Die Kälte- und Wärmepumpenbranche durchläuft derzeit einen der bedeutendsten Wandlungsprozesse seit Jahrzehnten. Angetrieben durch immer strengere F-Gas-Vorschriften in Europa und weltweit wenden sich Anlagenplaner und Erstausrüster rasch von synthetischen Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial – HFKWs wie R410A und R134a – ab und hin zu natürlichen Alternativen. Das natürliche Kältemittel, das dabei die größte Aufmerksamkeit auf sich zieht, ist CO₂, auch bekannt als R744. Die Herausforderung: CO₂-Kältesysteme arbeiten bei Drücken, die weit über denen liegen, für die herkömmliche Wärmetauscher ausgelegt sind. Das hat die Entwicklung speziell angefertigter, hochdruckfester gelöteter Plattenwärmetauscher zu einer der wichtigsten technischen Prioritäten in der Branche gemacht.
Warum CO₂ (R744)?
CO2 ist ein natürliches Kältemittel mit einem Treibhauspotenzial (GWP) von nur 1 – im Vergleich zu 2.088 bei R410A und 1.430 bei R134a. Es ist nicht brennbar, ungiftig, kostengünstig und weltweit verfügbar. Die EU-F-Gas-Verordnung schränkt HFKWs zunehmend ein, wodurch CO2 und andere natürliche Kältemittel für viele Anwendungen zunehmend die einzige langfristig tragfähige Option werden.
CO2 wird bereits in großem Umfang in der gewerblichen Supermarktkühlung (transkritische Systeme), in Wärmepumpen, in der industriellen Kühllagerung und in der Kühlung von Rechenzentren eingesetzt. Die Einführung in Wärmepumpen für Privathaushalte schreitet rasch voran.
Die Herausforderung: Transkritische Betriebsdrücke
In einem transkritischen CO2-System arbeitet die Hochdruckseite des Kältekreislaufs – wo der Gaskühler zum Einsatz kommt – im Normalbetrieb bei Drücken zwischen 75 und 120 bar. Bei hohen Umgebungstemperaturen können die Spitzendrücke 130–140 bar erreichen. Dies ist 3–5 Mal höher als die Betriebsdrücke von HFKW-Systemen mit herkömmlichen gelöteten Plattenwärmetauschern, die typischerweise für 30–45 bar ausgelegt sind.
Das bedeutet, dass standardmäßige gelötete Plattenwärmetauscher in transkritischen CO2-Systemen einfach nicht eingesetzt werden können, ohne das Risiko eines katastrophalen Ausfalls einzugehen. Speziell entwickelte Hochdruckmodelle sind unerlässlich.
Was zeichnet einen CO2-geeigneten gelöteten Plattenwärmetauscher aus?
Hochdruck-CO2-Plattenwärmetauscher wie der HEXONIC L ULTRA sind von Grund auf für den Einsatz in transkritischen Kälteanlagen konzipiert. Zu den wichtigsten Konstruktionsunterschieden gehören:
- Verstärkte Plattengeometrie – Wellmuster und Plattendicke sind so optimiert, dass sie extremen zyklischen Druckbelastungen standhalten, ohne dass es zu Ermüdungsbrüchen kommt
- Hochwertigeres Lötmaterial – beim Vakuumlötverfahren kommen präzise Kupferlegierungsformulierungen zum Einsatz, die die strukturelle Integrität bei CO2-Drücken gewährleisten
- Verstärkte Anschlussstutzen – Ein- und Auslassanschlüsse sind für Hochdruck-Kältemittelleitungen ausgelegt und werden nach den einschlägigen Drucknormen geprüft
- Engere Fertigungstoleranzen – Plattenstapelung, Lötqualität und Maßgenauigkeit unterliegen strengeren Standards, um Schwachstellen auszuschließen
- Druckfestigkeit bis zu 140 bar – der HEXONIC L ULTRA ist für Betriebsdrücke von bis zu 140 bar auf der Kältemittelseite ausgelegt
Anwendungen für Hochdruck-CO2-Wärmetauscher
CO2-geeignete gelötete Plattenwärmetauscher kommen in einem schnell wachsenden Anwendungsspektrum zum Einsatz:
- Transkritische CO2-Gaskühler in gewerblichen Kälteanlagen
- CO2-Wärmepumpen-Warmwasserbereiter – insbesondere Hochtemperatur-Wärmepumpen, die Wasser mit 70–90 °C erzeugen
- Industrielle CO2-Kühlung für Lebensmittellagerung, Brauerei und Kühlkettenlogistik
- Flüssigkeitskühlung von Rechenzentren mit CO2-Kältemittelkreisläufen
- Fernwärme-Wärmepumpen, die CO₂ als Kältemittel nutzen
Überlegungen zur Dimensionierung und Auswahl
Die Auswahl des richtigen CO2-Plattenwärmetauschers erfordert die sorgfältige Berücksichtigung mehrerer Parameter, die sich von herkömmlichen Kältemittelsystemen unterscheiden:
- Betriebsdruckbereich – Festlegung von Mindest-, Höchst- und Spitzendruck für beide Kreisläufe
- Transkritischer vs. subkritischer Betrieb – Gas-Kühler (überkritisch) und Verdampfer (subkritisch) erfordern unterschiedliche Plattenoptimierungen
- Anlauf-Temperatur — CO₂-Gaskühler können sehr niedrige Anlauf-Temperaturen erreichen, wodurch der COP maximiert wird
- Kältemittelströmungsverhalten – CO₂ weist andere Zweiphasen-Wärmeübertragungseigenschaften auf als HFKWs; die Auslegungssoftware muss dies berücksichtigen
Die Online-Auswahlsoftware CAIRO von HEXONIC ermöglicht die genaue Dimensionierung von CO2-Wärmetauschern für den transkritischen und subkritischen Betrieb. Das Ingenieurteam kann komplexe Auswahlanforderungen direkt unterstützen.
Der regulatorische Ausblick
Die Überarbeitung der EU-F-Gas-Verordnung – die ab 2024 schrittweise in Kraft tritt – sieht einen beschleunigten Ausstieg aus HFKW bis 2050 vor, wobei bereits erhebliche Beschränkungen für Kältemittel mit einem GWP über 750 und 150 gelten. CO2 mit einem GWP von 1 ist von diesen Beschränkungen völlig unberührt.
Für Anlagenplaner und OEMs, die ihre Produkte zukunftssicher machen wollen, ist die Spezifizierung von CO2-kompatiblen Wärmetauschern keine Nischenentscheidung mehr – sie ist eine zentrale technische Anforderung.
Entdecken Sie den HEXONIC L ULTRA Hochdruck-CO2-Lötplattenwärmetauscher – entwickelt für transkritische R744-Systeme bis zu 140 bar.
Kontaktieren Sie unser Team für Unterstützung bei der Dimensionierung.
Frequently Asked Questions
What is the maximum pressure of the HEXONIC L ULTRA?
The HEXONIC L ULTRA CO2 brazed plate heat exchanger is rated for operating pressures up to 140 bar on the refrigerant side, making it suitable for the full range of transcritical CO2 system operating conditions.
Can a standard HEXONIC L series be used with CO2?
No. Standard L series models are rated to 45 bar and are not suitable for transcritical CO2 duty. The L ULTRA is the correct model for CO2 applications. Always confirm the pressure rating before specifying any heat exchanger for a CO2 system.
Are CO2 heat exchangers more expensive than standard models?
High-pressure CO2 models carry a price premium over standard brazed plate units due to the more demanding manufacturing requirements. However, the long-term regulatory compliance benefits and system efficiency gains make them the correct long-term investment for CO2 applications.
