Der zweistufige Kompressorkältekreislauf verwendet im Allgemeinen zwei Kompressoren, nämlich einen Niederdruckkompressor und einen Hochdruckkompressor.
1.1 Der Prozess der Druckerhöhung des Kältemittelgases vom Verdampfungsdruck zum Kondensationsdruck wird in zwei Stufen unterteilt.
Erste Stufe: Verdichtung auf den mittleren Druck durch den Niederdruckkompressor zuerst:
Die zweite Stufe: Das unter dem mittleren Druck stehende Gas wird nach einer Zwischenkühlung durch den Hochdruckkompressor weiter auf den Kondensationsdruck komprimiert, und der Hubkolbenkreislauf schließt den Kühlprozess ab.
Bei der Erzeugung niedriger Temperaturen senkt der Zwischenkühler des zweistufigen Kompressionskältekreislaufs die Eintrittstemperatur des Kältemittels im Hochdruckverdichter und reduziert gleichzeitig die Austrittstemperatur desselben Verdichters.
Da der zweistufige Kompressionskältekreislauf den gesamten Kälteprozess in zwei Stufen unterteilt, ist das Kompressionsverhältnis jeder Stufe deutlich geringer als bei der einstufigen Kompression. Dies reduziert die Anforderungen an die Anlagenfestigkeit und verbessert die Effizienz des Kältekreislaufs erheblich. Je nach gewähltem Zwischenkühlungsverfahren wird der zweistufige Kompressionskältekreislauf in einen vollständigen und einen unvollständigen Zwischenkühlkreislauf unterteilt. Bei Anwendung des Drosselverfahrens erfolgt die Unterteilung in einen ersten und einen zweiten Drosselzyklus.
1.2 Zweistufige Kompressionskältemitteltypen
Die meisten zweistufigen Kompressionskältemaschinen verwenden Kältemittel für mittlere und niedrige Temperaturen. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass R448A und R455a hinsichtlich der Energieeffizienz gute Alternativen zu R404A darstellen. Im Vergleich zu Alternativen zu Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) ist CO₂ als umweltfreundliches Arbeitsmedium ein potenzieller Ersatz für FKW-Kältemittel und weist gute Umwelteigenschaften auf.
Der Austausch von R134a durch CO2 verschlechtert jedoch die Systemleistung, insbesondere bei höheren Umgebungstemperaturen. Der Druck im CO2-System ist recht hoch und erfordert eine besondere Behandlung der wichtigsten Komponenten, insbesondere des Kompressors.
1.3 Optimierungsforschung zur zweistufigen Kompressionskältemaschine
Die aktuellen Ergebnisse der Optimierungsforschung des zweistufigen Kompressionskältekreislaufsystems lauten im Wesentlichen wie folgt:
(1) Durch die Erhöhung der Rohrreihenanzahl im Ladeluftkühler und die gleichzeitige Reduzierung der Rohrreihenanzahl im Luftkühler lässt sich die Wärmeaustauschfläche des Ladeluftkühlers vergrößern und der durch die hohe Rohrreihenanzahl im Luftkühler verursachte Luftdurchsatz verringern. Zurück zum Einlass: Durch diese Verbesserungen kann die Einlasstemperatur des Ladeluftkühlers um etwa 2 °C gesenkt werden, ohne die Kühlleistung des Luftkühlers zu beeinträchtigen.
(2) Die Frequenz des Niederdruckverdichters wird konstant gehalten, während die Frequenz des Hochdruckverdichters variiert wird, wodurch sich das Verhältnis des Gasfördervolumens des Hochdruckverdichters ändert. Bei einer konstanten Verdampfungstemperatur von -20 °C beträgt der maximale COP 3,374 und das dem COP entsprechende maximale Gasfördervolumenverhältnis 1,819.
(3) Durch den Vergleich mehrerer gängiger transkritischer zweistufiger CO2-Kompressionskälteanlagen lässt sich feststellen, dass die Austrittstemperatur des Gaskühlers und der Wirkungsgrad des Niederdruckstufenkompressors einen großen Einfluss auf den Kreislauf bei einem gegebenen Druck haben. Um den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern, ist es daher notwendig, die Austrittstemperatur des Gaskühlers zu senken und einen Niederdruckstufenkompressor mit hohem Betriebswirkungsgrad auszuwählen.
Veröffentlichungsdatum: 22. März 2023