Kältetechnik

Kältetechnik
Building Technologies
s
Inhaltsverzeichnis
1.Thermodynamische Grundlagen
2. Kältemittel
3. Das h, log p-Diagramm
4. Mechanischer Aufbau der
Kompressionsanlage
1.1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.2.6
1.2.7
1.2.8
1.2.9
Ursprung der Kältetechnik
Der thermoelektrische Prozess
Temperatur-Enthalpie-Diagramm
Wärmefluss
Schmelzprozess
Verdampfungsprozess
Überhitzung
Verflüssigungsprozess (Kondensation)
Druck-Enthalpie-Diagramm
Kältemittel
Zusammenfassung
6
7
7
8
9
9
10
11
12
12
13
2.1
2.2
2.3
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.2.1
2.4.2.2
Eigenschaften, Geschichtliches
Bezeichnung der Kältemittel
Physikalische Eigenschaften
Aktuell eingesetzte Kältemittel
Verbot von FCKW und HFCKW
Ersatz-Kältemittel für FCKW und HFCKW
R134a als Alternative für R12
R407C und R290 als Alternativen für R22 resp. R502
15
16
17
19
19
20
20
21
3.1
3.1.1
3.1.2
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3.3
Allgemein
Zustandsbereiche und Erklärung der Begriffe
Der Diagrammbereich für Kältemittel
Der Aufbau des Diagramms
Die Koordinaten h, p
Verhältnislinien x
Isothermen t
Spezifisches Volumen v
Isentropen s
Zusammenfassung
22
24
25
25
25
27
27
28
29
30
4.1
4.2
4.2.1
4.2.1.1
4.2.1.2
4.2.1.3
4.2.1.4
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.4
4.4.1
4.4.2
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.5.4
4.6
Einleitung
Der Verdichter
Hubkolbenverdichter
Offene Verdichter
Halbhermetische Verdichter
Hermetische Verdichter
Leistung
Schraubenverdichter
Scrollverdichter
Rollkolbenverdichter
Turboverdichter
Verflüssiger (Kondensator)
Wassergekühlte Verflüssiger
Luftgekühlte Verflüssiger
Verdunstungsverflüssiger
Die Expansion
Thermostatische Drosselventile
Elektronische Expanisonsventile
Verdampfer
Rohrbündelverdampfer
Plattenverdampfer (Plattenwärmeübertrager)
Verdampfer zur Luftkühlung
Eisspeicher
Sicherheit im Kältekreislauf
31
32
32
33
34
35
36
36
37
38
38
39
40
40
41
42
42
44
44
46
47
48
48
49
3
5. Der Kompressions-Kälte-Kreislauf
im h, log p-Diagramm
6. Wärmepumpen-Technik
7. Eisspeicher
4
5.1
5.1.1
5.1.2
5.1.3
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
5.2.7
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.4
5.5
5.6
Allgemein
Bauelemente und ihre Funktion
Kältemittel und seine Betriebszustände
Die Anlage
Der Kältekreislauf im h, log p-Diagramm
Der Flüssigkeitssammler
Das Expansionsventil
Der Verteiler und der Verdampfer
Die Saugleitung und der Wärmetauscher
Der Verdichter
Die Heissgasleitungen und der Verflüssiger
Druckhochhaltung im Flüssigkeitssammler
Weitere Anlagenteile und ihre Probleme
Das Magnetventil vermeidet Schäden
Der Öltransport
Die Sicherheitsorgane
Die energetische Bilanz
Bestimmung der umlaufenden Kältemittelmenge
Zusammenfassung
50
50
50
51
53
53
53
54
55
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59
59
59
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62
63
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6.1
6.2
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.4
6.5
6.5.1
6.5.1.1
6.5.2
6.5.2.1
6.5.2.2
6.5.2.3
6.5.3
6.6
6.6.1
6.6.2
6.7
6.7.1
6.7.1.1
6.7.1.2
6.7.1.3
6.7.2
Einleitung
Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Die Wärmequellen
Wärmequelle Aussenluft
Wärmequelle Erdreich
Wärmequelle Grundwasser
Wärmepumpen-Benennung
Betriebsarten
Monovalenter Betrieb
Spezialfall monoenergetischer Betrieb
Bivalenter Betrieb
Bivalent-alternativer Betrieb
Bivalent-paralleler Betrieb
Bivalent-parallel/alternativer Betrieb
Wahl der Betriebsart
Kennzahlen für Wärmepumpen
Die Leistungszahl ε
Die Jahresarbeitszahl β
Die Regelbarkeit der Wärmepumpe
Heizleistungsregelung direkt an der Wärmepumpe
Heissgas-Bypass oder Saugdrossel
Kompressor Ventilabhebung
Kompressordrehzahlregelung
Wärmepumpe Ein/Aus-Regelung
65
65
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67
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68
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69
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70
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72
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74
74
74
74
7.1
7.2
7.2.1
7.2.2
7.3
7.4
7.4.1
7.4.2
7.5
7.5.1
7.5.2
7.5.3
7.5.4
7.5.5
7.6
Einleitung
Einsatzgebiete für Eisspeicher
Einsatz in der Klimatechnik
Einsatz in der Gewerbekühlung
Aufbau und Funktion des Eisspeichers
Auslegung des Kältespeichers
Kältemaschine und -speicher decken Spitzenbedarf
Teil- und Vollspeicherung
Hydraulische Schaltungen mit Eisspeichern
Ladebetrieb
Entladebetrieb (Serieschaltung)
Bypass-Betrieb
Hydraulische Schaltung bei Vollspeicherung
Unterschiedliche Betriebspunkte der Kältemaschine
Regelung und Steuerung des Eisspeichers
76
76
77
77
77
80
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81
82
82
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83
83
84
84
8. Der Absorptions-Kreisprozess
Lexikon
7.6.1
7.6.2
7.6.3
7.7
Regelung der Glykolwasser-Mischtemperatur
Steuerung des Umlenkventils je nach Betriebsart
Steuerung der Eisspeicher-Ladung
Wirtschaftlichkeitsüberlegungen
84
85
85
85
8.1
8.2
8.3
8.3.1
8.3.2
8.4
8.5
8.6
8.6.1
8.6.1.1
8.6.1.2
8.6.1.3
8.6.2
8.6.2.1
8.6.3
8.7
8.7.1
8.7.2
Einleitung
Einsatzbereich der Absorptions-Kältemaschinen
Arbeitsstoffpaare
Kältemittelkreislauf
Lösungsmittel-Kreislauf
Der Kreisprozess der Absorptionsmaschine
Wärmeverhältnis ζ
Aufbau und Ausrüstung der Absorptions-Kältemaschine
Die Zweikessel-Bauweise
Das Entlüftungs-System
Umwälzpumpen
Kühlwasser
Die Einkessel-Bauweise
Entlüftung
Die zweistufige Absorptions-Kältemaschine
Leistungsregelung der Absorptions-Kältemaschinen
Leistungsregelung durch Drosselung der Betriebsenergie
Bypassregelung der Lösungsmittelkonzentration
86
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89
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92
93
93
94
94
95
95
95
96
96
A–Z
97
5
1.Thermodynamische Grundlagen
1.1 Ursprung der Kältetechnik
Naturgemäss muss sich der Mensch seit Urzeiten mit dem Thema
Kühlung beschäftigen und wir kennen auch die unterschiedlichsten
Möglichkeiten der Kühlung. In mit nassen Tüchern umwickelten
Tonbehältern oder in Feldflaschen, wurde die Flüssigkeit (z.B. der
Wein) im Behälter gekühlt (Wärmeentzug durch Verdunstung von
Wasser).
Die uns bekannten anfänglichen Überlegungen zum Thema
Kältetechnik stammen aus dem Jahr 1834, als Jacob Perkins in einer
Patentschrift eine Kaltdampfmaschine mit geschlossenem Kreislauf
und Äthyläther beschrieben hat.
Ca. 40 Jahre später (1876) verwendet Carl Linde erstmals Ammoniak
als Kältemittel bei einer Kaltdampfmaschine mit Kolbenverdichter.
1910 tauchen die ersten Haushaltskühlschränke auf und 1930 werden
die Kältemittel R 11, R 12, R 13, R 22, R 113 und R 114 entwickelt
(siehe Kapitel Kältemittel). Die Ursachen für die Forderung nach "Kälte"
stammen ursprünglich aus dem Bereich der Lebensmittelversorgung.
Für diesen Bereich wurden Grossanlagen für Brauereien,
Schlachthöfe, Kühlhäuser und Eisfabriken sowie Kühlschiffe gebaut.
Nach dem ersten Weltkrieg wurde der Bedarf wesentlich grösser und
man unterteilte die Bereiche in:
•
•
•
Heutiger Stand:
Grosskälte (industrielle Kälte)
Kleinkälte (kommerzielle Kälte)
Kühlschränke und Truhen (Haushalt Kälte)
In der Lebensmittelbranche ist die Anwendung der Kältetechnik die
beste und gesündeste Methode Lebensmittel über längere Zeiträume
und über verschiedene Klimazonen hinweg frisch zu halten und somit
unsere Versorgung sicherzustellen.
Im Maschinenbau kann durch die Anwendung der Kältetechnik
schneller und preisgünstiger produziert werden.
In der Klimatechnik wird neben der Heizenergie im Winter, für den
Sommerzeitraum Kälteenergie zur Kühlung und Entfeuchtung der Luft
benötigt.
Früher wurde für diese Zwecke häufig Leitungs- oder Brunnenwasser
verwendet. Diese Nutzungsart ist jedoch aus ökonomischen und energetischen Gründen nicht empfehlenswert.
Der Einsatz der Kältetechnik ist ein wesentlicher Faktor für unser
Wohlbefinden an Arbeitsplätzen und Aufenthaltsräumen allgemein.
Heute wird im Bereich der Kältetechnik überwiegend die
"Kompressions-Kältemaschine" zur Erzeugung der benötigten
Kälteenergie eingesetzt.
•
•
•
Kältespeicher
Wärmepumpen
Wärmerückgewinnung in Klimatechnik
Energie- bzw. Wärmerückgewinnung ist ein sehr aktuelles Thema im
Bereich der Kältetechnik. Einen grossen Aufschwung erlebte die
Kältetechnik in den 70 – 80er Jahren, durch den verstärkten Einsatz
von Wärmepumpen, hervorgerufen durch die "Energiekrise".
Das theoretische Wissen der Kältetechnik umfasst den gesamten
Bereich der Naturwissenschaften (Mathematik, Technik, Physik,
Chemie usw.) In kaum einer Branche ist der Beruf so vielseitig wie in
der Kältetechnik.
6
Für das Verständnis ist es wichtig, die allgemeinen Grundlagen zu
kennen, damit für die Beratung des Lüftungs-, Klima- und
Kälteanlagenbauers oder auch für den Planer, das zum Einsatz der
Regeltechnik erforderliche Grundwissen vorhanden ist.
Selbstverständlich steht der Bezug zur praktischen Anwendung der
Regeltechnik in der Kältetechnik im Vordergrund dieses Seminars.
1.2 Der thermoelektrische Prozess
Aufbau der Materie
Aus dem Fachgebiet Thermo-Hydrodynamik kennen wir feste, flüssige
und gasförmige Stoffe. Die Ursache ist in der Struktur und Eigenschaft
der Moleküle zu finden.
So ist z.B. bei Metallen die Struktur der Moleküle stark zusammenhängend (grosse Kohäsionskräfte), die Moleküle bilden eine feste
Gitterstruktur (Fig. 1-1 links).
Bei Flüssigkeiten sind diese Kräfte geringer, so dass der Stoff nicht
fest ist (Fig. 1-1 Mitte).
Gasförmige Stoffe dagegen haben nur einen sehr losen Zusammenhalt, und deshalb sind diese Stoffe sehr flüchtig (Fig. 1-1 rechts).
53001DE
fest
(Gitterstruktur)
Fig. 1-1
1.2.1 Temperatur-Enthalpie-Diagramm
flüssig
(Teilchen bleiben noch beieinander)
gasförmig
(Teilchen können sich frei und
unabhängig voneinander bewegen)
Gitterstruktur der Moleküle
fest:
die Moleküle sind fest beieinander
flüssig:
die Moleküle sind lose beieinander
gasförmig:
die Moleküle haben ihren Zusammenhalt verloren
und können sich frei bewegen
Die Aggregatzustandsänderung lässt sich mit Hilfe des TemperaturEnthalpie-Diagramms sehr leicht veranschaulichen. Ausgangspunkt
des in Fig. 1-2 gezeigten Beispiels ist ein Kilogramm Wasser bei
atmosphärischem Druck und 0 °C:
B0815
Fig. 1-2
Temperatur-Enthalpie-Diagramm (t, h-Diagramm) für Wasser
A-B
B-C
C-D
Sensible Wärme ( Erwärmung des flüssigen Stoffes)
Latente Wärme (Verdampfung, Übergang flüssig ⇒ gasförmig)
Sensible Wärme (Überhitzung des gasförmigen Stoffes)
Wie Fig. 1-2 zeigt, wird für die Enthalpie h die Masseinheit "kJ/kg" verwendet. Daraus ist ersichtlich, dass es sich um die in einem
Kilogramm Masse – im gegebenen Fall ist es Wasser – enthaltene
Wärmemenge handeln muss.
7
Da bei der Enthalpie gewöhnlich nur ihre Änderungen – also EnthalpieDifferenzen – von Interesse sind, kann der Nullpunkt der EnthalpieSkala beliebig festgelegt werden. In Fig. 1 – 2, aber auch in den
gebräuchIichen Dampftabellen für Wasserdampf, ist er identisch mit
dem Gefrierpunkt des Wassers, also bei 0 °C. Das bedeutet, dass z.B.
die unter "1.2.3 Schmelzprozess" beschriebene Schmelzwärme in den
angegebenen Enthalpiewerten nicht enthalten ist.
Die Gerade A – B stellt die sensible Wärme dar, die erforderlich ist, um
das Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen. An der Stelle B kann
auf der Enthalpie-Skala eine Enthalpie von 419 kJ/kg abgelesen werden; die Wärme, die zugeführt wurde, um das Wasser bis zum
Siedepunkt zu erhitzen, ist also als Enthalpie des Wassers bei 100 °C
nach wie vor vorhanden.
Die Gerade B – C stellt den Verdampfungsprozess dar. Latente Wärme
wird entlang dieser Geraden kontinuierlich zugeführt, bis das
Kilogramm Wasser bei Punkt C vollständig in Dampf übergegangen ist.
Die Enthalpie dieses trocken gesättigten Dampfes beträgt nun 419 +
2257 = 2676 kJ/kg, also die Summe aus sensibler und latenter
Wärme. Wird der Dampf auf 115 °C (Punkt D) überhitzt, beträgt die
Enthalpie bei Punkt D 2676 + 28,3 = 2704,3 kJ/kg.
Für Kälteprozesse ist aber nur die Aggregatszustandsänderung des
Kältemittels, vom flüssigen in den dampfförmigen, bzw. vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand von Interesse.
Wie im Modul B01HV "Physikalische Grundlagen" beschrieben,
entspricht jede Siedetemperatur einem ganz bestimmten Druck
(Fig. 1-3). Hohe Siedepunkte setzen hohe Drücke, tiefe Siedepunkte
geringe Drücke voraus.
Log p (bar abs.)
B0816
100
10
1
0,1
0,01
0,001
-100
Fig. 1-3
1.2.2 Wärmefluss
0
100
200
300
400
Siedepunkte des Wassers
Wärme ist eine Form der Energie, die von selbst nur von einer
Substanz mit höherer Temperatur auf eine Substanz mit niedrigerer
Temperatur übergehen kann (Fig. 1-4).
Das heisst:
Wärme fliesst "von selbst" stets nur in einer Richtung,
und
ein Wärmefluss setzt eine Temperaturdifferenz voraus.
8
°C
Fig. 1-4
1.2.3 Schmelzprozess
Wärmefluss
Bekanntlich können feste Körper, denen Wärme zugeführt wird, in den
flüssigen Zustand übergehen. Diese Wärme, die ein Schmelzen des
festen Körpers verursacht, wird Schmelzwärme genannt. Um z.B. 1 kg
Eis von 0° C zu schmelzen – oder in Wasser von 0° C zu verflüssigen –
ist eine Wärmemenge von 335 kJ (Fig. 1-5) erforderlich. Dabei ist zu
beachten, dass sich die Temperatur durch die Wärmezufuhr nicht verändert. Der Schmelzprozess findet bei konstanter Temperatur statt.
Aus diesem Grund wird diese Wärme, die eine Aggregatzustandsänderung hervorgerufen hat, als latente Wärme bezeichnet.
B0812
Fig. 1-5
1.2.4 Verdampfungsprozess
Schmelzwärme von Eis
Wenn dem Kilogramm Wasser von 0 °C, Wärme zugeführt wird, steigt
die Temperatur des Wassers stetig an, bis sie schliesslich den
Siedepunkt erreicht. Im Gegensatz zur latenten Wärme, die eine
Aggregatzustandsänderung hervorgerufen hat, ist diese Wärme jedoch
messbar, fühlbar, und wird deshalb sensible Wärme genannt.
Die Wärmemenge, die zur Erhöhung der Temperatur um 1 K erforderlich ist, beträgt 4,19 kJ. Daraus folgt, dass eine sensible Wärmemenge
von 419 kJ zugeführt werden muss, um die Temperatur des Wassers
auf 100 °C zu erhöhen. Vorausgesetzt, dass Normaldruck (atmosphärischer Druck auf Meereshöhe, d.h. absoluter Druck von 1,013 bar)
herrscht, ist diese Temperatur der Siedepunkt des Wassers. Es ist der
Punkt, bei dem das Wasser zu verdampfen beginnt (Fig. 1-6).
9
B0813
Fig. 1-6
Verdampfungsprozess und Enthalpie von Wasser
Der Dampf, der nun entsteht, hat eine Temperatur von 100 °C und ist
in der Fachsprache als trocken gesättigter Dampf bekannt. Die
Umwandlung von Wasser zu Dampf ist wiederum eine
Aggregatzustandsänderung, die durch die ununterbrochene Zuführung
von Wärme hervorgerufen wird.
Um das Kilogramm Wasser von 100 °C vollständig zu verdampfen, d.h.
in ein Kilogramm Dampf von 100 °C zu verwandeln, muss eine latente
Wärmemenge von 2257 kJ zugeführt werden. Diese latente Wärmemenge ist die Verdampfungswärme.
Addiert man zu dieser Verdampfungswärme von 2257 kJ die 419 kJ,
die aufgewendet wurden, um 1 kg Wasser von 0 auf 100 °C zu erwärmen, so erhält man mit 2676 kJ den Wärmeinhalt oder die Enthalpie
von 1 kg Dampf von 100° C, bezogen auf 1 kg Wasser von 0 °C
(Fig. 1-2).
1.2.5 Überhitzung
Wird der nunmehr entstandene, trocken gesättigte Dampf von 100 °C
z.B. in eine offene Rohrschlange geleitet, durch die ihm weiterhin
Wärme zugeführt wird, erfolgt eine Überhitzung des Dampfes
(Fig. 1-7). Bei der Überhitzungswärme handelt es sich wieder um sensible Wärme, d.h. es findet eine Temperaturerhöhung des Dampfes
statt.
Um z.B. die Temperatur des im Verdampfungsprozess gewonnenen
Kilogramm Dampfes von 100 °C auf 115 °C zu erhöhen ist eine sensible Wärmemenge von 28,3 kJ erforderlich. Dies folgt aus folgender
Formel:
Q = m • c • (t-ts)
= 1 • 1,88 • (115 - 100)
= 28,3 (kJ)
cp
m
t
ts
10
mittlere spezifische Wärme des überhitzten Dampfes (kJ/kg K)
Masse (kg)
Temperatur des überhitzten Dampfes (°C)
Siedetemperatur des Dampfes (°C)
B0814
Fig. 1-7
1.2.6 Verflüssigungsprozess
(Kondensation)
Überhitzter Dampf und Enthalpie von Wasser
Der Prozess der Aggregatzustandsänderung von flüssigem in den
dampfförmigen Zustand ist umkehrbar, d.h. der Dampf kann auch in
Flüssigkeit umgewandelt werden. Dieser Prozess, der als Verflüssigung bekannt ist, findet statt, wenn dem Dampf dieselbe Menge
Wärme entzogen wird, die ihm während des Verdampfungsprozesses
zugeführt worden ist.
In Fig. 1-8 ist der Verflüssigungsprozess ersichtlich.
B0818
Fig. 1-8
Verflüssigungsprozess (Kondensation)
Legende
1
2
3
4
Dampf, 100 °C
KühIwasser, kalt
Kühlwasser, warm
Wasser, 100 °C
Die Aggregatzustandsänderung von Flüssigkeit zu Dampf und von
Dampf zu Flüssigkeit ist für den mechanischen Kälte- bzw.
Wärmepumpen-Kreislauf aus folgendem Grund von grösster
Wichtigkeit:
Die Aggregatzustandsänderung erfordert die Übertragung einer relativ
grossen Wärmemenge pro Kilogramm Substanz (Kältemittel). Wie
gezeigt wird ist es genau diese Wärmeübertragung im Kältemittelkreislauf (vgl. Fig. 1-2 C - B), die den gewünschten Nutzeffekt (Kühlung
bei Kältemaschinen, Heizung bei Wärmepumpen) bewirkt.
11
1.2.7 Druck-Enthalpie-Diagramm
In der Kälte- bzw. Wärmepumpentechnik benutzt man statt des in Fig.
1-2 dargestellten Temperatur-Enthalpie-Diagramms vorzugsweise das
Druck-Enthalpie-Diagramm
(Fig. 1-9). In diesem Diagramm ist die Enthalpie nicht mehr in
Abhängigkeit der Temperatur bei Normaldruck dargestellt, sondern sie
kann für verschiedene Drücke und die entsprechenden Temperaturen
abgelesen werden. Vor allem aber können sogenannte Kreisprozesse –
wie im folgenden gezeigt – mit Hilfe dieses Diagramms leicht veranschaulicht und berechnet werden.
B0817
Fig. 1-9
Druck-Enthalpie-Diagramm für Wasser
1
2
3
4
5
6
Flüssigkeitslinie (Verdampfungsbeginn)
Unterkühlungsgebiet (Flüssigkeit)
Kritischer Punkt
Überhitzungsgebiet (Dampf)
Sattdampflinie
Nassdampfgebiet (Flüssigkeit/Dampf)
A – B Verdampfungswärme (2257 kJ/kg)
Die vom Nullpunkt zum kritischen Punkt hoch zeigende Linie (1) ist die
Linie gesättigter Flüssigkeit, während die Fortsetzung dieser Linie (5),
die vom kritischen Punkt (jener Punkt, bei dem kein Unterschied zwischen Flüssigkeit und Dampf mehr besteht) hinunter zur EnthalpieSkala führt, den Zustand gesättigten Dampfes bestimmt.
Zieht man bei einem bestimmten Druck eine Horizontale durch die beiden Linien, kann bei Punkt A die Enthalpie der gesättigten Flüssigkeit
und bei Punkt B die Enthalpie des gesättigten Dampfes abgelesen
werden. Die Differenz der Werte A und B entspricht der
Verdampfungswärme.
Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Verdampfungswärme mit
steigendem Druck und steigender Temperatur immer geringer wird,
um schliesslich beim kritischen Punkt einen Zustand zu erreichen, bei
dem keine Verdampfungswärme mehr vorhanden ist.
Bei Wasserdampf beträgt der kritische Druck 221,2 bar und die kritische Temperatur 374,1 °C.
1.2.8 Kältemittel
12
Als Kältemittel bezeichnet man das in einer Kältemaschine bzw.
Wärmepumpe umlaufende Arbeitsmedium. Zur Erläuterung der
Grundlagen des Kälteprozesses war bisher ausschliesslich von Wasser
die Rede, und tatsächlich besitzt Wasser viele der Eigenschaften, die
von einem Kältemittel verlangt werden. Wasser ist billig, reichlich vorhanden, ungiftig, nicht brennbar und besitzt eine relativ grosse
Verdampfungs- bzw. Verflüssigungswärme. Es ist deshalb nicht
erstaunlich, dass bei Dampfstrahl und Absorptions-Kältemaschinen
bzw. -Wärmepumpen die nachfolgend beschrieben werden, Wasser
als Kältemittel verwendet wird.
Für den Kompressions-Kreisprozess ist Wasser als Kältemittel nicht
geeignet, da die Drücke und Temperaturen, bei denen die Aggregatzustandsänderungen erfolgen sollen, ungünstig liegen. Vielmehr werden bei diesem Prozess Kältemittel verwendet, die leicht flüchtiger
sind als Wasser, d.h. Substanzen, die bei relativ niedrigen Temperaturen und den entsprechenden hohen Drücken verdampfen.
