Allgemeines zur Kälte

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Die Thermodynamik (griech. thermos = Wärme + dynamis = Kraft) oder Wärmelehre ist ein Teilgebiet der klassischen Physik. Es beschreibt den Transport und die Umwandlung verschiedener Energieformen in einem oder mehreren Systemen.

Die Thermodynamik gibt eine Antwort auf alle Probleme, die mit den Veränderungen der Materie verbunden sind, die bei Temperaturänderungen auftreten. Dazu gehören Temperaturmessung, Wärmeübertragung und -umwandlung sowie der Betrieb. Die Geschichte der Thermodynamik beginnt im 18. Jahrhundert mit der Entwicklung von Gesetzmäßigkeiten, die später zur idealen Gasgleichung zusammengefasst wurden. Zu einer eigenständigen Wissenschaft wurde die Thermodynamik jedoch erst im 19. Jahrhundert, an deren Ende sie ihren Höhepunkt erreichte. Bernoulli und Lomonosov haben herausgefunden, dass Atome und Moleküle in Abhängigkeit von der Temperatur in ständiger Bewegung sind. Unter Temperatureinfluss können Feststoffe flüssig werden und Flüssigkeiten in einen gasförmigen Zustand übergehen.

Um thermodynamische Prozesse zu beschreiben, muss man sich zunächst darauf einigen, was genau beschrieben werden soll. Dies führt zum Konzept eines thermodynamischen Systems, in dem thermodynamische Zustandsänderungen auftreten und beschrieben werden. 

Ein System wird üblicherweise als ein räumliches Gebiet definiert, in dem sich Materie in verschiedenen Zuständen befindet.

Offenes System - aus der Umgebung kann Arbeit oder Wärme und Materie auf das System übertragen werden. 

Geschlossenes System - ist durchlässig nur für Arbeit und Wärme.  

Abgeschlossenes System - weder Übertragung von Materie noch Energie jeglicher Art findet in der Umgebung und umgekehrt statt.

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Allgemeines über den Umgang mit Danfoss OptymaTM Verfllüssigungssätzen

Nachfolgend werden allgemeine Informationen und praktische Tipps zur Anwendung der Danfoss OptymaTM Verflüssigungssätze gegeben. OptymaTM Verflüssigungssätze stehen für ein durchgängiges Spektrum von Einheiten mit hermetischen Danfoss Hubkolbenverdichtern. Die Ausführung dieser Baureihe entspricht den Bedürfnissen des Marktes. Um den Überblick über das Programm zu geben, werden generell die einzelnen Unterabschnitte in die unterschiedlichen auf den Verflüssigungssätzen montierten hermetischen Verdichtern eingeteilt.

  1. Danfoss OptymaTM Verflüssigungssätze mit den 1- Zylinder -Verdichtern der Typen TL, FR, NL, SC, SC-TWIN und GS: OptymaTM A01 und A04.
  2. Danfoss OptymaTM Verflüssigungssätze mit den hermetischen 1 - 2 und 4-Zylinder- Verdichtern der Typen MTZ und NTZ: OptymaTM A02.

 

 

Ausstattung

Danfoss OptymaTM Verflüssigungssätze werden mit Verdichter und Verflüssiger auf Schienen oder Grundplatte montiert geliefert. Die elektrische Verdrahtung erfolgt mit Hilfe von Klemmkästen. Zusätzlich können Absperrventile, Lötadapter, Sammler, Doppeldruckschalter oder Netzkabel mit Schukostecker den Lieferumfang vervollständigen. Bitte entnehmen Sie Details und Bestellnummern den einschlägigen technischen Danfoss Unterlagen oder der gültigen Preisliste. Ihre zuständige Danfoss Verkaufsniederlassung ist Ihnen bei der Auswahl gerne behilflich.

 

 

Spannungsversorgung und elektrische Ausrüstung

A01 und A04 Diese Verflüssigungssätze sind mit herme- tischen Verdichtern und Lüfter für Netze mit 230 V-1 Ph-50 Hz ausgestattet. Die Verdichter sind mit einer HST-Anlaufvorrichtung (Verdichter kann gegen Druck anlaufen) bestehend aus einem Anlaufrelais und einem Anlaufkondensator versehen. Diese Bau- teile können auch als Ersatzteile geliefert werden. Der Anlaufkondensator ist für kurze Einschaltzyklen konzipiert (1,7% ED).

Das bedeutet für die Praxis, dass die Ver- dichter bis zu 10 Starts pro Stunde mit einer Einschaltdauer von jeweils 6 Sekunden ausgesetzt werden können. Verflüssigungsätze OptymaTM A02 Diese Verflüssigungsätze sind mit herme- tischen Verdichtern und Lüftern ausgestattet für Netze mit: 400 V-3 Ph-50 Hz für Verdichter und Lüfter(n) 400 V-3 Ph-50 Hz für Verdichter und 230 V-1 Ph-50 Hz für Lüfter(n) - der/die Betriebskondensatoren der Lüfter sind im elektrischen Schaltkasten montiert 230 V-3 Ph-50 Hz für Verdichter und 230 V-1 Ph-50 Hz für Lüfter(n) – der/die Betriebskondensatoren sind im elektrischen Schaltkasten montiert 230 V-1 Ph-50 Hz für Verdichter – die Start- vorrichtung (Kondensator und Relais) sind im Schalkasten montiert und 230 V-1 Ph -50 Hz für Lüfter(n).

Der Anlaufstrom der MTZ und NTZ Drehstrom- verdichter kann durch den Einsatz eines Soft- starters reduziert werden. CI-tronicTM Sanftanlauf wird für diesen Verdichtertyp empfohlen. Der Anlaufstrom kann sich abhängig vom Ver- dichtermodell und dem Softstarter bis zu 40 % reduzieren. Auch die mechanische Belastung, die beim Start auftritt, wird reduziert, welches zu einem Anstieg der Lebensdauer der internen Komponenten führt. Bei Fragen zu Details der CI-tronicTM wenden Sie sich an die für Sie zuständig Danfoss Verkaufsniederlassung.

Die Anzahl der Verdichterstarts wird unter Widerstandsanlauf auf 6 pro Stunde limitiert. HD/ND Druckausgleich ist vor dem Start erforderlich, wenn MCI-C verwendet wird.

 

 

Hermetische Verdichter

Die vollhermetischen Verdichter TL, FR, NL, SC, SC-TWIN und GS haben einen eingebauten Wicklungsschutzschalter. Bei aktiviertem Wicklungsschutz kann es zu einer Ausschaltzeit (bis zu 45 Minuten) infolge von Wärmespeicherung im Motor kommen.

Die einphasigen Verdichter MTZ und NTZ sind temperatur- und stromabhängig durch einen Bimetallschutz, der den Strom in der Haupt- und Hilfswicklung kontrolliert, intern geschützt.

Die dreiphasigen Verdichter MTZ und NTZ sind gegen Überstrom und Übertemperatur durch einen internen Motorschutz ausgestattet. Der Motorschutz befindet sich im Sternpunkt der Wicklungen und öffnet alle 3 Phasen gleichzeitig über eine Bi-Metallscheibe. Nachdem der Verdichter über den Wicklungsschutz aus- geschaltet hat, kann die Wiedereinschaltung bis zu 3 Stunden dauern.

Bei Ausfall der Motorfunktion kann man mittels Widerstandsmessung feststellen, ob es sich um einen ausgeschalteten Wicklungsschutzschalter oder um eine eventuell unterbrochene Wicklung handelt.

 

 

Verflüssiger und Lüfter

Die hoch effektiven Verflüssiger erlauben einen breiteren Anwendungsbereich bei höheren Um- gebungstemperaturen. Je nach Leistungsgröße werden ein oder zwei Lüfter pro Verflüssigerein- heit verwendet.

Darüber hinaus sind die Lüfter z.B. mit einem Danfoss Saginomiya Lüfterdrehzahlregler, Typ RGE erweiterungsfähig. Dies lässt eine gute Verflüssigungsregelung zu und senkt das Geräuschniveau. Die Lüfter sind mit selbst- schmierenden Lagern versehen, so dass ein lang- jähriger wartungsfreier Betrieb gewährleistet ist.

