Siedeverzugsregelung bei industriellen Kälteanlagen mit Pumpen-Umlaufbetrieb

Siedeverzugsregelung bei industriellen Kälteanlagen mit Pumpen-Umlaufbetrieb

Was bedeutet „Sieden“ in der Kälteanlage und wo findet es statt?

Das flüssige Kältemittel siedet bzw. verdampft durch Wärmeaufnahme.

Die Aufnahme von Wärme in einer Kälteanlage erfolgt über den Verdampfer im zu kühlenden Raum abhängig von der dem Raum zugeführten Wärmeenergie.

In einem geschlossenen Kältekreislauf verdampft Kältemittel in Abhängigkeit vom Druck bei unterschiedlichen Temperaturen.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf das Kältemittel R717 - Ammoniak als Tiefkühlanwendung mit einer Verdampfungstemperatur von -35°C (entspricht -0,07 bar).

Je tiefer die angestrebte Verdampfungstemperatur ist, desto schwerer fällt der Siedeverzug ins Gewicht. Das nachfolgende Beispiel wird dies verdeutlichen.

Wann kommt es zum sog. Siedeverzug in einer Kälteanlage mit Pumpenumwälzung?

Eine Pumpen-Kälteanlage hat einen standardmäßigen Umwälzfaktor von 3.

Das bedeutet, dass die umlaufende Menge an Kältemittel 3-mal so hoch ist wie eigentlich für die Verdampfung benötigt. Folglich werden im Verdampfer nur 1/3 des Kältemittels verdampft, die restlichen 2/3 werden in flüssiger Form zurück zum Flüssigkeitsabscheider geführt. Aufgrund konstruktiver Umstände ist eine steigende Saugleitung direkt nach dem Verdampfer oftmals unumgänglich.

Hier bildet sich, anders als bei der trockenen Verdampfung, bedingt durch den Flüssigkeitsanteil eine Flüssigkeitssäule in der Steigleitung. Das statische Gewicht dieser Flüssigkeitssäule lastet nun vereinfacht gesagt als Gegendruck über dem Verdampfer-Ausgang. Ein Druckanstieg in Abhängigkeit der geodätischen Höhe dieser Flüssigkeitssäule und dem daraus resultierenden Gewicht ist die Folge

Praktisches Beispiel:

Wasser siedet bekanntlich bei 100°C. Dies ist aber nur der Fall, wenn man sich dabei auf Meeresspiegelhöhe befindet. Wird Wasser beispielsweise auf einem Berg 4000 m ü NHN (über Normalhöhenmeter) erwärmt, wird es bereits bei ca. 86°C sieden. Grund dafür ist der Luftdruck über der Wasseroberfläche, je höher man sich über dem Meer befindet, desto geringer wird der Luftdruck. Im Verdampfer kann man es sich ähnlich vorstellen. Wobei der Verdampfer-Ausgang den Meeresspiegel darstellt und das Ende der darauf lastenden Flüssigkeitssäule stellt den Berggipfel dar.

Druckverluste im System

Grundsätzlich ist festzuhalten, dass immer ein Druckverlust aufgrund von Rohrlängen, Armaturen und Reibungswiderständen in einer Kälteanlage entsteht. Dieser Gesamtdruckverlust sollte max. 1-2 K nicht übersteigen, um einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage zu gewährleisten.

In unserem Beispiel nehmen wir 1 K (entspricht 1°C) Druckverlust über diese Strecke an.

Das bedeutet:

1. Verdampfungsdruck am Verdichter: -35°C (-0,07 bar)
2. Verdampfungsdruck im Verdampfer: -34°C (-0,02 bar)

Wann kommt es zu einer Flüssigkeitssäule am Verdampfer-Ausgang?

Eine Flüssigkeitssäule kann entstehen, wenn:

1. die Strömungsgeschwindigkeit in der Steigleitung zu gering gewählt wurde und das flüssige Kältemittel nicht „mitgerissen“ werden kann.
2. die Länge der Steigleitung zu groß ist und deswegen die Flüssigkeit nicht mitgerissen werden kann.
3. im Teillast-Betrieb des Verdampfers (geringe Wärmelast) durch Abnahme der Strömungs-geschwindigkeit die Flüssigkeit nicht mitgerissen werden kann.

Der Teillast-Betrieb eines Verdampfers ist nicht vermeidbar. Unabhängig von der sorgfältigen Leitungsdimensionierung für den Volllast Betrieb, wird sich bei geringer Wärmelast zwangsläufig eine Flüssigkeitssäule am Verdampfer-Ausgang bilden.

 Auswirkung auf Verdampfungstemperatur und Energiebedarf

Energetische Betrachtung der Kälteanlage anhand eines Beispiels.

Unabhängig vom Hersteller und Verdichter-Typ soll hier nur die Tendenz des höheren Strombedarfs verdeutlicht werden. Jeder konkrete Anwendungsfall muss separat betrachtet werden.

Berechnung des theoretischen Siedeverzuges:

1. Dichte flüssiges NH3 bei -34°C = 682,7 kg/m³
2. Verdampfungsdruck NH3 bei -34°C = -0,02 bar
3. 5m Flüssigkeitssäule = statischen Druck von etwa = 0,3413 bar (theor.)
4. Verdampfungsdruck -0,02 bar + statischer Druck 0,3413 bar = 0,321 bar
5. 0,321 bar entspricht einer Verdampfungstemperatur von etwa -28°C

Schlussfolgerung:

1. Verdampfer Auslegung bei to= -34°C
2. Siedeverzug beträgt ca. 6 K durch den statischen Druck der Flüssigkeitssäule
3. Verdampfungstemperatur im Luftkühler somit -34°C +6 K = -28°C
4. notwendige Absenkung der Verdampfungstemperatur um 6 K auf -40°C
5. notwendige Verdampfungstemperatur am Verdichter -35°C -6 K =-41°C

Annahme / Auslegung:

Folgende Tabelle zeigt die Kälteleistung eines ND-Verdichters bei unterschiedlichen Betriebs-bedingungen. Hierbei ist klar zu erkennen, dass in einer 2-stufigen Kälteanlage bei Absenkung der Verdampfungstemperatur auch die Kälteleistung des Verdichters sinkt.

t0  - Verdampfungstemperatur

tc - Verflüssigungstemperatur

Q0 - Kälteleistung

Der Energieaufwand zu Energienutzen (COP – coefficient of performance) hat sich somit in diesem rein theoretischen Beispiel um etwa. 23% verschlechtert.

Siedeverzugsregelung

Zur Vermeidung des erhöhten Energieaufwandes bzw. der Leistungsverluste ist die Aufgabe der Siedeverzugsregelung keine Flüssigkeitssäule entstehen zu lassen!

Die Siedeverzugsregelung erfolgt über die Druckdifferenz zwischen dem Verdampfer-Austritt und der Sammelleitung, z. B. verlegt auf dem Dach des Gebäudes

Steigt der Druck am Verdampfer-Austritt und somit die Druckdifferenz, bedeutet das eine Flüssigkeitssäule in der Steigleitung. Zum Referenzdruck in der Sammelleitung wird die Flüssigkeitszufuhr in den Verdampfer gedrosselt. Sinkt der Druck und damit die Druckdifferenz, wird die Flüssigkeitszufuhr wieder erhöht.

Mit dieser Technik wird sichergestellt, dass nur der Verdampfer voll flüssigem Kältemittel steht. Es entsteht keine Flüssigkeitssäule, kein statischer Druck auf dem Verdampfer und somit auch kein Siedeverzug.