Ozonersetzend wirken vor allem die FCKW, die aufgrund ihrer hohen
chemischen Stabilität eine lange atmosphärische Verweilzeit aufweisen, so dass theoretisch die gesamten freigesetzten Mengen in die
Stratosphäre diffundieren und sich dort zersetzen. Das hierbei frei
werdende Chlor zerstört die vor gefährlichen UV-Strahlen schützende
Ozonschicht. Aus diesem Grund dürfen heute nur noch chlorfreie
Kältemittel verwendet werden.
Weitere Informationen im Kapitel "2 Kältemittel"
1.2.9 Zusammenfassung
Stoffe, in der Kältetechnik die Kältemittel, mit tiefen Siedepunkten
nennt man Gase, weil diese unter normalem Druck und bei normalen
Temperaturen (unsere Umgebungsbedingungen) sofort verdampfen.
Hier erkennt man bereits eine kritische Situation für den Transport,
das Aufbewahren und die Anwendung von Kältemitteln.
Im Kältekreislauf erfährt das Kältemittel die Aggregatzustände
•
•
flüssig
dampfförmig
sowie die Übertragung von
•
•
latenter und
sensibler Wärme.
In einem thermodynamischen Kreisprozess wird durch die Verdampfung von Kältemittel dem zu kühlenden Medium Wärme entzogen.
Dieser Vorgang erfolgt entweder direkt durch die Kältemaschine, oder
indirekt durch einen zwischengeschalteten Kaltwasserkreislauf.
Eine Kühlanlage ist eine Maschine, die einem Stoff oder einem Raum
Wärme entzieht. Die Kälteleistung ist die Fähigkeit, in einem bestimmten Zeitraum eine bestimmte Wärmemenge abzuführen.
Q0 = m • c
Q0
m
c
∆t
=
=
=
=
•
∆t
Kälteleistung [kJ/h oder kW]
Massenstrom [kg/s]
spezifische Wärme [kJ/kgK]
Temperaturdifferenz [K]
Die spezifische Wärme c ist jene Energie (in kJ), welche man benötigt,
um 1 kg eines bestimmten Stoffs um 1 K zu erwärmen. Die spezifische Wärme ist vom Aggregatzustand abhängig. In der nachfolgenden
Tabelle sind einige Werte von typischen, in der Kältetechnik zum
Einsatz kommenden Stoffen, zusammengestellt:
Stoff
cfest
cflüssig
cGas
Wasser
2.03 kJ/kgK
4.18 kJ/kgK
2.05 kJ/kgK
Ammoniak NH3
4.44 kJ/kgK
2.18 kJ/kgK
Kältemittel R22
1.09 kJ/kgK
0.16 kJ/kgK
13
Man unterscheidet zwischen sensibler (fühlbarer) und latenter
(nicht fühlbarer) Wärme.
sensible Wärme:
latente Wärme:
Wärme, bei der eine Änderung des Energie-Inhalts immer auch mit
einer Temperaturänderung verbunden ist.
Wärme, welche zum Wechsel des Aggregatzustandes aufgewendet
bzw. abgegeben werden muss. Sie führt zu keiner Änderung der
Temperatur, vielmehr wird diese Energie zur Umwandlung der
Molekularstruktur eines Stoffs benötigt. Die latente Wärme ist sehr
stark druck- und temperaturabhängig.
Der Wärmeinhalt ist die Enthalpie h.
•
•
•
•
die
die
die
die
Enthalpie der Flüssigkeit bezeichnet man mit h'
Enthalpie des Dampfes mit h''
zum Verdampfen benötigte Enthalpie mit r
Masseinheit ist jeweils kJ/kg
Unterschiedliche Stoffe haben auch unterschiedliches
Temperaturverhalten, d.h. der Temperaturwert für Schmelz- und
Siedepunkt ist unterschiedlich.
Schmelz und Siedepunkt sind druckabhängig.
z.B. Wasser bei 1 bar: Schmelzpunkt = 0 °C und Siedepunkt = 100 °C.
Die Abhängigkeit kann im Druck-Enthalpie-Diagramm nachvollzogen
werden. Überträgt man die Werte aus der Wasserdampftafel in ein
h, log p-Diagramm, erhält man eine graphische Darstellung der Zusammenhänge.
Die in der Kältetechnik verwendeten Kältemittel können Siedepunkte
bis zu -120 °C erreichen.
Im Bereich der Klimatechnik bewegen wir uns bei
Siedetemperaturen um +2 bis -20 °C.
14
2. Kältemittel
2.1 Eigenschaften, Geschichtliches
Patentschrift
Auszug aus einer Patentschrift zu Kältemittel, aus dem Jahr 1834:
....."Was ich beanspruche, ist ein Patent für eine Vorrichtung, die es mir
ermöglicht, ein leichtflüchtiges Medium zu verwenden, dass das
Kühlen und Gefrieren eines andern Mediums ermöglicht, und doch
gleichzeitig kontinuierlich, leichtflüchtiges Medium kondensiert und in
den Kreislauf ohne Verluste weitergeführt werden kann." .....
Grundsätzlich lassen sich alle Stoffe als Kältemittel verwenden, da es
lediglich um folgendes geht:
"Siede- und Verflüssigungspunkt müssen bei technisch erreichbaren
Drücken liegen".
Im weiteren sind die Anforderungen an ein ideales Kältemittel jedoch
so gross, dass sich nur wenige Stoffe wirklich eignen.
physikalische Eigenschaften
•
•
chemische Eigenschaften
•
•
•
•
•
•
•
•
Aggregatzustandsänderung flüssig→gasförmig bei "kleinen"
Drücken
grosse Verdampfungswärme
beständig
nicht explosiv
unbrennbar
nicht toxisch
nicht ätzend
nicht korrosiv
geruchlich gut feststellbar oder in kleinen Konzentrationen einfach messbar
chemisch stabil, d.h. darf auch in extremen Situationen nicht
in seine atomaren Bestandteile zerfallen.
Vom physikalischen und chemischen Gesichtspunkt gesehen, wäre
Wasser ein ideales Kältemittel. Für Verdampfungstemperaturen (t0)
ab +4 °C oder unter 0 °C ist dessen Einsatz jedoch undenkbar.
Aus den Anfängen der Kältetechnik sind hauptsächlich drei Kältemittel
bekannt:
SO2
Schwefeldioxyd
CH3Cl Chlormethyl
NH3
Ammoniak
Diese Kältemittel erfüllen im Wesentlichen den im "Patent" geäusserten Wunsch. In Bezug auf Aggressivität, Brennbarkeit und Hygiene
bleiben jedoch viele Wünsche offen, z.B.:
Toxizität:
SO2
0,5 – 1 Vol % tödlich in 5 min.
NH3
0,5 – 1 Vol % tödlich in 60 min.
CH3Cl 2 – 2,5 Vol % bleibende Schäden in 120 min.
Durch das FCKW-Verbot kommt heute – trotz toxischem Gefahrenpotential – das Kältemittel NH3 (Ammoniak) auch in der Klimatechnik
wieder vermehrt zum Einsatz, unter Einhaltung entsprechender
Sicherheitsmassnahmen.
15
2.2 Bezeichnung der Kältemittel
Ein Kältemittel soll bei atmosphärischem Druck einen möglichst tief
liegenden Siedepunkt, ein kleines Dampfvolumen und einen technisch
leicht zu beherrschenden Verflüssigungsdruck besitzen. Ausserdem
darf es die Bau- und Schmierstoffe der Kälteanlage nicht angreifen und
soll möglich nicht giftig, nicht brennbar und nicht explosiv sein.
Damit diese Eigenschaften erfüllt werden, haben Herstellerfirmen wie
z.B. die Fa. Dupont Kältemittel durch Derivationen(*) aus Methan CH4
und Aethan C2H6 entwickelt.
Die Derivat-Moleküle enthalten die Stoffe (mit chem. Zeichen):
Kohlenstoff
Fluor
Chlor
Wasserstoff
(*)
Die Namen
Name
Freon
Frigen
Arcton
Kaltron
"C"
"F"
"Cl"
"H"
Derivat
= Abkömmling einer chemischen Verbindung
Derivation = Ableitung
Hersteller
Dupont
Höchst
Imperial chemical Industrie
Kali Chemi
Ort
USA
Frankfurt
England
Hannover
Für die gebräuchlichsten Kältemittel wird das Buchstabensymbol
R und eine Nummer als Kurzzeichen verwendet. Die Namen sind
Firmenbezeichnungen für diese Derivate.
Gelegentlich wird anstelle von R auch das Wort Kältemittel und/oder
die Handelsbezeichnung (z.B. Freon) verwendet.
R und max. 3-stellige Zahl
Zahl der Hunderter
+1
Zahl der Zehner
-1
Zahl der Einer
= Zahl der C - Atome (Kohlenstoff)
= Zahl der H - Atome (Wasserstoff)
= Zahl der F - Atome (Fluor)
Dabei wird die Null an der Hunderterstelle nicht geschrieben, so dass
sich für die Methan-Derivate (z.B. R22) eine zweistellige Zahl ergibt.
Die Wasserstoff (H) Atome werden durch die Halogene Cl (Chlor), F
(Fluor), Br (Brom) ersetzt.
Beispiele:
R 114 chem. Formel C2Cl2F4 Tetrafluordichloräthan FCKW
⇒ 4 Fluor Atome
-1
⇒ kein Wasserstoff Atom und somit 2 Chlor Atome
+1
⇒ 2 Kohlenstoff Atome
R 134a chemische Formel C2H2F4 Tetrafluorethan H-FKW
⇒ 4 Fluor Atome
-1
⇒ 2 Wasserstoff Atome
+1
⇒ 2 Kohlenstoff Atome
R 22
chemische Formel CHClF2 Difluormonochlormethan H-FCKW
⇒ 2 Fluor Atome
-1
⇒ 1 Wasserstoff Atom und somit 1 Chlor Atom
+1
⇒ 1 Kohlenstoff Atom
Die Anforderungen, welche an ein Kältemittel gestellt werden, könnten noch beliebig erweitert werden, z.B. Wärmeübertragungs-,
Strömungseigenschaften usw.
16
2.3 Physikalische Eigenschaften
Öl als Schmiermittel
im Kältekreislauf
In Kompressions-Kälteanlagen muss für die Verdichter ein geeignetes
Öl zur Schmierung verwendet werden. Die spezifischen Eigenschaften
der verschiedenen Kältemittel erfordern auf das Kältemittel abgestimmte Maschinenöle.
Das Öl wird zur Schmierung des Kompressors benötigt und durch den
Arbeitsprozess (ungewollt) durch den Kältekreislauf mitgerissen. Weil
bei hohen Temperaturen chemische Reaktionen wie Korrosion und
Säurebildung auftreten, entsteht eine Zusatzgefahr, da die Verdichtungstemperaturen meist höher als 100 °C liegen.
Aus diesem Grund muss Kältemaschinenöl bestimmten Voraussetzungen entsprechen.
Im Bereich der Kältetechnik haben sich drei Gruppen von Ölen
bewährt:
•
•
•
Mineral-Öle
Halbsynthetische Öle
Synthetische Öle
z.B. für R 12, R 12B1
z.B. für R 22, R 23
z.B. für R 134a, R 23
Für die neuen chlorfreien Kältemittel sind weder Mineralöle noch die
bisher verwendeten synthetischen Alkyl-Benzole verwendbar, sondern
nur synthetische Öle auf Ester-Basis, auch Esteröle genannt.
Mischbarkeit
Die Mischbarkeit von Öl und Kältemittel hat sowohl Vor-, als auch
Nachteile:
Vorteile
•
Systemteile können gut geschmiert werden
•
das Öl kann relativ gut aus dem System in den Verdichter
zurückgeführt werden.
Nachteile:
•
Verdünnung und Erhitzung des Öls im Verdichter
•
Änderung der Fliessfähigkeit auf der Verdampferseite (kalt)
und damit Probleme der Ölrückführung. Ölrückstände im
Verdampfer bringen schlechte Wärmeübertragung und
Regelprobleme mit sich.
Verhalten bei Undichtigkeiten im
System
Es gibt viele Faktoren, welche das Verhalten eines Kältemittels bei
Undichtigkeiten bestimmen. Druck, Viskosität und Dichte sind nur
einige davon.
53004DE
NH
Fig. 2-1
3
R 22
Unterschiedliches Verhalten von Kältemitteln bei Undichtigkeiten
1 Molekül
2 Molmasse = 17,03 g/mol
3 Molmasse = 86,48 g/mol
Je höher die Molmasse kg/kmol (früher Molekulargewicht M), desto
geringer ist die Neigung des Kältemittels, bei Undichtigkeiten auszutreten.
z.B.
R 717 (NH3, Ammoniak)
17,03 kg/kmol
R 407C (23 % R32, 25 % R125, 52 % R134a) 86,20 kg/kmol
R 134a (C2H2F4)
102,03 kg/kmol
17
Geruch
Giftigkeit
Bei einigen Kältemitteln kann ein leichter Geruch von Vorteil sein, da
dadurch jede Undichtigkeit sofort auffällt und Gegenmassnahmen
getroffen werden können, bevor die gesamte Füllung verloren geht
oder Schäden an Systemteilen auftreten, z.B.
•
•
Geruch von R 22 ist
Ammoniak
Fig. 2-2
Geruch
Als "giftige Kältemittel" werden gewöhnliche Kältemittel bezeichnet,
die für den Menschen schädlich sind. Alle Kältemittel können natürlich
eine Erstickungsgefahr herbeiführen, wenn sie in so starken Mengen
auftreten, dass der Sauerstoff der Luft verdrängt wird; manche sind
jedoch bereits schädlich, wenn sie nur in ganz kleinen Mengen in
Erscheinung treten. Der Grad der Schädlichkeit hängt von der
Konzentration, der Art des Kältemittels und der Zeitdauer ab, während
welcher der Mensch dem Kältemittel ausgesetzt war.
Fig. 2-3
Brennbarkeit
Giftigkeit, R-717 Ammoniak (NH3)
Kältemittel sind in bezug auf ihre Brennbarkeit sehr verschieden.
Einige, wie z.B. R-170 (Aethan) oder R290 (Propan), verbrennen so
leicht und vollständig, dass sie als Brennstoff verwendet werden.
Andere Kältemittel sind nicht brennbar, wie z.B. R 22 und R134a
Fig. 2-4
18
"leicht ätherisch"
"stechender Geruch"
Brennbarkeit, R-170 Aethan, R-178 Wasser
2.4 Aktuell eingesetzte Kältemittel
2.4.1 Verbot von FCKW und HFCKW
Einfluss auf die Ozonschicht
Leckagen
Die Emission von FCKW in die Atmosphäre führt erwiesenermassen
zu Umweltschäden. Obwohl der Anteil der dazu noch in einem
geschlossenen Kreislauf verwendeten Kältemittel nur 10% der gesamten FCKW-Produktion ausmacht (der überwiegende Teil wird in
Spraydosen und Dämmschäumen sowie in Lösungsmitteln verwendet), muss doch der Umweltschutz beachtet werden.
ca. 3000 t/anno in Europa, 10% gehen beim Transport, Ab- und
Einfüllen verloren.
Die Umweltschädigung von FCKW- (Fluorchlorkohlenwasserstoff)
Kältemitteln basiert hauptsächlich auf deren Ozon-Zerstörungs- und
Erderwärmungspotential (Treibhauseffekt).
Ozonzersetzend wirken vor allem die FCKW, die aufgrund ihrer
hohen chemischen Stabilität eine lange atmosphärische Verweilzeit
aufweisen, so dass theoretisch die gesamten freigesetzten Mengen in
die Stratosphäre diffundieren und sich dort zersetzen. Das hierbei freiwerdende Chlor zerstört die vor gefährlichen UV-Strahlen schützende
Ozonschicht.
Das empfindliche Gleichgewicht zwischen Sauerstoff und Ozon wird
dadurch nachhaltig gestört. Die lange atmosphärische Verweilzeit und
der damit verbundene Anreicherungseffekt in der Atmosphäre ist auch
für das hohe Erderwärmungspotential dieser Verbindungen verantwortlich.
FCKWs
H-FCKWs
H-FKWs
Komponenten
FCKW 11
FCKW 12
FCKW 113
FCKW 114
FCKW 115
H-FCKW 22
H-FCKW 123
H-FCKW 124
MP 39 (R 401)
HP 80 (R402)
H-FKW 134a
H-FKW 152a
H-FKW 32
H-FKW 125
H-FKW 23
HP 62
AC 9000
Lebensdauer
60 Jahre
120 Jahre
90 Jahre
200 Jahre
400 Jahre
15 Jahre
2 Jahre
7 Jahre
16 Jahre
2 Jahre
7 Jahre
41 Jahre
310 Jahre
ODP
1
1
0,8
0,7
0,4
0,05
0,02
0,02
0,03
0,02
0
0
0
0
0
0
0
GWP
1
3,1
1,4
4
7
0,34
0,02
0,1
0,21
0,63
0,26
0,03
0,12
0,84
6
0,94
0,28
Tabelle 2-1 Umweltdaten verschiedener Kältemittel
OPD:
GWP:
FCKW:
Ozonabbaupotential
Erderwärmungspotential, Treibhauseffekt bezogen auf FCKW 11 = 1
Fluorchlorkohlenwasserstoffe, vollhalogeniert (kein Wasserstoffatom im
Molekül)
Vertreter: R 11, R 12, R 13, R 113, R 114, R 115 (R 500 und R 502 sind
Gemische, welche R 12 bzw. R 115 enthalten)
H-FCKW: Fluorchlorkohlenwasserstoffe, teilhalogeniert (eines oder mehrere
Wasserstoffatome im Molekül)
Vertreter: R 22, R 123
H-FKW: Fluorkohlenwasserstoffe, teilhalogeniert (enthalten neben Fluor- auch noch
Wasserstoffatome im Molekül) Vertreter: R 134a, R 227
19
H-FCKW und H-FKW sind teilhalogenierte Verbindungen mit wesentlich kürzerer atmosphärischer Verweilzeit. Das Ozonabbau-Potential der
H-FCKW liegt nur noch bei Bruchteilen dessen der FCKW.
H-FKW, z.B. R 134a, sind chlorfrei und weisen kein OzonabbauPotential auf.
Auch der Erderwärmungseffekt ist bei beiden Verbindungen gering.
Massnahmen
Seit 1.1.1995 sind FCKW Kältemittel in Europa und ab 1.1.1996 weltweit nicht mehr erhältlich.
Spätestens seit 1.1.2000 darf in Europa auch das HFCKW Kältemittel
R22 nicht mehr für Neuanlagen eingesetzt werden. Weltweit und für
andere HFCKW Kältemittel ist der Ausstieg schrittweise geplant, d.h.
Reduktion um 35 % ab 1.1.2004 und bis 2020 auf 50 %.
2.4.2 Ersatz-Kältemittel für FCKW
und HFCKW
2.4.2.1 R134a als Alternative für R12
Für typische R12 Anwendungen hat sich der umweltverträgliche
Ersatzstoff R 134a in der Praxis bewährt.
Temperatur
Druck
Spez.
Volumen
der
Flüssigkeit
Spez.
Volumen
des
Dampfes
Enthalpie
der
Flüssigkeit
Enthalpie
des
Dampfes
Verdampfungswärme
t°
p
v'
v''
h'
h''
r
C
bar
l/kg
l/kg
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
- 50
0,299
0,692
596,88
137,72
366,32
228,60
- 45
0,396
0,699
459,14
143,48
369,55
226,08
- 40
0,516
0,706
357,66
149,34
372,78
223,44
- 35
0,666
0,713
281,87
155,32
375,99
220,67
- 30
0,848
0,720
224,55
161,40
379,18
217,78
- 25
1,067
0,728
180,67
167,59
382,34
214,75
- 20
1,330
0,736
146,71
173,88
385,48
211,59
- 15
1,642
0,744
120,15
180,28
388,57
208,29
-10
2,008
0,753
99,17
186,76
391,62
204,85
-5
2,435
0,762
82,45
193,34
394,62
201,28
0
2,929
0,772
69,01
200,00
397,56
197,56
5
3,497
0,782
58,11
206,74
400,44
193,70
10
4,146
0,793
49,22
213,57
403,26
189,69
15
4,883
0,804
41,89
220,46
406,00
185,54
20
5,716
0,816
35,83
227,44
408,66
181,23
25
6,651
0,828
30,77
234,48
411,24
176,76
30
7,698
0,842
26,52
241,61
413,71
172,11
35
8,865
0,856
22,94
248,81
416,08
167,27
40
10,160
0,871
19,89
256,11
418,33
162,23
45
11,592
0,888
17,29
263,50
420,45
156,94
50
13,171
0,907
15,05
271,02
422,41
151,39
55
14,907
0,927
13,12
278,69
424,19
145,51
60
16,811
0,949
11,44
286,53
425,76
139,24
65
18,894
0,974
9,97
294,59
427,09
132,49
70
21,170
1,003
8,68
302,95
428,10
125,15
75
23,651
1,036
7,53
311,68
428,71
117,03
80
26,353
1,076
6,50
320,93
428,81
107,87
85
29,292
1,127
5,56
330,91
428,17
97,26
90
32,487
1,194
4,68
342,02
426,40
84,38
95
35,958
1,298
3,83
355,20
422,55
67,36
100
39,728
1,544
2,80
374,97
411,79
36,83
Tabelle 2-2 Dampftafel von R134a
20
Fig. 2-5 h, log p -Diagramm für R134a
2.4.2.2 R407C und R290 als Alternativen
für R22 resp. R502
Azeotrope Gemische
Zeotrope Gemische
Für typische R22 Anwendungen und auch für R502 Anwendungen, die
bis anhin durch R22 ersetzt wurden, werden hauptsächlich zeotrope 2oder 3-Stoff-Gemische eingesetzt, wobei man für normale
Anwendungen einen möglichst kleinen Temperaturgleit (siehe zeotrope
Gemische) anstrebt.
Diese haben einen neuen gemeinsamen Siedepunkt, welcher in der
Regel zwischen den Siedepunkten der einzelnen Komponenten liegt.
Gemisch aus zwei oder mehr Komponenten. Die Eigenart zeotroper
Gemische besteht darin, dass jede Komponente ihren eigenen
Siedepunkt beibehält und damit die Verdampfung resp. Verflüssigung
mit gleitender Temperatur geschieht. Die Temperaturdifferenz zwischen
Anfang und Ende des jeweiligen Vorganges wird als "Temperaturgleit"
bezeichnet. Daraus ergibt sich auch, dass bei einer Undichtigkeit unterschiedliche Anteile des Gemischs austreten und diese
Kältemittelgemische flüssig eingefüllt werden müssen.
Als Ersatz für R22 wird oft R407C eingesetzt, ein 3-Stoff-Gemisch mit
folgender Zusammensetzung:
- 23 % R32
- 25 % R125
- 52 % R134a
R407C wird von den Herstellern unter verschiedenen Namen angeboten, die teilweise nicht mehr einen direkten Bezug zur
Kältemittelkennzeichnung aufweisen, z.B.:
DuPont
Hoechst
ICI
AC 9000
Reclin 407C (vormals HX3)
KLEA 66
Beim Einsatz von R407C ist zu beachten, dass die Füllmenge auf
Grund der unterschiedlichen Dichte nur etwa 90 % der R22-Füllmenge
beträgt. Die Leistungszahl reduziert sich um ca. 3 – 5 %.
Speziell in Wärmepumpenanlagen kommt das Kältemittel R290
(Propan) zum Einsatz. Auf Grund der Brennbarkeit und
Explosionsgefahr, wird dieses jedoch nur bis zu einer bestimmten
Baugrösse der Wärmepumpe verwendet.
21
3. Das h, log p-Diagramm
3.1 Allgemein
Die zur Kältetechnik gehörenden thermodynamischen Vorgänge sind
recht komplex. Sie lassen sich nur mit einem erheblichen Aufwand an
Formeln und Tabellen berechnen.
Dampftafeln
In Dampftafeln werden in Abhängigkeit der Siedetemperatur t oder
des Siededruckes p die dem Medium eigenen Grössen, wie spezifisches Volumen v, Dichte p, Enthalpie h und Entropie s für das siedende und das gesättigte Medium tabellarisch festgehalten.
Ein Beispiel (siehe Tabelle 3-1):
Bei einer Siedetemperatur t = 0 °C steht das Kältemittel unter einem
Druck p von 2.929 bar. Dies ist der Siededruck für die entsprechende
Temperatur t. Sein Volumen beträgt im siedenden Zustand 0,772 l/kg
(dm3/kg)Kältemittel. Die Dichte p, als Kehrwert des spez. Volumens
(p = 1/v), beträgt in diesem Punkt 1,29 kg/l (kg/dm3). Die relative
Enthalpie h' wurde mit 200 kJ/kg angesetzt (t = 0 °C ist der
Bezugspunkt dieses Kältemittels für das besprochene h, log pDiagramm).