 

 

Absperrventile

druckseitig mit Absperrventilen versehen. Die Absperrventile der Verflüssigungssätze OptymaTM A01 und A04 werden bei Drehen der Spindel im Uhrzeigersinn zum Lötstutzen abgesperrt. Damit ist der Durchfluss zwischen Manometerstutzen und dem Bördelanschluss frei. Dreht man die Spindel bis zum hinteren Anschlag entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn, wird der Manometerstutzen abgesperrt. Der Durchfluss zwischen Lötstutzen und Bördelanschluss ist frei. In der Mittelstellung ist der Durchfluss durch die drei Anschlüsse frei. Beiliegende Lötadapter helfen Bördelverbindungen vermeiden und die Anlage hermetisch auszuführen. Die Absperrventile der Verflüssigungssätze OptymaTM A02 sind direkt in die Saugleitung und druckseitig am Verdichter und Sammler montiert. Das saugseitige Absperrventil ist mit geraden langen Rohrstutzen versehen, so dass die Lötverbindung ohne Demontage der Rotolockventile durchgeführt werden können.

 

 

Sammler

Flüssigkeitssammler sind standardmäßig auf Verflüssigungssätzen für Expansionsventilbetrieb montiert.

Die Sammler ab einem internen Volumen von 3 l sind mit Rotolockventilen ausgestattet.

 

 

Anschlusskasten

Die Verflüssigungssätze OptymaTM A01 und A04 sind elektrisch vorverdrahtet und mit einem Anschlusskasten ausgestattet. Dadurch kann die Spannungsversorgung und zusätzliche elektrische Verdrahtung schnell und leicht angeschlossen werden

Der Anschusskasten der Verflüssigungssätze OptymaTM A02 ist mit Reihenklemmen bestückt, sowohl für die Spannungsversorgung als auch für die Steuerkreise. Die elektrische Verdrahtung aller Komponenten (Verdichter, Lüfter, PTC, Druckschalter) sind in diesem Kasten zusammengefasst. Im Deckel des Anschlusskastens befindet sich das elektrische Schaltbild. Dieser Anschlusskasten verfügt über Schutzart IP 54.

 

 

Hochdruckschalter

Die Danfoss Verflüssigungssätze können mit einem auf der Hochdruckseite umschaltbare kombinierten Hoch- und Niederdruckschalter KP17W/B bezogen werden. Somit kann wahl- weise die Druckwächter- oder Druckbegrenzer- funktion aktiviert werden. Verflüssigungssätze, die werkseitig nicht mit Druckschaltern ausgeliefert werden, sind in Anlagen mit thermostatischen Expansions-ventilen gemäß EN 378 auf der Hochdruckseite mit einem Druckschalter auszustatten.

Die Sammler ab einem internen Volumen von 3 l sind mit Rotolockventilen ausgestattet.

Nachfolgende Einstellungen werden empfohlen:

(Max . zul . Betriebsüberdruck der zusätzlich in der Anlage montierten Komponenten beachten .)

Kältemittel Niederdruckseite Hochdruckseite Ausschaltpunkt (bar) Einschaltpunkt (bar) Einschaltpunkt (bar) Ausschaltpunkt (bar) R407 2 1 21 25 R404A/R507 MBP 1.2 0.5 24 28 R404A/R507 LBP 1 0.1 24 28 R404A/R507 LBP 1 0.1 24 28 R134a 1.2 0.4 14 18

 

 

Aufstellung

Die Danfoss OptymaTM Verflüssigungssätze müssen in einer gut belüfteten Umgebung montiert werden. Es ist sicherzustellen, dass für den Verflüssiger an der Ansaugseite hinreichend Frischluft zur Verfügung steht. Ferner ist darauf zu achten, dass zwischen Frischluft und Abluft keine Kurzschlussströmung entsteht Der Lüftermotor ist so angeschlossen, dass die Luft in Richtung des Verdichters über den Verflüssiger gezogen wird. Für optimalen Betrieb des Verflüssigungssatzes ist der Verflüssiger regelmäßig zu reinigen.

 

 

Wetterschutzgehäuse

Danfoss Verflüssigungssätze, die im Freien auf- gestellt werden, sind mit einem Schutzdach oder mit einem Wetterschutzgehäuse zu montieren. Im Lieferumfang werden optional hochwertige Wetterschutzgehäuse angeboten. Die Bestellnummern entnehmen Sie bitte der gültigen Preisliste oder wenden Sie sich an Ihre zuständige Danfoss Niederlassung.

Die Danfoss Verflüssigungssätze können mit einem auf der Hochdruckseite umschaltbare kombinierten Hoch- und Niederdruckschalter KP17W/B bezogen werden. Somit kann wahl- weise die Druckwächter- oder Druckbegrenzer- funktion aktiviert werden. Verflüssigungssätze, die werkseitig nicht mit Druckschaltern ausgeliefert werden, sind in Anlagen mit thermostatischen Expansions-ventilen gemäß EN 378 auf der Hochdruckseite mit einem Druckschalter auszustatten.

Die Sammler ab einem internen Volumen von 3 l sind mit Rotolockventilen ausgestattet.

 

 

Sorgfältige Montage

Immer mehr gewerbliche Kälte- und Klimaanlagen werden mit Verflüssigungssätzen, die mit hermetischen Verdichtern bestückt sind, aufgebaut. Es werden hohe Anforderungen an die Qualität der Montagearbeit und die Einregelung einer solchen Kälteanlage gestellt.

 

 

Verunreinigungen und Fremdpartikel

Verunreinigungen und Fremdpartikel gehören zu den häufigsten Ursachen, die sich negative auf die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von Kälteanlagen auswirken. Während der Montage können folgende Verunreinigungen in das System gelangen:

  1. Zunderbildung beim Löten (Oxidationen)
  2. Flussmittelreste vom Löten
  3. Feuchtigkeit und Fremdgase
  4. Späne und Kupferreste vom Entgraten der Rohrleitungen

Daher empfiehlt Danfoss nachfolgende Vorkehrungen:

  1. Es sind ausschließlich gereinigte und getrocknete Kupferrohre und Bauteile zu verwenden, die dem Standard der DIN 8964 genügen.
  2. Danfoss bietet Ihnen eine umfangreiche
  3. Feuchtigkeit und Fremdgase und abgestimmte Produktpalette der benötigten Kälteautomatik. Bitte wenden Sie sich an Ihre zuständige Danfoss Niederlassung.

 

 

Rohrleitungsverlegung

Bei der Rohrleitungsverlegung ist ein möglichst kurzes und kompaktes Rohrleitungsnetz anzustreben. Tiefer liegende Bereiche (Ölsäcke), in denen sich Öl sammeln kann, sind zu vermeiden

 

 

Verflüssiger und Verdampfer befinden sich auf gleicher Höhe.

Die Saugseite sollte leicht fallend zum Verdichter hin angeordnet werden. Der max. zulässige Abstand zwischen Verflüssigungs- satz und Verdampfer beträgt 30 m. Um die Ölrückführung zu gewährleisten werden die zuvor aufgeführten Querschnitte für die Saug- und Flüssigkeitsleitungen empfohlen.

  Saugleitung Flüssigkeitsleitung Außendurchmesser Kupferrohr [mm] TL 8 6 FR 10 6 NL 10 6 SC 10 8 SC-TWIN 16 10 GS 21 12 10 GS 34 16 10

 

 

Der Verflüssigungssatz ist oberhalb des Verdampfers angeordnet.

Der anzustrebene Höhenunterschied zwischen dem Verflüssigungssatz und Verdampfer sollte 5 m nicht überschreiten. Die Rohrleitungslänge sollte 30 m nicht überschreiten. Die Saugleitungen sind mit Doppelbögen als Ölfallen nach unten und oben auszuführen. Dies erfolgt mit einem U-Bogen am unteren Ende und einem P-Bogen am oberen Ende der senkrechten Steigleitung. Der max. Abstand zwischen den Bögen beträgt 1 bis 1, 5 m. Um die Ölrückführung zu gewährleisten, werden nachfolgende Querschnitte für Saug- und Flüssigkeitsleitung empfohlen:

  Saugleitung Flüssigkeitsleitung Außendurchmesser Kupferrohr [mm] TL 8 6 FR 10 6 NL 10 6 SC 12 und 15 10 8 Alle weiteren SC Verdichter 12 8 SC-TWIN 16 10 GS 21 12 10 GS 34 16 10

 

 

Der Verflüssigungssatz ist unterhalb des Verdampfers angeordnet.

