großkälteanlagen entspricht der Sekundärkreis für CO₂ in seinem prinzipiellen Aufbau weitgehend einem Niederdruck-Pumpensystem, wie es häufig bei NH₃-Systemen ausgeführt wird. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Verflüssigung des CO₂ im Kaskadenkühler erfolgt und der Sammelbehälter (Abscheider) nur als Vorratsbehälter dient.

Die äußerst hohe volumetrische Kälteleistung von CO₂ (latente Wärme durch Phasenwechsel) führt dabei zu einem sehr geringen Massenstrom und ermöglicht kleine Rohrquerschnitte und minimalen Energiebedarf für die Umwälzpumpen.

Bei der Kombination mit einer weiteren Verdichtungsstufe (z.B. für Tiefkühlung) gibt es verschiedene Lösungen.

Die Abbildung (Kaskadensystem für industrielle Anwendung) zeigt eine Variante mit zusätzlichem Sammler, der von einem oder mehreren Booster-Verdichtern auf den erforderlichen Verdampfungsdruck abgesaugt wird. Das Druckgas wird ebenfalls in den Kaskadenkühler eingespeist, verflüssigt und in den nachgeschalteten Sammler abgeleitet. Von dort aus erfolgt die Einspeisung in den Niederdruckabscheider (TK) über eine Schwimmereinrichtung.

An Stelle klassischer Pumpenzirkulation kann die Booster-Stufe auch als sog. LPR-System (Low Pressure Receiver) ausgeführt sein. Dadurch erübrigen sich Umwälzpumpen, wobei aber die Anzahl der Verdampfer mit Rücksicht auf eine gleichmäßige Einspritzverteilung des CO₂ stärker eingeschränkt ist.

Für den Fall eines längeren Anlagenausfalls mit starkem Druckanstieg kann das CO₂ über Sicherheitsventile an die Atmosphäre abgelassen werden. Alternativ hierzu werden auch zusätzliche Kühlsätze zur CO₂ Verflüssigung verwendet, mit denen längere Abschaltperioden ohne kritische Druckerhöhung überbrückt werden können.

Für Systeme in gewerblichen Anwendungen ist auch eine Ausführung mit Direkt-Expansion möglich.

Hierfür bieten Supermarktanlagen mit ihrem üblicherweise weit verzweigten Rohrnetz und Schockfroster ein besonders gutes Potenzial. Das Normalkühlsystem wird dann konventionell oder mittels Sekundärkreislauf ausgeführt und für die Tiefkühlung mit einem CO₂-Kaskadensystem (für subkritische Betriebsweise) kombiniert. Ein Systembeispiel ist in der folgenden Abbildung dargestellt (Konventionelle Kälteanlage kombiniert mit CO2-Tiefkühlkaskade).

Für eine allgemeine Anwendung sind allerdings derzeit noch nicht alle Voraussetzungen erfüllt. Es gilt zu berücksichtigen, dass eine in vielfacher Hinsicht veränderte Anlagentechnik und auch speziell abgestimmte Komponenten erforderlich werden.

So müssen z.B. die Verdichter wegen des hohen Dampfdichte- und Druckniveaus (insbesondere auf der Saugseite) speziell ausgelegt werden. Besondere Anforderungen bestehen auch hinsichtlich der Werkstoffe; außerdem darf nur hochgradig getrocknetes CO₂ zum Einsatz kommen.

Auch die Schmierstoffe sind sehr hohen Anforderungen ausgesetzt. Konventionelle Öle sind meist nicht mischbar und erfordern deshalb aufwändige Maßnahmen für die Rückführung aus dem System. Andererseits ist beim Einsatz mischbarer bzw. gut löslicher POE eine starke Viskositätsminderung zu berücksichtigen. Weitere Informationen dazu: Schmierstoffe für Verdichter.