Untersuchung zweistufiger Transportkälteanlagen mit natürlichen Kältemitteln

Möhlenkamp, Andreas Hans Wilhelm

Gefrorene und verderbliche Waren werden auf der Straße in Kühlfahrzeugen bei speziellen Kühlraumtemperaturen in Ein- und Mehrtemperatur-Transportbehältern transportiert. Mehrtemperatur-Transportbehälter haben mehrere Kammern mit unterschiedlichen Kühlraumtemperaturen und ermöglichen den gemeinsamen Transport von gefrorenen und verderblichen Waren. Transportbehälter werden vorwiegend durch einstufige Transportkälteanlagen mit den synthetischen Kältemitteln R410A, R404A oder R134a gekühlt. Die Energieeffizienz dieser Kreisläufe kann durch den Einsatz zweistufiger Verschaltungen gesteigert werden. Darüber hinaus ermöglichen sie prinzipiell eine stetige und effiziente Kühlung von Mehrtemperatur-Kühlfahrzeugen. Beide Kühlraumtemperaturen können nicht unabhängig voneinander mit der Drehzahl eines zweistufigen Verdichters geregelt werden. Kompakte, zweistufige Verdichter werden für zweistufige Transportkälteanlagen aufgrund von Begrenzungen hinsichtlich Bauraum und Gewicht favorisiert. Die vorliegende Arbeit behandelt zweistufige Transportkälteanlagen mit zweistufigem Verdichter unter den beiden folgenden Schwerpunkten: Der Einsatz der beiden natürlichen Kältemittel Kohlenstoffdioxid (R744) und Propen (R1270) wird untersucht sowie ein neuartiges Betriebs- und Regelungskonzept zur stetigen Kühlung von Mehrtemperatur-Kühlfahrzeugen entwickelt. In theoretischen Untersuchungen wird ein zweistufiger Kältemittelkreislauf mit internem Wärmeübertrager bei Mitteldruck als optimale Verschaltung für die Transportkühlung identifiziert. Der Kältemittekreislauf wird in eine Transportkälteanlage eingebaut und experimentell untersucht. Ergänzende Untersuchungen des Kältemittelkreislaufs erfolgen in der Simulation, wozu detaillierte Modelle zweistufiger Transportkälteanlagen mit dem Kältemittel R744, R1270 und R410A erstellt werden. Die Modelle sind jeweils an experimentelle Daten kalibriert. Die Kreislaufmodelle werden für die Kühlung eines exemplarischen Kühlfahrzeugs mit Zweitemperaturtransportbehälter verwendet. Zur stetigen Kühlung der gefrorenen und verderblichen Ware wird ein neuartiges Betriebs- und Regelungskonzept entwickelt. Die klimawirksamen Emissionen pro Jahr des exemplarischen Kühlfahrzeugs mit zweistufiger R744-, R1270- oder R410A-Transportkälteanlage werden abgeschätzt.

Chilled and frozen food is transported on the road by refrigerated vehicles at certain cooling temperatures. Their isolated bodies have one or more compartments, depending on the number of cooling temperatures. Single- and multi-compartment vehicles are mainly cooled by single-stage transport refrigeration systems using the refrigerants R410A, R404A or R134a. The energy efficiency of these systems can considerably increase by using a two-stage vapour compression cycle. Principally, two-stage cycles enable a simultaneous and efficient cooling of multi-compartment vehicles, in which chilled and frozen food is transported. A two-stage compressor cannot control both cooling temperature independently. Compact two-stage compressors are favoured for two-stage transport refrigeration systems, because of limitations in installation space and weight. In this thesis, two-stage transport refrigeration systems with a two-stage compressor are investigated focusing on two aspects. The use of the natural refrigerants carbon dioxide (R744) and propylene (R1270) is investigated. Furthermore, an innovative operation and control concept for individual set temperatures in multi-compartment vehicles is developed. Different two-stage vapour compression cycles are evaluated for transport refrigeration conditions. A two-stage vapour compression cycle with an internal heat exchanger at intermediate pressure is proved to be the optimal refrigeration cycle. This cycle is built in a transport refrigeration unit. Further investigations of the compression cycle are conducted by simulations. Two-stage transport refrigeration systems using the refrigerant R744, R1270 or R410A are modelled in detail. The models and their components are all validated to experimental data. The two-stage transport refrigeration systems cool a virtual refrigerated multi-compartment vehicle. Chilled and frozen food inside the multi compartment vehicle is cooled simultaneously using an innovative operation and control concept. The greenhouse gas emissions per year are calculated for the multi-compartment vehicle using the R744, R1270 or R410A two-stage transport refrigeration system.

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Möhlenkamp, Andreas: Untersuchung zweistufiger Transportkälteanlagen mit natürlichen Kältemitteln. 2018.

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