Der anzustrebene Höhenunterschied zwischen Verflüssigungssatz und Verdampfer ist max. 5 m. Die Rohrleitungslänge zwischen Verflüssigungssatz und Verdampfer sollte 30 m nicht überschreiten. Die Saugleitung ist mit Doppelbögen als Ölfalle nach unten und oben auszuführen. Dies erfolgt mit einem U-Bogen am unteren Ende und einem P-Bogen am oberen Ende der senkrechten Steigleitung. Der max. Abstand zwischen den Bögen beträgt 1 bis 1,5 m. Um die Ölrückführung zu gewährleisten, werden nachfolgende Querschnitte für die Saug- und Flüssigkeitsleitung empfohlen:

  Saugleitung Flüssigkeitsleitung Außendurchmesser Kupferrohr [mm] TL 8 6 FR 10 6 NL 10 6 SC 12 8 SC-TWIN 16 10 GS 21 12 10 GS 34 16 10

 

 

Rohrleitungsverlegung der Verflüssigungssätze

Die Anschlussrohrleitungen sollten flexibel ausgeführt sein (Verspringen in drei Ebenen oder mit Schwinungsdämpfer). Bei der Rohrleitungsverlegung ist ein möglichst kurzes und kompaktes Rohrleitungsnetz anzustreben.

 

 

Tiefer liegende Bereiche (Ölsäcke), in denen sich Öl sammeln kann, sind zu vermeiden. Waagerechte Leitungen sollten zum Verdichter hin fallend verlegt werden. Um die Ölrückführung zu gewährleisten, muss die Sauggasgeschwindigkeit bei Steigleitungen mindestens 8-12 m/s betragen.

Bei waagerechten Leitungen darf die Sauggas- geschwindigkeit 4 m/s nicht unterschreiten. Die senkrechten Rohrleitungen sind mit Doppel-ögen als Ölfalle nach unten und oben auszuführen. Dies erfolgt mit einem U-Bogen am unteren Ende und einem P-Bogen am oberen Ende der senkrechten Rohrleitung. Die maximale Höhe der Steigleitung beträgt 4 m, es sei denn ein zweiter U-Bogen wird angebracht.

 

 

Ist der Verdampfer oberhalb des Verflüssigungs- satzes montiert, ist sicherzustellen, dass während der Stillstandsphase kein flüssiges Kältemittel in den Verdichter gelangt. Um eine Kondenswasserbildung sowie ein unge- wolltes Ansteigen der Sauggasüberhitzung zu vermeiden, ist die Saugleitung generell zu isolieren. Das Einjustieren der Sauggas- überhitzung erfolgt individuell für die jeweilige Anwendung. Nähere Informationen entnehmen Sie dem nachfolgenden Kapitel unter “Max. zulässige Temperaturen” .

 

 

Dichtigkeitsprüfung

Die Danfoss Verflüssigungssätze werden bereits im Werk auf Dichtigkeit mit Helium geprüft und mit einer Schutzgasfüllung versehen und müssen deshalb mit dem System evakuiert werden. Darüber hinaus ist der hinzugefügte Kältemittelkreislauf mit Stickstoff auf Undichtigkeiten zu untersuchen. Hierbei bleiben die Saug- und Flüssigkeitsventile des Verflüssigungssatzes geschlossen. Die Verwendung von farbigen Lecksuchmitteln führt zu Erlöschen des Gewährleistungsanspruchs.

 

 

Löten

Die Danfoss Verflüssigungssätze werden bereits im Werk auf Dichtigkeit mit Helium geprüft und mit einer Schutzgasfüllung versehen und müssen deshalb mit dem System evakuiert werden. Darüber hinaus ist der hinzugefügte Kältemittelkreislauf mit Stickstoff auf Undichtigkeiten zu untersuchen. Hierbei bleiben die Saug- und Flüssigkeitsventile des Verflüssigungssatzes geschlossen. Die Verwendung von farbigen Lecksuchmitteln führt zu Erlöschen des Gewährleistungsanspruchs.

 

 

Schutzgas

Bei den hohen Lötemperaturen unter Einfluss von atmosphärischer Luft bilden sich Oxydations- produkte (Zunder).

Das System muss daher während des Lötens von einem Schutzgas durchströmt werden. Leiten Sie einen schwachen Strom eines trockenen inaktiven Gases durch die Rohre. Dieses ist in aller Regel trockner Stickstoff (N2).

Beginnen Sie erst mit dem Löten, wenn sich keine atmosphärische Luft mehr in dem betreffenden Bauteil befindet. Leiten Sie den Arbeitsvorgang mit einem kräftigen Schutzgasstrom ein, den Sie bei Lötbeginn auf ein Minimum reduzieren. Dieser schwache Schutzgasstrom ist während des ganzen Lötprozesses aufrechtzuerhalten.

Das Löten ist unter Sauerstoff und Gas mit einer weichen Flamme vorzunehmen. Das Lot ist erst zuzuführen, wenn die Schmelztemperatur erreicht ist.

 

 

Evakuieren und Befüllen

Die Vakuumpumpe sollte den Systemdruck auf ca. 0,67 mbar absaugen können und möglichst zweistufig arbeiten.

Feuchtigkeit, atmosphärische Luft und Schutzgas sollten entfernt werden.

Nach Möglichkeit ist eine zweiseitige Evakuierung von der Saug- und Druckseite des Verflüssigungssatzes vorzusehen.

Verwenden Sie die Anschlüsse an den Absperrventilen der Saug- und Flüssigkeitsseite.

 

 

Zum Befüllen der Anlage wird ein Füllstand bzw. Füllzylinder oder für kleinere Verflüssigungssätze eine Waage benutzt. Das Kältemittel kann der Flüssigkeitsleitung als Flüssigkeit zugeführt werden, wenn ein Füllventil montiert ist. Ansonsten muss das Kältemittel über das Saugabsperrventil gasförmig dem System zugeführt werden, während der Verdichter läuft (zuvor das Vakuum brechen).

Bitte beachten Sie, dass die Kältemittel R 404A/R 507 und R 407C Gemische sind. Die Kältemittelhersteller empfehlen, R 507 flüssig oder gasförmig zu verfüllen, während R 404A und R 407C flüssig gefüllt werden sollten. Daher ist es zu empfehlen, R 404A/R 507 und R 407C wie beschrieben mit Hilfe eines Füllventils zu verfüllen.

Wenn die zu füllende Kältemittelmenge unbekannt ist, wird das Einfüllen fortgesetzt, bis im Schauglas keine Blasen mehr zu sehen sind. Dabei ist eine ständige Überwachung der Verflüssigungs- und Sauggastemperatur notwendig, um normale Betriebstemperaturen sicherzustellen.

Bitte beachten sie nachfolgende Vorgehens- weise zur Evakuierung und Befüllung der Verflüssigungssätze OptymaTM A01 und A04: Zum Evakuieren werden beide äußeren Schläuche einer Monteurhilfe angeschlossen und der Verflüssigungssatz bei geöffneten Absperrventilen - Spindel in Mittelstellung evakuiert.

Nach dem Evakuieren werden beide Schläuche (Druck- und Saugseite) an der Monteurhilfe angeschlossen. Dann erst wird die Vakuum- pumpe ausgeschaltet.

Am Mittelanschluss der Monteurhilfe wird die Kältemittelflasche angeschlossen und der Füllstutzen kurz entlüftet. Das entsprechende Ventil der Monteurhilfe wird geöffnet und die Anlage wird über Manometeranschluss des Saugabsperventils mit der max. zulässigen Kälte- mittelbetriebsfüllung bei in Betrieb befindlichem Verdichter befüllt.

 

 

Bitte beachten Sie nachfolgende Empfehlung zur Evakuierung und Befüllung

Es wird empfohlen, die Evakuierung wie nachfolgend beschrieben durchzuführen:

1. Die Serviceventile des Verflüssigungssatzes müssen geschlossen werden.

2. Nach der Lecksuche sollte eine möglichst zweiseitige Evakuierung mit einer Vakuumpumpe auf 0,67 mbar (abs.) durchgeführt werden. Es wird empfohlen Kupplungsleitungen mit möglichst großem Durchgang zu verwenden und diese an die Serviceventile anzuschließen.

3. Sobald das Vakuum von 0,67 bar (abs.) erreicht ist, wird das System von der Vakuumpumpe getrennt. Während der nächsten 30 Minunten darf der Systemdruck nicht ansteigen. Sollte der Druck schnell ansteigen, ist das Ventil undicht. Eine erneute Lecksuche und Evakuierung (ab 1) muss durchgeführt werden. Steigt der Druck langsam an, deutet dies darauf hin, dass Feuchtigkeit vorhanden ist. In diesem Fall sollte erneut evakuiert werden (ab 3).

4. Öffnen Sie die Serviceventile am Verflüssigungssatz und brechen Sie das Vakuum mit trockenen Stickstoff. Wiederholen Sie den Vorgang 2 und 3.

