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Kältemittel CO2 in der Fertigmenü-Produktion

Für die Herstellung und Lagerhaltung von Fertigmenüs für die Fluggastversorgung benötigte die Frankenberg GmbH mit Sitz im deutschen Würselen bei Aachen ein neues Gebäude für Produktion, Lager und Verwaltung. Bei der kälte- und klimatechnischen Ausstattung der neuen Kapazitäten arbeitete das Unternehmen eng mit der York Deutschland GmbH zusammen: Gemeinsam entwickelte man ein Kälteerzeugungskonzept, in dem Kohlendioxid als Kältemittel für die Produktionsfrostung und Tiefkühllagerung sowie R507 im Bereich der Produktionskühlung eingesetzt wird.

Um für den Neubau der Frankenberg GmbH eine wirtschaftlich sinnvolle und gleichzeitig umweltfreundliche Ausstattung zu entwickeln, führte das Unternehmen zunächst Gespräche mit verschiedenen Kälteanlagenbaufirmen und diskutierte Lösungskonzepte, die auf folgenden Verbrauchsszenarien basierten. Um dabei zu einer langfristig sinnvollen Lösung zu gelangen, wurde in Zusammenarbeit mit der YORK Deutschland GmbH, Industriekälte, ein Konzeptvergleich zwischen den verschiedenen Kälteerzeugungskonzepten erarbeitet. Zusätzlich zu den technischen Rahmenbedingungen galt es, neben der Vorgabe einer besonders wirtschaftlichen Neuinvestition weitere Bedingungen zu berücksichtigen. So wünschte sich das Unternehmen

  • Möglichst gute Abwärmenutzung/Wärmerückgewinnung und einen hohen COP-Wert
  • Versorgung der Produktionsfroster über Pumpenkreisläufe, Kältemittel NH3 oder CO2
  • Keine NH3-Kühler in Bearbeitungsräumen/Arbeitsstättenverordnung
  • Keine genehmigungspflichtige Kälteanlage nach BImSchG
  • Eine wirtschaftliche Investition

Vergleich von Anlagenkonzepten
Im Rahmen einer drei- bis viermonatigen gemeinsamen Projektarbeit wurde das Gesamtkonzept unter verschiedenen Gesichtspunkten betrachtet. Da die Kälteanlage sowohl im Rahmen der erforderlichen Investitionen (ca. 15 % der Gesamtinvestition) als auch bei den laufenden Betriebskosten eine große Rolle einnimmt und zudem ein Nutzungszeitraum von 20 bis 30 Jahren vorgesehen ist, war diese Vorgehensweise zwingend notwendig. Im Detail wurden drei verschiedene Anlagenkonzepte miteinander verglichen:

  • NH3-Anlage, 2-stufig mit Solesystem für Verarbeitung
  • NH3/CO2-Kaskadenkälteanlage mit Solesystem für Verarbeitung
  • R507/CO2-Kaskadenkälteanlage mit R507-Direktverdampfung in Verarbeitung

Im Rahmen dieser Einzelkonzepte wurde außerdem der Einsatz von Kolben- bzw. Schraubenverdichteraggregaten in Hinblick auf Investitionsbedarf und Wartungskosten sowie Geräuschemissionen betrachtet.

Entscheidung für Kaskadenkälteanlage
Als ebenso wirtschaftliche wie ökologisch sinnvolle Lösung fiel die Entscheidung schließlich zugunsten einer R507/CO2-Kälteanlage aus. CO2 als Kältemittel ist als eingeführte Technik zu betrachten und kann in vielen Bereichen der Lebensmittel-Frostung und TK-Lagerung in Kälteanlagen eingesetzt werden. Die Kaskadenkälteanlage mit SABROE-Kolbenverdichter-Aggregaten weist nachfolgende Hauptkomponenten auf:

