Der Entlüfter für Ammoniak (NH3) Kälteanlagen

Warum Entlüfter?

Luft in der Kälteanlage lässt den Kondensationsdruck steigen und macht die Anlage zum Stromfresser.

Jeder Betreiber einer Industriekälteanlage weiß, dass hiermit der Hauptanteil seines Energieverbrauches anfällt. Da hier meist mit Antriebsmotoren im 3-stelligen kW-Bereich gearbeitet wird, ist jede Stunde, in der die Motoren stillstehen, bares Geld wert.

Der Einsatz eines Entlüfters macht nur bei NH3-Kälteanlagen im Tiefkühlbereich einen Sinn, was bedeutet, dass eine Verdampfungstemperatur unter -33 °C vorherrscht.

(Dass bei neuen Kälteanlagen und zu Wartungszwecken die Luft ordnungsgemäß aus der Anlage evakuiert wird, wird an dieser Stelle als selbstverständlich vorausgesetzt. Das heißt, dass dieser Lufteinschluss hier nicht thematisiert wird.)

Wo kommt die Luft eigentlich her?

Würde Ammoniak (NH3) unter Atmosphärendruck offen in einem Behälter stehen, hätte es etwa eine Temperatur von -33 °C. In einem geschlossenen Kältekreislauf, mit einer Verdampfungstemperatur unterhalb von -33 °C arbeitet die Anlage somit im Unterdruck. Jede nun noch so kleine Undichtigkeit auf der Saugseite führt dazu, dass permanent Luft in die Anlage gesaugt wird. Damit ist geklärt, wo die Luft herkommt und warum sie sich ständig vermehrt.

Die Luft wird über die Saugleitung durch den Verdichter auf die Hochdruckseite gefördert und wandert so in den Kondensator. Da verbleibt sie jetzt, da Luft nicht verflüssigt bzw. kondensiert werden kann.

Wo Luft ist, kann kein Ammoniak-Gas sein.

Das bedeutet, die Luft „klaut“ mit ihrer Anwesenheit Kondensationsfläche im Verflüssiger. Dies hat zur Folge, dass die nutzbare Kondensator-Fläche immer kleiner wird.

Ein kleiner Kondensator, welcher die Wärme nicht mehr ausreichend an die Umgebung abgeben kann, führt in logischer Konsequenz zu einer höheren Kondensationstemperatur und einem steigenden Kondensationsdruck. Steigt der Kondensationsdruck, muss der Antriebsmotor des Verdichters durch den höheren Differenzdruck zwischen Saug- und Hochdruck mehr Arbeit verrichten. Mehr Verdichterarbeit heißt mehr Stromaufnahme. Daraus ergeben sich höhere Energiekosten.

Zum anderen führt die höhere Druckgastemperatur infolge des erhöhten Kondensationsdruckes zu einer erhöhten thermischen Belastung des Schmieröles und somit zu einer Herabsetzung der Schmierfähigkeit. Auch der Sauerstoffanteil in der Luft lässt das Öl vorzeitig altern.

Um eine einwandfreie Funktion und einen wirtschaftlichen Betrieb sicherzustellen, muss also die Luft permanent wieder aus dem System gebracht werden.

An welcher Stelle der Kälteanlage sammelt sich Luft an?

An welcher Stelle der Kälteanlage sammelt sich Luft an?

Die Luft, die in den Kältekreislauf gelangt, sammelt sich im Verflüssiger an den Stellen an, die am kältesten sind und wo die geringsten Gasbewegungen auftreten. Praktische Erfahrungen zeigen, dass sich die Luft über einen kleinen aufgesetzten Dom am Kondensatoraustritt am besten sammeln und zum Entlüfter führen lässt. (Bild)

Aber auch in den anschließenden Rohrleitungen oder im Kältemittelsammler selbst kann entlüftet werden.

Bei jeder Kälteanlage muss dieser Entlüftungsanschluss sorgfältig ausgewählt und festgelegt werden, um eine optimale Entlüftung sicherzustellen. Im Zweifelsfall sind mehrere alternative Anschlüsse vorzusehen, die dann mittels Magnetventilen abwechselnd angesteuert werden können.

Das Arbeitsprinzip eines Entlüfters

Um Kältemittel, hier im speziellen NH3 und Luft, voneinander zu trennen, wird die unterschiedliche Dichte der Gase genutzt. Im Gegensatz zu Luft kann NH3 bereits bei relativ niedrigen Drücken verflüssigt werden. Luft dagegen verbleibt länger im Gaszustand.

In dem Entlüftungsapparat, der auf diesem Prinzip der Dichtenunterschiede aufbaut, wird das Luft-Kältemittel-Gemisch soweit wie möglich herunter gekühlt, damit sich die Hauptmenge des NH3 verflüssigt.

Das flüssige Kältemittel wird dem Kältekreislauf wieder zugeführt, während die Luft mit geringstem Kältemittelanteil über eine Wasservorlage (offener Wasserbehälter) abgelassen wird.