 

 

Genereller Hinweis:

Der Verdichter sollte erst eingeschaltet werden, wenn das Vakuum gebrochen ist. Bei Verdichterbetrieb mit Vakuum im Verdichtergehäuse besteht die Gefahr von Spannungsüberschlag in der Motorwicklung.

 

 

Überschreiten der max. zulässigen Betriebsfüllmenge und Außenaufstellung

Wird Kältemittel über die max. zulässige Betriebsfüllmenge hinaus befüllt oder bei Außenaufstellung müssen Schutzvorkehrungen getroffen werden.

Entnehmen Sie die max. zulässigen Betriebsfüllmengen den technischen Informationen und/oder Montageanleitungen der Danfoss Verdichter. Bei Rückfragen steht Ihnen Ihre zuständige Verkaufsniederlassung gerne beratend zur Verfügung.

Eine einfache und schnelle Lösung, Kältemittelverlagerung in Stillstandszeiten vorzubeugen, bietet der Einsatz einer Kurbelwannenheizung.

 

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Der Kälteanlagenbauer / Mechatroniker(in) für Kältetechnik

 

 

Bis 2010 hieß es noch „Kälteanlagenbauer“ heute ist die offizielle Bezeichnung „Mechatroniker und Mechatronikerinnen für Kältetechnik“, wir bleiben zur Vereinfachung beim Kälteanlagenbauer.

Der Kälteanlagenbauer befasst sich mit der Berechnung, Projektierung, Montage, Wartung und Instandhaltung einfacher bis höchst komplexe Kälte- und Klimaanlagen sowie Wärmepumpen. Hierbei wird grob in den Branchen Industriekälte, Gastronomie- und Gewerbekälte sowie Klimatisierung und Lüftung unterschieden.

 

Kälte ist allgegenwärtig

Die Tätigkeitsgebiete eines Kälteanlagenbauers sind sehr vielseitig und umfassend. Transportkälte, Lebensmittelverarbeitung, Fischfang, Landwirtschaft, Bäckerei, Fleischverarbeitung und Schlachtbetriebe, Pharmaindustrie, Supermärkte, Brauerei, Petrochemie mit den notwendigen Kühlhäusern und Produktionsstrecken sind heutzutage ohne fachkundige Kälteanlagenbauer nicht mehr vorstellbar.

Neben der Kältetechnik fällt auch die Klimatisierung und Luftreinhaltung von Hotels, Büroräumen, Krankenhäusern, Rechenzentren und Fertigungsbetrieben in das Aufgabengeiet eines Kälte- und Klimatechniker.

Die Zukunft der Heiztechnik steht auch unter dem Stern des Kälteanlagenbauers in Form der Wärmepumpen. Denn eine Wärmepumpe ist eine klassische Kälteanlage, man dreht einfach erklärt nur die Klimaanlage um. Der Kälteerzeugende Teil der Anlage wird außerhalb und der wärmeerzeugende Teil innerhalb des Gebäudes montiert.

Im Zuge des Pariser Klimaabkommen, welches am 04.11.2016 in Kraft getreten ist, soll unsere Zukunft ohne fossile Brennstoffe auskommen. Was bleibt ist Strom und somit Kälte- Klimaanlagen und Wärmepumpen.

 

Die Ausbildung

An dieser Stelle möchten wir richtigerweise die offizielle Bezeichnung „Mechatroniker/in für Kältetechnik“ verwenden. Es ist ein anerkannter Ausbildungsberuf mit einer Lehrzeit von 3 ½ Jahren und wird im Handwerk und in der Industrie angeboten. Es ist eine duale Ausbildung was bedeutet das die Lehre Inner- und überbetrieblich stattfindet. In der Regel findet die praktische Ausbildung vorrangig beim Kunden vor Ort statt.

Die Ausbildung ist sehr abwechslungsreich und vielseitig. Ein Kälteanlagenbauer ist ein Rohrleger, Elektriker, Maschinenbauer und Programmierer in einem. Nach der Ausbildung kann man sich je nach persönlicher Affinität auf das eine oder andere konzentrieren, die Möglichkeiten sind schier unendlich.

 

Der Kälteanlagen Meister

Mit der erfolgreich bestandenen Gesellenprüfung steht der Weiterbildung zum Kälteanlagenbaumeister nichts im Wege. Die Weiterbildung kann als Vollzeit, auf Abendschule neben der Arbeit oder als Wochenblöcke im Wechsel stattfinden. Dementsprechend dauert die Ausbildung zwischen 1-2 Jahre. Der Meister findet im Handwerk und somit in der tatsächlichen Umsetzung und Erstellung von Kälteanlagen eher sein zu Hause als z.B. in der Industrie.

Der Meister hat die Verantwortung für die betriebliche Ausbildung der Lehrlinge, organisiert die pragmatischen Arbeitsabläufe und leitet die Fachkräfte im Tagesgeschäft.

 

Der Kälteanlagen Techniker

Auch der Techniker setzt eine abgeschlossene einschlägige Ausbildung voraus. Die Ausbildung zum Techniker erfolgt meist in einem zweijährigen Studium. Seine Hauptaufgabe besteht in der Planung und Projektierung von Kälte- und Klimaanlagen. Er kalkuliert die Kosten für die notwendigen Bauteile und Umsetzung bis zur Fertigstellung. Er begleitet als Abwickler die termin- und entwurfsgerechte Ausführung.  Auch die Entwicklung neuer Anlagen und Systeme gehört zum Aufgabenfeld des Kältetechnikers.

Die korrekte Berufsbezeichnung nennt sich: „Staatlich geprüfte(r) Kälte-Klimasystem-Techniker(in)“.

 

Die Kältetechnik führt seit Jahren den Fachkräftemangel an.

Neben einer sehr interessanten und abwechslungsreichen Tätigkeit steht der Kälteanlagenbauer mit seiner Berufswahl ganz oben auf der Fachkräftemange Liste. Hierbei ist es unabhängig, ob es die praktische Anwendung beim Kunden oder die theoretische Arbeit im Büro betrifft. Dementsprechend ist auch die Entlohnung. Da die Kältetechnik in ihrer Anwendung sehr komplex ist, sind die entsprechenden Fachkräfte wirkliche Experten in ihrem Branchenbereich. Und Experten werden immer sehr gut bezahlt.

 

Für weitere und ausführliche Informationen verweisen wir gerne auf den: Bildungsatlas „Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik“. Hier finden sie alle Informationen zu den jeweiligen Ausbildungen, Schulen und Förderungen.

 

 

 

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Warum gibt es Kältetechnik?

Der recht unbekannte Beruf besetzt den Platz 1 im Fachkräftemangel und das laut dem Kompetenzzentrum Fachkräftesicherung (KOFA - 2018) seit Jahren.

15% des Stromverbrauchs in Deutschland gehen auf das Konto kältetechnischer Anlagen.

 

 

Die ursprüngliche Berufsbezeichnung war der Kälteanlagenbauer-/in. Im Jahr 2007 wurde dieser umbenannt in Mechatroniker-/in für Kältetechnik.

Kaltes Bier, Tiefkühlpizza und ein klimatisiertes Büro sind für jeden selbstverständlich.

 

 

Ohne Kältetechnik gäbe es keine Kühlregale im Supermarkt, keine klimatisierten Fahrzeuge, keine sterilen Labore und Krankenhäuser, keine klimatisierten Gebäude Lebensmittelproduktionsbetriebe, Hotels, Gaststätten und Häuser.

 

 

In der Industrie ist Kältetechnik nicht wegzudenken. In diversen Prozessen müssen Kälteanlagen anfallende Prozesswärme abführen. In der IT-Branche müssen Serverräume gekühlt werden.

 

 

Im Bergbau müssen Stollen für die Kumpel von über 50°C auf erträglichere 30 °C gekühlt werden.

In der Landwirtschaft benötigen große Getreidesilos eine klimatisierte Atmosphäre. In der Obst- und Gemüseindustrie sind die raumklimatischen Gegebenheiten von besonderer Bedeutung.

Kältetechnik kommt bei Eisbahnen und Skisprungschanzen zum Einsatz. Selbst in großen Skigebieten wird mit Schneekanonen künstlicher Schnee auf die Pisten gestreut.

 

 

In Flugzeugen, Schiffen, Zügen und Bussen sind Kälteanlagen für die Klimatisierung verbaut. In der Akkuindustrie, ob es ein E-Auto oder ein großer Windradpark ist, benötigen die Akkus eine bestimmte Betriebstemperatur. Diese wird durch eine Kälteanlage realisiert.

Das besondere an einer Kälteanlage ist nicht nur die Nutzung der Wärmeabfuhr (kühlen), sondern kann eine Kälteanlage auch Wärme hinzuführen (heizen).

