Thermostate für Kälteanlagen

Aufgaben eines Thermostaten – Raumtemperaturregelung

Man könnte fast soweit gehen und behaupten, dass das inoffizielle fünfte Hauptbauteil einer Kälteanlage neben dem Verdichter, dem Drosselorgan und Verflüssiger bzw. Verdampfer der Thermostat ist. Das liegt daran, dass selbst bei einfachsten Kompressionskälteanlagen wie dem Kühlschrank immer ein Thermostat zur Raumtemperaturregelung verwendet wird. In diesem Fall schaltet entweder der Thermostat den Verdichter direkt zu und wieder ab oder aber ein Schütz bzw. ein Relais. Alternativ dazu ist bei der Verwendung von „pump down“- oder „pump out“-Schaltungen auch die direkte Schaltung der Magnetventilspule möglich. Damit kann eine zu hohe Kontaktbelastung, wie sie bei der Verdichterdirektlast auf dem Thermostaten entstehen würde, umgangen werden. Sollte in der Anlage kein Magnetventil in der Flüssigkeitsleitung verbaut sein, dann kann diese Schaltungsvariante naturgemäß nicht angewandt werden. Die Verwendung als Raumthermostat unterstellt, dass es sich um eine Anlage handelt, bei der der Verdampfer die Luft abkühlt.

Wasser- und Soletemperaturregelung

Kühlt der Verdampfer jedoch nicht die Luft, sondern Kaltwasser oder Sole, so kann der Thermostat beispielsweise auch die Wassertemperatur regeln. Ein solcher Regelthermostat wird üblicherweise in den Rücklauf (der Kälteträger Wasser kommt vom Verbraucher, z.B. einer Kaltwassertruhe, zum Verdampfer zurück) eingebaut. Im Vorlauf findet man dann normalerweise einen zusätzlichen Thermostat, den Frostschutzthermostat. Er verhindert – neben einem Strömungswächter – die Unterschreitung bestimmter Schwellenwerte, die zu einer Vereisung des Wasserkreislaufs und damit zu Frostsprengungen z.B. im Verdampfer führen könnten. Dies ist deshalb eine Gefahr, da sich das Volumen von Wasser nach dem Aggregatszustandsübergang zu Eis um etwa 10 % vergrößert und damit bei eingeschlossenem Wasser schnell zu größeren Schäden führen kann. Natürlich ist es trotzdem möglich, auch bei Kaltwassersystemen einen Raumthermostat zu verwenden, auch dann, wenn der Raum mit Kaltwassertruhen gekühlt wird.

Abtaubegrenzung

Zurück zur eigentlichen Kältetechnik: Ein weiterer Standardanwendungsfall ist der Abtaubegrenzungsthermostat. Um unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden, kann die Abtaulänge durch einen Thermostaten, dessen Fühler idealer Weise im hartnäckigsten Eisnest des Verdampfers plaziert wurde, sehr genau geregelt werden. Dies bietet einen eindeutigen energetischen Vorteil gegenüber der zeitgesteuerten Abtauung, bei der immer über eine bestimmte, fest definierte Zeit abgetaut wird, unabhängig davon, ob der Verdampfer bereits eisfrei ist oder nicht. Noch besser ist in diesem Zusammenhang eine bedarfsgesteuerte Abtauregelung, die allerdings mit einem einfachen Thermostaten nicht mehr realisierbar ist. Hierzu bedarf es höherqualifizierter Elektronik, die aufgrund von hinterlegten Anlagenkennlinien entscheiden kann, ob eine Abtauung eingeleitet werden muss. Allerdings sollte hier darauf geachtet werden, dass trotz der Funktion „Bedarfsabtauung“ bestimmte Zeitfenster vorgewählt werden können. So wird vermieden, dass nicht ausgerechnet in oder kurz vor der Beschickungsphase eine Abtauung eingeleitet wird.

Verdichtungsendtemperaturüberwachung

Etwas seltener findet man Druckrohrthermostate. Dieser Anwendungsfall soll Verdichter vor zu hohen Verdichtungsendtemperaturen schützen. Gleichzeitig wird das Kältemaschinenöl vor zu hoher thermischer Belastung und damit vor Denaturierung bewahrt. Besonders beim Einsatz von Scrollverdichtern ist diese Schutzmaßnahme häufiger vorzufinden. Sie ist aber auch für Hubkolbenverdichter empfehlenswert.