Mit der Enthalpie h" wird der relative Wärmeinhalt des bei gleichem
Druck gesättigten Kältemitteldampfes angegeben. Er beträgt für das
gewählte Beispiel 397,56 kJ/kg. Die Differenz h" - h' bestimmt die
absolute Verdampfungs- oder Kondensationswärme r bei einem gegebenen Druck p. Allgemein beziehen sich Werte mit einem Strich, z.B.
v', h', s' etc. auf den siedenden Zustand des Mediums und Werte mit
zwei Strichen (v", h", r" etc.) auf den gesättigten, gasförmigen Zustand.
Tempe-
Druck
ratur
22
Spez.
Spez.
Enthalpie
Enthalpie
Verdampf-
Volumen
Volumen
der
des
ungs-
der
des
Flüssigkeit
Dampfes
wärme
Flüssigkeit
Dampfes
t°
p
v'
v''
h'
h''
r
C
bar
l/kg
l/kg
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
- 50
0,299
0,692
596,88
137,72
366,32
228,60
- 45
0,396
0,699
459,14
143,48
369,55
226,08
- 40
0,516
0,706
357,66
149,34
372,78
223,44
- 35
0,666
0,713
281,87
155,32
375,99
220,67
- 30
0,848
0,720
224,55
161,40
379,18
217,78
- 25
1,067
0,728
180,67
167,59
382,34
214,75
- 20
1,330
0,736
146,71
173,88
385,48
211,59
- 15
1,642
0,744
120,15
180,28
388,57
208,29
-10
2,008
0,753
99,17
186,76
391,62
204,85
-5
2,435
0,762
82,45
193,34
394,62
201,28
0
2,929
0,772
69,01
200,00
397,56
197,56
5
3,497
0,782
58,11
206,74
400,44
193,70
10
4,146
0,793
49,22
213,57
403,26
189,69
15
4,883
0,804
41,89
220,46
406,00
185,54
20
5,716
0,816
35,83
227,44
408,66
181,23
25
6,651
0,828
30,77
234,48
411,24
176,76
30
7,698
0,842
26,52
241,61
413,71
172,11
35
8,865
0,856
22,94
248,81
416,08
167,27
40
10,160
0,871
19,89
256,11
418,33
162,23
45
11,592
0,888
17,29
263,50
420,45
156,94
50
13,171
0,907
15,05
271,02
422,41
151,39
55
14,907
0,927
13,12
278,69
424,19
145,51
60
16,811
0,949
11,44
286,53
425,76
139,24
65
18,894
0,974
9,97
294,59
427,09
132,49
70
21,170
1,003
8,68
302,95
428,10
125,15
75
23,651
1,036
7,53
311,68
428,71
117,03
80
26,353
1,076
6,50
320,93
428,81
107,87
85
29,292
1,127
5,56
330,91
428,17
97,26
90
32,487
1,194
4,68
342,02
426,40
84,38
95
35,958
1,298
3,83
355,20
422,55
67,36
100
39,728
1,544
2,80
374,97
411,79
36,83
Tabelle 3-1 Auszug aus einer Dampftafel für R134a
Der deutsche Ingenieur Richard Mollier (1863-1935) entwickelte ein
Zustandsdiagramm. Es erlaubt die für den Kältefachmann wichtigen
physikalischen Grössen von Kältemedien und die entsprechenden
Prozesse grafisch darzustellen. Wärmemengen, Arbeit, Druckdifferenzen erscheinen als abmessbare Strecken, was die Berechnung der
Prozessgrössen und damit die Dimensionierung der kältetechnischen
Bauteile wesentlich vereinfacht. Aufgrund dieser Eigenschaften haben
die Enthalpie-Druck-Diagramme in der Kältetechnik eine weite Verbreitung gefunden. Die Anwendung des Diagramms auf den Kältekreislauf einer Kompressions-Kältemaschine wird gesondert ausführlich geschildert.
Enthalpie-Druckdiagramm
Allgemein zeigt das Enthalpie-Druckdiagramm die Aggregatszustände
eines Stoffes in Abhängigkeit der Wärmezufuhr und des Druckes auf
Enthalpie ist gleichbedeutend wie Wärmeinhalt und wird mit h
bezeichnet, und da der Druck p meist logarithmisch aufgezeichnet
wird, spricht man unter Fachleuten vom h, log p-Diagramm.
➁
➂
➄
➃
Fig. 3-1
Schematische Darstellung des h, log p-Diagramms
Legende:
1
2
3
4
5
Festkörper-Gebiet
Schmelzkörper-Gebiet
Gebiet unterkühlter Flüssigkeit
Nassdampf-Gebiet
Gebiet überhitzter Dampf
a
b
c
d
e
f
g
i
r
K
L
Schmelzlinie
Erstarrungslinie
Siedelinie
Sattdampflinie
Tripellinie
Desublimationslinie
Sublimationslinie
Schmelz- bzw Erstarrungswärme
Verdampfungs- bzw. Verflüssigungswärme
Kritischer Punkt
Festkörper / Gasgemisch ("Rauch")
Das Diagramm zeigt folgende Zustandsbereiche:
•
•
•
•
•
•
Festkörpergebiet
Schmelzkörpergebiet
Gebiet unterkühlter
Flüssigkeit
Nassdampfgebiet
Gebiet des überhitzten
Dampfes
Sublimationsgebiet
eine Phase:
zwei Phasen:
eine Phase:
fest
fest und flüssig
flüssig
zwei Phasen:
eine Phase:
flüssig und gasförmig
gasförmig
zwei Phasen:
fest und gasförmig
23
3.1.1 Zustandsbereiche und Erklärung
der Begriffe
Die Schmelzlinie a und die Schmelzwärme i:
Zum Schmelzen eines festen Körpers ist eine bestimmte
Wärmemenge i erforderlich (Schmelzenthalpie). Ist die
Schmelztemperatur erreicht, kann dem Körper weiterhin Wärme zugeführt werden, ohne dass die Temperatur ansteigt, bis der ganze Körper
in den flüssigen Zustand überführt ist. Man spricht von latenter oder
verborgener Wärme, wenn trotz Wärmezufuhr oder -abfuhr keine
Temperaturänderung eintritt.
Die Schmelzlinie a ist die Verbindung der Schmelzpunkte. Sie werden
bestimmt durch den Druck p und den Wärmeinhalt h.
Die Erstarrungslinie b und die Erstarrungswärme i:
Wird umgekehrt der Flüssigkeit Wärme entzogen, bleibt die
Temperatur solange konstant, bis der ganze Körper erstarrt ist. Die
abgeführte Erstarrungswärme i entspricht der Schmelzwärme i. Die
Verbindung der Erstarrungspunkte ist die Erstarrungslinie b.
Das Gebiet der unterkühlten Flüssigkeit und die Siedelinie c:
Erwärmt man eine Flüssigkeit, so nennt man sie unterkühlt, bis sie
den Siedepunkt erreicht. Dieser Punkt ist abhängig von der
Siedetemperatur und dem Siededruck.
Die Siedepunkte werden durch die Siedelinie c verbunden.
Das Nassdampfgebiet und die Verdampfungswärme r:
Um eine Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand zu bringen, ist weitere Wärmezufuhr erforderlich. Ist der Siedepunkt bei gleichbleibendem
Druck erreicht, steigt die Temperatur trotz zugeführter Wärme nicht
weiter an, bis die ganze Flüssigkeit verdampft ist. Die zugeführte
Wärme bewirkt das Verdampfen der Flüssigkeit. Das während der
Verdampfung vorhandene Gemisch aus siedender Flüssigkeit und
Dampf nennt man Nassdampf. Die zur Erzeugung von 1 kg Dampf bei
einem bestimmten Druck erforderliche Wärme ist die spezifische
Verdampfungsenthalpie (Verdampfungswärme) r .
Die Sattdampflinie d und überhitzter Dampf:
Ist die Flüssigkeit restlos verdampft, ist der Dampf trocken und gesättigt. Für jeden Sättigungsdruck gibt es eine bestimmte
Sättigungstemperatur; sie bilden zusammen die Sattdampflinie d .
Wird Sattdampf weiter erwärmt, steigt seine Temperatur rasch. Man
spricht dann von überhitztem Dampf oder Heissgas.
Die Verflüssigungswärme:
Wird überhitztem Dampf durch Abkühlung Wärme entzogen, sinkt
seine Temperatur.
Er wird erst zu Sattdampf und verflüssigt sich anschliessend, ohne
jedoch seine Temperatur zu ändern. Dem Dampf ist die gleiche Wärme
wieder zu entziehen, wenn er in den flüssigen Zustand überführt werden soll (Verflüssigung-Kondensation). Die spezifische Verdampfungsund Verflüssigungswärme r ist bei gegebenem Druck gleich gross.
Der kritische Punkt K:
Die spezifische Verdampfungswärme r wird mit steigendem Druck
(und steigender Temperatur) immer geringer, um schliesslich bei
einem bestimmten Zustand des Dampfes ganz zu verschwinden. Man
nennt den Punkt, bei dem kein Unterschied mehr zwischen siedender
Flüssigkeit und Sattdampf besteht, den kritischen Punkt. Er trennt die
Siedelinie von der Sattdampflinie. Oberhalb des kritischen Punktes
besteht kein Unterschied mehr zwischen Flüssigkeit und Dampf. Das
Medium befindet sich im kritischen Zustand.
24
Die Sublimationslinie g und die Desublimationslinie f:
Feste Körper können bei Temperaturen, die unterhalb des
Schmelzpunktes liegen, auch unmittelbar in dampfförmigen Zustand
übergehen (Sublimation) oder umgekehrt (Desublimation).
Beispiel ein Schneekristall verdampft: Im Winter kann beobachtet werden, dass dünne Eisschichten bei Temperaturen unterhalb von 0 °C
und bei trockener Luft auch ohne Einwirkung der Sonnenstrahlen nach
wenigen Tagen verschwunden sind. Desublimation kann beobachtet
werden, wenn feuchte Luft bei Temperaturen unter 0 °C ohne vorgängige Kondensation "Reif" bildet. Auch Schneekristalle entstehen durch
Desublimation.
3.1.2 Der Diagrammbereich für
Kältemittel
Für die Praxis der Kältetechnik wurde ein geeigneter Bereich des
Mollier-Diagrammes ausgewählt. Darin erscheinen nur noch die
Zustandsarten "flüssig" und "gasförmig", sowie ihre Mischformen.
Fig. 3-2
Diagrammbereich für Kältemittel
Legende:
a
b
c
d
e
f
g
K
Schmelzlinie
Erstarrungslinie
Siedelinie
Sattdampflinie
Tripellinie
Desublimationslinie
Sublimationslinie
Kritischer Punkt
3.2 Der Aufbau des Diagramms
Anhand des in der Praxis häufig verwendeten Kältemittels R134a werden die Zustandsgrössen und Zustandsänderungen schrittweise entwickelt und erläutert.
3.2.1 Die Koordinaten h, p
Auf der waagerechten Achse, der Abszisse, wird der Wärmeinhalt
(Enthalpie h) mit einer linearen Skala abgetragen. Die Enthalpie drückt
aus, wieviel Wärme (in kJ) pro kg Masse in einem Stoff enthalten ist.
Da der Diagrammbereich je nach Problemstellung gewählt wird, handelt es sich nicht um die absolute, sondern um die relative Enthalpie.
Sie ist deshalb immer auf einen bestimmten Punkt bezogen, z.B. auf
siedende Flüssigkeit bei 0 °C. Der Ursprung des Koordinationssystems
wird meist mit einer ganzen, runden Zahl, wie 0, 100, 200 kJ/kg
gewählt. Der zahlenmässige Bereich der Skala ändert je nach
Kältemittel. Die vertikalen Linien sind die Isenthalpen, Linien gleichen
Wärmeinhaltes.
25
➀
➁
Fig. 3-3 Grundraster
Legende:
1
Isobaren
2
Isenthalpen
Auf der senkrechten Achse, der Ordinate, wird der Druck p aufgetragen. Um in den meistbenutzten Bereichen die Diagramme übersichtlicher zu gestalten, wird der Druck in logarithmischem Massstab dargestellt. Logarithmisch bedeutet, dass zeichnerisch gleiche Abstände
zwischen den Potenzen bestehen. Die horizontalen Linien sind die
Isobaren, Linien gleichen Druckes.
Im h, log p-Diagramm lässt sich die Fülle von Werten aus der
Dampftafel auf eine einfache Art abbilden. Für jeden Druck p wird der
Dampftafel der entsprechende Wärmeinhalt der siedenden Flüssigkeit
h' und des Sattdampfes h" entnommen und auf das Diagramm übertragen. Beispiel: p = 2,929 bar, Enthalpie der siedenden Flüssigkeit h'
= 200 kJ/kg, Enthalpie des gesättigten Dampfes h" = 397,56 kJ/ kg.
Die Verdampfungswärme h"-h' kann als Strecke r direkt auf dem
Diagramm abgemessen werden.
Fig. 3-4
26
Siedelinie und Sattdampflinie
Legende:
1
Flüssigkeit
2
Nassdampf
3
Heissgas
Die Werte für h' und h" bilden die jeweiligen Grenzkurven für die
Siedelinie links und der Sattdampflinie rechts vom kritischen Punkt K.
Durch die Grenzkurven sind die Bereiche "flüssig", "Nassdampf" und
"Heissgas" klar getrennt. Man stellt weiter fest, dass die
Verdampfungswärme r mit steigendem Druck abnimmt, um im
kritischen Punkt K ganz zu verschwinden.
3.2.2 Verhältnislinien x
Nassdampf ist ein Gemisch aus siedender Flüssigkeit und Sattdampf.
Mit den Verhältnislinien x können die Gas- bzw. Flüssigkeitsanteile im
Nassdampfgebiet bestimmt werden. x drückt den Anteil Gas im
Nassdampfgebiet aus, 1-x den Flüssigkeitsanteil. Entlang der Linie x =
0,4 liegt also ein Gemisch aus 40 % Gas und 60 % siedendem
Kältemittel vor. x wird tabellarisch nicht aufgeführt, weil es sich um
reine Verhältniszahlen handelt.
R134a
9Q165n
50.00
40.00
30.00
Pressure [Bar]
20.00
10.00
9.00
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
x = 0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
260
280
0,60
0,70
0,80
0,90
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
140
160
180
200
220
240
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
Enthalpy [kJ/kg]
Fig. 3-5
3.2.3 Isothermen t
Verhältnislinien x = konstant
Isothermen sind Linien gleicher Temperatur. Sie ändern ihre
Verlaufsform sprungartig beim Wechsel des Aggregatszustandes. In
realen Kältemitteldiagrammen sind die Isothermen im Flüssigkeitsund Nassdampfgebiet aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht ausgezogen. Deren Verlauf ist aber durch kleine Winkel auf der Siedelinie
angedeutet.
Im Nassdampfbereich verlaufen die Isothermen waagrecht, parallel zu
den Isobaren. Eine Zufuhr von Wärme wird ausschliesslich für die
Verdampfung des Mediums gebraucht (latente Wärme).
Beispiel:
Beim Druck p = 2,929 bar wird siedendes Kältemittel
von 0 °C durch die Wärmezufuhr r = 197,56 kJ/kg in
Sattdampf von 0 °C umgewandelt.
Im Heissgasbereich fallen die Isothermen steil ab. Eine geringe
Wärmemenge genügt hier, um die Temperatur rasch ansteigen zu lassen (sensible Wärme). In diesem Bereich liegen die Isothermen deshalb merklich näher beieinander. Ein Ansteigen der Temperatur bewirkt
ein Durchschneiden der Isothermen von links nach rechts. Wird
Sattdampf von 0 °C durch eine Wärmezufuhr von 80 kJ/kg überhitzt,
steigt die Temperatur auf ca 80 °C.
27
R134a
9Q166n
50.00
100
50 °C
100
90
40.00
80
90
30.00
80
70
0 °C
70
60
20.00
50
60
50 °C
40
30
10.00
9.00
8.00
7.00
20
30
20
6.00
10
5.00
10
4.00
–32 °C
0 °C
0
Pressure [Bar]
40
50
0
-10
3.00
-10
-20
2.00
-30
-20
-30
-40
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
-40
0.50
x = 0,10
140
160
180
0,20
200
0,30
220
0,40
0,50
240
260
0,60
280
0,70
300
0,80
320
0,90
340
360
Enthalpy [kJ/kg]
-40
380
-20
0
20
40
60
80
400
397,56
420
440
460
480
100
500
120
520
140
540
160
560
Fig. 3-6 Linien gleicher Temperatur (Isothermen, t = konstant)
Im Flüssigkeitsbereich fallen die Isothermen mit zunehmender
Entfernung vom kritischen Punkt von oben nach unten steiler ab. Das
heisst wiederum, dass eine Änderung des sensiblen Wärmeinhalts
sich auf die Temperatur unmittelbar auswirkt.
Beispiel:
Wird siedendem Kältemittel von 0 °C, Wärme von 40 kJ/kg entzogen,
so kühlt es sich auf - 32 °C ab.
Die kritische Temperatur durchschneidet das Nassdampfgebiet nicht
mehr. Sie berührt lediglich den kritischen Punkt. Isothermen, deren
Temperatur über kritisch liegen, verlaufen ausschliesslich im überhitzten Gasbereich.
3.2.4 Spezifisches Volumen v
Eine weitere wichtige Grösse im Diagramm ist das spezifische
Volumen v. Es wird üblicherweise in m3/kg angegeben und zeigt, wie
gross das Volumen von einem Kilogramm Masse bei einem gegebenen Druck p tatsächlich ist. In der Dampftafel werden zwei grundverschiedene spezifische Volumina angegeben, nämlich das von siedender Flüssigkeit mit v' und dasjenige von Sattdampf mit v". Wie stark
diese Werte vom Aggregatszustand abhängen, zeigt ein Vergleich auf
der Dampftafel für R134a Tabelle 3-1.
Bei einem Druck p von 2,929 bar und einer Temperatur t von 0 °C
beträgt v' = 0,772 dm3/kg, (= 0,000772 m3/kg, Punkt A), während bei
gleichem Druck Sattdampf ein Volumen von 0,0691 m3/kg einnimmt
(Punkt B). Das Volumen von Dampf vergrössert sich also um etwa das
89-fache. Weil das Gasvolumen pro kg bei gewissen Drücken wesentlich grösser als dasjenige der Flüssigkeit ist, wird die Einheit für v" von
dm3/kg vielfach auf m3/kg gewechselt (1'000 dm3 = 1 m3).
28
15
0.
00
R134a
100
50.00
0
02
0.0
030
0.00
40
0.00
50
9Q167n
90
40.00
0.0
100
80
90
30.00
70
80
20
30
10.00
9.00
8.00
7.00
6.00
0
ν=
10
5.00
0
ν=
4.00
0
Pressure [Bar]
40
50
60
20.00
0
02
0,0
ν = 30
0
0,0
ν = 0 40
0,0
ν=
0
06
0,0
ν=
0
8
0
0,0
=
ν
10
0,0
ν=
0
ν=
3.00
-10
A
40
30
20
5
,01
0
,02
10
0
C
D
B
0
,04
ν=
-20
60
50
0
,03
0
ν=
2.00
-10
60
0,0
ν=0
0
,08
-20
,10
ν=0
-30
1.00
0.90
0.80
0.70
70
-30
,20
ν=0
-40
,150
ν=0
0.60
-40
0.50
x = 0,10
140
160
180
0,20
200
0,30
220
0,40
0,50
240
260
0,60
280
0,70
300
0,80
320
0,90
340
360
-40
380
-20
0
400
20
40
60
420
440
460
80
480
100
120
500
520
140
540
160
560
Enthalpy [kJ/kg]
Fig. 3-7
Linien gleichen spezifischen Volumens. (Isochoren, v = konstant)
Dem spezifischen Volumen kommt in der Kältetechnik grosse
Bedeutung zu. Allgemein stellt man fest, dass das spezifische
Volumen von Kältemittel möglichst klein sein soll, um mit kleinem
Volumen eine möglichst grosse Kältemittelmenge m zu transportieren.
Es besteht zwischen der Kältemittelmenge m und dem spez. Volumen
v folgender Zusammenhang:
m=V
v
V:
Volumenstrom in m3/h
m:
Kältemittelmenge in kg/h
v:
spez. Volumen in m3/kg
Angenommen, ein Verdichter mit konstantem Fördervolumen V transportiert bei einem bestimmten Druck p1 eine gewisse Kältemittelmenge m. Eine Druckänderung auf p2 würde das spez. Volumen v und
somit die transportierte Kältemittelmenge nachhaltig beeinflussen.
Beispiel:
v1 = 0,08 m3/kg, p1 = 2,929 bar (Punkt C),
v2 = 0,10 m3/kg, p2 = 2,5 bar (Punkt D).
Die geförderte Kältemittelmenge m sinkt um 20%.
3.2.5 Isentropen s
Im Nassdampfbereich und im Gebiet des überhitzten Dampfes befinden sich die Isentropen. Es sind dies Linien gleicher Entropie s. Die
Entropiezunahme ist ein Mass für die bei technischen Prozessen entstehenden Wärmeverluste. Sie ist eine kalorische Grösse wie die
Enthalpie und hat in jedem Zustand einen bestimmten Wert.
Die absolute Grösse der Entropie ist unbestimmt. Sie wird von einem
willkürlichen Punkt, meist dem Normzustand (bei R134a: 0 °C) gerechnet.
Die Einheit der Entropie s ist kJ .
kgK
29
R134a
9Q168n
100
80
90
30.00
70
80
1,70
100
90
40.00
ς=
50.00
70
60
20.00
50
60
40
p2
ς=
2,0
0
1,9
0
1,9
5
ς=
ς=
1,8
0
1,7
5
ς=
10
5.00
ς=
20
20
6.00
ς=
30
1,8
5
30
10.00
9.00
8.00
7.00
10
2,0
5
4.00
ς=
0
0
ς=
-10
-10
ς=
-20
2,1
5
2.00
2,2
5
-30
ς=
-20
-30
-40
ς=
1.00
0.90
0.80
0.70
p1
2,1
0
3.00
2,2
0
Pressure [Bar]
40
50
0.60
-40
0.50
x = 0,10
140
160
0,20
s = 1,00
180
200
0,30
220
0,40
1,20
0,50
240
260
0,60
0,70
1,40
280
300
0,80
0,90
1,60
320
340
360
-40
-20
380
Enthalpy [kJ/kg]
Fig. 3-8
0
400
h1
20
40
60
420
440
460
P
80
480
100
500
120
140
520
540
160
560
h2
Linien gleicher Entropie (Isentropen, s = konstant)
Die Isentropen sind für den Kältefachmann vor allem im Gebiet des
überhitzten Dampfes von Nutzen. Entlang einer solchen Linie gleicher
Entropie folgt die Verdichtung in einem idealen, d.h. verlustfreien
Verdichter. Die lsentropen erlauben somit, die ideale (theoretische)
Verdichtungsarbeit P pro kg Kältemittel durch den Vergleich der
Anfangs- und der Endenthalpie (nach der Kompression) zu bestimmen.
Dies wiederum ermöglicht es, auf den tatsächlichen Leistungsbedarf
eines Verdichters zu schliessen.
Beispiel:
Ein Verdichter saugt Kältemittel im Zustand h1/p1 an und verdichtet es
auf h2/p2. Die technische Arbeit P entspricht dabei der
Enthalpiedifferenz h2 - h1. Ein realer Verdichtungsvorgang wäre mit
einer Zunahme der Entropie verbunden (Verluste). Die Arbeitskurve
käme daher rechts vom Punkt h2/p2 zu liegen (gestrichelte Linie ---).
3.3 Zusammenfassung
Der Aufbau des h, log p-Diagramms ist nun abgeschlossen. Mit seiner
Hilfe lassen sich die Zustände des Kältemittels in seinen verschiedenen Phasen genau beschreiben. Dazu stehen die sechs Grössen zur
Verfügung:
Bezeichnung
Symbol
Dimension
1. Druck
p
bar
2. Enthalpie
h
kJ/kg
3. Dichte
r
kg/dm3
4. Spezifisches Volumen
v
dm3/kg
5. Flüssig- Dampfanteil
x
* 100 in %
6. Temperatur
t
°C
7. Entropie
s
kJ/kg K
Mit dem h, log p-Diagramm kann man insbesondere Kälteprozesse
mit den Betriebspunkten der Kältemaschine übersichtlich darstellen
und die Wirkung von Regeleingriffen auf die Maschine klar aufzeigen.