 

 

Über die Wärmepumpenfunktion der Kälte- oder Klimaanlage, sind in bestimmten Einsatzbereichen Kälteanlagen energetisch sinnvoller als herkömmliche Heizsysteme.

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Verbesserungspotential in Kühlräumen

Wir widmen uns dem Thema „Kühlräume“ und zeigen die Verbesserungspotentiale dieser Anwendung auf. Ganz unabhängig davon, ob es sich um einen Neubau handelt, Kältemittelumrüstung, unbefriedigende Warenqualität bei der Lagerung, häufige Serviceeinsätze oder eine hohe Stromrechnung: Es gibt die verschiedensten Motivationen für einen Anlagenbetreiber, den Kälteanlagenbauer nach Lösungen zu fragen. Oft ist es nicht einfach, die passende Antwort parat zu haben. Der folgende Artikel gibt praxisnahe Anhaltspunkte dazu.

 

 

Thermostatische oder elektronische Expansionsventile

In den meisten Kühlräumen sind thermostatische Expansionsventile als Einspritzventile verbaut. Falls der Betreiber nun nach einer besseren Lösung sucht, bietet eine elektronische Überhitzungsregelung gleich mehrere Vorteile. Der Verdampfer wird stets optimal mit Kältemittel befüllt. Selbst bei starken Leistungsschwankungen (d.h. Teillastfällen) kann die einzuspritzende Kältemittelmenge genau dosiert werden. Dies geschieht, indem die jeweils aktuelle Überhitzung im Verdampfer über einen Druckmessumformer und einen sehr sensiblen Temperaturfühler zeitnah an den elektronischen Regler weitergegeben wird. Der Regler kann nun Maßnahmen ergreifen, um optimal kleine Überhitzungen zu erreichen. Diese adaptive Reglung der Kältemitteleinspritzung führt zu einer optimalen Nutzung des Verdampfers und damit zu den höchst möglichen Verdampfungsdrücken, die in dieser spezifischen Anlage realisierbar sind. Dies wiederum führt nicht nur zu höheren COP-Werten, sondern auch zu Energieeinsparungen, denn die Überhitzung passt sich immer dem minimal stabilen Signal (MSSLinie) des Verdampfers an, so dass ein Abdriften in den instabilen Bereich vermieden wird. Aber nicht nur die Stromrechnung des Betreibers sinkt.

 

 

Durch den geringeren Temperaturunterschied zwischen Verdampfungs- und Raumtemperatur wird auch die Entfeuchtung der Raumluft und damit des Kühlgutes verringert. Das führt bei gleicher Konfiguration dazu, dass z.B. Gemüse bei einer Lagerung in einem Raum mit elektronischer Expansionsventilregelung des Verdampfers länger optisch ansehnlich und verkaufbar bleibt als mit thermostatischen Expansionsventilen. Darüber hinaus trocknet das Kühlgut weniger aus. Sollte die Verdampfergröße etwas knapp ausgelegt sein, so lassen sich mit einem größeren Verdampfer die Effekte „höhere Verdampfungstemperatur“ und „weniger Entfeuchtung“ noch weiter verbessern.

 

Drehzahlgeregelte Verdichter

Auch drehzahlgeregelte Verdichter ermöglichen es, höchstmögliche Verdampfungstemperaturen zu realisieren. Normalerweise werden Verdichter in der Kältetechnik ausschließlich für maximale Systemlast ausgelegt. Tatsächlich laufen die Systeme aber während 65 % ihrer Betriebszeit bei Teillast, so dass der Verdichter über lange Zeiträume überdimensioniert ist.

 

Konventionelle Regelungen zum Ausgleich dieses „Leistungsüberschusses“ sind Ein-Aus-Regelung, druckgesteuerte Leistungsregler oder Heißgasbypass-Regler. Im Vergleich zu diesen Methoden bietet ein Verdichter- Frequenzumrichterpaket eine überlegene Regelgüte und ist die energieeffizientere Lösung. Die Kälteleistung eines herkömmlichen vollhermetischen Hubkolbenverdichters ist konstant, Motor und Kurbelwelle drehen mit 2900 Umdrehungen in der Minute (50 Hz, ein Polpaar). Mit einem Danfoss „VTZ Compressor Drive“ hingegen kann die Drehzahl in einem Frequenzband von 30 bis 90 Hz variiert werden. Abhängig von der notwendigen Kühllast ergibt sich somit eine Motordrehzahl zwischen 1800 und 5400 U/min. Daher ist der Verdichter in Hinsicht auf den Kühlbedarf immer richtig dimensioniert. Damit bietet der „VTZ“ die gleiche minimale Teillast wie ein 3er-Verdichterverbund.

Die Regelabstufung ist aber nicht 33, 66 und 100 %, sondern stufenlos. Zusammen mit einem Druckmessaufnehmer arbeitet das Paket ähnlich wie ein Verbundregler. Der Frequenzumrichter erhält einen Druck-Sollwert, den er konstant zu halten versucht. Steigt der Druckwert an, so wird die Verdichterdrehzahl erhöht. Fällt der Druck-Istwert, so wird die Drehzahl zurückgenommen. Mit dieser Regelung kann ein sehr konstanter Saugdruck erreicht werden. Ein direkt ans Netz angeschlossener Verdichter nimmt in der Regel während des Starts bis zum Achtfachen seines Nennstromes auf. Das kann schon bei verhältnismäßig geringen Aufnahmeleistungen zu Diskussionen mit dem Energieversorger führen, der entweder zusätzliche technische Maßnahmen zur Strombegrenzung oder aber einen erhöhten Energiebereitstellungspreis fordern wird. „VTZ Compressor Drive“ ist mit einem eingebauten Softstarter ausgestattet, der die Stromspitze während des Verdichterstarts im Vergleich zum Direktstart erheblich reduziert.

Der Frequenzumrichter beginnt beim Verdichterstart mit einer sehr niedrigen Frequenz und passt diese der tatsächlichen Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors an. Bei einem Direktstart eines Verdichters hingegen werden direkt 50 Hz angelegt, auch wenn der Rotor noch nicht in Bewegung gekommen ist. Das führt zu Anlaufstromspitzen, die im Frequenzumrichterbetrieb in dieser Form nicht auftreten. Somit ist ein Verdichter-Frequenzumrichterpaket die Lösung zur Reduzierung der Energiekosten des Betreibers, da konsequent zu tiefe Saugdrücke und Verdampfungstemperaturen sowie Stromspitzen, wie sie mit Festdrehzahlverdichtern auftreten können, vermieden werden.

 

Bedarfsabtauung

Der zweite Hauptaspekt in Bezug auf den Energieverbrauch neben hohen Verdampfungs- bzw. Saugdrücken ist die Abtauung. Hier lässt sich einiges an Energiekosten einsparen. Ist ein Kühlstellenregler mit einem elektronischen Expansionsventil ausgerüstet, so hat er meist auch eine Bedarfsabtaufunktion. Grundsätzlich ist es Aufgabe der Bedarfsabtauung sicherzustellen, dass keine unnötigen Abtauungen eingeleitet werden. Kann beispielsweise nur jede fünfte Abtauung übersprungen werden, so ist dies energetisch schon ein großer Vorteil. Wichtig bei Bedarfsabtauung ist ihre ausschließliche Einleitung zu programmierten Zeiten. Ist das nicht der Fall, so könnte die Abtauung zu ungünstigen Zeiten (z.B. Beschickung mit Ware) gestartet werden. Wie erkennt nun der Regler, ob die Zeit reif ist für eine Abtauung oder nicht.

 

Bei elektronischer Einspritzung sinkt bei Systemen mit einem Verdichter die Verdampfungstemperatur nach der Abtauung stetig ab. Gleichzeitig verringert sich der Öffnungsgrad des elektronischen Expansionsventils immer weiter, bis eine erneute Abtauung durchgeführt wird. Über diesen Wert kann der Kühlstellenregler entscheiden, ob eine Abtauung übersprungen werden kann. Kühlstellenregler ohne elektronische Expansionsventile haben es nicht so leicht. Sie können aber auch durch den Temperaturverlauf am Abtaufühler feststellen, ob eine Abtauung nötig ist oder nicht. Auch hier geht die Temperatur bei „1:1 Anlagen“ am Abtaufühler immer weiter zurück, je länger die letzte Abtauung zurückliegt. Eine weitere Möglichkeit ist die Betrachtung der Gesamtkühlzeit. Nimmt diese stetig zu, dann ist von einer starken Vereisung des Verdampfers auszugehen und eine Abtauung zum nächst möglichen Zeitpunkt einzuleiten. Für einen Betreiber kann sich allein die Nachrüstung eines Kühlstellenreglers mit Bedarfsabtauung schon deutlich positiv auf der Stromrechnung niederschlagen.