Fühlerfüllung

Grundsätzlich werden Danfoss-Thermostate der Baureihe „KP“ mit zwei unterschiedlichen Fühlerfüllungen ausgeliefert. Um entscheiden zu können, welche Füllung und welche Geräte für den konkreten Anwendungsfall geeignet sind, ist es wichtig, den Unterschied zu kennen. So handelt es sich zum einen um eine Dampffüllung und zum anderen um eine Adsorptionsfüllung. Der wichtigste Unterschied besteht darin, dass bei der Dampffüllung der Fühler immer kälter plaziert sein muss als das „KP“-Gehäuse. Diese Tatsache rührt daher, dass im Fühlerinneren eine bestimmte Flüssigkeitsmenge zur Verdampfung bereitsteht. Wird diese im Fühler verdampft, so erhöht sich der Druck im Inneren des Fühlersystems und kann den Druckbalg auseinanderdrücken, der wiederum das Kontaktsystem betätigt. Verlagert sich allerdings diese Flüssigkeit hin zum Thermostatgehäuse, so kann sie nicht mehr im Fühler verdampft werden und die Funktion bleibt aus. Das Phänomen ist vergleichbar mit der klassischen Kältemittelverlagerung, bei der sich das Kältemittel auch immer an die kälteste Stelle verlagert. Bei der Adsorptionsfüllung spielt es dagegen keine Rolle, ob die Temperatur am Fühler wärmer oder kälter als am zugehörigen Gehäuse ist.

Bauformen Standardthermostat zur Wandmontage

Grob gesagt gibt es zwei Hauptbauformen von Thermostaten in der Kältetechnik: den einstellbaren Standardthermostat für die Wandmontage und den Kühlschrankthermostat. Der Standardthermostat zur Wandmontage (z.B. Typ „KP“ von Danfoss) mit Raumfühler wird von Anlagenbauern gerne für normale Kühlräume eingesetzt. Thermostate gleicher Bauform werden – nun allerdings mit Fernfühler – auch für die Abtaubegrenzungsfunktion eingesetzt. Dabei ist unbedingt auf die geeignete Fühlerfüllung zu achten. Es empfiehlt sich die Adsorptionsfüllung, da sich diese nicht verlagert, so dass zuverlässig geschaltet wird.

Kühlschrankthermostat

Die zweite Hauptbauform ist der klassische Kühlschrankthermostat. Dieser dient als Raumthermostat für Kühlschränke, wird aber auch gerne bei kleineren Thekenkühlungen und ähnlichem verwendet. Die Vorteile eines Kühlschrankthermostaten sind der sehr moderate Preis und die optimierte Langlebigkeit des Produktes. Bei eventuellem Austausch im Servicefall ist folgendes zu beachten: Kühlschrankthermostate gibt es in zahllosen Varianten, die sich jedoch nur in sehr wenigen Details unterscheiden. Dabei handelt es sich um die Länge des Kapillarrohrfühlers, die Temperaturschaltpunkte sowie die Frage, ob es eine automatische Abtauung bzw. konstante Wiedereinschalttemperatur im Temperaturplusbereich ist und ob ein Signal parallel oder entgegen des Wirksinns mitgeschaltet werden soll. Aus diesem Grund kann zur Abdeckung von Servicefällen auf wenige Servicethermostate zurückgegriffen werden, was die Aufgabe erheblich erleichtert. Bei Danfoss gibt es acht Servicethermostate, die durch einen extra breiten Temperaturbereich und ein längeres Kapillarrohr den überwiegenden Teil von Kühlschrankthermostaten im Reparaturfall ersetzen können. Für den Kälteanlagenbauer sind hier besonders der Servicethermostat Nr. 3 und 8 wichtig. Der Servicethermostat Nr. 3 ist für Kühlschränke mit automatischer Abtauung bzw. konstanter Wiedereinschalttemperatur geeignet, die heute in der Mehrzahl verwendet werden. Für die Kleinkälte ist der Servicethermostat Nr. 8 wichtig, da er gerne für Getränkeautomaten und Spirituosenkühlung in der Gastronomie eingesetzt wird. Er bedient eher den oberen Verdampfungstemperaturbereich. Mit diesem Thermostaten sind auch Saladetten gut regelbar. Selbstverständlich gibt es grundsätzlich noch andere mechanische Thermostattypen. An dieser Stelle sollen aber nur die wichtigsten Bauformen, die in der Kältetechnik Verwendung finden, beschrieben werden.