30
4. Mechanischer Aufbau der Kompressionsanlage
4.1 Einleitung
In der Kälte und Klimatechnik kommt heute zu mehr als 90% der
Kompressions-Kälteprozess zur Anwendung. Wesentliches Merkmal
für diesen Prozess ist die Verwendung von Kältemitteln, welche bei
der Verdampfungstemperatur t0 dem zu kühlenden Medium eine
möglichst grosse Verdampfungswärme entziehen, dabei verdampfen
und bei der Kondensationstemperatur tc unter beherrschbaren
Drücken wieder verflüssigt werden können.
Der Verdichter erbringt die Arbeitsleistung und sorgt für den
Kältemitteltransport. Es handelt sich hier um den sogenannten
Kaltdampf-Kälteprozess.
Eine andere Art der Kälteerzeugung ist mit dem AbsorptionsKälteprozess möglich. Hier wird das Kältemittel mit einem Lösungsmittel im Absorber absorbiert und unter Zufuhr von Wärme im
Generator (Austreiber) wieder ausgetrieben. Die Funktionsweise der
Absorbtionskältemaschine wird im Kapitel "Der Absorptions-Kreisprozess" erläutert.
Fig. 4-1
Möglichkeiten des Wärmeentzugs, Luft und Wasser, Verdunstung
31
4.2 Der Verdichter
Zweck der Verdichtung
Verdichter Bauarten
Der Zweck des Verdichters besteht darin, das dampfförmige
Kältemittel bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur aus dem
Verdampfer abzusaugen, es zu verdichten und durch diesen Vorgang
auf einen höheren Druck und eine höhere Temperatur zu bringen, bei
welcher das Kältemittel wieder verflüssigt werden kann.
Bei den Verdichtern unterscheidet man zwischen:
Hubkolbenverdichter
•
•
•
offene
halbhermetische
vollhermetische
Rotationskolbenverdichter
Schrauben-,
Scroll-,
Zellenrad,Wankel-,
Turboverdichter
4.2.1 Hubkolbenverdichter
In der Klimatechnik ist die häufigste Anwendung der
Hubkolbenverdichter.
Fig. 4-2
32
Legende:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Schnitt offener Tauchkolbenverdichter, Baureihe D, Firma Linde AG mit 2
Zylindern
Zahnrad-Ölpumpe
Saugseite
Zylinderbuchse
Kolben
Arbeitsventile
Druckseite
Überströmventil
Gleitringdichtung
Kurbelwelle
Ölfilter
Pleuelstange
Kurbelgehäuseheizung
Ölschauglas
Arbeitsweise Zylinder des
Hubkolbenverdichters
Der Verdichter besteht aus einem Zylinder mit Ventilen, in welchem
ein Kolben durch Motorantrieb hin und her bewegt wird.
Beim Vergrössern des Zylinderholraums schliesst das obere Ventil.
Bei angehobenem Ventil wird durch die untere Öffnung das Kältemittel angesaugt. Der Kolben komprimiert das Gas beim Verkleinern
des Zylindervolumens und drückt es in den oberen Raum, zugleich
wird durch diesen Vorgang das Kältemittel im Kältekreislauf bewegt
(siehe Fig. 4-3 und Fig. 4-4).
Fig. 4-3
Legende:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Schnittzeichnung
Zylinderkopf
Fig. 4-4
Schematische Darstellung der
Funktionsweise
Einlassventil
Dichtungen
Zylinderkopf
Ventilplatte
Auslassventil
schädlicher Raum
Kolben
Zylinderwand
Zylinder
Den Komprimierungsvorgang kann man sehr leicht durch den Vergleich
mit dem Aufpumpen eines Fahrradreifens erklären:
Beim Einpumpen der Luft in den Reifen wird die Luft komprimiert und
über das Ventil in den Reifen gepresst.
Das untere Ende der Luftpumpe wird warm, der Druck im Reifen
erhöht.
Die für diesen Vorgang benötigte Arbeit wird durch den Menschen
erbracht.
Durch mechanische Arbeit wird eine Druck- und
Temperaturerhöhung erzielt.
Die vom Verdichter erbrachte Leistung muss bezahlt werden.
4.2.1.1 Offene Verdichter
Die Unterscheidung zwischen offenen, hermetischen und halbhermetischen Verdichtern hat nichts mit der Art der Kolben oder ähnliches zu
tun. Vielmehr bezieht sich diese Ausdrucksweise nur auf das Verhältnis
Verdichter /Antriebsmaschine.
Der offene Verdichter hat ein geschlossenes, unter Kältemitteldruck
stehendes Gehäuse. Der Antrieb erfolgt ausserhalb vom Gehäuse an
der Antriebswelle.
33
Fig. 4-5 offener Verdichter mit Keilriemenantrieb
Antriebe:
Vorteil:
Nachteil:
Anwendung:
4.2.1.2 Halbhermetische Verdichter
alle möglichen Kraftmaschinen (Elektro-, Gasmotoren
und ähnliches), entweder direkt auf der Welle oder mit
Riementrieb.
Motor leicht austauschbar, bessere Möglichkeit der
Reparatur.
Abdichtung der Wellendurchführung, Reibungs- und
Antriebsverluste.
Für Leistungen von 0 – 1 MW geeignet, in der
Klimatechnik eher weniger angewendet.
Beim halbhermetischen Verdichter ist der elektrische Antriebsmotor
zusammen mit dem Verdichter im gleichen Gehäuse untergebracht.
Fig. 4-7
Halbhermetischer Verdichter (R22-Motorverdichter, Carrier)
Legende:
1 Druckabsperrventil
2 Kolben
3 Kurbelwelle
4 Ölpumpe
5 Lager
6 Ölsaugleitung
7 Ölfilter
8 Zylinderkopf
34
Fig. 4-6 offener Verdichter mit
Direktantrieb
9
10
11
12
13
14
15
16
Kurbelgehäuse
17
Motorgehäuse
18
Hauptlager
19
Ansaugfilter
20
Gasdruckausgleich
21
Saugabsperrventil
Ölwannen-Anschluss
Öldruckregulierungsventil
Ölstand
Öldruck-Rückflussventil
Motor
Druckausgleichrohr
Gaseintritt
Das Gehäuse mit dem Antriebsmotor und dem Verdichter ist zusammengeschraubt (gekapselt), der Motor ist mit einer Spezialisolierung
zum Betrieb im Kältemittel versehen und wird durch den (kalten)
Kältemitteldampf gekühlt. Da mit steigender Kälteleistung die Kühlwirkung besser wird, können die Antriebsmotoren auch klein
dimensioniert werden.
4.2.1.3 Hermetische Verdichter
Vorteil:
Trotz der gekapselten Bauweise ist eine Reparatur
am Motor leicht möglich. Die Nachteile der Welleabdichtung entfallen.
Nachteil:
Empfindlich gegen Verunreinigungen, es darf keinerlei
Feuchtigkeit oder Schmutz im Kältesystem sein. Das
gesamte Kältesystem muss vor der Inbetriebnahme
evakuiert werden.
Anwendung:
Für Leistungen von etwa 3 – 500 kW geeignet.
Grosses Anwendungsgebiet in der Klimatechnik.
Motor und Verdichter sind in einem verschweissten, dicht geschlossenen Gehäuse untergebracht.
Fig. 4-8
Hermetischer Verdichter
Legende:
1)
A
B
C
D
E
F
G
H
Gehäuse geschweisst
Rotor
Stator
Zylinder
Kolben
Pleuel
Kurbelschleife
Kapselgehäuse
elektrische Anschlüsse
Der Name sagt bereits alles über die Bauart aus, das heisst es handelt
sich um ein von aussen nicht mehr zugängliches, vollständig verkapseltes Gerät.
35
Vorteil:
Durch die kompakte Bauweise preiswert. Häufig werden diese Verdichter bereits im Herstellwerk komplett
mit Verdampfer und Verflüssiger zusammengebaut.
Schutz gegen Verunreinigungen, Grossserienbauweise; die hohe Präzision bei der Fertigung ermöglicht
eine lange Lebensdauer.
Nachteil:
Keine Reparaturmöglichkeit, Ölkontrolle und
Auswechseln der Ventile nicht möglich.
Anwendung:
Im unteren Leistungsbereich, Kühlmöbel, kleine
Klimageräte.
Wichtig
Bei allen Verdichterarten muss für eine ausreichende Kühlung und
Schmierung der beweglichen Teile gesorgt werden. Die Kühlung
erfolgt meist durch den im Kreislauf vorhandenen kalten Kältemitteldampf oder durch Kühlrippen und Umgebungsluft (ausgenommen
beim offenen Verdichter). Die Schmierung erfolgt meist durch entsprechendes Öl, wobei das Kriterium der Ölrückführung im Kältekreislauf durch geeignete Massnahmen beachtet werden muss.
4.2.1.4 Leistung
Die Leistung des Verdichters Q0 wird durch den vom Verdichter geförderten Kältemittelmassenstrom mk und die Zunahme der spezifischen
Enthalpiedifferenz des Kältemittels im Verdampfer h1 - h3 bestimmt. h3
ist die Enthalpie des flüssigen Kältemittels vor dem Expansionsventil,
h1 die Enthalpie des verdampften Kältemittels am Verdampferaustritt.
Q0 = mk • (h1 - h3)
Hauptfaktoren, welche die Leistung des Verdichters beeinflussen,
sind:
a. mechanische Konstruktion
-
b. die Anwendung
4.2.2 Schraubenverdichter
a. Einrotoriger Schraubenverdichter
b. Zweirotoriger
Schraubenverdichter
Vorteile gegenüber Hubkolben
36
-
Hubvolumen, Funktion von Bohrung, Hub und Zylinderzahl
Toter Raum, verbleibender Raum zwischen Kolben und
Zylinder
Saug- und Druckventile, Form und Grösse sind
Auslegungsfaktoren
Drehzahl
Saugdruck
Verdichtungsdruck
Kältemittel
Man unterscheidet zwei verschiedene Arten:
Eine mit Nuten versehene Walze wird angetrieben. Die Verdichtung
erfolgt durch eine oder mehrere in die Nuten eingreifende
Zahnscheibe.
Die Verdichtung erfolgt durch ineinanderkämmende Walzen, von denen
die Antriebsseite schraubenförmig angeordnete Vorsprünge, die andere schraubenförmige Nuten hat. Durch unterschiedliche Gangzahl, meistens Antrieb = 4, Nuten = 6, entstehen in axialer Richtung wandernde Verdichtungsräume.
Nur drehende Bewegung, keine Ventile, stufenlose Drehzahlregelung.
Arbeitsweise:
4.2.3 Scrollverdichter
Fig. 4-9
Schraubenverdichter
Legende:
1
2
3
4
Zylinder
Steuerschieber
Ansaug
Ausschub
Der Scrollverdichter oder auch Spiralverdichter genannt, zählt wie der
Schrauben- und der Rollkolbenverdichter zur Gruppe der Rotationsverdichter.
Die Verdichtung erfolgt durch eine fixe und eine rotierende Spirale.
Die Spiralen rollen ineinander und erzeugen durch die spiralförmige
Rotation die Verdichtung. Das verdichtete Gas wird im Zentrum ausgestossen (Fig. 4-10, H). Da sich die Spirale fortlaufend dreht, befindet
sich zu jedem Zeitpunkt Kältemittel mit unterschiedlichstem Druck im
Verdichter. Daher läuft der nachfolgend gezeigte Prozess nicht schrittweise sondern "endlos" (Fig. 4-10 A - H).
Fig. 4-10 Funktionsprinzip der Verdichtung mit einer
rotierenden und einer fixen Spirale
Fig. 4-11 Typischer Scrollverdichter in vertikaler
Bauweise
37
Der Scrollverdichter dürfte zurzeit die fortschrittlichste Verdichterbauart
sein und wird zukünftig den Hubkolbenverdichter im Kleinstleistungsbereich (1 – 50 kW) immer mehr verdrängen. Die Rotationsverdichter
eignen sich für kontinuierliche Drehzahlsteuerung mittels FrequenzUmformer, und dies verspricht einen noch effizienteren Energieeinsatz.
4.2.4 Rollkolbenverdichter
Die Verdichtung erfolgt durch an der Innenwand eines Kreiszylinders
abrollenden, auf der Welle exzentrisch gelagerten Kolbens.
Anwendung nur im Bereich hermetischer Verdichter.
Verdichtungshub beginnt, Saugund Druckseite sind geschlossen
Ansaugen von Kältemitteldampf und Verdichten
Fig. 4-12 Rollkolbenverdichter
Legende:
1
Druckleitung
2
Trennschieber
3
Saugleitung
4.2.5 Turboverdichter
Die Verdichtung erfolgt durch Beschleunigung des Gasstroms im
Laufrad und anschliessender Umsetzung der kinetischen
Strömungsenergie in Druckerhöhung im Diffusor. Der Aufbau und das
Betriebsverhalten ist mit dem Radialventilator vergleichbar.
Wegen der grossen Volumen ist der Anwendungsbereich eher bei
grossen Kälteleistungen anzutreffen.
Vorteile:
Dynamische Laufeigenschaften, geringer Verschleiss,
gute Regelbarkeit.
Fig.4-13 Turboverdichter
38
Legende:
Turbo-Motorverdichter mit Direktantrieb (Trane. Typ Cen Tra Vac). Rotor des Elektromotors (6) und die beiden Laufräder (37 = erste Stufe, 18 = zweite Stufe) sitzen auf
gemeinsamer Welle (33), von zwei Gleitlagern (12) mit axialem Bund getragen. Axialer
Schubausgleich durch Gegeneinanderrichtung der Laufräder. Beide Lager durch Deckel
(5) und Dichtringe (17) gegen Ölaustritt gedichtet. Druckölzufluss von Ölpumpe (21) über
Leitung (3), Abfluss über Leitung (32) zum Ölbehälter. Motorgehäuse mit Spiralgehäusen
(10 und 31) zusammengeflanscht, abgedichtet durch Labyrinthdichtung (13).
Motorkühlung durch Kältemitteldampf, der aus Verdampfer über Kanal (8) mittels Ventilatoren (9) durch Motorgehäuse gesaugt und über (nicht sichtbare) Verbindungsrohre
wieder in den Verdampfer zurückgefördert wird. Bei Motorkühlung mit Wasser nur Zirkulation im geschlossenen Mantelraum. Dralldrosseln (14) an beiden Stufen. Kälteleistung
im Klimabereich 0,8 bis 2,5 MW.
Leistungsbereiche von Kompressions- und Absorptionsmaschinen
für den Einsatz in der Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik
Kompressions- und Absorptionsmaschinen
für den Einsatz in Kälte-,
Klima- und Wärmepumpen-Anlagen
Vollhermetische Verdichter
(meist in Hubkolbenbauart, aber auch
als Roll- oder Drehkolbenverdichter
einschl. Sonderbauarten)
Halbhermetische Hubkolben-Verdichter
Offene Hubkolben-Verdichter
Schrauben-Verdichter
Absorptions-Maschinen
(mit indirekter Beheizung:
Dampf oder Heisswasser)
Hermetische Turbo-Verdichter
Offene Turbo-Verdichter
Leistungsbereiche bei t0 ø 0 °C
>0 –
50.000 W
>0
>0
0,2
0,35
300.000 W
1 MW
5 MW
6 MW
–
–
–
–
0,35 –
0,35 –
6 MW
30 MW
Fig. 4-14 Leistungsbereiche von Kompressions- und Absorptionsmaschinen
4.3 Verflüssiger (Kondensator)
Durch den Verdichtungsprozess im Kältekreislauf hat das Kältemittel
eine Druck- und Temperaturerhöhung erfahren.
Vorteil des höheren Druckniveaus:
Das Kältemittel hat eine höhere Verdampfungstemperatur. Betrachtet
man den Verflüssigungsvorgang, so stellt man fest, das Kältemittel bei
hohem Druck durch Wärmeentzug kondensieren kann.
Zweck
Wärmeentzug der zum Verdampfen und durch Verdichten des
Kältemittels zugeführten Energie (Abwärme)
Wärmeabgabe an ein Heizsystem (Wärmepumpe) oder
Wärmerückgewinnung der zum Verdampfen und durch Verdichten des
Kältemittels zugeführten Energie
In beiden Fällen geht es immer darum, dem dampfförmigen
Kältemittel soviel Wärme wie möglich zu entziehen und es vom gasförmigen in den flüssigen Zustand zurückzuführen.
Verflüssiger Bauarten:
•
•
•
Wassergekühlte Verflüssiger
Luftgekühlte Verflüssiger
Verdunstungsverflüssiger
39
4.3.1 Wassergekühlte Verflüssiger
Arbeitsweise: Bei den wassergekühlten Verflüssigern sind in der
Klimatechnik die Rohrbündel- oder Röhrenkesselverflüssiger die
gebräuchlichsten.
Fig. 4-15 Schnittzeichnung durch einen Rohrbündelverflüssiger
Legende:
1
2
3
4
5
Kühlmittel aus
Kühlmittel ein
Innenrohre
überhitzter Kältemitteldampf tritt ein
zur Flüssigkeitsleitung
Die Arbeitsweise ist bei diesen Bauarten sehr ähnlich: Das kalte
Kühlmittel durchströmt die Innenrohre, während sich das heisse
Kältemittel im Mantelraum oder in der Kältemittelleitung zunächst
abkühlt und dann verflüssigt.
Kühlmedien:
4.3.2 Luftgekühlte Verflüssiger
•
•
•
•
Stadtwasser (Leitungswasser); teuer, unwirtschaftlich
Brunnen-, Flusswasser; nicht überall erlaubt
Seewasser; Salzgehalt
Kreislaufverbundene Systeme; Wärmerückgewinnung
Bei den luftgekühlten Verflüssigern wird das durch eine Rohrleitung
strömende Kältemittel mittels der Umgebungsluft abgekühlt und
ändert dabei auch seinen Aggregatzustand.
Wird die Umgebungsluft nicht mechanisch bewegt, spricht man von
statisch belüftetem Verflüssiger, z.B. Kühlschrank-Rückseite.
Anwendung bei kleineren Kühlleistungen.
In der Klimatechnik werden jedoch Lamellenverflüssiger angewendet, welche direkt in einem Luftkanal zur Wärmerückgewinnung montiert sein können oder, mit einem Ventilator versehen, häufig auf dem
Dach eines Gebäudes montiert sind.
Fig. 4-16 Luftgekühlte Verflüssiger
40
Legende:
1
Axialventilator
2
Anschluss für Druckleitung
3
Anschluss zum Kältemittelsammler
Vorteile gegenüber wassergekühlten Veflüssigern:
•
•
•
4.3.3 Verdunstungsverflüssiger
Wartungsfreier Betrieb, leichte Reinigung möglich
Wasser zu teuer, aggressiv, unrein
keine Vereisungsgefahr
Beim Verdunstungsverflüssiger wird meist zusätzlich zur Luftkühlung
ein Wasserstrom umgewälzt und über die Oberfläche der
Kühlschlangen mit dem Kältemittel geführt.
Fig. 4-17 Verdunstungsverflüssiger
Legende:
1
2
3
4
5
6
7
8
Radiallüfter
Riemenschutzgitter
Elektromotor
Luftaustritt
Sprühdüsen
Wassertropfenabscheider
Sprüheinrichtung
Kältemitteleintritt
9 Drosselklappe
17 Fundamentstreifen
10 Druckausgleichsanschluss 18 Ansauggitter
11 Kältemittelaustritt
12 Schwimmerventil
13 Entleerung
14 Saugsieb
15 Autom. Abschlämmeinrichtung
16 Verflüssigerschlangen
In diesem Kreislauf wird nur der Wasserstrom umgepumpt, welcher
zum Benetzen der Verflüssigerrohre erforderlich ist. Das verdunstete
Wasser wird über eine Schwimmerregelung nachgeführt.
Im Winter ist wegen der Frostgefahr das System zu entleeren und der
Verflüssiger nur mit Luftkühlung zu betreiben.
Verflüssigerleistung
Damit eine Kälteanlage richtig arbeiten kann, muss die
Verflüssigungstemperatur bzw. der Verflüssigungsdruck innerhalb
bestimmter Grenzen gehalten werden.
Hohe Verflüssigungsdrücke verursachen einen höheren
Leistungsbedarf am Verdichter, was zur Überlastung des
Antriebsmotors führen kann. Aus diesem Grund wird die
Hochdruckseite mit entsprechenden Begrenzungs- und
Sicherheitsgeräten abgesichert.
Niedrige Verflüssigungsdrücke ergeben am Expansionsventil einen zu
geringen Druck der Kältemittelflüssigkeit, was zur unregelmässigen
und instabilen Versorgung des Verdampfers und somit der eigentlichen
Kälteleistung führen kann.
41
Die Leistung einer Kälteanlage steigt, wenn der
Verflüssigungsdruck in zulässigen Grenzen = Arbeitsbereich des
Expansionsventils sinkt. Die Leistung des Expansionsventils ist,
wie beim Ventil im Wasserkreislauf, vom Druckabfall über dem
Ventil abhängig.
4.4 Die Expansion
Nachdem das Kältemittel nun wieder im flüssigen Zustand am Austritt
des Verflüssigers zur Verfügung steht, kann es wieder dem
Verdampfer zugeführt werden. Dieser Vorgang erfolgt über das
Drosselorgan.
Zweck der Expansion
Das Drosselorgan, Regler oder meist Expansionsventil genannt, hat im
Kälteprozess die Aufgabe, das flüssige Kältemittel von einem höheren
Druck und einer hohen Temperatur auf einen niederen Druck und eine
niedere Temperatur zu bringen. Das Kältemittel wird entspannt.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, dem Verdampfer nur soviel flüssiges Kältemittel zuzuführen, wie bei dem jeweiligen Betriebszustand
der Anlage verdampfen kann.
Bauarten der Expansionsorgane
Arbeitsweise der Expansionsorgane
•
•
•
•
•
Kapillarrohr
handgesteuerte Drosselorgane
automatische Drosselorgane
thermostatische Drosselorgane
elektronische Drosselorgane
Die Entspannung beginnt im Drosselventil sofort nach der engsten
Stelle, z.B. am Ventilsitz. Bei diesem Vorgang verdampft bereits ein
Teil des Kältemittels und entzieht dem flüssigen Anteil die Verdampfungsenthalpie. Dadurch sinkt die Kältemitteltemperatur auf
die Verdampfungstemperatur (Druck) t0, ohne dass Wärme an die
Umgebung abgegeben wird – h = konstant.
Nachfolgend wird die Funktion des thermostatischen Expansionsventils erklärt, da diese in der Lüftungs-/Klima-Technik die häufigste
Anwendung findet.
4.4.1 Thermostatische Drosselventile
Mit den Ventilen wird nicht der Verdampferdruck sondern die Überhitzungstemperatur nach dem Verdampfer geregelt.
Die Ventilauswahl wird durch das verwendete Kältemittel bestimmt.
Fig. 4-18 Hauptbestandteile eines thermostatischen Ventils
42
Legende:
1
2
3
4
5
6
7
8
Kapillarrohr
Regelorgan
Regelfeder
Sitz
Ventilkegel
Gehäuse
Einstellschraube
Temperaturfühler
Die Funktion des Ventils wird durch den Verdampferdruck p0 und
durch den Fühlerdruck p1 bestimmt.
Fig. 4-19 Schematischer Aufbau eines thermostatischen Ventils
Legende:
1
2
3
4
5
6
7
Flüssigkeitsleitung
Raum 2
Verdampfer
Temperaturfühler
Saugleitung
Druckstift
Regelfeder
Im Raum 2 herrscht der Fühlerdruck p1. Die Kraft F1 aus Fühlerdruck
und Membranfläche wirkt immer als Öffnungskraft. Durch den
Druckstift wird die Bewegung der Membrane auf den Ventilkegel übertragen.
Im Raum unter der Membrane steht der Verdampferdruck p0 und die
Kraft F0 an und bewirkt die Schliessrichtung. Mit der Regelfeder kann
man nun genau bestimmen, bei welcher Differenz zwischen Fühlerund Verdampfungsdruck das Ventil zu öffnen beginnen soll. Durch diesen Zusammenhang wird auch die Füllung des Verdampfers bestimmt.
Fig. 4-20 Druckverhältnisse und Füllung des Verdampfers p1 = p0 + p3
43
Der Kältemitteleintritt ist bei A. Bei B soll das Kältemittel verdampft
sein, um es zwischen B und C zu überhitzen.
An C höhere Temperatur als an B, durch Regelfeder eingestellt. Durch
die Einstellschraube wird also die Arbeitsüberhitzung vorgewählt.
Je kleiner die Überhitzung, desto vollständiger die Füllung der
Verdampferoberfläche. Punkt B wandert nach rechts.
Die Überhitzung kann nicht willkürlich gewählt werden, sondern ist
von der Verdampferbauart, der Temperaturdifferenz zwischen dem zu
kühlenden Medium und Verdampfungstemperatur sowie von der
Konstruktion des Drosselventils abhängig. Ausserdem schützt die
Überhitzung den Verdichter gegen nicht ganz verdampftes Kältemittel.