 

4-Wegeventile zur Heißgasabtauung

In den meisten Kühlräumen sind Elektroheizungen zur Abtauung montiert. Effizienter ist jedoch eindeutig die Heißgasabtauung. Heißgasabtauung kann problemlos auch bei Einverdampfer-Kühlraumsystemen durch den Einsatz eines 4-Wege-Umkehrventils realisiert werden. Bei der Kreisumkehr von „1:1-Anlagen“ kann der Verdampfer, der nun zum Verflüssiger geworden ist, von innen her abgetaut werden. Das bedeutet, dass die Wärme nicht durch Elektroheizungen im Verdampferpaket zum Eis im Verdampfer gebracht werden muss, sondern das Heißgas direkt durch das Rohrsystem geschickt wird, an dem sich zuvor Eis angesetzt hat. Dies führt zu exzellenten Abtauergebnissen und ist in Bezug auf Abtauzeit, Energetik und gezielten Wärmeeintrag kaum zu schlagen. Für die folgende Beschreibung stellen wir uns vor, dass der kleine (Druck) Anschluss nach oben und die drei übrigen Anschlüsse nach unten zeigen. Dabei sehen wir das kleine Pilotmagnetventil mit seiner Spule.

 

Bei einem Standard-4-Wegeventil gibt es nur zwei Schaltpositionen – keine Zwischenstellungen. In Schaltsituation eins liegt keine Spannung an der Spule des Pilotmagnetventils an. Das hat zur Folge, dass Heißgas mit hohem Druck von der Pilotleitung des kleinen Anschlusses (permanente Druckseite) von rechts in die Schiebemechanismuskammer eingeleitet wird. Gleichzeitig kann der Druck auf der linken Seite der Schieberkammer über den permanenten Sauganschluss durch Abströmung auf die Niederdruckseite entlastet werden. Damit schiebt sich der Schieber nach links und öffnet die Hauptpfade oben nach rechts unten und links außen zur Mitte. In Schaltsituation zwei findet das Heißgas von oben nach links seinen Weg, wobei gleichzeitig Sauggas von rechts zur Mitte nach unten strömen kann. Dies wird erreicht, indem die Spule des Pilotmagnetventils mittels Versorgungsspannung erregt wird, und Hochdruck von links in die Schieberkammer einleitet.

Der Druck auf der rechten Seite kann so auf den mittleren, unteren Hauptanschluss entlastet werden, was zur Schieberbewegung nach rechts führt. Falls thermostatische Expansionsventile im Biflowbetrieb eingesetzt werden sollen – also im Kühlfall mit Standard- und im Abtaufall in entgegengesetzter Strömungsrichtung – muss immer ein Ventil mit äußerem Druckausgleich gewählt werden. Dieser externe Druckausgleich ist stets an die permanente Saugleitung zwischen 4-Wegeventil und Verdichter anzubringen. Wird dies nicht beherzigt, kann das Ventil im rückwärtigen Betrieb nicht arbeiten, da dann Hochdruck statt Verdampfungsdruck über den externen Druckausgleich das Ventil schließt und förmlich zupresst. Durch Heißgasabtauung kann eine deutlich effektivere und schnellere Abtauung im Vergleich zur elektrischen Abtauung erfolgen. Dies spart Stromkosten und bringt gleichzeitig weniger externe Wärme in den Kühlraum. Damit entfällt der zusätzliche Abtransport dieser Wärmemenge über die Kälteanlage nach der Abtauung.

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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.

 

Kondensationstemperaturprofil

 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.

Enthitzer und Verflüssiger

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):

Inerte

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

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1.  Das Druck-Enthalpie-Dia­gramm (log p-h-Diagramm)

Die thermodynamischen Eigenschaften eines Kälte­mittels werden oft in einem Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellt. In diesem ist der Logarithmus des Drucks als eine Funktion der Enthalpie aufgetragen, mit den verschie­denen thermodynamischen Eigenschaften als Parameter (siehe Bild 1). Die Hauptkomponenten sind:

◆  Die dicke Linie (Siedelinie) stellt die gesättigte Flüssig­keit dar und die Doppellinie (Taulinie) den gesättigten Dampf. Anstelle des Drucks kann die Sättigungstem­peratur angegeben werden. Beide Linien schneiden sich im kritischen Punkt, der durch einen Kreis markiert ist. Die Enthalpiedifferenz zwischen den beiden Linien ist die latente Wärme . Das Gebiet links neben der schwarzen Linie repräsentiert die unterkühlte Flüssigkeit und das Gebiet rechts der schwarzen Doppellinie den überhitzten Dampf. Dazwischen liegt eine Mischung aus gesättigter Flüssigkeit und Dampf vor.

◆  lsokonzentrationslinien zeigen die Zustände gleichen Dampfanteils des Flüssigkeit-Dampf-Gemisches.

◆  Isothermen sind die Linien gleicher Temperatur in der unterkühlten Flüssigkeit und dem überhitzten Dampf.

◆  lsentropen repräsentieren Zustandsänderungen ohne Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und der Umge­bung, z.B. die Verdichtung des Kältemittels.

◆  Isochoren (Linien konstanten Volumens) sind gelegent­ lich dargestellt.

 

2.  Der Grundprozeß

Bild 1 zeigt den grundlegenden Kältemaschinenprozeß sowohl als Kreisprozeß im Druck-Enthalpie-Diagramm als auch in seinen physikalischen Komponenten . Um diesen Prozeß zu diskutieren, könnten wir an jedem beliebigen Punkt beginnen. Ein guter Startpunkt ist in unserem Bei­spiel das leicht  unterkühlte flüssige Kältemittel von 35 °c und einem Druck von 15,33 bar, was bei R22 einer Sätti­gungstemperatur von 40 °C entspricht. Dies ist Punkt A in Bild 1. Er ist ein günstiger Startpunkt, weil er, ungeachtet der später beschriebenen Modifikationen des Grund­prozesses, im allgemeinen nur geringfügig variiert.

A - B. Die Flüssigkeit expandiert im Expansionsventil. Es wird keine Energie - thermische oder mechanische - mit der Umgebung ausgetauscht. Die Expansion verläuft isenthalp. Das ist in Abb.1 mit einer geraden, senkrechten Zustandsänderung dargestellt.

Wenn sich der Druck verringert, geschieht zunächst nichts. Die Temperatur der Flüssigkeit bleibt (fast) konstant, bis die Sättigungskurve erreicht ist. Eine weitere Verringerung des Drucks bedeutet, daß die Temperatur ebenfalls geringer werden muß. Anderenfalls würde die Flüssigkeit überhitzt, was zu einem thermodynamisch instabilen Zustand führen würde .Die Flüssigkeit wird somit abgekühlt und die frei werdende Energie verdampft einen Teil der Flüssigkeit oder, anders ausgedrückt, die verdampfende Flüssigkeit kühlt die verbleibende Flüssigkeit. Je niedriger der Druck, desto mehr Flüssigkeit verdampft.

B. Die Flüssigkeit hat den endgültigen Druck erreicht. Den Anteil des verdampften Kältemittels kann man an den Linien für konstanten Dampfanteil ablesen. Im Beispiel hat sich das Kältemittel auf 1,63 bar/-30 °C entspannt, wobei 33,9 % verdampft wurden .

B - D. Das teilweise verdampfte Kältemittel tritt in den Verdampfer ein. Hier verdampft das verbliebene flüssige Kältemittel, wobei der gewünschte Kühleffekt entsteht. Das Kältemittel erreicht zunächst Punkt C, wo 100 % gesättigter Dampf vorliegt, und verläßt den Verdampfer leicht überhitzt beim Punkt D.

D. Der Dampf verläßt den Verdampfer auf -25 °C überhitzt bei 1,63 bar/-30 °c.

D - E. Der Dampf wird im Verdichter bis zum Verflüssi­gungsdruck verdichtet. Die Verdichtung sollte möglichst ideal verlaufen, d. h. mechanische, aber keine thermische Energie wird dem Dampf zugeführt, bis der Druck die er­ forderliche Höhe erreicht hat (im Beispiel 15,3 bar/40 °C).