  • 3 Stck. Kolbenverdichteraggregate CO2
  • 2 Stck. CO2 Kondensatoren
  • 1 Stck. CO2-HD-Sammler
  • 1 Stck. CO2-Pumpenabscheider
  • 3 Stck. Kolbenverdichteraggregate R507
  • 1 Stck. R507-Abscheider
  • 1 Stck. R507-HD-Sammler
  • 1 Stck. Verdunstungskondensator
  • 1 Stck. R507-Plattenwärmeaustauscher für Kondensatorbetrieb
  • 1 Stck. liegender R507-Druckgasenthitzer
  • 1 Stck. luftgekühlter R507-Kondensator
  • 1 Stck. R507-Wärmeaustauscher für Solekühlung Koduko-Anlage
  • 3 Stck. Frosterventilstationen CO2-Pumpenbetrieb
  • 13 Stck. TK-Lagerkühlung CO2-DX-Betrieb
  • 22 Stck. Raumkühler R507-DX-Betrieb
  • 1 Stck. Klimakaltwasser-Plattenwärmeübertrager

Vorteilhafte Ausstattung
Die Entscheidung für diese Ausstattung basiert auf zahlreichen Vorteilen:

  • Gutes Teillastverhalten durch Kolbenverdichter-Einsatz
  • Hoher Gesamt-COP-Wert: 1,42 (einschl. Pumpen/Lüfter und Nebenantriebe)
  • Um ca. 100 – 150 T günstigere Investition gegenüber NH3-2-stufig, bzw. NH3/CO2-Kaskade
  • Keine NH3-Komponenten in Bearbeitungsbereichen/Produktion
  • Hoher Frosterwirkungsgrad durch CO2-Pumpenbetrieb
  • Reduzierter Rohrbau durch DX-R507-Betrieb
  • Keine BImSchG-Genehmigung
  • Günstige Geräuschsituation

Darüber hinaus war im gewählten Rahmen der Umbau eines bereits vorhandenen
Samifi-Produktionsfrosters auf CO2-Pumpenbetrieb unproblematisch zu lösen.

Erfolgreicher Anlagenbetrieb
Nach fünf Monaten Bauzeit befindet sich die neue Anlage von Frankenberg seit Anfang März 2004 im Dauerbetrieb und hat sich im Sommer bereits bei Außentemperaturen von +35 °C bewährt.

                                                        Temperaturen                              Leistungen

Klimakaltwasser                               +12 °C/+6 °C                                       80 kW      
Solekühlung fürKochanlage                 ±0 °C/-5 °C                                     280 kW
TK-Anlage (CO2)
Wendelfroster I                                            -40 °C                                     410 kW
Wendelfroster II                                           -40 °C                                     200 kW
Wendelfroster III                                          -40 °C                                     190 kW
TK-Lager I
Raumtemperatur:                                          -25 °C                                       90 kW
TK-Lager II
Raumtemperatur:                                          -25 °C                                     128 kW
TK-Raum
Raumtemperatur:                                           -18 °C                                        5 kW
Bereitstellung I
Raumtemperatur:                                           -18 °C                                      17 kW
Bereitstel-lung II
Raumtemperatur:                                           -18 °C                                      40 kW

Foodfreezer (CO2)
Raumkühlung (R507):
Verladerampe I
Raumtemperatur:                                           +12 °C                                     36 kW
Verladerampe II     
Raumtemperatur:                                            + 5 °C                                     24 kW      
Kühlraum I
Raumtemperatur:                                            + 5 °C                                       7 kW
Kühlraum II
Raumtemperatur:                                            + 5 °C                                     13 kW
Bereitstellung I-VII
Raumtemperatur:                                            + 5 °C                                 je 15 kW
Abfall
Raumtemperatur:                                            + 5 °C                                     15 kW
Hot-Meal-Füllung
Raumtemperatur:                                           +18 °C                                     90 kW
Blastchiller
Raumtemperatur:                                            + 2 °C                               2 x 40 kW

  • Installierte Verdichterleistung HD (to = -8 °C) 1.500 kW
  • Installierte Verdichterleistung ND (to = -40 °C) 1.000 kW

Wärmerückgewinnung aus

  • Druckgas HD 100 kW/+48 °C Warmwasser
  • Frischlufterwärmung/Kondensation 550 kW/+25 °C Zuluft
  • Frischwassererwärmung/Kondensation 245 kW/+22 °C Frischwasser

Frankenberg: „Warme Speisen für spezielle Bedürfnisse“
Die Frankenberg GmbH mit Sitz im deutschen Würselen bei Aachen ist auf die Entwicklung, Herstellung und Distribution von Fertigmenüs für die Fluggastversorgung spezialisiert. Bei - diesen „Hot Meal“ - und „Ready-Meal“- Produkten kommt es auf höchste Qualität und Verfügbarkeit an. Als Partner vieler internationaler Airlines ist insbesondere die reibungslose und flexible Produktion ein entscheidender Baustein für den Erfolg des Unternehmens.

