Hauptkomponenten der Kälteanlage

Kältetechnik - Einführung in die Grundlagen - Hauptkomponenten der Kälteanlage

Der Verdichter

Aufgabe des Verdichters ist es, aus dem Verdampfer Dampf zu saugen und diesen in den Verflüssiger hineinzufördern. Die gängigen Typen sind Hubkolben-, Schrauben- und Scrollverdichter

Der Hubkolbenverdichter deckt einen großen Leistungsbereich ab: vom kleinen hermetischen Kühlschrankverdichter bis zum großen 8 - 12 Zylinder Modell für industrielle Anwendungen.

Bei hermetischen Verdichtern für Kleinstleistungen sind Verdichter und Antriebsmotor in einer Einheit integriert. In Anlagen mit mittlerer Kälteleistung werden vielfach hermetische Verdichter sowohl als Hubkolben- wie auch als Scroll-Ausführung eingesetzt. Anwendungen sind neben Klimaanlagen auch Kaltwassersätze

In größeren Anlagen ist der halbhermetische Verdichter oft anzutreffen. Sein Vorteil ist, dass die Achse gegen den Motor nicht abgedichtet werden muss. Tritt ein Leck in einer solchen Dichtung auf, ist diese nur sehr schwer auszuwechseln. Allerdings kann dieses Prinzip in Ammoniakanlagen nicht angewendet werden, da Ammoniak die Motorwicklungen angreift.

Verdichter größerer Abmessungen sowie sämtliche Ammoniakverdichter sind als “offene” Verdichter konstruiert; d.h. mit dem Motor außerhalb des Kurbelgehäuses. Die Antriebsenergie kann mittels einer Kurbelwelle oder eines Keilriemens übertragen werden.

Für besondere Anwendungen gibt es ölfreie Verdichter. In der Regel ist das Schmieren von Lagern und Zylinderwänden jedoch unumgänglich. Bei großen Kälteverdichtern wird das Öl mittels einer Pumpe umgewälzt.

Der Verflüssiger

Der Zweck des Verflüssigers ist das Entfernen der Wärmemenge, die sich aus der Verdampfungswärme und der während des Verdichtens zugeführten Energie zusammensetzt. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Verfüssigerbauformen.

Bündelrohrverflüssiger: Dieser Verflüssigertyp wird bei genügend vorhandenem Kühlwasser eingesetzt. Es besteht aus einem horizontalen Rohrmantel mit angeschweißten Eintritts- und Umlenkplatten, welche die Innenrohre stützen. Die beiden Enddeckel sind durch Bolzen und Rohrmantel befestigt.

Das Kältemittelkondensat durchströmt den Mantelraum, während das Kühlwasser durch die Innenrohre geführt wird. In den Enddeckeln geschieht durch Trennplatten eine Umlenkung des Wassers, das auf diese Weise mehrmals den Verflüssiger durchläuft. In der Regel wird der Verflüssiger auf eine Kühlwassererwärmung von 5-10 K bemessen.

Sofern eine Reduzierung der umgewälzten Wassermenge wünschenswert oder gar notwendig ist, kann ein Verdunsterverflüssiger eingesetzt werden. Dieser Verflüssigertyp besteht aus einem Gehäuse mit eingebauter Verflüssigerrohrschlange, Wasserverteilerrohren, Tropfenabscheider und Lüftern. Das gasförmige Kältemittel tritt am oberen Ende der Rohrschlange ein und verläßt diese am unteren

Ende in flüssigem Zustand. Aus Verteilerrohren, die über der Rohrschlange angebracht sind, wird Wasser durch Düsen auf die Rohrschlange gesprüht, wonach es in die Tropfwanne hinunterfällt. Lüfter sorgen für einen kräftigen, nach oben gerichteten Luftstrom. Die dazu benötigte Verdamp-fungswärme wird dem Kältemittel entzogen, das damit zu kondensieren anfängt.