Wenn diese Bedingung erfüllt ist, verläuft der Verdichtungsprozeß entlang der lsentropen D - E· . Beachten Sie den Unterschied zur Expansion A - B. Dort findet kein Energieaustausch mit der Umgebung statt, somit verläuft der Prozeß isenthalp. Hier wird mechanische, aber keine thermische Energie zugeführt, also vollzieht sich die Zustandsänderung des Dampfes entlang der lsentropen. Durch die Verdichtung steigt die Temperatur, wie das Diagramm zeigt. Der Temperaturanstieg geht der Druck­erhöhung voraus, d. h. das Kältemittel bleibt nicht nur dampfförmig, sondern wird weiter überhitzt.

Die Verdichtung ist jedoch nicht ideal. Es gibt interne Reibung zwischen den sich bewegenden Teilen des Dampfes, Reibungsenergie im Schmieröl, Druckdampf strömt zur Saugseite zurück usw. All dies bedeutet, daß dem Dampf zusätzlich Wärme zugeführt wird. Der Ver­dichtungsprozeß verläuft also nicht entlang der lsentropen D - E', sondern entlang eines undefinierten Weges zur höheren Endtemperatur bei E. Diese zusätzliche Energie ist abhängig vom Verdichtergütegrad η.

Also gilt:

HE  - H0  = (HE' - H0 ) /η   (Die reale Verdichterleistung)

Mit Kenntnis von η (vom Hersteller), HE & H0 (Dia­gramm), kann HE berechnet und, unter Berücksichtigung des Enddrucks, die Austrittstemperatur ermittelt werden (Diagramm) .

E - F. Der überhitzte Dampf verläßt den Verdichter mit einer relativ hohen Temperatur. Der Dampf stellt Energie dar, die zu wertvoll ist, um verschwendet zu werden . Also könnte der Dampf in einem speziellen Wärmeübertrager enthitzt und die Wärme zur Warmwasserbereitung oder zur Raumheizung genutzt werden.

F - A. Der Dampf tritt in den eigentlichen Verflüssiger ein, wahrscheinlich ein wenig überhitzt (leicht rechts vom Punkt F), und kondensiert. Das Kondensat wird normal­ erweise den Verflüssiger nicht exakt gesättigt, sondern ein wenig unterkühlt verlassen. Wir sind nun wieder am Startpunkt A angelangt: 15,33 bar/40 °C, unterkühlte Flüssigkeit bei 35 °C.

Kältetechnik Kreisprozess

 

Bild 01: Der grundlegende Kältemaschinenprozeß

 

Die Aufgabe einer Kälteanlage ist, einem Prozeßfluid oder Luft bei einer niedrigen Temperatur Wärme zu entziehen und diese an ein Empfängermedium, Wasser oder Luft, wieder abzugeben.

Das Bild zeigt schematisch eine Kälteanlage, bestehend aus Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger, Expansionsventil und Rohrleitungen. Dies sind die minimal erforderlichen Kom­ponenten eines Kompressionskältemaschinenkreislaufs. Der Druck wird als eine Funktion der Enthalpie von Flüs­sigkeit und Dampf dargestellt. Links der Siedelinie ist Flüs­sigkeit und rechts der Taulinie Dampf vorhanden. Zwischen beiden Linien befindet sich das Zweiphasengebiet. Die Li­nien schneiden sich im kritischen Punkt. Andere Eigenschaf­ ten können weiterhin als Parameter gezeichnet werden, z. B .Isothermen - Linien - konstanter Temperatur.

Im Bild ist eine Isotherme für -25°C dargestellt. Sie verläuft im Flüssigkeitsgebiet annähernd senkrecht, weil die spezifische Wärmekapazität der Flüssigkeit kaum druckabhängig ist. Hingegen ist die spezifische Wärmekapazität in der Dampfphase sehr stark von Druck (und Temperatur) abhängig, weshalb die Isotherme hier einen bogenförmigen und geneigten Verlauf aufweist.

Das Bild zeigt auch eine lsentrope - eine Zustandsän­ derung, bei der keine Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und der Umgebung stattfindet. Eine ideale Ver­dichtung würde dieser Linie (D - E') folgen. Aufgrund der unvermeidlich freigesetzten Reibungsenergie ist (D - E) der reale Verlauf und eine höhere Endtemperatur wird erreicht.

 

Quelle: Alfa Laval 

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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Wie eingangs bereits erläutert, wurde eine Berechnungsmethode entwickelt, mit der die Auswirkungen auf den Treibhauseffekt beim Betrieb von Kälteanlagen individuell beurteilt werden können (TEWI = Total Equivalent Warming Impact).

Alle halogenierten Kältemittel, einschließlich der chlorfreien HFKW, zählen zur Kategorie der Treibhausgase. Eine Emission dieser Stoffe trägt zum Treibhauseffekt bei. Im Vergleich zu CO2 – dem in der Atmosphäre (neben Wasserdampf) überwiegenden Treibhausgas – sind die Auswirkungen allerdings beträchtlich höher. So ist z.B. die Emission von 1 kg R134a (Zeithorizont 100 Jahre) etwa gleichzusetzen mit 1430 kg CO2 (GWP100 = 1430).

Schon aus diesem Sachverhalt wird ersichtlich, dass eine Verminderung von Kältemittelverlusten zu den wesentlichen Aufgaben der Zukunft gehören muss.

Dem gegenüber ist der höchste Anteil am Treibhauseffekt einer Kälteanlage die indirekte CO2-Emission durch Energieerzeugung. Bedingt durch den hohen Anteil fossiler Brennstoffe in Kraftwerken liegt die freigesetzte CO2-Masse – im europäischen Durchschnitt – bei etwa 0,45 kg pro kWh elektrischer Energie. Über die gesamte Lebensdauer einer Anlage resultiert daraus ein erheblicher Treibhauseffekt.

Wegen des hohen Anteils an der Gesamtbilanz besteht deshalb neben der Forderung nach Alternativ-Kältemitteln mit günstiger (thermodynamischer) Energiebilanz auch ein verstärkter Zwang zum Einsatz hocheffizienter Verdichter und Zusatzaggregate sowie optimierter Systemkomponenten.

Beim Vergleich verschiedener Verdichterbauarten kann der Unterschied der indirekten CO2-Emission (durch Energiebedarf) durchaus höher sein als die gesamten Auswirkungen durch Kältemittelverluste.

Die nachfolgende Abb. 1 zeigt eine übliche Formel zur Berechnung des TEWI-Kennwertes, in der die jeweiligen Einflussbereiche entsprechend unterteilt sind.

Berechnungsmethode für TEWI-Kennwerte

Abb. 1  Berechnungsmethode für TEWI-Kennwerte

 

Ergänzend dazu zeigt Abb. 2 anhand eines Beispiels (Normalkühlung mit R134a) die Verhältnisse von TEWI-Kennwerten bei unterschiedlichen Kältemittelfüllmengen (Leckverlusten) und Energiebedarfswerten.

In diesem Beispiel wird vereinfachend von einer pauschalen Leckrate als Prozentsatz der Kältemittelfüllung ausgegangen. Bekanntlich streuen die effektiven Werte in der Praxis sehr stark, wobei das potenzielle Risiko bei individuell gebauten und weit verzweigten Systemen besonders hoch ist.

Vergleich von TEWI-Kennwerten

Abb. 2   Vergleich von TEWI-Kennwerten

 

Zur Reduzierung von Treibhausgas-Emissionen werden weltweit große Anstrengungen unternommen und auch teilweise schon gesetzliche Verordnungen eingeleitet. Für den Bereich der EU gilt seit Juli 2007 eine gesetzliche "Verordnung über bestimmte fluorierte Treibhausgase", die auch für Kälte- und Klimaanlagen strenge Anforderungen festschreibt. Die revidierte Verordnung Nr. 517/ 2014 trat unterdessen in Kraft und ist seit Januar 2015 in Anwendung.

 

Mit freundlicher Freigabe von Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH 

Quelle: Bitzer Kältemittel Report 19 

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Gebäude mit einem größeren Kältebedarf sind vielfach mit zentralen Kaltwasseranlagen ausgerüstet. Das Kaltwasser entzieht den Räumen Wärme entweder direkt (über Gebläsekonvektoren oder per Bauteilaktivierung) oder indirekt über eine raumlufttechnische Anlage, in der gekühlte Luft über ein Kanalsystem in die Räume eingebracht wird. Smarte Pumpen können die dafür notwendige Anlagentechnik und die Kosten erheblich beeinflussen.

