Die Verflüssigung und Wärmerückgewinnung in einer Kälteanlage

Die Verflüssigung von Kältemittel

Wenn überhitzter Dampf in einem Wärmeübertrager gekühlt wird, treten die folgenden Schritte auf (Bild 01):

◆  Dampfenthitzung. Das ist normale Gaskühlung.

◆   Kondensation an der Wand. Eine bestimmte Unterküh­ lung des Dampfes ist notwendig. Die Verflüssigung kann nur beginnen, wenn geeignete Kondensationskeime vor­ handen sind. Das können eine Wärmeübertragerober­ fläche, ein Staubpartikel usw. sein. Beachten Sie die Ähnlichkeit zum Sieden.

◆    Unterkühlung des Kondensats.

 Bild 01: Kondensationstemperaturprofil

A) Ein „normales" Temperaturprofil. Der Temperatur- Pinch sollte nicht näher als ein paar Grad sein.

B) Wenn der Wasserdurchsatz zurückgeht, steigt die Aus­ trittstemperatur. Aber lange bevor sie die Dampftemperatur reicht, gibt es einen Temperatur-Pinch an jenem Punkt, wo de Dampf zu kondensieren beginnt.

C) Es ist etwas ironisch, daß die Austrittstemperatur umso höher sein kann, je geringer die Wassereintrittstemperatur ist.

Die Verflüssigung lässt sich in folgende Arten einteilen:

◆   Tropfenkondensation tritt auf, wenn die Flüssigkeit die Oberfläche nicht benetzt. Das Kondensat bildet Flüssig­keitströpfchen auf der Wärmeübertrageroberfläche. Wenn sie groß genug sind, verschmelzen sie zu größeren Zusammenballungen, die von der Oberfläche abfließen.

◆  Filmkondensation. Wenn die Flüssigkeit die Oberfläche benetzt, bildet sich ein kontinuierlich absinkender Flüssig­keitsfilm. Der Filmfluß kann entweder laminar oder turbulent sein. Der Wärmeübergangskoeffizient für laminare Filmkondensation sinkt mit steigender Strömungs­geschwindigkeit. Wenn turbulente Strömung erreicht ist, steigt der Wärmeübergangskoeffizient wieder an.

Tropfenkondensation weist viel höhere Wärmeübergangskoeffizienten als Filmkondensation auf. Leider ist es schwierig, eine stabile Tropfenkondensation aufrecht zu erhalten, des­halb ist es schwierig, einen Verflüssiger mit diesem Verflüssi­gungsverfahren zu konstruieren. In bestimmten Fällen - z. B. Verflüssigung auf Teflon - ist es möglich, eine stabile Tropfen­kondensation zu erreichen. Es ist denkbar, dass Verflüssigung von Dampf auf einer öligen Oberfläche, die nicht von Konden­sat benetzt wird, Tropfenkondensation hervorrufen kann. Ein Beispiel dafür könnte der Ammoniakverflüssiger einer Kälte­anlage sein, wo das Ammoniak Öl in Form von Tröpfchen liefert.

Verflüssigeranordnung

Die Auswahl des Verflüssigertyps, des Kühlmediums, des Temperaturniveaus, des Regelsysterns usw. hängt sehr stark vom Zweck der Anlage ab. Nach­folgend sind nur einige Beispiele benannt:

A) Wenn der Verflüssiger in einer Klima- oder Kälteanlage ohne Wärmerückgewinnung installiert ist, ist der einzige Zweck dieses Verflüssigers, die Wärme in einer geeigneten Senke zu deponieren. Der Verflüssigertyp ist dann abhängig von dieser Senke und muß für die gegebenen Daten so klein wie möglich sein.

B) Die richtige Verflüssigungstemperatur, oder besser der Druck in einer Installation wie in A), ist abhängig vom Typ des Verdampfers:

Ein Direktverdampfungssystem bedarf eines bestimmten Mindestdrucks, um das TEV mit einer ausreichenden Trieb­ kraft zu versorgen. 

Die Triebkraft in einem überfluteten System ist weniger kri­tisch und der Verflüssigungsdruck könnte so eingestellt werden, dass er sich mit der Temperatur des Kühlmediums ändert, wodurch auch Antriebsenergie für den Verdichter gespart wird.

C)  Eine Klimaanlage kann zur Wärmerückgewinnung aus dem Verflüssiger genutzt werden, gewöhnlich der höher­ wertigen Wärme des überhitzten Dampfes. Hierfür wird ein spezieller Enthitzer, - ein wassergekühlter Wärmeübertrager - verwendet. Das Regelsystem könnte so eingestellt sein, daß eine Mindestkältemitteltemperatur aufrechterhalten bleibt, um die erforderliche Wassertemperatur zu gewährleisten.