4.4.2 Elektronische Expanisonsventile
Ein elektronisches Expansionsventil ist im Gegensatz zum thermostatischen Expansionsventil ein Regelsystem, das Hilfsenergie benötigt
und das normalerweise aus folgenden Komponenten besteht:
•
•
•
Regelkreis
dem eigentlichen Überhitzungsregler
dem elektronischen Stellglied Drosselventil
Sensorik ( Temperaturfühler, Druckfühler)
Im Gegensatz zum thermostatischen Expansionsventil welches als reiner P-Regler zu betrachten ist, verhält sich der Regelkreis mit elektronischem Expansionsventil als PID-Regelkreis, mit den entsprechenden
Vorteilen.
3371S05a
Überhitzungsregler
Druckfühler
Filter
Kälteventil
Verdampfer
Temperaturfühler
Fig. 4-21 Regelkreis mit elektronischem Expansionsventil
44
Funktion
Der Überhitzungsregler kontrolliert (berechnet) die Temperaturdifferenz
zwischen der Sauggas- und der berechneten Verdampfungstemperatur
(TOH-TO), vergleicht diesen mit dem eingestellten Sollwert ∆T und
regelt das elektronische Einspritzventil entsprechend (stetig). Der
Sollwert ∆T ist einstellbar zwischen 4 und 10 K.
Das Kälteventil besteht aus einer in sich geschlossenen Armatur, die
robust und wartungsfrei und nach aussen hermetisch dicht ist. Durch
die präzise Stellungsregelung besitzt das Ventil eine hohe Auflösung.
Die elektronische Schnittstelle ist für AC 24 V Betriebsspannung und
ein Stellsignal DC 0...10 V oder DC 4 ... 20 mA ausgelegt und hat eine
Stellungsrückmeldung von DC 0...10 V. Stromlos ist das Ventil
geschlossen.
4.5 Verdampfer
Je nach Betrachtungsweise oder Anwendung der Kältemaschine liegt
der Hauptverwendungszweck entweder beim Verdampfer (WärmeEntzug) oder beim Verflüssiger (Wärmeabgabe). Bei einem
Wärmerückgewinnungssystem sind beide Aggregate gleichwertig eingebunden.
Zweck der Verdampfung
Verdampfer Bauarten
Arbeitsweise der Verdampfer
Der Verdampfer hat die Aufgabe, einem zu kühlenden Medium Wärme
zu entziehen. Die Temperatur im Verdampfer muss also immer tiefer
sein als das zu kühlende Medium.
Der Verdampfer hat also nur den Zweck eine nicht gewünschte
Wärmemenge aufzunehmen und ihn an das im Verdampfer befindliche
Kältemittel abzugeben. Bei diesem Vorgang verdampft das Kältemittel.
Verdampfer zur Flüssigkeitskühlung
Verdampfer zur Luftkühlung
Direkte Verdampfung
Indirekte Verdampfung
Direkte Verdampfung
Bei der direkten Verdampfung wird das zu kühlende Medium direkt
durch das verdampfende Kältemittel gekühlt.
Fig. 4-22 Direktverdampfer
Legende:
1
Flüssigkeit, Verdampfereintritt
2
zu kühlende Luft
3
Gas Verdampferaustritt
Indirekte Verdampfung
Der einzige Unterschied zur direkten Verdampfung besteht darin, dass
zwischen Verdampfer und dem zu kühlenden Medium ein zweites
Medium (meist Wasser oder Wasser-Glykolgemisch) zwischengeschaltet ist.
Direkte Verdampfung
• niedrigere Anschaffungskosten
•
höhere Kältemitteltemperaturen
•
•
kleinere Kälteverdichter
geringere Energiekosten
•
Einsatz nur in Verbindung mit
Einzelverdampfern oder wenigen
Verdampfern zweckmässig
Indirekte Verdampfung
•
einfache Planung, Installation
und Betrieb
•
einfache Regelung an den Verbrauchern
•
besserer Teillastbetrieb
•
Undichtigkeiten sind weniger
kritisch
•
keine Ölrückführungsprobleme
•
•
•
Kältemaschinen und Zubehör
liegen wartungstechnisch günstig
im zentralen Maschinenraum
Kühlen und Heizen ist möglich
beste Lösung bei weit verzweigten
Anlagen
Tabelle 4-1 Vor- und Nachteile der direkten und indirekten Verdampfung
45
4.5.1 Rohrbündelverdampfer
Die am meisten verwendete Art ist der Rohrbündelverdampfer zur
Flüssigkeitskühlung. Bei dieser Ausführung verdampft das flüssige
Kältemittel in den Verdampferrohren und das Kühlmittel umströmt die
Rohre.
Der trockene Verdampfer
Diese Art von Verdampfung nennt man auch trockene Verdampfung.
Die Verdampferleistungen können zwischen 4 und 3500 kW liegen.
Der Einsatz erfolgt in der Klimatechnik meist bei grossen und verzweigten Lüftungsanlagen zur Kühlung von Kaltwasser. Die Regelgrösse für den Kältekreislauf ist die Kaltwassertemperatur, meist 6/12
°C ∆t = 6K. An dem kleinen ∆t kann man erkennen, dass Luftkühler
grosse Oberflächen haben.
Fig. 4-23 Schnitt durch einen Rohrbündelverdampfer
Legende
1
2
3
4
5
6
flüssiges Kältemittel Ein
Kühlmittel-Eintritt
Kühlmittel-Austritt
Kältemittelrohre
Rohrboden
gasförmiges Kältemittel Aus
Die Bauart unterscheidet sich unwesentlich von einem RohrbündelVerflüssiger.
53035b
TC
Fig. 4-24 Schema einer Kaltwasser-Kühlanlage im Klimabereich
46
1
2
3
4
5
6
7
8
Ausdehnungsgefäss
3-Weg-Ventil
Luftkühler
Magnetventil
thermostatisches Regelventil
Kaltwasserumwälzpumpe
Bündelrohrverdampfer
Kolbenverdichter
9
10
11
12
13
14
15
Verflüssiger
Kaltwasserrücklaufleitung
Bypass-Leitung
Kaltwasservorlaufleitung
Flüssigkeitsleitung
Saugleitung
Druckleitung
4.5.2 Plattenverdampfer
(Plattenwärmeübertrager)
Plattenwärmeübertrager sind kompakte Apparate aus Edelstahlplatten.
Sie werden in der gesamten Verfahrenstechnik und energieerzeugenden Industrie eingesetzt. Ihre hauptsächlichen Vorteile gegenüber
anderen Wärmetauschern sind:
•
•
•
•
•
hohe Wärmeübertragungsleistung bei kleinem Bauvolumen,
damit hoher Wärmerückgewinn und minimale Wärmeverluste
geringer Flüssigkeitsinhalt, damit kurze Aufheiz- und
Abkühlzeiten, hohe Dynamik bzgl. Temperaturänderungen bei
Steuer- und Regelvorgängen
modularer Aufbau, damit verbunden leichte und preisgünstige
Anpassung an veränderte Leistungsanforderungen sowie
leicht wartbares Bauprinzip
geringeres Verschmutzungsrisiko und einfache chemische
Reinigung durch stark turbulente Strömung und fehlende
Toträume, einfache Demontage
Die Prägung der Platten erzeugt einen hochturbulenten
Durchfluss. Dies ermöglicht eine sehr effektive
Wärmeübertragung schon bei geringen Volumenströmen.
Fig.4-25 Plattenwärmeübertrager in verschiedenen Bauformen und profilierte Platten
Aufbau
Bauteile eines Plattenwärmeübertragers:
•
•
•
Funktion und Stromführung
Das Plattenpaket, bestehend aus einer definierten Anzahl von
einzelnen profilierten Platten (Fig. 4-25).
Bei einem Einsatz von Plattenwärmetauschern in Kälteanlagen
müssen diese Kältemittel beständig sein. Um das Austreten
von Kältemittel zu verhindern, werden die einzelnen Platten
kältemittelseitig miteinander verlötet. Wasserseitig kommen
meistens die üblichen Dichtungen zum Einsatz.
Durch die Anschlüsse werden die am Wärmetausch beteiligten Medien hinein- und herausgeführt.
Aneinandergereihte, profilierte Platten mit Durchlassöffnungen bilden
ein Paket von Fliessspalten. Diese werden wechselseitig von den am
Wärmetausch beteiligten Medien durchströmt.
Üblicherweise werden einwegige Plattenwärmeübertrager eingesetzt.
Sie zeichnen sich durch 100%igen Gegenstrom der beiden Medien
aus. Die zu- und abgeführten Rohrleitungen sind an der Festplatte
angeschlossen.
Mehrwegige Plattenwärmetauscher erreichen ebenfalls einen
100%igen Gegenstrom beider Medien, wenn die Wegezahl für beide
Produkte gleich ist. Das hat den Vorteil, dass die Temperaturdifferenz
der zwei am Wärmetausch beteiligten Medien voll genutzt wird.
47
4.5.3 Verdampfer zur Luftkühlung
Die luftgekühlten Verdampfer (und die Verflüssiger) haben gleiche
Bauformen. Wichtig ist die mechanische Konstruktion und Anordnung
der Rohrreihen, damit eine gute Wärmeübertragung stattfinden kann.
Die Zuleitung des flüssigen Kältemittels in den Verdampfer erfolgt über
einen Verteiler (Spinne), damit die Oberfläche des Verdampfers gleichmässig beströmt wird.
Fig. 4-26 Verteilerdüse
p1-p3
E
F
G
H
Fig. 4-27 Verteilung am Verdampfer
= Gesamtdruckabfall im Verteiler
= Prall- und Staustrecke mit momentaner Umlenkung der Strömung
= Drosselplatte (Staublende)
= stärkste Einschnürung der Strömung
= Turbulenzzone infolge unkontrollierter
Expansion
In der Klimatechnik kommen überwiegend Verdampfer für den Anwendungsbereich "T0 > 0 °C und zu kühlende Luft > 0 °C" vor. Bei
der Lebensmittelkühlung liegen diese Werte häufig unter 0 °C. Die
Problematik des Arbeitspunktes um 0 °C ist in der Möglichkeit der
Betauung zu erklären, d.h., es müssen geeignete Massnahmen ergriffen werden, dass die Oberfläche des Verdampfers nicht betaut,
bzw. dass sie bei Betauung enteist werden muss.
Die am häufigsten angewendeten Abtau-Methoden sind:
•
•
•
4.5.4 Eisspeicher
48
Abtauen durch Ventilatornachlauf
Abtauen mit elektrischer Heizung (eher bei Kühlräumen)
Abtauen mit heissem Kältemitteldampf
Eine andere Art von Kühlmittelkühlung ist der Eisspeicher. Die Anwendung erfolgt häufig dort, wo kurzfristige Lasten auftreten oder
zur Überbrückung von Stillstandszeiten des Verdampfers. Also immer
dort, wo Kältereserven erforderlich sind.
Fig. 4-28 Schnitt durch einen Eiswassertank
Legende:
1
Kühlmittelschlange
2
Wasserstand
3
Eis-Reserve
Der Verdampfer ist in einem mit Wasser gefüllten Behälter eingebaut.
Durch den Verdampfungsprozess entsteht an der Oberfläche des
Verdampfers eine Eisschicht, wodurch das Wasser länger kühl bleibt.
Weitere Erklärungen und Beispiele folgen im Kapitel "Kältespeicher".
4.6 Sicherheit im Kältekreislauf
Wie wir spätestens jetzt erkannt haben, handelt es sich beim
Kältekreislauf um ein kritisches Gebilde. Warum?
•
•
•
•
•
Medium kann flüssig und gasförmig sein
es herrschen unterschiedliche Drücke im System
Medium ändert bei unterschiedlichen Drücken seinen
Aggregatszustand
es muss sichergestellt sein, dass das Medium an bestimmten
Stellen im Kreislauf definierte Zustände hat
ausreichende Kühlung und Schmierung der Aggregate muss
gewährleistet sein
Damit diese Bedingungen erfüllt sind, befinden sich im Kältekreis weitere Bauelemente:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Sicherheitsventile
Absperrventile
Überdrucksicherheitsschalter
Unterdrucksicherheitsschalter
Differenzdruck-Pressostate
Niederdruck, Hochdruck-Pressostate
Trockner
Sammler
Schaugläser
Überhitzer
Eine Einrichtung, welche die Schalthäufigkeit begrenzt (z.B.
max. 6 mal pro Stunde)
Schaltung für maximalen Arbeitsdruck (Maximal Operating
Pressure MOP)
Diese Bauteile und Funktionen sind eher für den Kälteanlagenbauer
von besonderer Wichtigkeit und werden in diesem Kapitel nur
erwähnt.
53016
49
Fig. 4-29 Möglichkeiten der Kälteregulierung
5. Der Kompressions-Kälte-Kreislauf im h, log p-Diagramm
5.1 Allgemein
5.1.1 Bauelemente und ihre Funktion
Mit über 90 % aller installierten Anlagen hat die Kompressions-Kältemaschine zurzeit die grösste Bedeutung erlangt. Besonderes Gewicht
findet die Abbildung der jeweiligen Prozesszustände im h, log p-Diagramm. Die Möglichkeit der Sauggasregelung wurde ebenfalls mit in
die Erläuterungen eingebunden. Weitere Möglichkeiten der Leistungsregelung von Kältemaschinen werden in der Broschüre "Stetige
Leistungsregelung im Kältekreislauf" behandelt.
Eine Kältemaschine besteht im wesentlichen aus vier Elementen:
Verdampfer (Fig. 5-1, 1): In ihm verdampft flüssiges Kältemittel bei
niedrigem Druck und niedriger Temperatur. Die für die Verdampfung
erforderliche Wärme wird dem zu kühlenden Medium (Luft, Wasser)
entzogen.
Verdichter (Fig. 5-1, 2): Er saugt den Kältemitteldampf über die
Saugleitung aus dem Verdampfer weg. Das Gas wird verdichtet und
über die Druckleitung in den Verflüssiger ausgestossen. Das
Kältemittel verlässt den Verdichter mit hohem Druck und in stark überhitztem Zustand (ca. 60 - 120 °C), immer noch gasförmig.
Verflüssiger (Fig. 5-1, 3): In ihm gibt das heisse Gas seine Wärme an
das Kühlmedium (Luft, Wasser usw.) ab und kondensiert. Die
Verdampfungswärme und die in Wärme umgewandelte Arbeit des
Verdichters muss hier abgeführt werden. Das flüssige Kältemittel wird
anschliessend meistens in einen Flüssigkeitssammler geführt.
Expansionsventil (Fig. 5-1, 4): Es hat die Aufgabe, den hohen Druck
der Kältemittel-Flüssigkeit auf den im Verdampfer herrschenden
Niederdruck zu reduzieren. Im weiteren regelt das Expansionsventil
die Füllung des Verdampfers unter den verschiedenen
Lastbedingungen. Dies erfolgt durch die Regelung der Gasüberhitzung
am Verdampferausgang.
9Q169a
p
[bar]
3
4
2
1
p
5.1.2 Kältemittel und seine
Betriebszustände
50
h [kJ/kg]
Fig. 5-1
Kältekreislauf mit wichtigsten Komponenten im h, log p - Diagram
Legende
1
2
3
4
Verdampfer
Verdichter
Verflüssiger (Kondensator)
Expansionsventil
Der eigentliche Wärmeträger ist das Kältemittel. Es übernimmt den
Transport der Wärme im Kältekreislauf. Grundsätzlich kann jeder Stoff
als Kältemittel verwendet werden, welcher sich bei technisch erreichbaren Drücken und bei den gewünschten Temperaturen verflüssigen
und verdampfen lässt.
Wenn sich aber nur wenige Stoffe als Kältemittel einführen und
behaupten konnten, so liegt das an den mannigfaltigen
Anforderungen, die an die physikalische und chemischen
Eigenschaften zu stellen sind und welche durch die Konstruktion und
Arbeitsweise der Kältemaschine bestimmt werden. Die Wahl des
Kältemittels hängt vom Anwendungsbereich der Kältemaschine ab. In
der Klimatechnik sind heute die Kältemittel R134a, R407C, R404A,
R507 die gebräuchlichsten.
Die Zustände des Kältemittels in einer Kältemaschine lassen sich allgemein darstellen:
6a
6
6b
9Q170a
7b
5b
3
7
1
7a
Fig. 5-2
Kältekreislauf (Prinzip)
Legende:
1
2
3
4
Verdampfer
Verdichter
Verflüssiger (Kondensator)
Expansionsventil
5
2
4
5a
Grundsätzlich unterscheidet man die verschiedenen Bereiche nach
5
6
7
5.1.3 Die Anlage
Temperatur:
Zustand:
Druck:
5a tiefe, 5b hohe Temperatur
6a flüssig, 6b gasförmig
7a Niederdruck, 7b Hochdruck
An einer konkreten Kälteanlage werden im folgenden die physikalischen Vorgänge in der Reihenfolge des Kälteprozesses erklärt und im
h, log p-Diagramm dargestellt.
Die im Text verwendeten Buchstaben beziehen sich auf die Prinzipzeichnung der Anlage (Fig. 5-3), wie auch auf alle weiteren Zeichnungen und dienen der Identifikation der Arbeitspunkte.
Es handelt sich um eine Luftkühlanlage für ein Rechenzentrum. Sie
besteht aus einem einstufigen, sauggasgekühlten Verdichter, einem
Lamellenrohrverdampfer, einem thermostatisch geregelten Expansionsventil und einem zweistufig geregelten, luftgekühlten Verflüssiger. Der Verflüssiger ist auf dem Dach des Gebäudes angeordnet,
während Verdichter und Flüssigkeitssammler ein Stockwerk tiefer liegen. Der Verdampfer ist zwei Stockwerke tiefer in einer Klimaanlage
eingebaut.
51
Leistungsdaten der Anlage
Kühlleistung:
Verdichterleistung:
Betriebsdaten
Kältemittel:
Verdampfungstemperatur:
Verdampfungsdruck (pabs):
Kondensationstemperatur:
Kondensationsdruck (pabs):
Fig. 5-3
Q0:
P:
25 kW
8,75 kW
R134a
+5 °C
3,5 bar (3,497)
+45 °C
11,6 bar (11,592)
to
po
tc
pc
:
:
:
:
7
8
9
10
11
12
Steigleitung
Saugleitung
Wärmetauscher
Magnetventil
Isolationspacken
Kältemittelverteiler
Prinzip-Darstellung der Anlage
Legende
1
2
3
4
5
6
Verdampfer
Verdichter
Verflüssiger
Expansionsventil
Differenzdruckventil
Druckausgleichsleitung
Flüssigkeitssammler
01
5
9Q173a
0.0
0.0
R134a
100
50.00
0.0
40
0.00
50
0.00
70
80
s = 1,
90
30.00
030
100
90
40.00
0
02
70
80
0
2,0
s=
s=
s=
1,9
5
1,9
5
0
1,7
5
0
1,8
5
2,0
s=
0
H
K
0
,06
0
,08
-20
s=
2,2
-30
20
ν = 0,
-40
,150
ν=0
5
s=
,10
ν=0
-30
0
ν=0
2,2
0
ν=
-20
E FG
5
2.00
1.00
0.90
0.80
0.70
0
-10
2,1
ν=
to = 15°C
0
,03
40
0,0
2,1
0
-10
0
ν=
10
s=
ν
D'
3.50
3.00
20
5
,01
0
,02
=0
s=
4.00
M
1,8
0
ν=
D
N
30
s=
5.00
50
40
s=
40
30
20
A
6.00
10
Pressure [Bar]
C BO
11.60
10.00
9.00
8.00
7.00
70
60
s=
50
60
20.00
0
02
0,0
ν = 30
0
0,0
ν = 0 40
0,0
ν=
0
06
0,0
ν=
80
,00
0
ν= 0
1
0,0
ν=
0.60
-40
0.50
x = 0,10
140
160
180
0,20
s = 1,00
200
0,30
220
0,40
1,20
0,50
240
260
0,60
0,70
1,40
280
300
0,80
0,90
1,60
320
340
360
Enthalpy [kJ/kg]
Fig. 5-4
52
Der Prozess im h, log p-Diagramm
-40
380
-20
0
400
20
40
60
420
440
460
80
480
100
500
120
520
140
540
160
560
5.2 Der Kältekreislauf im h, log pDiagramm
5.2.1Der Flüssigkeitssammler
Der Flüssigkeitssammler ist unmittelbar nach dem Verflüssiger angeordnet. In ihm staut sich das kondensierte Kältemittel. Sein Fassungsvermögen ist so bemessen, dass die im Betrieb durch Temperaturbzw. Laständerungen und Regeleingriffe entstehenden Füllungsschwankungen ausgeglichen werden können. (Fig. 5-3)
Bei stillstehendem Verdichter befindet sich im Innern des Flüssigkeitssammlers flüssiges und gasförmiges Kältemittel. Für jede Temperatur
im Sammler stellt sich ein bestimmter Druck ein. Es ist der Siededruck, auf dem h, log p-Diagramm mit Punkt A dargestellt (Fig. 5-4).
Mit der sich ändernden Temperatur ändert sich auch der Druck: Punkt
A wandert bei stillstehender Anlage auf der Siedelinie.
Springt der Verdichter an, steigt der Druck im Verflüssiger und im
Flüssigkeitssammler, bis der Betriebsdruck (in unserem Beispiel ca.
11,6 bar) erreicht ist. Das Heissgas kondensiert bei 45 °C (Siedepunkt
von R134a bei 11,6 bar). Im Verflüssiger wird dem Kältemittel mehr
Wärme entzogen als zur Kondensation nötig ist, weshalb dieses
Medium eine Unterkühlung erfährt. Die Flüssigkeitstemperatur liegt
in der Regel etwa 5 K unter der Kondensationstemperatur. Der Punkt
B liegt also links von der Siedelinie, in unserem Beispiel bei 11,6 bar
und 40 °C.
Durch die Flüssigkeitsleitung verlässt das Kältemittel den Sammler
und strömt zum Wärmetauscher. Hier kühlt sich das warme Kondensat um einige Grad ab. Die Wärme geht an das kühle Sauggas über.
In Fig. 5-5 verschiebt sich der Zustandspunkt bei gleichbleibendem
Druck von B nach C. Die Temperatur beträgt dort 35 °C, die Enthalpie
249 kJ/kg.
35 °C 40 °C
p
9Q171a
50
[Bar]
50
40
CB
11.60
10.00
9.00
8.00
7.00
30
40
20
30
A
6.00
20
➁
10
5.00
10
4.00
0
3.50
3.00
-10
0
-10
2.00
0,10
180
200
0,20
220
0,30
240
249
0,40
260
0,50
280
0,60
300
0,70
320
0,90
0,80
340
360
-10
380
0
400
20
420
40
440
60
460
80
480 h [kJ/kg]
h1
Fig. 5-5
Verlauf des Siededrucks (A) für das Kältemittel im Flüssigkeitssammler
Legende:
1
flüssig
2
Nassdampf
5.2.2 Das Expansionsventil
Es regelt die in den Verdampfer einströmende Kältemittelmenge und
reduziert gleichzeitig den Druck. So bildet dieses Ventil den einen
Grenzpunkt zwischen der Hoch- und der Niederdruckseite des Systems. Im hier besprochenen Fall beträgt die Verdampfungstemperatur
to = 5 °C, was einem Verdampfungsdruck von 3,5 bar entspricht.
Der Verflüssigungsdruck von 11,6 bar muss also auf 3,5 bar reduziert
werden.
Das Expansionsventil baut den Druck zunächst auf ca. 4,4 bar ab
(Strecke C-D in Fig. 5-6), während der nachfolgende KältemittelVerteiler einen weiteren Druckabfall von etwa 0,9 bar bewirkt (Strecke
D-D').
53
Auf dem h, log p-Diagramm verschiebt sich der Betriebszustand nach
dem Expansionsventil senkrecht nach unten, entlang der Isenthalpe
durch C. Punkt D beschreibt den Zustand nach dem Expansionsventil
und Punkt D' nach dem Verteiler, am Verdampfereintritt. Charakterisiert
wird D' durch den Verdampfungsdruck po = 3,5 bar, den Wärmeinhalt
h1 = 249 kJ/kg und die Verdampfungstemperatur to = + 5 °C.
Weiter erlaubt der Punkt D' die Bestimmung des Flash-Gas-Anteils x.