Fühlertypen

Für die verschiedenen Anwendungen der Thermostate gibt es auch diverse Fühlerbauformen, die für den entsprechenden Verwendungszweck optimiert sind. Für die Messung des Raumistwerts ist meist eine feste Spindel unter dem Thermostaten (Typ „KP“ oder „RT“) montiert. Für die Verwendung als Verdampferthermostat kann ein einfacher Kapillarrohrfühler oder ein zylindrischer Fernfühler mit Kapillarrohrverbindung zum Hauptgerät verwendet werden. Für die Montage an eine Rohrleitung – z.B. bei Überwachung der Verdichtungsendtemperatur am Druckstutzen eines Verdichters – empfiehlt sich der zylindrische Fernfühler. Um schließlich die Temperatur in einem Lüftungskanal zu regeln oder zu überwachen, gibt es spezielle Kanalfühler.

Kontaktbelastung

Ein wichtiger Punkt beim Einsatz von Thermostaten mit potentialfreien Kontakten ist die Kontaktbelastung. Auf die drei verschiedenen Werte zur Kontaktbelastung, die Hersteller in der Regel angeben, wurde schon im Artikel der letzten Ausgabe „Druckschalter“ hingewiesen. Diese Belastungsfälle gelten auch für Thermostate, deshalb an dieser Stelle nochmals eine kurze Zusammenfassung. Bei diesen drei Werten handelt es sich um den rein ohmschen Wert (in diesem Fall ist klassisch die höchste Kontaktbelastung möglich), den teilinduktiven und den rein induktiven Belastungsfall. Ein Beispiel für eine ohmsche Belastung (Lastbezeichnung: AC1) ist eine Elektrowiderstandsheizung für die Abtauung. Dieser Belastungsfall ist bei der Auswahl eines Abtaubegrenzungsthermostaten, über den direkt die Heizung geschaltet wird, auszuwählen. Teilinduktiv (AC3) ist beispielsweise ein Elektromotor. Natürlich fällt darunter auch ein Verdichter, der direkt vom Thermostaten geschaltet wird. Eine Spule (AC15) hingegen, wie sie bei Magnetventilen verwendet wird, wirkt als induktive Last für ein Thermostat-Kontaktsystem.

Elektrischer Anschluss

Bei einem Standard-Thermostaten „KP“ mit Wechselkontaktsystem sind normalerweise drei Anschlusskontakte zu sehen, auf die die Adern des Elektrokabels aufgelegt werden können. Dies ähnelt der Kontaktbelegung bei „KP“-Druckschaltern. Bei den drei Anschlüssen handelt es sich um „Phase rein“ (Kontaktbezeichnung „1“), „Wärmewirksinn“ (Kontaktbezeichnung „2“) und „Kältewirksinn“ (Kontaktbezeichnung „4“). Dabei spielt es keine Rolle, wenn bei einer Zweierbelegung „Phase rein“ („1“) und „Kältewirksinn“ („4“) miteinander verwechselt werden. Der Anschluss „Wärmewirksinn“ („2“) wird in der Kältetechnik eher selten benutzt. Eine Ausnahme besteht zum Beispiel darin, wenn aus bestimmten Gründen gegengeheizt werden muss. Denkbar ist hier die Ansteuerung einer Elektroheizung. Konkret wird bei einem „KP61“ von Danfoss (Raumthermostat) „Phase rein“ auf Kontakt 1 und „Kältewirksinn“ auf Kontakt 4 gelegt.