Gegenüber einer Hand-Entlüftung, bei der bis zu 50 g Kältemittel je kg Luft ins Freie gelangen können, wird durch Einsatz eines Entlüfters der Kältemittelverlust bis auf 0,03 kg je kg Luft reduziert.

Aufbau

Der Entlüfter ist ein recht kompaktes Bauteil, was in der Hauptsache aus einem ca. 1,30 m großen DN100-DN150 großem Rohr besteht. In diesem Rohr ist eine Wärmetauscher-Rohrschlange verbaut und an dem Entlüftermantel sind einige DN15-DN25 Anschlüsse. Dazu gehören der Eintritt des Luft-Kältemittel-Gemisches vom Kondensator, die Kältemitteleinspritzung, die Kältemittelabsaugung, der Anschluss für den Luftaustritt, ein Füllstandsschalter und Siede-Druck- bzw. Siede-Temperatur-Überwachung (z. B. RT280A).

Funktion

Die im Behälter eingebaute Wärmeaustausch-Rohrschlange wird im Idealfall mit TK-Ammoniak durchströmt. Entweder mittels Teilstrom beim Pumpenbetrieb oder mit Hochdruckflüssigkeit auf Basis einer DX-Einspritzung.

Das verdampfende Kältemittel in der Wärmetauscher-Rohrschlange wird wieder über die Rücklaufleitung zum TK-Abscheider gebracht bzw. abgesaugt.

Das unter Hochdruck stehende Luft-Kältemittel-Gemisch vom Kondensator wird über ein Tauchrohr bis zum Boden des Entlüfters (unterhalb der Wärmetauscher-Schlange) in eine Verteilkammer geleitet. Der dort eingebaute Düsenboden sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des aufsteigenden Gasgemisches.

Das im Gemisch enthaltene Kältemittel kondensiert an der kalten Wärmetauscher-Rohrschlange aus. Die nicht kondensierbare Luft steigt im Wärmetauscher nach oben und sammelt sich dort. Das über die Rohrschlange auskondensierte Kältemittel lässt langsam das Flüssigkeitsniveau im Entlüfter bis zum Niveauschalter ansteigen.

Spricht der Niveauschalter an, wird über eine Magnetventil-Umschaltung die Flüssigkeitszufuhr zur Wärmetauscher-Rohrschlange geschlossen. Über das Entleerungs-Magnetventil am Boden des Behälters, wird das auskondensierte NH3 aus dem Behältermantelraum durch die Rohrschlange zur Rücklaufleitung und damit zum TK-Abscheider gebracht.

Hat sich im oberen Teil des Entlüfters genügend Luft angesammelt, ändert sich das typische NH3-Verhältnis von Siedetemperatur zu Siededruck. Das Steuergerät (RT280A oder SPS mit Temperatur- und Druckmesswertumformer) weiß jetzt, dass nur noch Luft im Apparat ist und öffnet das Luftablass-Magnetventil.

Die Luft wird über ein kleines Regelventil in einen Wasserbehälter geleitet, wo der restliche NH3-Anteil, welcher noch in der Luft gebunden ist, zu sog. „Salmiakgeist“ umgewandelt wird. Passt das Verhältnis Druck/Temperatur bzw. die eingestellte Ablasszeit, wird das Entlüftungs-Magnetventil wieder geschlossen.

Entsprechend der Luftmenge in der Anlage und der Anzahl der Entlüftungen wird der Wassertank irgendwann einen Sättigungspunkt erreichen. Es lässt sich dann im Maschinenraum der typische beißende NH3-Geruch wahrnehmen.

Lässt sich der NH3-Geruch wahrnehmen, ist dies kein Grund, in Panik zu verfallen. Er kann ein Indiz dafür sein, dass lediglich der Ablasstank mal neues Wasser bekommen muss.

Besondere Vorteile eines Kreutzträger KALEX-Entlüfters

Kreutzträger Kältetechnik KALEX

• Ein KALEX-Entlüfter ist vollständig aus Edelstahl gefertigt und kann somit nicht korrodieren
• Eine große Wärmeübertrager Fläche sorgt bei derKältemittel Verflüssigung für eine saubere Trennung zwischen Kältemittel und Luft
• Die wartungsfreundlichen, betriebssicheren Armaturen und Schaltgeräte gewährleisten den einwand­freien Automatikbetrieb des Apparates
• Der Entlüftungsapparat ist mit allen Armaturen und Steuerelementen komplett vormontiert, eine problemlose Montage kann mit geringem Aufwand erfolgen
• Er kann nachträglich als Insellösung mit eigenständiger Steuerung oder direkt in eine vorhandene SPS integriert werden

Auch bei der Kältemittelversorgung ist der KALEX flexibel. Abhängig von der Anlagenkonzipierung und dem Aufstellungsort kann entweder die Pumpenvorlaufleitung oder mittels Einspritzung von Hochdruckflüssigkeit die Funktion sichergestellt werden.

Mit dem KALEX-Entlüftungsapparat können die wirtschaftlichen und technischen Nachteile durch Luft in der NH3-Kälteanlage vermieden werden, womit die Anlagen Verfügbarkeit erhöht wird.

Autor: Fa. Kreutzträger Kältetechnik