Er beträgt in diesem Beispiel ca. 20 % (x = 0,2). Dieser Kältemittelanteil verdampfte bereits bei der Expansion (ohne Wärmeaustausch),
d.h. nur 80 % der gesamten Verdampfungswärme werden dem zu
kühlenden Medium entzogen. Man hat daher ein Interesse, den Punkt
C möglichst weit links, in das Flüssigkeitsgebiet zu legen, d.h. das
flüssige Kältemittel möglichst stark zu unterkühlen.
p
9Q174a
50
[Bar]
0,
2
2
50
=
x
40
30
0,
1
40
C B
11.60
10.00
9.00
8.00
7.00
20
30
20
6.00
10
5.00
4.40
4.00
D
10
D'
0
3.50
3.00
-10
0
-10
2.00
0,10
180
200
0,20
220
0,30
240
249
0,40
260
0,50
280
0,60
300
0,70
320
0,80
340
0,90
360
-10
380
0
400
20
40
420
440
60
460
80
480 h [kJ/kg]
h1
Fig. 5-6 Verlauf des Betriebzustandes des Kältemittels über das Expansionsventil
5.2.3 Der Verteiler und der Verdampfer
Der Kältemittelverteiler speist die parallel geschalteten Rohre des
Verdampfers durch genau gleich lange Kältemittelwege und gewährt
so eine gleichmässige Beaufschlagung der Verdampferrohre. In diesen
Rohren erfolgt die weitere kontinuierliche Zustandsänderung. Der GasAnteil nimmt ständig zu, bis alle Flüssigkeit verdampft ist.
Der im Verdampfer erzeugte Sattdampf ist im Diagramm mit Punkt E
bezeichnet.
E liegt rechts von D', jedoch bei etwas tieferem Druck, die Differenz
entspricht dem Druckverlust im Verdampfer. Der Druck pOE im Punkt E
beträgt 3,2 bar, die Enthalpie h2 ist auf 399 kJ/kg K angestiegen.
Die vom Kältemittel im Verdampfer aufgenommene Wärme ist etwas
grösser als die zur Erreichung des Sattdampfpunktes nötige Energie.
Somit erhält das Kältemittel am Ende des Verdampfers eine Überhitzung, welche üblicherweise 5...8 K beträgt.
Im h, log p-Diagramm (Fig. 5-7) ist der Endpunkt dieser Überhitzung
mit F bezeichnet. Eine solche Überhitzung ist notwendig, damit keine
Tropfen von flüssigem Kältemittel in den Verdichter gelangen und dort
durch Flüssigkeitsschläge Schaden anrichten.
Die Überhitzungstemperatur ist die eigentliche Regelgrösse des
Expansionsventils.
54
p
9Q175a
50
[Bar]
50
40
CB
11.60
10.00
9.00
8.00
7.00
30
40
20
30
20
6.00
D
D'
10
to = 5°C
0
E
180
∆t ü
-10
2.00
0,10
0,20
200
220
0,30
240
0,40
260
0,50
280
0,60
300
249
h1
Fig. 5-7
F
0
-10
3.50
3.20
3.00
∆pü
4.00
10
5.00
0,70
320
0,80
340
0,90
360
-10
380
0
400
20
420
40
440
60
460
80
480 h [kJ/kg]
399
h2
Zustandsverlauf des Kältemittels über den Verdampfer
Der Sattdampfpunkt E liegt also nicht am Ende des Verdampfers
(siehe Fig. 5-8, ←E→) und ist auch nicht fest, sondern verschiebt sich
in Abhängigkeit der jeweiligen Laständerung.
Fig. 5-8
Überhitzung am Verdampfer
Im Beispiel entspricht die Überhitzung ∆tü einer Druckdifferenz ∆pü von
0,8 bar. Das ∆pü ist am Ventil einstellbar und bildet mit dem Verdampferdruck p0 an der Ventilmembrane die Gegenkraft zum Fühlerdruck
p1. Dieser Druck entspricht der Temperatur am Fühler. Er entsteht
durch Verdampfung der Fühlerflüssigkeit.
Im Gleichgewichtszustand vermag das in den Verdampfer eingespritzte Kältemittel zu verdampfen (E) und sich zusätzlich zu überhitzen (F).
Sinkt nun die Last (z.B. wegen einer tieferen Lufteintrittstemperatur
am Verdampfer), nähert sich der Sattdampfpunkt E dem Verdampfungsausgang, und die Überhitzung nimmt ab. In der Folge sinkt der
Fühlerdruck p1, das Ventil schliesst und reduziert die Füllmenge im
Verdampfer, bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand im Verdampfer,
bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand mit p1' = p0' + ∆pü einstellt.
Damit die Druckverluste im Verteiler und Verdampfer die Überhitzung
nicht zu stark beeinflussen, wird als Vergleichgrösse anstatt p0 am
Verdampfereingang der Druck p0E am Verdampferausgang gemessen
und zur Ventilmembrane geführt (siehe Fig. 5-3, Nr. 13 und 8).
p1 - p0E = ∆pü = konst.
5.2.4 Die Saugleitung und der
Wärmetauscher
Über die Saugleitung gelangt das Gas aus dem Verdampfer zum
Verdichter. Wegen der Gefahr von Schwitzwasserbildung oder
Vereisung auf der Sauggasleitung wird diese in der Regel isoliert. Das
kalte Sauggas gelangt anschliessend zum Wärmetauscher, wo es
zusätzlich erwärmt wird (F - G), während sich andererseits das warme
Kondensat weiter unterkühlt (B - C).
55
Das Gas wird nun durch die Saugleitungen und das Saugdrosselventil
zum Verdichter gesaugt. Zu beachten ist hierbei der Druckverlust, erst
in der Leitung: Punkt G fällt auf H mit ∆p = 0,5 bar. Dann im Ventil:
Punkt H fällt weiter auf K. Der Druckverlust über dem vollgeöffneten
Saugdrosselventil soll 0,3 bar nicht übersteigen.
Anmerkung
Das Regelventil regelt die Kälteleistung zwischen 25 und 100%. Die
Erklärung der Funktionsweise der Regelung und die hierfür notwendigen maschinenseitigen Vorkehrungen werden in diesem Artikel nicht
behandelt. Das Ventil erscheint daher im h, log p-Diagramm als blosse,
ganz geöffnete Armatur mit ∆p ~ 0,3 bar (H - K).
Fig. 5-9
Druckverlust x in der Saugleitung (G → H)
Legende
z
=
1
=
2
=
5.2.5 Der Verdichter
bleibender Druckverlust am Regelventil
Überhitzen
Unterkühlen
Er erzeugt den Druckunterschied und bewegt damit das Kältemittel.
Man unterscheidet drei verschiedene Bauweisen: hermetisch, halbhermetisch und offen. Bei den zwei ersten Arten ist der elektrische
Antrieb mit dem Verdichter in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und wird mit dem Sauggas gekühlt. Der Motor ist für den
Betrieb im Kältemittel besonders isoliert. Diese Bauweise hat den
Vorteil, dass bei der Wellendurchführung zwischen Motor und Verdichter kein Kältemittel verloren geht. In Klima-Kälteanlagen werden
die halbhermetischen Verdichter am häufigsten angewandt.
Der Verdichter saugt das Gas im Zustand K an. Die Druckdifferenz
G - K ist der Druckverlust an der Saugleitung inklusive dem voll geöffneten Sauggasventil. K entspricht dem Saugdruck p0S von etwa 2,4
bar, einem Wärmeinhalt h3 = 413 kJ/kg und einer Sauggastemperatur
t0S = 17 °C. Der Punkt K liegt ausserdem auf der Isentrope mit
s1= 1,8 kJ/kg K.
In einem idealen, d.h. verlustlosen Verdichter würde die Gaskompression dieser Linie gleicher Entropie bis zum erwünschten Druck folgen
(adiabatische Verdichtung).
Der Enddruck entspricht dem Kondensationsdruck pc. Er hängt u.a.
von der Dimensionierung des Verflüssigers ab und beträgt in unserem
Fall 11,6 bar. Die theoretische Verdichterleistung pth ist das Produkt
aus dem theoretischen Arbeitsaufwand
wth = (h4 - h3) und dem Kältemittelmassenstrom:
56
(Bestimmung der umlaufenden Kältemittelmenge siehe Kapitel 5.5)
pth = m • (h4 - h3) ⇒ 600 kg/s
3600s/h
•
(450 - 413) kJ/kg = 6,16k
Die theoretische Temperatur auf der Gasausstossseite würde 70 °C
betragen.
Fig. 5-10 Theoretischer und realer (K → M) Verlauf der Betriebszustandsänderung im
Verdichter
Ein real arbeitender Verdichter ist aber mit erheblichen Verlusten
behaftet. Man unterscheidet einerseits die volumetrischen Verluste,
hervorgerufen durch:
•
•
•
•
•
die Wärmedehnung des Saugdampfes beim Einströmen in
den Verdichter infolge der Aufheizung an wärmeren Flächen
(Motorwicklung, Kolben, Zylinder usw.)
die Undichtheit zwischen Kolben und Zylinder
die Undichtheit der Arbeitsventile
den "nicht nutzbaren Raum" im Zylinder, der mit Restgas
gefüllt bleibt, das sich beim Saughub im Zylinder wieder aus
dehnt und dadurch dessen Füllung mit neu angesaugtem
Kältemittel vermindert
und andererseits die mechanischen Verluste durch
- Reibung zwischen den beweglichen Teilen
- zusätzliche Arbeitsleistung (z.B. der Ölpumpe)
Die wegen den Verlusten zu leistende Mehrarbeit des Verdichters verschiebt in Fig. 5-11 den Punkt pc/h4 in Abhängigkeit des effektiven
Wirkungsgrades und bei gleichbleibender Druckhöhe pc weit nach
rechts zum Punkt M. Man kann M finden, indem man die Enthalpiedifferenz h4 - h3 aus der effektiven (gegebenen) Verdichterleistung Peff
und dem Massenstrom m berechnet. Dafür ist die vorher benützte
Gleichung für die theoretische Verdichterleistung umzuformen, d.h.
nach der Enthalpiedifferenz aufzulösen:
h4’ - h3 = p = 8.75
m 600
•
3600 = 52.5kJ/kg
Bei h3 = 413 kJ/kg folgt daraus: h4' = 465,5 kJ/kg
57
Der Punkt M liegt auf der Isotherme t = 85 °C. Dies ist die Temperatur
des verdichteten Gases. Sie kann im Bereich 80 ... 120 °C liegen. Sie
muss aber auf jeden Fall unter der Zersetzungstemperatur des im
Kältemittel gelösten Schmieröls liegen, denn zersetztes Schmieröl
bildet mit dem Kältemittel Säuren, die auf Metallteile und Isolationen
von Motorwicklungen zerstörend wirken.
5.2.6. Die Heissgasleitungen und der
Verflüssiger
Durch die Heissgas-(Druck)-Leitung verlässt das Kältemittel den Verdichter in stark überhitztem Zustand (Punkt M) und gelangt schliesslich in den Verflüssiger. Zunächst muss am Anfang des Verflüssigers
das Heissgas bis auf die durch den Druck gegebene Kondensationstemperatur tc abgekühlt werden.
Die durch Pressostaten gesteuerten Ventilatoren treiben Kühlluft durch
die feinen grossflächigen Lamellen des Verflüssigers, was einen intensiven Wärmeaustausch zwischen dem nun kondensierenden Gas und
der Luft bewirkt. Gegen das Ende der Rohrreihen ist das Kältemittel
vollständig verflüssigt und wird anschliessend durch die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlluft und dem kondensierten Kältemittel
unterkühlt. Das Kältemittel gelangt nun durch die Flüssigkeitsleitung
B wieder zurück und in den Sammler.
Die drei Zonen des Verflüssigungsvorganges zeigen sich im h, log
p-Diagramm mit der Enthitzungsstrecke M → N, der eigentlichen
Verflüssigung N → O und der Unterkühlung O → B.
Die Kühlung des Verflüssigers wird meist über den Kondensationsdruck oder die Kondensationstemperatur geregelt.
Fig. 5-11 Die drei Phasen des Verflüssigungsvorgangs und die Arbeitspunkte der
Steuerung der Verflüssigerventilatoren
Die Arbeitspunkte für die Steuerung der Verflüssigerventilatoren sind
in unserem Beispiel:
bei tc =
58
+ 30 °C
1. Ventilator aus
I
=
0
+ 35 °C
2. Ventilator aus
II
=
0
+ 40 °C
1. Ventilator ein
I
=
1
+ 45 °C
2. Ventilator ein
II
=
1
5.2.7 Druckhochhaltung im
Flüssigkeitssammler
Aus Fig. 5-4 geht deutlich hervor, dass bei tiefen Flüssigkeitstemperaturen (Punkt A) ein relativ niedriger Druck im Sammler herrscht.
Springt die Kältemaschine an, genügt die Druckdifferenz zwischen A
und D meist nicht, um genügend Kältemittel durch das Expansionsventil zu pressen. Dies führt zu einem Flüssigkeitsmangel im Verdampfer. Die Maschine würde über den Niederdruckpressostaten
wieder abgeschaltet. Es wird deshalb über eine Bypassleitung und
ein Differenzdruckventil von der Druckseite am Verdichter Gas in den
Flüssigkeitssammler gepresst, sobald eine bestimmte Verflüssigertemperatur tc (ca. 30 °C) unterschritten wird (vgl. Fig. 5-3 und Fig. 5-5).
5.3 Weitere Anlagenteile und ihre
Probleme
5.3.1 Das Magnetventil vermeidet
Schäden
Flüssigkeiten können praktisch nicht verdichtet werden. Der Verdichter
nimmt deshalb Schaden, wenn ihm flüssiges Kältemittel zugeführt
wird. In diesem Fall schlägt der Kolben gegen ein Medium, das nicht
komprimierbar ist. Man nennt diese Stösse im Hubraum
Flüssigkeitsschläge.
Wird die Anlage ausser Betrieb gesetzt, kann sich vor dem Verdichter
flüssiges Kältemittel ansammeln, das bei erneutem Einschalten durch
den Verdichter angesaugt wird und dort Flüssigkeitsschläge verursacht. Um dies zu vermeiden, ist auf der Hochdruckseite, vor dem
Expansionsventil, oft ein Magnetventil eingebaut, das beim Ausschalten der Anlage schliesst und so ein Nachströmen von Kältemittel in
den Verdampfer verhindert. Der Verdichter läuft dann so lange weiter,
bis saugseitig der Druck den am niederdruckseitigen Pressostaten
eingestellten Wert unterschreitet. In diesem Fall spricht man vom
Absaugen des Verdampfers oder "Pump down". Mit dieser Vorkehrung
wird gleichzeitig die Niederdruckseite vor zu hohem Druck geschützt,
welcher durch Verdampfung allfällig vorhandener Restflüssigkeit bei
Stillstand entsteht.
5.3.2 Der Öltransport
Im Kältekreis befindet sich neben dem Kältemittel zumeist auch eine
gewisse Menge Schmieröl im Umlauf. Mit der Kältemittelmenge verglichen ist der Ölanteil gering (ca. 2 %). Das Schmieröl dient dem
Verdichter zur Schmierung der mechanischen Teile und kann nicht vollständig vom transportierten Gasstrom getrennt werden. Es wandert
mit dem Kältemittel durch die gesamte Kälteanlage. Im Verdampfer,
dem Ort der tiefsten Temperatur, hat es die grösste Zähigkeit.
Das Öl wird nach dem Verdampfer teilweise in Form feiner schwebender Tröpfchen mitgerissen. Der grösste Teil wird aber als Film an den
Rohrwandungen vorwärts getrieben. Dabei muss das Öl mitunter
erhebliche Steighöhen überwinden (in unserem Beispiel zwei Stockwerke). Um einen sicheren Öltransport zu gewährleisten, ist daher
bei der Bemessung der Kältemittelleitungen eine ausreichende
Strömungsgeschwindigkeit vorzusehen. Höhere Geschwindigkeiten
verursachen allerdings höhere Druckverluste. - Druckverluste,
Leitungsquerschnitte und Strömungsgeschwindigkeiten stehen ganz
allgemein in einem gegensätzlichen Verhältnis. Leitungen werden
daher nach einem wirtschaftlich vertretbaren Kompromiss dimensioniert. - In unserem Beispiel rechnen wir mit einem Durchmesser der
Saugleitung von 42 mm (A = 1385 mm2). Bei einem spezifischen
Volumen v = 0,071 m3/kg (Punkt G) und einem Kältemittelstrom =
600 kg/h erhöht man bei voller Leistung folgende Strömungsgeschwindigkeit v:
6
v = m • v = 600 • 0,071 • 10 = 8,5 m/s
A
3600 • 1385
59
Gemäss Erfahrungen muss im vorliegenden Fall eine
Minimalgeschwindigkeit von ca. 5 m/s eingehalten werden. Diese
Forderung ist also erfüllt. Im Punkt K ergibt die Rechnung
v = 11,4 m/s.
Wird die umlaufende Kältemittelmenge durch eine Leistungsregelung
beeinflusst, ist dem Ölrückführung besondere Beachtung zu schenken.
Die Leitungen werden in solchen Fällen an senkrecht ansteigenden
Stellen in zwei Stränge unterschiedlicher Durchmesser aufgeteilt (vgl.
Fig. 5-3, Pos. 7 Steigleitung). Fällt wegen Leistungsregelung und damit
verminderter Gasgeschwindigkeit der Öltransport aus, so sammelt
sich das Öl im unteren Bogen (I) an und unterbricht den Gasstrom in
der Hauptleitung.
Der Kältemitteldampf wird dann über die Bypassleitung mit engerem
Querschnitt (II) transportiert. Diese ist so bemessen, dass der Öltransport bei Minimallast noch gewährleistet bleibt.
Nochmals: Schmieröl und
Kältemittel
Das Öl absorbiert Kältemittel. Je kälter das Öl, desto mehr Kältemittel
kann es aufnehmen. Steigender Druck erhöht ebenfalls die Löslichkeit.
Bei Stillstand sammelt sich das Öl vorwiegend in der Kurbelwanne an.
Beim Start sinkt der Druck plötzlich ab, das gelöste Kältemittel verdampft wieder und lässt das Öl in der Kurbelwanne aufschäumen.
Diese Schaumbildung hat weitere Folgen:
1)
2)
3)
Die Ölpumpe kann den Schaum nicht fördern, der Öldruck
bricht zusammen.
Im Verdichtungsraum verursacht der Schaum
Flüssigkeitsschläge.
Durch Ölabwanderung kann im Verdichter Ölmangel auftreten.
Damit das Öl möglichst wenig Kältemittel aufnimmt, wird die Kurbelwanne bei ausgeschalteter Anlage elektrisch beheizt. Bei grösseren
Kompressoren wird die Ölförderung mit einem DifferenzdruckPressostaten überwacht.
5.3.3 Die Sicherheitsorgane
Sollte aus irgendwelchen Gründen das Kühlmedium für die Verflüssigung des heissen Gases ausbleiben, so wird der Druck nach dem
Verdichter über den zulässigen Wert pcmax steigen und den Verdichter
überlasten. Um die Anlage zu schützen, befindet sich auf der Hochdruckseite ein Pressostat, welcher bei Überschreiten des maximal
zulässigen Druckes den Antriebsmotor abschaltet.
Der Ausschaltpunkt pcmax beträgt in der besprochenen Anlage 14 bar,
dies entspricht einer Kondensationstemperatur tc von 52,5 °C. die
Verdichtungstemperatur würde in diesem Fall weit höher als im
Normalbetrieb (85 °C) ansteigen.
Andererseits kann es vorkommen, dass zu wenig Kältemittel zirkuliert
oder zu wenig Wärme für die Verdampfung zufliesst. In beiden Fällen
vermindert sich der Druck auf der Niederdruckseite des Verdichters
und damit auch die Verdampfungstemperatur to. Deshalb wird bei
Unterschreiten eines bestimmten Druckes pomin der Kompressor
durch einen Niederdruck-Pressostaten (ND-Pressostat) ausser Betrieb
gesetzt.
60
Der Ausschaltpunkt pomin des ND-Pressostaten wird hier mit 1,8 bar
gegeben, dies entspricht einer Temperatur von - 12 °C.
Sauggasgekühlte Verdichtermotoren bedürfen immer einer minimalen
Kältemittelmenge zu ihrer Eigenkühlung (ca. 40 % der Gesamtmenge). Bleibt das Kältemittel aus, so läuft der Motor Gefahr, sich zu
überhitzen. Zur Vermeidung von Schäden durch Überhitzung ist bei
allen Verdichtern halbhermetischer und hermetischer Bauart ein Übertemperaturschutz auf oder in der Wicklung (Klixon) eingebaut. Durch
diese thermische Sicherung wird bei Übertemperatur die Stromzufuhr
unterbrochen.
Sinkt der Schmieröldruck unter einen bestimmten Wert, schaltet ein
Öldruckdifferenz-Sicherheitsschalter nach einer bestimmten Zeitverzögerung den Antriebsmotor aus. Beim Start des Verdichters wird
dieser Schalter überbrückt.
Ein Thermopaket am Motorschutzschalter unterbricht ebenfalls die
Stromzufuhr, falls die Stromaufnahme den eingestellten zulässigen
Wert übersteigt, z.B. bei Überlast.
Beim Anlauf nimmt ein Elektromotor ein Mehrfaches seines Betriebsstromes auf.
Folgende Vorkehrungen vermindern den Anlaufstrom:
•
•
•
Stern-Dreieck-Anlauf
Teilwicklungsstart
Anlaufentlastung (ein Magnetventil öffnet einen Bypass
zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite des Verdichters
und entlastet diesen durch Dekompression).
Fig. 5-12 Ein- und Ausschaltpunkte für den Verdichter (1 = ein, 0 = aus)
Die Maschine stellt ab...
Wenn keine Kühlleistung mehr verlangt wird, schliesst das Magnetventil die Flüssigkeitsleitung. Der Verdichter saugt den Verdampfer
leer und wird dann über den ND-Pressostaten abgestellt. Meistens
schliesst das Ventil nicht absolut dicht, so dass auch im Stillstand eine
gewisse Kältemittelmenge in den Verdampfer gelangt, verdampft und
so den Druck ansteigen lässt. Übersteigt der Druck den am NDPressostaten eingestellten Wert, läuft der Verdichter kurz an und saugt
den Verdampfer wieder leer.
...und springt wieder an
Der Einschaltbefehl durch die externe Regelung öffnet das Magnetventil in der Flüssigkeitsleitung wieder. Sind alle Glieder der Sicherheitskette geschlossen (ND- und HD-Sicherheitspressostaten, Klixon,
Öldruck), läuft der Verdichter mit entlasteten Zylindern an.
61
Nach einer gewissen Verzögerungszeit wird der Öldruck-Wächter zugeschaltet und die Anlaufentlastung aufgehoben. Langsam erwärmt
sich die Hochdruckseite, und nach wenigen Minuten ist der Betriebszustand wieder erstellt.
Bei jedem Einschalten erwärmt sich die Motorwicklung erheblich, je
häufiger, desto gefährlicher. Eine Wiederanlaufsperre verhindert
während einer bestimmten Zeit das erneute Anlaufen des Verdichters
und vermeidet so die Überhitzung des Motors.
5.4 Die energetische Bilanz
Im h, log p-Diagramm erscheinen die zu- und abgeführten Wärmemengen pro kg Kältemittel als abmessbare Strecken. Die entsprechende Wärmeleistung erhält man durch Multiplikation der betreffenden
Enthalpiedifferenz ∆h mit der zirkulierenden Kältemittelmenge:
Q=m
• ∆h
Wärmeleistung beim Verdampfen (= Kälteleistung):
Qo = m
•
(h2 - h1)
Verdichterleistung:
Peff = m
•
(h4' - h3)
Verflüssigerleistung:
Qc = m
•
(h4' - h1)
Weil die Verdampfungswärme und die in Wärme umgewandelte
Verdichterarbeit im Verflüssiger wieder abgegeben werden müssen,
lautet die Bilanz:
Qc = Qo + Peff
Die Wärmeströme B - C = h1' - h1 und F - G = h3 - h2' sind identisch
und reiner Wärmeaustausch im System. Die Überhitzungswärme E - F
wird teils der gekühlten Luft (Verdampfer), teils der Umgebung
(Saugleitung) entzogen.
Anstatt die gesamte Wärmemenge Qc an die Umwelt abzugeben,
könnte durch geeignete Massnahmen (siehe Broschüre "Wärmerückgewinnung im Kältekreislauf") dieser Wärmestrom aufgrund seiner
Temperatur zu Heizzwecken sinnvolle Verwendung finden.
Fig. 5-13 Noch offen
62
Um die Wirtschaftlichkeit einer Kältemaschine bestimmen zu können,
vergleicht man durch die Leistungszahl ε (Epsilon) den Nutzen
(Kälteleistung Qo) mit dem Aufwand (Antriebsleistung P):
ε
= Qo = h2 - h1 • m = h2 - h1
Peff (h4’ - h3) • m h4’ - h3
Für die reale Leistungszahl der gesamten Anlage sind ausserdem die
Energieaufwendungen zu berücksichtigen für die Förderung der
Wärmeübertragungsmedien auf der kalten und der warmen Seite des
Kreisprozesses, und zwar sowohl hinsichtlich des Energieverbrauchs
als auch im Hinblick auf die aus diesem resultierende Wärmeabgabe
(z.B. Ventilatorwärme).