D) In einer Wärmepumpe ist die Verflüssigung die primäre Aufgabe. Die Verflüssigung könnte aufgeteilt sein in einen Enthitzer zur Erwärmung von Leitungswasser und in einen Verflüssiger zur Raumheizung. Das Regelsystem müßte so eingestellt sein, daß eine vorgegebene Mindesttemperatur aufrechterhalten wird.

Temperaturprofil

In einem Verflüssiger tritt das Kältemittel überhitzt ein, mit Temperaturen, die etwa zwischen 60°C und 120 °C liegen. Höhere Temperaturen als 120 °C werden, obwohl möglich, selten vorkommen, da das Öl im Verdichter sich dann zu zersetzen beginnt. Das System ist folglich so ausgelegt, daß die Druckgastemperatur unter diesem Wert bleibt. 

Wie in allen Wärmeübertragern kann sich die Temperatur der kalten Seite der Temperatur der warmen Seite nur annä­hern, sie aber niemals ganz erreichen. Wenn die Wasseraus­trittstemperatur infolge eines verringerten Wasserdurchsatzes steigt, nähert sich die Wassertemperaturkurve der Dampf­temperaturkurve an. Aber nicht an der Endtemperatur, son­dern an dem Punkt, wo der Dampf zu kondensieren beginnt.

Die Wasseraustrittstemperatur ist immer noch weit von der Dampfeintrittstemperatur entfernt. Bild 01 zeigt dies am Bei­spiel der Enthitzung und Verflüssigung von 1 kg/s R22-Dampf, der mit 87 °C eintritt, bei 45 kondensiert und auf 40 unterkühlt austritt. Dabei werden 3,28 kg/s Wasser 25 - 40 °c erwärmt.

Wärmerückgewinnung

Die Gesamtleistung in Bild 01 liegt bei etwa 206 kW. Es ist verlockend, diese Wärme z. B. zum Erwärmen von Leitungs­wasser zurückzugewinnen. Leider ist nur ein Teil der ge­samten Verflüssigerleistung zum Erwärmen von Wasser auf Temperaturen nahe der Dampfeintrittstemperatur verfügbar. Um Warmwasser zur Verwendung als Leitungswasser ge­eignet zu machen, muß es auf ungefähr 80 °C erhitzt werden.

Im obigen Beispiel wird das Wasser auf 40 °C erwärmt. Was geschieht, wenn wir versuchen, den Wasserstrom zu verringern, urn die Austrittstemperatur zu erhöhen? Bild 01 zeigt deutlich, dass die Austrittstemperatur durch den Temperatur-Pinch-Punkt begrenzt wird. Was ist dann die höchste Austrittstemperatur? Es gilt folgende Beziehung:

 Δtcond / Δttotal = Qcond / Qtotal

Δtcond = 42 - 25 = 20K      (Temperaturerhöhung im Kondensationsabschnitt)

qcond = 167KW      (thermodynamische Auslegung)

Qtotal = 206KW      (thermodynamische Auslegung)

Somit ist Δttotal = 24,7 K und die Austrittstemperatur 49,7 °C, entsprechend die Durchflußmenge: 3,28 • 15 / 24,7 = 2,0 kg/s

Beachten Sie, daß dies die Grenze für einen unendlich großen Verflüssiger ist. Sogar eine niedrigere Durchflußmenge würde eine höhere Temperatur bedeuten, was unmöglich ist. 

Der Nennwasserdurchsatz von 3,28 kg/s ergibt eine Tem­peratur von 37,5 °C am Pinch-Punkt, was etwas unterhalb der praktischen Grenze für einen Wärmeübertrager liegt.

In der Praxis bedeutet eine Verringerung des Wasserdurch­ satzes, dass der Verflüssiger nicht alles verflüssigt. Also muß sich der Pinch-Punkt nach rechts verschieben, um sich an den Verlauf der Wassertemperatur anzupassen. Das gilt unab­hängig von der Größe des Wärmeübertragers. Wenn eine höhere Wassertemperatur nötig ist, gibt es zwei Möglichkeiten dafür, unabhängig voneinander oder in Verbindung:

◆   Wenn ein Wasserdurchsatz von 3,28 kg/s benötigt wird, könnte der Verflüssiger zum Vorheizen des Wassers verwendet werden. Im Winter, wenn die Wassertemperatur gegen null geht, könnte das eine beträchtliche Energie­ einsparung bedeuten.