Das Prinzip der Wasserverdunstung wird auch in den sogenannten “Kühltürmen”angewendet. Sie werden in Verbindung mit Bündelrohrverflüssigern eingesetzt. Das Kühlwasser zirkuliert dann zwischen diesen beiden Einheiten. Der Kühlturm ist im Prinzip wie ein Verdunstungsverflüssiger aufgebaut, jedoch ist anstelle des Verflüssigungs-Wärmeaustauschers ein Register

zur Tropfenabscheidung eingebaut. Luft erwärmt sich während ihrer Strömung durch den Kühlturm im Gegenstrom zum herabfallenden Wasser. Die Wärmeaufnahme geschieht in erster Linie durch Verdunstung eines Teils des umgewälzten Wassers. Das verdunstete Wasser steht dem Kühlkreislauf nicht mehr zur Verfügung und muss durch Zusatzwasser ersetzt werden.

In den Fällen, in denen zur Abführung der Verflüssigerwärme kein Wasser zur Verfügung steht, bietet sich der Einsatz eines luftgekühlten Verflüssigers an. Aufgrund der schlechteren Wär meübertragungseigenschaften von Luft im Vergleich zu Wasser ist hier eine große, äußere Wärmeübertragungsfläche notwendig. Durch die Anwendung von Lamellen oder Rippen, die auf den Verflüssigerrohren montiert sind, sowie durch einen genügend großen, durch Lüfter erzeugten Luftdurchsatz erreicht man entsprechende Leistungen wie beim Kühlwasserbetrieb.

Normalerweise wird dieser Verflüssigertyp in der Gewerbekälte angewendet.

Das Expansionsventil

Die Aufgabe des Expansionsventils ist es, den Verdampfer mit einer passenden Menge Kältemittel zu versorgen. Die Kältemittelzufuhr geschieht durch den Druckunterschied zwischen der Verflüssigerund Verdampferseite. Die einfachste Lösung dieser Aufgabe erreicht man mit Hilfe eines Kapillarrohres, das zwischen Verflüssiger und Verdampfer eingebaut wird.

Ein Kapillarrohr findet jedoch nur Anwendung in kleineren, einfachen Anlagen wie z.B. Kühl- und Gefrierschränken, da es keine Regeleigenschaften besitzt. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, muss ein Expansionsventil verwendet werden. Es besteht aus einem Gehäuse, einer Kapillare und einem Fühler. Das Gehäuse wird in die Flüssigkeitsleitung eingebaut und der Fühler am Verdampferaustritt angebracht.

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Flüssigkeitseinspritzung eines Expansionsventils in einen Verdampfer. Im Fühler befindet sich eine kleine Menge flüssige Füllung. Im restlichen Teil des Fühlers, der Kapillare und des Raumes über der Membrane befindet sich gesättigter Dampf bei einem Druck, welcher der Temperatur des Fühlers entspricht. Der Raum unter der Membran steht in unmittelbarer Verbindung mit dem Verdampfer, so dass der dor t herrschende Druck dem Verdampfungsdruck entspricht.

Der Öffnungsgrad des Ventils wird bestimmt durch:

1. den Füllungsdruck über der Membrane,
2. den Verdampfungsdruck unter der Membrane
3. den Federdruck unter der Membrane.

Während des normalen Betriebes ist kurz vor dem Verdampferaustritt das eingespritzte Kältemittel gänzlich verdampft. Im letzten Teil des Verdampfers wird der gesättigte Dampf überhitzt. Die vom Fühler erfasste Temperatur entspricht somit der Verdampfungstemperatur plus der Überhitzung, z.B. bei einer Verdampfungstemperatur von -10 °C kann die Fühlertemperatur 0 °C betragen.

Wird zu wenig Kältemittel eingespritzt, erhitzt sich der Kältemitteldampf noch mehr, was einen Temperatur- und Druckanstieg im Fühler mit sich führt. Demzufolge biegt sich die Membrane nach unten durch und öffnet über den Druckstift das Ventil entsprechend. Im umgekehrten Fall verkleinert sich die Ventilöffnung bei fallender Fühlertemperatur.

Es gibt die unterschiedlichsten Versionen von thermostatischen Expansionsventilen und darüber hinaus werden viele Variaten der einzelnen Typen gefertigt.

Der Verdampfer

Abhängig von der Anwendung werden unterschiedliche Anforderungen an den Verdampfer gestellt. Daher gibt es eine Vielzahl von Verdampferbauarten.

Verdampfer für natürliche Konvektion oder “stille Kühlung” werden wegen ihrer schlechten Wärmeübertragung verhältnismäßig selten eingesetzt. Sie bestehen oft aus berippten Rohren.