 

Ob natürlichen Ursprungs oder anthropogen verursacht: Der Klimawandel ist real. Das zeigt sich in lokalen Wetterphänomenen (Starkregen, Hurrikane) ebenso wie in erhöhten Durchschnitts-Temperaturen. Die unmittelbaren Folgen: Höhere Temperaturen erfordern in den unterschiedlichsten Lebensbereichen einen größeren Kühlungsaufwand (Nahrungsmittel, Gebäude, Rechenzentren, Produktionsanlagen). In Deutschland werden jährlich ca. 66 Milliarden kWh Strom und 11 Milliarden kWh nicht-elektrische Energie für die technische Kälteerzeugung verwendet - dies entspricht 14 Prozent unseres gesamten Strombedarfs. Hiervon entfallen 22 Prozent auf die Klimatisierung von Gebäuden (Quelle: BINE).

 

Wirkungsgrad der Klimaanlage verbessern

Im Sommer verbrauchen wir wegen der Klimaanlagen schon heute signifikant mehr Strom als im Winter. Hersteller wie Planer und Betreiber suchen deshalb nach Möglichkeiten, die Kosten von Klimaanlagen zu senken – das gelingt u.a. durch einen optimierten Wirkungsgrad.

Um bei den Kaltwasseranlagen zu bleiben: Ein Stellrad dazu sind die hier arbeitenden Pumpen: Sie sind das Herz jeder Kaltwasseranlage, obwohl auf sie direkt nur 5 % des Energieverbrauches entfallen. Sie haben jedoch einen indirekten Einfluss darauf, wie die anderen Komponenten zur Energieübertragung im Gebäude funktionieren. Die Leistung von Kaltwassersätzen, Kühltürmen, Klimageräten oder Ventilatorkonvektoren hängt direkt von den Eigenschaften der hier arbeitenden Pumpen ab.

Für jede Auslegung einer Pumpe gilt das Ziel, dass der Betriebspunkt im Bereich mit dem höchsten Wirkungsgrad der Pumpe liegt. Oft ist es jedoch nicht möglich, eine Pumpe für den genauen Betriebspunkt auszuwählen, weil die Systemanforderungen dynamisch sind und sich das Lastmuster des Gebäudes ändert. Es ist daher erforderlich, dass die Pumpenanlage ihre Leistung entsprechend den Änderungen im Lastmuster des Gebäudes anpasst. Neben dem Einsatz von Drosselventilen und dem Abdrehen des Laufrades ist die Drehzahlregelung mit einem Frequenzumrichter die effizienteste Möglichkeit zur Leistungsanpassung einer Kreiselpumpe.

 

Planung eines optimalen Kaltwassersystems

Optimal geregelte Kühlsysteme sind für ein gutes Raumklima und niedrige Betriebskosten von entscheidender Bedeutung. Systeme mit variabler Volumenstromtechnik (VPF) sind perfekt für das Erreichen dieses Ziels geeignet. Um jedoch ein Einfrieren und Abschalten zu verhindern, muss in Kaltwassersystemen ein Mindestvolumenstrom sichergestellt werden und die Anlagen über eine schnelle Entladungskapazität verfügen. Diese Entladungskapazität kann durch ein präzises Steuerungssystem, durch Verdichter mit variabler Leistung, Pumpen, Lüfter und eine leicht regelbare Bypass-Leitung erreicht werden.

Ein zu starkes und zu schnelles Herabsetzen des Durchflusses erhöht das Risiko von Vereisungen. Als Lösung wird häufig die Installation eines Bypass-Ventils in der gemeinsamen Leitung gewählt. Als Ergebnis entsteht eine Anlage, für die ein präzises Steuerungssystem benötigt wird, um das optimale Zusammenspiel aller Anlagenkomponenten sicherzustellen – das bedeutet im Grunde: Effizienz auf Kosten höherer Komplexität! 

Die von Grundfos empfohlene Lösung: Der Austausch des herkömmlichen Bypass-Ventils durch eine TPE3-Pumpe ermöglicht eine Vereinfachung des Kaltwassersystems und stellt einen gleichbleibenden Mindestvolumenstrom im Kühlaggregat sicher. Die Pumpe wird in der Regelungsart konstanter Differenzdruck (∆P) geregelt, wobei über den Verdampfer des Kaltwassersystems ein konstanter Druck und damit auch ein konstanter Durchfluss unabhängig von der Anlagenlast gehalten wird. Sobald die Durchflussmenge durch das Kaltwassersystem über einem sicheren Mindestwert liegt, schaltet sich die TPE3-Pumpe von selbst aus. Dank dieser Arbeitsweise ist sichergestellt, dass die Leistung der primär drehzahlgeregelten Pumpen unabhängig von den für den Mindestdurchfluss des Kühlaggregats definierten Grenzwerten reduziert werden kann.

Die Bypass-Pumpenlösung von Grundfos gewährleistet, dass die Leistung der Hauptpumpe vollkommen unabhängig von den Mindestdurchfluss-Grenzwerten für das Kühlaggregat ist. Das vermeidet ein überschüssiges Durchflussvolumen in der Anlage und minimiert zudem die Betriebskosten. Da für diese Lösung nur eine TPE3-Pumpe und ein Differenzdrucksensor benötigt werden, verringert sich zudem die Anlagenkomplexität:

  • die richtige Wassertemperatur ist jederzeit garantiert
  • die Temperaturen können über die mobile Überwachungs- und Konfigurationslösung GrundfosGO ausgelesen und dokumentiert werden
  • einfachere Planung und Spezifikation, da als Grundlage ausschließlich die Temperatur dient
  • es sind keine Drosselventile erforderlich
  • die Betriebskosten für die Pumpen sinken.

 

Inline-Pumpe mit smarten Algorithmen

Bei Inline-Pumpen TPE liegen Druck- und Saugstutzen geradlinig gegenüber, das vereinfacht die Rohrleitungsmontage. Die Trockenläuferpumpen sind in Blockausführung gefertigt und daher weit weniger empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Fördermedium als Nassläufer-Umwälzpumpen.

 Mit intelligenten Regelungen und zahlreichen weiteren Funktionen kann die TPE3-Pumpe eine zentrale Rolle in Heizungs-, Klimatisierungs- und Wärmerückgewinnungsanlagen übernehmen. Zwei Funktionalitäten sind besonders interessant:

  • AutoAdapt-Funktion: Anders als bei einer herkömmlichen elektronischen Regelung überprüft die Pumpe regelmäßig die Anlagenverhältnisse und passt die Proportionaldruck-Kennlinie selbsttätig an. Auch wenn die Anlagenverhältnisse nicht genau bekannt sind (etwa beim Austausch einer Bestandspumpe), passt die AutoAdapt-Funktion den Sollwert der Pumpe selbsttätig an.
  • FlowAdapt-Funktion: Es ist dies eine kombinierte Funktion aus AutoAdapt und FlowLimit. Mit FlowLimit lässt sich ein Maximalwert für den Förderstrom vorgeben. Die Pumpe überwacht kontinuierlich den Förderstrom und verhindert ein Überschreiten des Maximalwerts.

Solche ‚E‘-Pumpen mit dem IE5-Höchsteffizienz-Motor fördern nicht einfach Medium von A nach B; vielmehr handelt es sich um Systemlösungen, die anspruchsvolle und komplexe Förderaufgaben mit minimalem Energieaufwand lösen. 

Ausgestattet mit analogen und digitalen Ein- und Ausgängen sowie weiteren Schnittstellen kann der Betreiber passend zur jeweiligen Anwendung beim IE5-Antrieb eine Vielzahl integrierter Pumpenfunktionen nutzen. Die Spanne reicht von der einfachen Prozessregelung mit konstanten Parametern (Druck / Volumenstrom / Füllhöhe / Temperatur) bis hin zu komplexen Regelungen, die sich auf die individuellen Gegebenheiten einer Anlage selbst einstellen. Hinzu kommen Überwachungs- und Prozessfunktionen. Zudem können Hardware und Software an spezielle Anforderungen des Kunden angepasst werden (‚Customizing‘).

Fazit:

Höchsteffiziente und integrierte Pumpen-Lösungen für die HVAC-Gewerke sichern nicht allein den kostengünstigen Betrieb. Kombiniert mit modernen Feldbus-Lösungen gewährleisten sie Transparenz hinsichtlich der Betriebsdaten und bieten damit die Möglichkeit zur Präventivwartung, was die Betriebssicherheit signifikant verbessert. Der Langzeiteffekt eines IE5-Motors darf auch nicht vergessen werden: Wer nur auf die Amortisation von 3, 5 oder 7 Jahren schaut der ignoriert vermutlich, dass effiziente Technik über den gesamten Lebenszyklus Jahr für Jahr weiter Kosten spart.

 

*Wolfgang Richter, Direktor Projektgeschäft Gebäudetechnik D-A, Grundfos GmbH, Erkrath.

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