Es wird ein separater Enthitzer installiert (Bild 02). Ein BPHE ist ausgezeichnet für diese Anwendung geeignet. Hier wird ein geringer Wasserstrom auf 80 °C erhitzt. Die verbleibende latente Wärme  wird  entweder  in  einem  Wasser  oder einem luftgekühlten Verflüssiger abgeführt.

In einem PHE ist der Druckabfall normalerweise groß genug, um eine Aufwärts-Dampfströmung zu erlauben. Die unvermeidliche Verflüssigung bedeutet, daß Tröpfchen (flüssiges Kältemittel und Öl) sich aufwärts bewegen müssen und ein gewisser Mindestdruckabfall in Höhe von 1 - 3 kPa/m Strömungsweg notwendig ist.

Bild 02: Enthitzer und Verflüssiger

Eine Möglichkeit, höhere Temperaturen zu erzielen, was z. B. bei der Erwärmung von Leitungswasser notwendig ist, besteht darin, die Enthitzungs- und Kondensationsaufgaben zu trennen. Der Enthitzer erwärmt eine kleinere Wasser­menge in einem PHE auf etwa 80 °C, und der gesättigte Dampf wird in einem separaten Verflüssiger verflüssigt.

Hier wird eine Lufteinheit eingesetzt, aber es könnte ebenso ein PHE verwendet werden, abhängig davon, wie (und ob) die latente Wärme genutzt wird.

Enthitzer und Verflüssiger vom selben PHE-Modell, entweder gelötet, geschweißt oder kassettengeschweißt, können integriert werden.

Inerte

Wenn ein Dampf, der ein lnertgas enthält, in einem Verflüssiger kondensiert, ist folgendes Phänomen zu beo­ bachten (Bild 03):

Bild 03: Inerte

a)  Die wandnahe Dampfschicht wird zunehmend mit Gas angereichert, während die Verflüssigung fortschreitet. Dieser Gasfilm ist wie eine Barriere für den Dampf. Der Dampf hat keinen direkten Zugang zur kalten Oberfläche, um zu kondensieren. Er muß zuerst durch die lnertgas­ schicht diffundieren.

b)  Der Partialdruck des Dampfes sinkt und das Dampf-Gas-Ge­ misch muß abgekühlt werden, damit der Sättigungszustand erhalten bleibt und die Verflüssigung weitergehen kann.

c)  Der  Volumenstrom des Dampf-Gas-Gemisches und  der Wärmeübergangskoeffizient sinken.

d)  Wenn das lnertgas nicht entfernt wird, steigt der Druck an, bis das Hochdruck-Pressostat den Verdichter abschaltet.

Sogar geringe Mengen nichtkondensierbarer Gase (Inerte) können die Wärmeübergangskoeffizienten und die MTD be­ trächtlich verringern, oder schlimmer: den Betrieb der Anlage gänzlich ausschließen. Obwohl nichtkondensierbare Gase normalerweise in einem Kältemittelkreislauf nicht vorkommen sollten, kann dies beispielsweise durch folgende Umstände geschehen:

1)  Zersetzung des Kältemittels oder des Öls.

2)  Eine defekte Vakuumpumpe.

3)  Die Anlage wurde vor Inbetriebnahme nicht richtig evakuiert.

4)  Ein bei Unterdruck arbeitender Verdampfer.

5)  Durchlaufinstallation, siehe Beispiel unten.

Beispiel:

Eine Anlage mit einem WPHE zur Propanver­flüssigung wurde des öfteren durch Ansprechen des Hoch­druck-Pressostaten abgeschaltet. Es wurden Inerte vermutet. Ein Test ergab aber nur 100 % Propan. Eine nähere Untersuchung zeigte, daß es sich nicht um echte Kälteanlage handelte. Das Propan stammte aus Flüssiggastanks, in denen stets etwas Flüssigkeit verdampft. Dieser Propandampf wird verdichtet, verflüssigt und dann in das Tanklager zurückgeleitet. Wenn der Tank geleert wird, wird der leere Raum über dem Propan mit einem lnertgas gefüllt, normalerweise Stickstoff. Der zu verdichtende Propandampf enthält also Stickstoff.

Ferner war der Analysator eigentlich ein Butangerät und das Ergebnis wurde über x % Butan = y % Propan auf Propan umgerechnet. Auf diesem Wege ist es aber nicht möglich, zwischen 100 % oder z. B. 99,9 % Propan zu unterscheiden. (Ein Stickstoff-Test wäre besser gewesen, der Unterschied zwischen O % und 0,1 % ist groß.)

Die Installation eines Entlüftungssystems löste das Problem.

Quelle: Alfa Laval