5.5 Bestimmung der umlaufenden
Kältemittelmenge
Die im h, log p-Diagramm abmessbare Strecke ∆' - E (siehe Fig. 5-7)
ist die nutzbare Verdampfungswärme ∆h. Sie kann durch die
Enthalpiedifferenz h2 - h1 genau bestimmt werden und ist zur
Berechnung der in der Maschine zirkulierenden Kältemenge m
wichtig. Bei gegebener Kälteleistung Qo lässt sich die umlaufende
Kältemittelmenge m errechnen:
Qo = m
• ∆h
=m
m
=
Kältemittelmenge in kg/h
Qo
=
Kälteleistung in kW
∆h
=
Enthalpiedifferenz h2 - h1 in kJ/kg
•
(h2 - h1)
25kJ/s
m = Qo • 3600 →
2
1
h -h
399 - 249kJ/kg
m = konstant
•
3600 s = 600 kg/h
Der Kältemittel-Massenstrom ist bei einem bestimmten Betriebszustand an allen Stellen des Kreislaufes der selbe, ob nun das Medium
flüssig (in der Flüssigkeitsleitung) oder dampfförmig (Saugleitung, Verdichter, Druckleitung) ist. Das spezifische Volumen hingegen variiert
stark mit dem Druck, und die Strömungsgeschwindigkeit ändert in
Abhängigkeit des Volumens und des Rohrquerschnittes. Diese Überlegungen sind bei der später folgenden Diskussion über die Ölrückführung wichtig.
Die umlaufende Kältemittelmenge lässt sich auch grafisch, anhand der
Kälteventilauswahl-Diagramme bestimmen. Hierzu sind die Angaben
über die Kälteleistung Qo, die Verdampfungstemperatur to und die
Kältemittelflüssigkeitstemperatur tfl in Punkt C nötig.
In unserem Beispiel:
Qo
:
25 kW
tfl
:
+ 34 °C
t0
:
+ 5 °C
Kältemittel
:
R134a
63
50319A
2,5 2,0
25
C] +
t fl[°
+30
+35
+40
+45
+50
+55
+60
+65
+10
+5
0
-5
1,5
0,8
R134a
(R12)
-10
∆p
V [ba
r]
0,5 0,4 ,3
0
0,2
-15
-30
t0 [°C]
-20
-25
-25
-35
+5
+10
-40
0
-5
4,0 3,0 2,5 0
2, 1,5
5
] +2
t fl[°C
+30
3
+ 5
+40
+45
+50
+55
+60
+65
-10
t0
-20
-30
+10
+5
0
-5
0,8
R407C
(R22)
0,2
t0 [°C]
0,1
-40
-35
-30
-25
-25
-20
-30
-35
+45
+5
+10
C]
t fl[°
+65
∆p V [bar]
+50
+55
+60
+30
+35
+40
+25
-40
3,0 2,0
1,0
0,8
-15
0
-5
0,5
t0
]
[°C
∆p V
-15
-10
0,4
0,3 0,2
0,1
5
0,1
-40
R404A
R507
(R502)
-10
-20
t0 [°C]
]
∆p
V [ba
r]
0,5 0,4 3
0,
-20
+10
+5
0
-5
[°C
-15
-10
-15
+5°C
0,1
-40
-35
-25
+5
+10
-30
0
-5
-15
-10
-35
-30
-25
C]
°
[
-20
t0
-35
4000 6000
10000
-40
200
M3
FK
50L
X 1
)
M3
FK
40L
X 1
)
M2
FS
32L
X
2000
150
100
80
M2
FS
1000
60
M2
FS
600
50
40
30
M2
FS
300
20
M2
FS
200
15
10
25L
X
20L
X
15L
X
kv
s 12
15L
X
15
8
100
6
5
M2
FS
30 40 50 60
1
3
.
Q 0 [kW]
2
.
kv
s5
15L
X
06
kv
s3
kv
s 1,
5
m [kg/h]
1,5
20
4
kv
s8
kv
s 0,
6
Fig. 5-14 Auslegungs-Diagramm zur Bestimmung des Massenstroms und der Kälteventile
5.6 Zusammenfassung
In diesem Kapitel wurden die technischen und physikalischen Zustände einer Kälteanlage beschrieben, vorwiegend im Volllastbetrieb oder
im Stillstand. In der Praxis ändern sich die Betriebszustände in Abhängigkeit der Last am Verdampfer und der Aussenluftbedingungen
am Verflüssiger in weiten Bereichen.
Der Kältefachmann hat ein Interesse:
•
•
64
Druckverluste in der Saug- und Druckleitung gering zu halten,
weil dies die Verdichtergrösse nachhaltig beeinflusst
den Flash-Gasanteil zu verringern, um die Verdampferleistung
zu steigern
Ausserdem muss der Anlagebauer alle notwendigen Sicherheitsvorkehrungen treffen, um für die Anlage Zuverlässigkeit und lange
Lebensdauer zu garantieren.
6. Wärmepumpen-Technik
6.1 Einleitung
Die Wärmepumpe kann durch Ausnutzung der Umweltwärme normalerweise zwei- bis dreimal mehr Wärmeenergie erzeugen, als zu ihrem
Betrieb an Zusatzenergie benötigt wird. Somit ermöglicht die Wärmepumpe einen äusserst wirkungsvollen Einsatz von verschiedenen
Energieformen (z.B. Elektrizität) zur Gebäudeheizung.
6.2 Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Mit der Wärmepumpe werden in einem geschlossenen Kreisprozess
(vgl. Fig. 7-1) die thermodynamischen Eigenschaften eines Kältemittels
(z.B. Freon R134a) ausgenützt.
Wärme aus der Umwelt
Ein Kältemittel hat die besondere Eigenschaft bei sehr niedriger
Temperatur zu verdampfen. Dies ermöglicht es, dass die sehr reichlich
vorhandenen Umweltenergien (Aussenluft bis - 20 °C, See- oder
Grundwasser von 4 – 12 °C und Erdreich von 0 - 20 °C) als Wärmequelle vom Temperaturniveau her bestens genügen, um das Kältemittel zu verdampfen. Die Wärmequelle kühlt sich dabei um einige
Kelvin ab. Zum Verdampfen einer Flüssigkeit wird immer Energie
benötigt. In diesem Fall wird die Verdampfungsenergie der Umwelt
entzogen. Das verdampfte Kältemittel hat diese Verdampfungsenergie
im Verdampfer in sich aufgenommen, ohne dass dadurch die Temperatur angestiegen ist. Das niedrige Temperatur-Niveau lässt es nicht zu,
dass dieses Medium direkt in Heizungsanlagen zur Anwendung
kommt.
Wärmequellen
Luft
Wasser
Entspannen
Erdreich
Flüssiges
Kältemittel
Niede
Hochdruck
Verdampfen
Verflüssigen
Gasförmiges
Kältemittel
Verdichten
Zusatzenergie
Fig. 6-1
Verdampfungs- und KondensationsTemperatur
Kältemittel-Kreislauf in einer Wärmepumpe
Bei der gleichen Temperatur da ein Medium verdampft, wenn ihm
Wärme zugeführt wird, kondensiert (verflüssigt) es auch, wenn es
abgekühlt, d.h. Wärme entzogen wird. Deshalb bezeichnet man diese
Temperatur einmal als Verdampfungstemperatur und im andern Fall als
Kondensationstemperatur.
Die Verdampfungs- bzw. Kondensationstemperatur ist druckabhängig.
Bei steigendem Druck steigt auch der Verdampfungs- bzw.
Kondensationspunkt bezüglich Temperatur an. Aus diesen physikalischen Zusammenhängen heraus wird der nächste Schritt sehr logisch:
Erhöhung des Druckes um den Verdampfungs- / Kondensationspunkt
anzuheben in einen Bereich, da die Kondensation für die
Heizungsanlage genutzt werden kann.
Dies geschieht mit einem Kompressor (Verdichter), welcher das nunmehr gasförmige Kältemittel ansaugt und zusammenpresst.
65
Hierzu ist Zusatzenergie (z.B. Elektrizität) notwendig. Wenn es sich um
einen sauggasgekühlten Verdichter handelt, geht diese Energie
(Motorenwärme) nicht verloren, sondern gelangt in das zu verdichtende Kältemittel und erwärmt dieses.
Im nachgeschalteten Kondensator (Verflüssiger) kühlt das
Heizungswasser das Heissgas ab und bringt es zum Kondensieren
und das Heizungswasser wird erwärmt.
Nach dem Kondensator ist alles Kältemittel wieder flüssig, aber noch
auf hohem Druck. Mit Hilfe eines Expansionsventils wird der Druck
wieder abgebaut und der Kreisprozess beginnt von vorne.
Expansions-
Flüssiges
ventil
Niederdruck
Kältemittel
Hochdruck
Verdampfer
Kondensator
(Verflüssiger)
Gasförmiges
Kältemittel
Fig. 6-2
Kompressor (Verdichter)
Mechanische Hauptkomponenten einer Wärmepumpe
50.00
40.00
30.00
Pressure [Bar]
20.00
10.00
9.00
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
➂
➁
2.00
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
Enthalpy [kJ/kg]
66
Fig. 6-3
Der Wärmepumpen-Kreislauf im h, log p-Diagramm (vereinfacht)
1
2
3
Heizleistung (∆h • m)
zugeführte Verdichterleistung
Leistung (∆h • m) die der Wärmequelle entzogen wird
520
540
560
Herkunft des Namens
Wärmepumpe
6.3 Die Wärmequellen
Der Name Wärmepumpe hat seinen Ursprung aus diesem physikalischen Vorgang heraus erhalten: Auf tiefem Temperaturniveau aufgenommene Wärmeenergie wird "hoch gepumpt" auf ein Niveau das
zu Heizzwecken gebraucht werden kann.
Die Wärmequelle liefert die notwendige Verdampfungswärme für die
Wärmepumpe.
6.3.1 Wärmequelle Aussenluft
Fig. 6-4
Immer verfügbare
Wärmequelle
Wärmequelle Aussenluft
Aussenluft hat eine sehr hohe Verfügbarkeit und wird deshalb oft
benutzt. Es müssen jedoch folgende Eigenschaften berücksichtigt
werden.
-
-
-
-
Die Wärmepumpe und deren Antriebsleistung muss relativ
gross für den kältesten Tag ausgelegt werden (Leistungszahl
ist dann am kleinsten, vgl. 6.6.1).
Bei mildem Wetter und entsprechend geringem Heizwärmebedarf steht ein grosses Überangebot von WärmepumpenHeizleistung an, welches unter Umständen gespeichert werden muss.
Bei Aussenlufttemperaturen im Bereich von + 5 °C bis -10 °C
tritt am Verdampfer starke Vereisung auf (kondensierte Luftfeuchtigkeit friert an der Verdampferoberfläche mit Temperatur
< 0 °C fest). Hierbei sinkt die Verdampferleistung stark ab.
Das Eis muss mit einer geeigneten (energieverbrauchenden!)
Methode regelmässig abgetaut werden.
Durch die Luftumwälzung können störende Ventilatorengeräusche entstehen, die durch entsprechende Schallschutzmassnahmen reduziert werden müssen.
6.3.2 Wärmequelle Erdreich
Fig. 6-5
Wärmequelle Erdreich
67
Besser als Luft als Wärmequelle,
aber teurer
Beim Erdreich als Wärmequelle werden entweder Erdkollektoren
(grossflächiges Rohrnetz normalerweise gefüllt mit frostsicherer Flüssigkeit, z.B. Wasser-Glykol, min. 1,5 m unter Erdoberfläche installiert)
oder Erdsonden (Tiefenbohrung erforderlich) zur Nutzung eingesetzt.
Die Verwendung von Erdkollektoren bedingt die Verfügbarkeit eines
entsprechend grossen Grundstückes und erfordert normalerweise
hohe Investitionskosten. Ebenso sind bei der Verwendung von Erdsonden Bohrungen notwendig, die entsprechende Investitionskosten
verursachen.
Bei der Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle ist sehr sorgfältig darauf zu achten, dass sich die Wärmequelle wieder regenerieren kann
(evtl. Entlastungseinrichtung wie Sonnenkollektoren einbauen), da
sonst die Bodentemperatur zu stark absinkt und dadurch die notwendige Leistung nicht mehr zur Verfügung steht.
Bei Erdsonden ist aus den gleichen Überlegungen darauf zu achten,
dass der Wärmentzug pro Meter Sonde nicht zu gross ist, da sich
sonst die Jahresarbeitszahl unweigerlich verschlechtert.
Richtig dimensioniert und konzipiert ist für den Wärmepumpenbetrieb
das Erdreich eine der unproblematischsten Wärmequellen.
6.3.3 Wärmequelle Grundwasser
Fig. 6-6 Wärmequelle Grundwasser
Die beste Wärmequelle, aber selten
zur Verfügung
Beim Grundwasser als Wärmequelle ist dessen Verfügbarkeit und
Qualität das grösste Problem. Sofern jedoch in ausreichender Menge,
Qualität und mit geeignetem Temperaturniveau verfügbar, ist diese
Wärmequelle annähernd ideal für den Wärmepumpenbetrieb
(Bewilligungspflicht!).
6.4 Wärmepumpen-Benennung
Wärmepumpen werden (im deutschen Sprachgebrauch) benannt nach
dem Prinzip
X - Y - Z - Wärmepumpe, wobei gilt:
X: Wärmequellen- Wärmeträgermedium (z.B. Luft, Wasser, Sole, usw.)
Y: Heizanlagen-Wärmeträgermedium (z.B. Wasser, Luft, usw.)
Z: Kompressor-Antriebsenergieart (Elektrizität, Dieselöl, Gas, usw.)
Bezeichnung der Wärmepumpe
68
Beispiele:
Wärmequelle
Wärmepumpen-Benennung
Aussenluft
Luft - Wasser - Elektro - Wärmepumpe
Erdreich
Sole - Wasser - Elektro - Wärmepumpe
Grundwasser
Wasser - Wasser - Elektro - Wärmepumpe
6.5 Betriebsarten
6.5.1 Monovalenter Betrieb
monovalente Betriebsweise (mono = ein, einzig)
In einer monovalenten Wärmepumpen-Heizanalage stellt allein die
Wärmepumpe (Fig. 6-8) in allen möglichen Betriebszuständen die
erforderliche Heizwärme bereit. Die Wärmepumpe muss also für den
maximalen Wärmebedarf der Gebäudeheizung ausgelegt werden.
Die maximal möglichen Heizwasser-Vor- und Rücklauftemperaturen
müssen auf die maximal zulässige Kondensator-Austrittstemperatur
ausgelegt werden.
B66-06
Fig. 6-7
Monovalent betriebene Anlage mit Speicher und Heizungsgruppen
ϑA
Auslegepunkt
- 10
-5
0
5
Heizgrenze
10
Wärmepumpe
B66-07
15
0
Fig. 6-8
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Temperatur-Häufigkeitskurve für monovalenten Betrieb
Bei Ausfall der Wärmepumpe steht in einer monovalenten Anlage
keine Alternativheizung zur Verfügung.
6.5.1.1 Spezialfall monoenergetischer
Betrieb
Da die maximale Leistung einer Anlage nur während relativ kurzer Zeit
zur Verfügung stehen muss, wird für Einfamilienhäuser oft als Lösung
eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit elektrischer Zusatzheizung zur
Spitzenlastdeckung eingesetzt. Dies ist eigentlich ein bivalent-alternativer Betrieb (vgl. 6.5.2.1), da aber nur eine Energieform, in diesem
Falle Elektrizität zugeführt wird, spricht man von monoenergetischer
Betriebsweise.
Erfahrungsgemäss benötigt eine Anlage weniger Energie, wenn diese
Umschaltung von Hand erfolgt. Ebenso sollte auf eine Nachtabsenkung bei tiefen Aussentemperaturen verzichtet werden, damit keine
Schnellaufheizung notwendig wird.
69
6.5.2 Bivalenter Betrieb
bivalente Betriebsweise (bi = zwei, doppelt)
In einer bivalenten Wärmepumpen-Heizanlage erzeugt die
Wärmepumpe bei mildem und durchschnittlich kaltem Winterwetter
allein die notwendige Heizwärme. Bei starker Kälte wird der
Heizwärmebedarf durch eine Zusatzheizung (vgl. Fig. 6-9). ergänzend
(parallel) oder gänzlich (alternativ) gedeckt
PID
∆p
B66-08
Fig. 6-9
Bivalent betriebene Anlage mit Wärmepumpe, Speicher und Heizkessel zur
Deckung des Spitzenwärmebedarfs
Die Wärmepumpe muss also nur für einen Teil des maximalen
Wärmebedarfs der Gebäudeheizung ausgelegt werden.
Die Zusatzheizung kann auf verschiedene Arten zur Wärmepumpe
betrieben und muss entsprechend ausgelegt und eingesetzt werden.
Man unterscheidet die folgenden Betriebsarten:
6.5.2.1 Bivalent-alternativer Betrieb
bivalent-alternativer Betrieb
bivalent-paralleler Betrieb
bivalent-parallel/alternativer Betrieb
Hierzu ist die Wärmepumpe nur bei mildem und durchschnittlich kaltem Winterwetter in Betrieb. Bei starker Kälte und zur Deckung des
maximalen Wärmebedarfes wird die Wärmepumpe aus- und die
Zusatzheizung eingeschaltet.
ϑA
- 10
Auslegepunkt
-5
0
Bivalenzpunkt
5
10
Heizgrenze
0
70
30
Wärmepumpe
60
90
120
150
180
B66-09
Kessel
15
210
240
270
300
Fig. 6-10 Temperatur-Häufigkeitskurve für bivalent-alternativen Betrieb
330
360 [Tage/a]
Die Heizwasser-Vor- und Rücklauftemperaturen müssen für die Lastzustände mit Wärmepumpenbetrieb auf die maximal zulässige
Kondensator-Austrittstemperatur ausgelegt sein. Für die Lastzustände
mit alternativem Zusatzheizungsbetrieb dürfen die Heizwasser-Vor- und
Rücklauftemperaturen über diese maximal zulässigen Werte steigen.
Die Zusatzheizung muss jedoch hydraulisch derart in den Heizwasserkreislauf geschaltet werden, dass bei Zusatzheizungsbetrieb kein
Heizwasser durch den Wärmepumpen-Kondensator zirkulieren kann
(Hochdruck-Betriebsgrenze).
Die Zusatzheizung muss für den gesamten maximalen Heizwärmebedarf ausgelegt werden.
Im Betrieb muss von der Wärmepumpe auf die Zusatzheizung umgeschaltet werden, sobald die Wärmepumpen-Heizleistung nicht mehr
ausreicht. Dies wird regeltechnisch in Abhängigkeit der Aussentemperatur und/oder der Wärmequellentemperatur gemacht.
6.5.2.2 Bivalent-paralleler Betrieb
Hierzu sind die Wärmepumpe und die Zusatzheizung bei der Deckung
des maximalen Wärmebedarfs der Gebäudeheizung gemeinsam in
Betrieb.
Fig. 6-11 Temperatur-Häufigkeitskurve für bivalent-parallelen Betrieb
Die Heizanlage muss für die maximal zulässige Rücklauftemperatur
(Kondensator-Entrittstemperatur) ausgelegt sein. Die Zusatzheizung
muss hydraulisch in Serie zur Wärmepumpe in den Heizwasservorlauf
geschaltet werden. Mit der Zusatzheizung wird die KondensatorAustrittstemperatur auf die notwendige Vorlauftemperatur erhöht.
Die Zusatzheizung muss für den Teil des maximalen Wärmebedarfes
ausgelegt sein, welcher durch die Wärmepumpe nicht gedeckt wird.
Die Zuschaltung der Zusatzheizung erfolgt sobald im Betrieb die
Wärmepumpen-Heizleistung allein nicht mehr ausreicht. Dies wird
regelungstechnisch in Abhängigkeit der Heizwasser-Vorlauftemperatur
bewerkstelligt.
71
6.5.2.3 Bivalent-parallel/alternativer
Betrieb
Hierzu sind paralleler- und alternativer Betrieb kombiniert.
Bei geringem bis mittlerem Heizwärmebedarf wird dieser durch die
Wärmepumpe allein gedeckt. Steigt der Wärmebedarf über die Heizleistung der Wärmepumpe, so wird die Zusatzheizung parallel betrieben, in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur. Steigt der Wärmebedarf
weiter über die Betriebsgrenze der Wärmepumpe an, so wird diese
abgeschaltet (Aussentemperatur- oder Wärmequellentemperaturabhängig) und der gesamte maximale Wärmebedarf wird durch die Zusatzheizung gedeckt.
Fig. 6-12 Temperatur-Häufigkeitskurve für bivalent-parallel/alternativen Betrieb
Die Zusatzheizung muss hydraulisch derart in das System integriert
werden, dass sie:
-
6.5.3 Wahl der Betriebsart
Die richtige Betriebsweise
Die Wahl der günstigsten (Energie- und Kosten/Nutzen optimalsten)
Betriebsweise ist von den folgenden Kriterien abhängig:
-
6.6 Kennzahlen für Wärmepumpen
6.6.1 Die Leistungszahl ε
im Parallelbetrieb in Serie zur Wärmepumpe in den
Heizwasservorlauf geschaltet ist
im Alternativbetrieb kein Heizwasser durch den
Wärmepumpen-Konsensator zirkulieren kann
die Zusatzheizung muss für den gesamten maximalen
Heizwärmebedarf ausgelegt werden
Jahresverlauf des Heizwärmebedarfs des Gebäudes
Jahresverlauf der Heizwärmeleistung der Wärmepumpe
bedarfsabhängiger Verlauf der Heizwasser-Vor- und
Rücklauftemperatur
jährliche Häufigkeit der auftretenden Heizlastzustände
Vergleichsmöglichkeit von Wps
Die Leistungszahl ε (Epsilon) bietet eine Vergleichsmöglichkeit einzelner Wärmepumpen zueinander und ist das Verhältnis von der momentanen Heizwärmeabgabe zur hierfür zugeführten (elektrischen)
Leistung einer (elektrisch betriebenen) Wärmepumpenanlage.
Leistungszahl ε = momentane Heizwärmeabgabe
zugeführte (elektrische) Leistung
⇒
72
je grösser ε, um so energieoptimaler ist der Wärmepumpenbetrieb
Für das Betriebskonzept einer Wärmepumpen-Heizanlage muss unbedingt berücksichtig werden, dass sich ε (und somit die Heizleistung der
Wärmepumpe) bei kleiner werdender Differenz zwischen Kondensations- und Verdampfungstemperatur vergrössert.
Dies bedeutet praktisch, das normalerweise eine Wärmepumpe zur
Gebäudeheizung:
-
bei grösstem Heizwärmebedarf die kleinste Leistungszahl,
d.h. die geringste Heizleistung hat
-
mit abnehmendem Heizwärmebedarf zunehmende
Leistungszahl, d.h. zunehmende Heizleistung hat
-
bei geringstem Heizwärmebedarf die grösste Leistungszahl,
d.h. die grösste Heizleistung hat
Eine bestimmte Leistungszahl ε ist nur gültig für einen bestimmten, momentanen Betriebszustand.
Fig. 6-13 Beispiel für den Verlauf der Leistungszahl in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen Kondensations- und Verdampfungstemperatur
Legende
1
Leistungszahl
2
Temperaturdifferenz
6.6.2 Die Jahresarbeitszahl β
Der Jahresdurchschnitt ist wichtig
Für die eigentliche Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpenanlage ist die
Jahresarbeitszahl β (Beta) massgebend.
Die Jahresarbeitszahl β ist der jährliche Durchschnitt der in einem
Wärmepumpenanlagen-Betriebsjahr mengenmässig vorkommenden
Leistungszahlen ε.
Typische, in der Praxis vorkommende Jahresarbeitszahlen
Wärmequelle beispielsweise wie folgt:
Wärmequelle
β
Aussenluft
2,5
Erdreich
3
Grundwasser
3,2
β
sind nach
73
Die Jahresarbeitszahl β wird bestimmt durch Messung des jährlich
von Kompressor und Hilfsantrieben usw. aufgenommenen Stromverbrauchs (in kWh), und durch gleichzeitige Messung der jährlich produzierten Wärme (in kWh) und der Wärmeverluste der Speicheranlage.
Jahresarbeitszahl
β
=
QWP
QSP
WWP
WPumpen
=
=
=
=
WRegelung
W...
=
=
QWP - QSP
WWP + WPumpen + WRegelung + W...