Einstellung

Die Thermostate zur Wand- bzw. Blechkonsolenmontage „KP“ bieten folgende Einstellmöglichkeiten. An der Frontseite des Gerätes sind zwei getrennt voneinander einstellbare Skalen zu sehen. Dabei handelt es sich links um den Sollwert und rechts daneben um die Differenzeinstellung (Hysterese). Auf der linken Skala wird nun der obere Schaltwert und auf der anderen Seite die Differenz eingestellt. Aus Schaltwert minus Differenz ergibt sich der Abschaltwert. Bei gleichzeitigem Elektroanschluss auf den Kontakten „1“ und „4“ wird nun bei dem links eingestellten Wert eingeschaltet (z.B. der Verdichter geschaltet) und bei diesem Wert minus der rechts eingestellten Differenz wieder abgeschaltet. Beispiel: Wert links „-10“ °C, Wert rechts „6“°C – entspricht einem Abschaltwert von -16 °C. Da es sich hier um ein mechanisches Bauteil handelt, ist der Wert für die Differenz nicht immer genau gleich. Er unterscheidet sich je nach eingestelltem Schaltwert. Der genaue Differenzwert kann entweder empirisch an der Anlage durch Nachjustierung ermittelt oder aber durch ein entsprechendes Nomogramm (Bestandteil der Instruktionen zu „KP“) genau bestimmt werden. Für die Praxis ist die Verfahrensweise „linker Wert minus Differenz an der Skala rechts“ in der Regel ausreichend.

IP-Schutzgrad

Der IP-Schutzgrad kann je nach Örtlichkeit und Umgebungsfaktoren ein weiterer wichtiger Punkt sein. IP-Schnellkurs: Die erste Stelle der beiden Zahlen, die den IP-Schutzgrad ausmachen (z.B. IP54), beschreibt den Schutzgrad für Berührungsschutz, die zweite Stelle den für Wasserschutz. Ein IP-Grad von IP 3* besagt, dass ein Draht mit einem Durchmesser von 2,5 mm nicht in das so zertifizierte Gerät eindringen können darf. IP*3 bedeutet außerdem eine Eignung für fallendes Sprühwasser bis 60 ° gegen die Senkrechte. Pauschal lässt sich sagen, je höher der Schutzgrad, umso besser ist das Gerät gegen Staub-, Schmutzpartikel und gegen Feuchtigkeit geschützt. Standard-Thermostate „KP“ besitzen einen Schutzgrad von IP33 gegen Staub- und Feuchtigkeitseinwirkung. Wird ein Zubehör-Schutzgehäuse eingesetzt, so ist bereits IP55 erreicht. Ist ein noch höherer IP-Schutzgrad erwünscht, so gibt es die Baureihe „RT“, die für besonders unwirtliche Umgebungen konzipiert wurde. Diese besitzen IP-Schutzgrade von 54 bis 66, je nach Ausführung.

Elektronische Thermostate bzw. Kühlstellenregler

Bislang bezogen sich alle Ausführungen ausschließlich auf mechanische Thermostate. Diese Thermostate sind in Bezug auf Zuverlässigkeit, Robustheit und Einfachheit der Anwendung auch in Zukunft kaum aus der Kältetechnik wegzudenken. Dennoch kann es in einigen Fällen sinnvoll sein, elektronische Thermostate bzw. Kühlstellenregler einzusetzen. Speziell durch die Bündelung von Funktionen wie z.B. Raumtemperaturregelung mit Abtaubegrenzung und Anzeige der Raumistwerttemperatur, die es heute bei allen gängigen Kühlstellenreglern gibt, bieten diese Geräte oft Vorteile. Außerdem kann der Wunsch nach spezifischen Hysteresewerten zur Auswahl eines elektronischen Thermostaten führen, da bei mechanischen Geräten nicht immer jeder beliebige Hysterese- bzw. jeder Schaltdifferenzwert realisierbar ist.

Information

Der Inhalt basiert auf der gleichnamigen Broschürenserie der Firma Danfoss (www.danfoss.de/kaelte), die sich mit den grundlegenden Zusammenhängen in Kompressionskälteanlagen und den zugehörigen Grundkomponenten beschäftigt. Die Serie wendet sich an Kältemonteure im Service und Anlagenbau, an Quereinsteiger in die Kältetechnik, an Auszubildende zum Kälteanlagenbauer und an alle, die sich gerne einmal wieder sukzessive das praxisorientierte Basiswissen der Kälte einverleiben möchten.