Kältemittel CO2
Kohlendioxid wird bereits seit 1850 als Kältemittel eingesetzt und hat eine lange Tradition in der Kältetechnik. In Anbetracht des FCKW-Ausstiegs und der damit verbundenen wachsenden Relevanz so genannter natürlicher Kältemittel werden auch die wirtschaftlichen Vorteile von CO2 im Anlagenbetrieb neu entdeckt. Einige wichtige Eigenschaften im Überblick:

Umwelt

  • Niedriges Treibhauspotenzial (GWP = 1)
  • In geringen Konzentrationen ungiftig – Umgebungsluft = 330 ppm

    • Behaglichkeitsgrenze = 1.000 - 1.500 ppm
    • MAK = 5.000 ppm (0,5 %, entspr. 9.000 mg/m³)
    • Atemluft ausatmen = 3 - 4 % vol.
    • IDHL = 40.000 ppm (4,0 % vol.)
    • Über 10 % vol. in der Atemluft betäubend
    • Unmittelbar tödlich über 30 % vol.

  • Nicht brennbar (wird als Feuerlöschmittel verwendet)
  • Schwerer als Luft

Kälteanlage

  • Hohe volumenstrombezogene Kälteleistung (5- bis 7-mal höher als Ammoniak)

    • Kleine Verdichterhubvolumen + Rohrleitungsquerschnitte

  • Hohe Kälteleistungszahl bei tiefen Temperaturen
  • Niedrige Viskosität

    • Geringe Druckverluste

  • Druckverluste führen nur zu kleinen Temperaturabfällen
  • Hohe Anlagendrücke (z.B. 40 bar bei +5 °C)
  • Niedrige Druckverhältnisse

    • Hohe Verdichtergütegrade

  • Hohe Wärmeübergangszahlen bei Verdampfung und Verflüssigung (bis zu 60 % besser als bei H-FKW)
  • Gute Materialverträglichkeit mit gängigen Materialien und Kältemaschinenölen
  • Tripelpunkt bei 5,18 bar und -56,6 °C
  • Niedrige kritische Temperatur (31,05 °C)
  • Max. Verflüssigungstemperatur 10 bis 15 °C bei 50 bar-Systemen

Geschichte des CO2 als Kältemittel

1866/69 Verwendung durch LOWE (Trockeneis)
1877      Verflüssigung durch RAYDT (Beginn der Nutzung als technisches Gas)
1881/90 Konstruktion und Bau von Kälteanlagen durch LINDE bzw. WINDHAUSEN
1887-90 Starke Entwicklung von Kältemaschinen, insbesondere in England und in den USA
1895      Erste Dampftafel: MOLLIER
1904      Erstes Druck-Enthalpie-Diagramm von Mollier (TH Dresden)
1929      Detailliertes p,h-Diagramm mit fester Phase: Plank, Kuprianoff
1932      Kaskadenanlagen NH3-CO2 für Temperaturen bis -50 °C
1950      60 % aller Schiffskälteanlagen mit CO2 sowie je 10 % der Kleinkälte- und Großkälteanlagen
1960-65 CO2 wird nicht mehr eingesetzt (‡ 0 %)
1989-93 Wiederentdeckung und erste Vorschläge zur Anlagengestaltung (Lorentzen u.a.)

CO2 – Bonus für die Umwelt
Einsatz findet Kohlendioxid vor allem in der Getränke- und Lebensmittelindustrie, bei der Transportkühlung, in der Wasserwirtschaft, der Metallverarbeitung und bei der Brandbekämpfung.

 

 

 

 

 

 

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