Sofern ein Luftstrom mittels eines Lüfters durch den Verdampfer geleitet wird, erhöht sich seine Kälteleistung erheblich. Durch die erhöhte Luftgeschwindigkeit verbessert sich die Wärmeübertragung von der Luft zum Verdampferrohr in einem solchen Maße, dass für gleiche Leistungen kleinere Verdampfer eingesetzt werden können.

Zur Flüssigkeitskühlung werden verschiedene Verdampfer angewendet. Die einfachste Ausführung besteht in einer Rohrschlange, die in einem offenen Wassertank versenkt wird. Geschlossene Systeme in Form von Bündelrohrverdampfern sind jedoch am häufigsten anzutreffen.

Praktischer Aufbau einer Kälteanlage

Abbildung A zeigt das Prinzip einer Kälteanlage für einen einfachen Kühlraum, wie er häufig in Metzgereien oder in Supermärkten anzutreffen ist.

Der Verflüssigungssatz kann beispielsweise in einem anliegenden, belüfteten Raum installiert werden. Er besteht zum Einen aus einem Verdichter. Auf dem Grundrahmen ist zusätzlich noch ein luftgekühlter Verflüssiger sowie ein Sammler montiert. Ein auf der Motorachse angebrachter Lüfter sorgt für den Luftdurchsatz durch den Verflüssiger sowie für die Verdichterkühlung. Die Leitung zwischen Verdichter und Ver flüssiger nennt man Heißgasleitung.

Heutzutage werden häufig Verdichter halbhermetischer oder hermetischer Bauweise verwendet.

Vom Sammler führt eine unisolierte Flüssigkeitsleitung zum Expansionsventil, das sich im Kühlraum unmittelbar am Verdampfereintritt befindet. Der Verdampfer enthält ein dicht beripptes Rohrregister und ist noch mit einem Lüfter und einer Tropfwanne ausgestattet.

Vom Verdampferaustritt führt die sogenannte Saugleitung zurück zum Verdichter. Ihr Durchmesser ist etwas größer als der der Flüssigkeitsleitung, da sie großvolumigen Dampf leiten muss. Wegen möglicher Tropfen- oder Reifbildung am Außenrohr ist diese Leitung normalerweise isoliert.

Abbildung B zeigt die momentanen Druck- und Temperaturverhältnisse in einer solchen Anlage. Am Verdichteraustritt herrscht ein Druck von 7,6 bar und eine Temperatur von 60 °C, denn es handelt sich um stark überhitztes Gas. Im oberen Teil des Verflüssigers fällt die Temperatur schnell auf den Sättigungspunkt, der bei dem genannten Druck 34°C entspricht. Bei dieser Temperatur beginnt die Verflüssigung.

Der Druck im Sammleraustritt ist in etwa der gleiche, aber aufgrund der entstandenen Unterkühlung ist die Temperatur um 2 K auf +32 °C gefallen. Im Verdampfer wird ein Druck von 1 bar und eine Verdampfungstemperatur von -10 °C angezeigt. Im hinteren Teil des Verdampfer erhöht sich die Temperatur bei gleichbleibenden Druck, so dass die Fühlertemperatur, entsprechend der Überhitzungseinstellung am Expansionsventil, +2°C beträgt.

Wie unten dargestellt, ändert sich während der Strömung durch den Raum die Lufttemperatur bedingt durch die Wärmeaufnahme von den eingelagerten Waren, den Wänden, der Beleuchtung etc.. Die Temperatur, der durch den Verflüssiger strömenden Außenluft ändert sich ebenfalls entsprechend der Jahreszeit.

Eine Kälteanlage muss auf der Grundlage Ihrer größten Belastung ausgelegt werden. Um auch im Teillastbereich gut funktionieren zu können, sind Hilfsmittel notwendig. Die Anpassung an Teillastverhältnisse wird durch den Begriff Regelung abgedeckt. Dies Aufgabe wird durch das Danfoss Automatikprogramm gelöst, welches alle benötigten Komponenten für einen Kältemittelkreislauf umfaßt. Auf eine nähere Beschreibung wird in dieser Druckschrift verzichtet, wir verweisen auf die entsprechende Danfoss Literatur.