Wärmemenge produziert durch Wärmepumpe
Wärmeverluste der Speicheranlage
Energieverbrauch der Wärmepumpe
Energieverbrauch der Verdampfer- und KondensatorPumpe
Energieverbrauch der Regelung und Steuerung
Energieverbrauch anderer Komponenten wie
Abtaueinrichtung, Carter-Heizung, ...
Dies bedingt ein entsprechendes Messkonzept (Planungsphase) für
die Wärmepumpe-Anlage und die Anlage muss mit den notwendigen
Fühlern und Zählern (Elektro- und Wärmezähler) ausgerüstet sein.
6.7 Die Regelbarkeit der Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe ohne regelbare Heizleistung produziert im TeilHeizlastbetrieb überschüssige Wärme.
Welche Wärmepumpen-Heizleistungsregelung verwendet werden soll
und kann, muss unbedingt vom Wärmepumpen-Hersteller bestimmt
und bei der Anlagekonzeption und -dimensionierung berücksichtigt
werden.
6.7.1 Heizleistungsregelung direkt an
der Wärmepumpe
6.7.1.1 Heissgas-Bypass oder
Saugdrossel
Eine Wärmepumpen-Heizleistungsregelung mittels stetig geregeltem
Heissgas- Bypass- oder Saugdrosselventil ist unsinnig, da in beiden
Fällen eine Reduktion der Heizleistung keine annähernd gleichwertige
Reduktion der Antriebs-Leistungsaufnahme erbringt. Sowohl die
Heissgas- Bypass- als auch die Saugdrossel-Regelung ergeben also für
die Wärmpumpe sehr schlechte Jahresarbeitszahlen.
6.7.1.2 Kompressor Ventilabhebung
Mit der Ventilabhebung können bei entsprechend ausgerüsteten mehrzylindrigen Kolbenkompressoren einzelne Zylinder stufenweise zuoder abgeschaltet werden Hierzu werden die Saugventile der abzuschaltenden Zylinder geöffnet (z.B. elektrohydraulisch). Diese Wärmepumpen-Heizleistungsregelung ist jedoch nicht energieoptimal, da im
reduzierten Leistungsbetrieb wesentliche Reibungsverluste auftreten,
und da die Massenkräfte der leer mitlaufenden Kolben trotzdem aufgebracht werden müssen. Die Kompressor-Ventilabhebung ergibt also
für die Wärmepumpe eine relativ schlechte Jahressarbeitszahl.
6.7.1.3 Kompressordrehzahlregelung
Gute Wärmepumpen-Regelung
6.7.2 Wärmepumpe Ein/Aus-Regelung
Meist verwendete Regelung bei
Wärmepumpen
74
Eine Wärmepumpen-Heizleistungsregelung mittels mehrstufiger
(Stufenschalter auf polumschaltbaren Drehstrommotor) oder stufenloser (Frequenzumformer auf Drehstrommotor) Drehzahlregelung ist
nahezu energieoptimal.
Elektrisch betriebene Wärmepumpen mit Antriebs-Anschlussleistungen bis ca. 40 kW werden heute normalerweise nur im Zweipunktverfahren Ein/Aus geregelt, da die vorgenannte Leistungsregelungen
nicht energieoptimal sind oder hohe Investitionskosten verursachen.
Bei dieser Art der Regelung ist zu beachten, dass häufiges Ein/AusSchalten von Wärmepumpen die Lebensdauer der mechanischen Teile
vermindert, die Stillstandverluste erhöht und häufige Netzschwankungen durch die hohen Anlaufströme entstehen.
Deshalb muss zur Verhinderung von zu häufigem Ein/Aus-Schalten
die Wärmepumpen-Heizanlage genügend Wärmespeicherkapazität auf-
weisen, welche einerseits zeitweilig die überschüssig produzierte
Wärmepumpen-Wärme speichern kann, und welche andererseits zeitweilig den Heizanlagen-Wärmebedarf bei ausgeschalteter Wärmepumpe decken kann.
Zusätzlich sollte sicherheitshalber die Wärmepumpe zeitverzögert geschaltet werden, so dass eine maximal zulässige Anzahl Anläufe pro
Stunde nicht überschritten werden kann (z.B. max. 3 Anläufe pro Stunde). Die zulässige Anlaufhäufigkeit wird oft auch vom Elektrizitätswerk
vorgeschrieben.
75
7. Eisspeicher
7.1 Einleitung
Die Gründe für den Einsatz von Kältespeichern sind meistens anlageoder anwendungsbedingt.
Kältespeicher sind erforderlich, wenn ein möglicher Ausfall der Antriebsenergie für die Kältemaschine überbrückt werden muss, wie z.B.
in EDV-Anlagen, Operationsräumen, Fernmeldeanlagen. Kältespeicher
entlasten dann die Notstromanlage.
Kältespeicher können aber auch wirtschaftliche Vorteile bringen, wenn
durch die Kältespeicherung die Lastspitze der Kältenanlage oder auch
des gesamten Gebäudes reduziert werden kann, was zu einer Verringerung des Leistungspreises für elektrischen Strom führt. Zusätzliche
Vorteile können sich ergeben durch die Verlegung der Speicherladung
in die Niedertarifzeit. Die Ergebnisse sind abhängig von der Tarifgestaltung des jeweiligen Stromlieferanten.
Der Einfluss auf die Investitionen ist stark objektabhängig, in günstigen Fällen kann sich eine spürbare Verringerung ergeben. Je höher
und je kürzer die Kühllastspitze gegenüber dem mittleren Tagesbedarf
ist, umso grösser sind die zu erwartenden wirtschaftlichen Vorteile des
Einsatzes von Kältespeichern.
Zur Speicherung von Kälteenergie werden üblicherweise 2 Arten von
Speichern eingesetzt:
•
•
Kaltwasserspeicher
Kaltwasserspeicher
Eisspeicher
Kaltwasserspeicher werden meist als Pufferspeicher im Kaltwassernetz (z.B. 6/12 °C) eingesetzt, um während einer kurzen Zeit (Minuten
oder wenige Stunden) die Kälteenergie zu speichern. Damit kann die
Kälteerzeugung optimiert betrieben werden, oder sie werden eingesetzt, um die Regelung zu stabilisieren, vor allem wenn die Füllmenge
(= Speichermasse) des Kaltwassersystems gering ist im Verhältnis zur
geschalteten Verdichterleistung.
Für Kaltwasserspeicher gelten ähnliche oder gleiche Überlegungen
wie bei Warmwasserspeichern bezüglich hydraulischen Schaltungen,
Regelung, usw. - selbstverständlich unter umgekehrten Vorzeichen.
Deshalb wird diese Art der Kältespeicherung nicht weiter behandelt.
Eisspeicher
7.2 Einsatzgebiete für Eisspeicher
76
Eis hat eine rund 80-mal grössere Speicherfähigkeit als Wasser,
bedingt durch den Phasenübergang Eis/Wasser (und umgekehrt).
Eisspeicher werden daher auch als Latentspeicher bezeichnet.
Eisspeicher bieten eine viel höhere Speicherdichte (kWh/m3 oder
kWh/m2 benötigte Bodenfläche) als Kaltwasserspeicher.
Das Temperaturniveau des Eisspeichers liegt bei 0 °C, bedingt durch
den Phasenübergang, was sich zusätzlich vorteilhaft auswirkt.
Der Einsatz eines Eisspeichers bietet viele Vorteile, bedingt aber auch
entsprechende Grundkenntnisse zu Regelung und korrekter hydraulischer Einbindung in das gesamte Kältesystem. Diese werden nachfolgend behandelt.
Beim Einsatz von Eisspeichern unterscheidet man den Einsatz in der
Klimatechnik – der in diesen Unterlagen im Vordergrund steht – und
den Einsatz in der Gewerbekühlung.
7.2.1 Einsatz in der Klimatechnik
Eisspeicher werden in der Klimatechnik aus verschiedenen Überlegungen eingesetzt. Eine Investitionsentscheidung zu Gunsten von
Eisspeichern fällt, wenn:
•
•
•
die elektrische Lastspitze im Gebäude an einem Sommertag
liegt und durch Reduktion der Spitzenkältelast die gesamte
elektrische Lastspitze des Gebäudes gesenkt werden kann
(Stromkostenoptimierung)
Strom im Niedertarif zur Kälteerzeugung genutzt werden kann
(Stromkostenoptimierung)
durch den Einsatz von Eisspeichern der elektrische
Strombezug insgesamt vergleichmässigt wird
(Stromkostenoptimierung)
oder
•
•
7.2.2 Einsatz in der Gewerbekühlung
für eine bestehende Kälteanlage die Kälteleistung vergrössert
werden soll, ohne die Kältemaschine auszubauen (oder zu
erneuern)
die Kälteversorgung während eines Stromausfalls für einige
Stunden gesichert werden soll, wie z.B. in Operationsräumen,
EDV-Anlagen, ...
Beim Einsatz von Eisspeichern in der Gewerbekühlung spielen andere
Überlegungen als in der Klimatechnik eine Rolle.
Eisspeicher werden meist in gewerblichen Kühlanlagen eingesetzt, die
täglich eine hohe Kältelast während wenigen Stunden pro Tag haben,
z.B. Brauerein, Molkereien, usw. und damit die Kälteerzeugung stossweise belasten würden.
Eisspeicher sorgen hier dafür, dass die Kälteenergie kontinuierlich mit
relativ geringer Leistung erbracht werden kann, z.B. über 12 bis 14
Stunden (vgl. 7.4.2 Teil- und Vollspeicherung).
7.3 Aufbau und Funktion des
Eisspeichers
Es werden hauptsächlich drei Bauarten von Eisspeichern eingesetzt:
•
•
•
Direktverdampfersysteme
Direktverdampfersysteme
Eisspeicher mit wassergefüllten Kunststoffkugeln
Eisspeicher spiralförmig angeordneten Wärmetauscherrohren
(Calmac)
Bei Direktverdampfersystemen (Fig. 7-1), wird der Verdampfer der
Kältemaschine direkt in einen Tank geführt und an der
Verdampferoberfläche Eis produziert. Um gleichmässigen Eisansatz an
den Kühler-Rohren oder -Platten zu erhalten, wird das Wasser im Tank
mit Pumpen umgerührt oder es wird Luft am Tankboden eingeblasen.
Wegen der schlechten Wärmeleitung von Eis nimmt die Leistung mit
zunehmender Eisdicke ab. Eisdickenmesser sollen völliges Einfrieren
verhindern, bereiten aber besonders bei Teillasten und Teilentlastung
Probleme.
77
A
B
C
Fig. 7-1
Direktverdampfersystem
Legende
A
Direktverdampfer mit Kältemittel
B
Lufteinperlung
C
Kühlwasserkreis
Eisspeicher mit wassergefüllten
Kunststoffkugeln
Diese Eisspeicher sind in einen Solekreislauf eingebunden, der von
einem Verdampfer gekühlt wird. Der zur Speicherung verwendete Tank
ist zu ca. 50 – 70 % mit speziell geformten, wassergefüllten Kunststoffkugeln gefüllt, die elastisch sind und die Ausdehnung beim Gefrieren aushalten. Der Solekreislauf muss die Ausdehnung aufnehmen
(⇒ Ausdehnungsgefäss).
Fig. 7-2
Eisspeicher mit Kunststoffkugeln in Solekreislauf eingebunden
Legende
A
Eisspeicher
B
Ausdehnungsgefäss
C
Umstellventil
Eisspeicher mit
Wärmetauscherrohren
78
In diesen heute oft eingesetzten Eisspeichern (z.B. Calmac) werden
die Wärmetauscherrohre von einer Sole (Glykolwassergemisch) durchflossen. Die Wärmetauscherrohre sind spiralförmig aufgewickelt und in
unzähligen Ebenen übereinander angeordnet (vgl. Fig. 7-3). Sie füllen
den Eisspeicherbehälter vollständig aus, womit die
Wärmeübertragungsfläche und somit die Leistungsabgabe grösser ist
als bei Direktverdampfungssystemen. Über den Wärmetauscherrohren
ist genügend Raum vorhanden zur Aufnahme des verdrängten
Wassers bei der Eisbildung.
Fig. 7-3
Eisspeicher mit spiralförmig angeordneten Wärmetauscherrohren (Calmac)
Solche Eisspeicher (Behälter und Wärmetauscherrohre) sind aus
Kunststoff (PE) gefertigt und dadurch sehr leicht zu transportieren und
zu versetzen. Das Speichermedium Wasser und das
Wärmeträgermedium wird erst nach der Montage eingefüllt.
Die Behälter sind für die verschiedensten Aufstellorte geeignet und
können im Gebäude, aber auch ausserhalb aufgestellt und teilweise
sogar im Erdreich vergraben werden.
Anlagenteile auf Glykolwasserkreis
abgestimmt
Der Glykolwasserkreis ist ein geschlossenes, unter Druck stehendes
System. Das Glykolwassergemisch kommt dabei nie in direkten
Kontakt mit dem gespeicherten Eis und muss weder aufbereitet noch
gefiltert werden. Zwischen den Verbrauchern und den Eisspeichern ist
kein Wärmetauscher erforderlich, wohl aber müssen die
Anlagenelemente (z.B. Luftkühler) leistungsmässig und konstruktiv auf
das zirkulierende Glykolwassergemisch ausgelegt werden.
Durch die spezielle Anordnung der Wärmetauscherrohre schmilzt das
Eis von innen nach aussen und nicht, wie bei herkömmlichen
Direktverdampfersystemen (vgl. Fig. 7-1) von aussen nach innen.
Fig. 7-4
Schmelzvorgang bei einem Direktverdampfungssystem und handelsüblichen
Eisspeicher
79
In diesen Eisspeichern ist keine Eisdicke-Überwachung notwendig.
Durch die dichtere Rohrandordnung ist der Platzbedarf geringer als bei
Direktverdampfersystemen und die Wärmeübertragungsfläche und
somit die Leistungsabgabe grösser.
7.4 Auslegung des Kältespeichers
Kälteleistung und Kühlenergie
Bei Klimaanlagen spricht man meistens von Kälteleistung in kW, bei
Kältespeichern dagegen von kWh, da diese Kühlenergie speichern. Die
nachfolgenden Überlegungen zeigen den Zusammenhang zwischen
der gespeicherten Kühlenergie, der Kühllast und der Leistung der
Kältemaschine.
In der Praxis benötigen Klimaanlagen während der Betriebszeiten selten 100% der Kühlleistung für die sie ausgelegt und gebaut sind.
Bedarfsspitzen treten in der Regel nachmittags auf, wenn die
Ausseneinflüsse hoch sind. Dies ist jedoch für jede Anlage etwas
anders und stark von der Gebäudekonstruktion und der Benutzung
abhängig. Fig. 7-5 zeigt einen typischen Tagesverlauf des Kältebedarfs
einer Klimaanlage. Die maximale Kälteleistung (200 kW) werden also
nur während 2 h der gesamten Betriebszeit benötigt. Während den
übrigen Stunden ist der Bedarf kleiner. Die notwendige Kühlenergie
pro Tag beträgt somit 1640 kWh.
kW
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
Fig. 7-5
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 h
Verlauf des Kältebedarfs einer Anlage (Beispiel)
Um den Spitzenbedarf von 200 kW abzudecken, ist eine entsprechende Kältemaschine mit einer Leistung von 200 kW notwendig. Diese
Kältemaschine kann über die Betriebszeit eine maximale Kühlenergie
von 2200 kWh zur Verfügung stellen (vgl. Fig. 7-6).
kW
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
Fig. 7-6
80
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 h
Maximal mögliche Kühlleistung während der Betriebszeit der Anlage (Beispiel)
Durchschnittsfaktor
Das Verhältnis zwischen wirklichem Kältebedarf und der total zur
Verfügung stehenden Kälteenergie wird als Durchschnittsfaktor
bezeichnet. Für die Kältemaschine im betrachteten Beispiel gilt also:
Durchschnittsfaktor % =
wirklich benötigte kWh 1640 kWh
=
= 75 %
total verfügbare kWh
2200 kWh
Je niedriger der Durchschnittsfaktor, umso ungünstiger ist die
Kostennutzung der Klimaanlage.
7.4.1 Kältemaschine und -speicher
decken Spitzenbedarf
Durch den Einsatz eines Kältespeichers wird die Kälteerzeugung optimiert, in dem die notwendige Spitzenleistung teilweise von Kältemaschine und ergänzend aus dem Kältespeicher geliefert wird. So
kann die Kältemaschine bedeutend kleiner dimensioniert werden.
Mittlere Kühlleistung
Teilt man den kWh-Bedarf des Gebäudes durch die Betriebstunden der
Kältemaschine, so erhält man die mittlere Kühlleistung des Gebäudes
während der Kühlperiode. Diese ist massgebend für die Dimensionierung der Kältemaschine. Es sind aber noch weitergehende Überlegungen notwendig, damit die Kältemaschine und der Kältespeicher
richtig ausgelegt werden können.
7.4.2 Teil- und Vollspeicherung
Teilspeicherung
Die Kältemaschine ist während 24 h in Betrieb. Der Kältespeicher wird
nachts aufgeladen. Der Kältebedarf der Verbraucher wird während der
Betriebszeit der Klimaanlage von der Kältemaschine mit Unterstützung
des Kältespeichers gedeckt. Durch die Verlängerung der Betriebszeit
der Kältemaschine auf 24 Stunden wird die niedrigst mögliche mittlere
Kälteleistung erreicht (Beispiel: 1640 kWh : 24 h = 68.3 kW, vgl. Fig.
7-7).
kW
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
Fig. 7-7
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 h
Teilspeicherung: Kältebedarf der Anlage und mittlere Kälteleistung
Die Teilspeicherung ist in neuen Anlagen oft die praktischste und
kostengünstigste Methode.
Vollspeicherung
Die Vollspeicherung wird in Anlagen angewendet, in denen, bedingt
durch die Tarifstruktur des Stromlieferanten (Hoch- und Niedertarif),
die Kältemaschine nur während einer gewissen Anzahl Stunden (z.B.
meistens nachts) in Betrieb sein kann. Während der Hochtarifperiode
wird die notwendige Kälteleistung nur aus dem Kältespeicher bezogen. Dadurch reduziert sich die notwendige Leistung der Kältemaschine ebenfalls (Beispiel: 1640 kWh : 10 h = 164 kW, vgl. Fig. 7-8),
aber nicht in dem Masse wie bei der Teilspeicherung.
81
kW
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
Fig. 7-8
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 h
Vollspeicherung: Kältebedarf der Anlage und mittlere Kälteleistung im
Niedertarifbereich
Die Vollspeicherung macht in vielen Anlagen vor allem aus Betriebskostenüberlegungen (Tarifstruktur, Grundlastgebühren, ...) Sinn.
7.5 Hydraulische Schaltungen mit
Eisspeichern
Bei der hydraulischen Einbindung des Eisspeichers in das gesamte
Kältesystem werden grundsätzlich 3 Betriebsarten unterschieden:
•
•
•
7.5.1 Ladebetrieb
Ladebetrieb
Entladebetrieb
Bypass-Betrieb
Im Ladebetrieb (meistens nachts) zirkuliert zwischen einem handelsüblichen Kaltwassersatz und dem Wärmetauscher im Eisspeicher ein
Glykolwassergemisch, dessen Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes liegt (min. - 3 °C). Dadurch wird alles Wasser im Speicher zu
Eis gefroren. In einigen Eisspeichern sind die Wärmetauscherrohre
im Gegenfluss angeordnet, was eine gleichmässige Eisbildung ermöglicht.
Eisspeicher
Fig. 7-9 Ladebetrieb eines Eisspeichers
Im Ladebetrieb ist das Umlenkventil so gestellt, dass kein Glykolwassergemisch zu den Verbrauchern zirkuliert (vgl. Fig. 7-9).
Beim Gefrierprozess kristallisiert das Wasser im ganzen Speicher
gleichmässig, beginnend an der Oberfläche der Rohre. Dadurch werden Spannungen oder Beschädigungen der Speicher verhindert.
82
7.5.2 Entladebetrieb (Serieschaltung)
Im Entladebetrieb (tagsüber) kühlen die Eisspeicher das Glykolwassergemisch von z.B. 10 °C auf 1 °C. Die Vorlauftemperatur zu den Verbrauchern wird von einem Dreiweg-Mischventil mittels Bypass auf die
gewünschte Kühltemperatur (z.B. 6 °C) geregelt. Der Rücklauf von den
Verbrauchern von ca. 12 °C wird vom Kaltwassersatz wieder auf z.B.
10 °C abgekühlt.
Eisspeicher
Fig. 7-10 Entladebetrieb eines Eisspeichers (Kältemaschine und Eisspeicher in Serie)
7.5.3 Bypass-Betrieb
Während der Übergangszeit ist der Kältemaschine in der Lage, die
benötigte Kühlenergie ohne Eisspeicher-Betrieb zu liefern. Das gesamte Glykolwassergemisch fliesst nun durch den Bypass (vgl. Fig. 7-11).
Eisspeicher
Fig. 7-11 Bypass-Betrieb eines Eisspeichers (nur Kältemaschine)
Je nach Tarifsituation des Stromlieferanten ist es aber auch in der
Übergangszeit sinnvoll, den Eisspeicher in der Nacht zu laden und am
Tag daraus die Kühlenergie zu beziehen (vgl. 7.4.2 Teil- und
Vollspeicherung und 7.5.4).
7.5.4 Hydraulische Schaltung bei
Vollspeicherung
Die unter 7.5.1 bis 7.5.3 gezeigten Schaltungen sind geeignet für eine
Eisspeicheranlage mit Teilspeicherung (vgl. 7.4.2). Bei Anlagen mit
Vollspeicherung, ist es mit der bisher gezeigten Schaltung nicht möglich eine Kühlung nur mit dem Eisspeicher zu realisieren. Dazu muss
eine andere, aufwändigere hydraulische Schaltung eingesetzt werden.
83
Eisspeicher
Fig. 7-12 Mögliche hydraulische Schaltung bei Vollspeicherung (mit Regelventil A und
Umstellventil B)
7.5.5 Unterschiedliche Betriebspunkte
der Kältemaschine
7.6 Regelung und Steuerung des
Eisspeichers
Aus den vorangehenden Beschreibungen ist ersichtlich, dass die
Kältemaschine je nach Anlagesituation (Laden, Entladen in Serie oder
Bypass) mit unterschiedlichen Kühlwassertemperaturen arbeiten
muss, was bei der Auslegung der Kältemaschine sehr genau berücksichtigt werden muss.
Die Regelung und Steuerung der Kältemaschine wird üblicherweise
mit dieser vom Hersteller geliefert.
Die Hauptfunktionen der Eisspeicher-Regelung und -Steuerung sind:
•
•
•
7.6.1 Regelung der GlykolwasserMischtemperatur
Regelung der Glykolwasser-Mischtemperatur beim Entladen
in Serie
Steuerung des Umstellventils je nach Betriebsart
Steuerung der Eisspeicher Ladung (evtl. mit Verbrauchsprognose)
Das Dreiwegventil nach dem Eisspeicher (Fig. 7-13, A) mischt Glykolwasser aus dem Eisspeicher (ca. 1 °C) und Glykolwasser von der
Kältemaschine auf die gewünschte Kühltemperatur für die angeschlossenen Verbraucher.
Im Bypass-Betrieb hat dieses Ventil keine Regelfunktion. Die Kältemaschine liefert das Glykolwasser in der gewünschten Temperatur.
Eisspeicher
84
Fig. 7-13 Regel- und Umstellventil für Betrieb des Eisspeichers
7.6.2 Steuerung des Umlenkventils je
nach Betriebsart
Das Umlenkventil (Fig. 7-13, B) wird je nach Betriebsart in die gewünschte Position gestellt. Für den Ladebetrieb ist es auf Umlenkung
gestellt, im Entlade- und Bypass-Betrieb steht dieses Ventil auf Durchgang. Es wird meist im Rücklauf als Mischventil eingebaut und hat
keine Regelfunktion.
7.6.3 Steuerung der Eisspeicher-Ladung
Eisspeicher sind meist mit einem Ladezustand-Fühler (Fig. 7-13, C)
ausgerüstet, der ein standardisiertes Signal (0 – 10 V oder 4 – 20 mA)
liefert. Diese Information kann von der Regelung und Steuerung verwendet werden um beispielsweise den Ladevorgang zu starten und
zu stoppen.
Prognose der zu erwartenden
Kühlenergie
Gerade in der Übergangszeit kann es sinnvoll sein, den Eisspeicher
nicht komplett zu laden. Deshalb versucht man in gewissen Anlagen,
eine Prognose über die für den nächsten Tag notwendige Kühlenergie
zu machen. Häufig verwendete Parameter für eine solche Prognose
sind:
•
•
•
•
•
aktuelle und gedämpfte Aussentemperatur
Luftfeuchtigkeit der Aussenluft
Verlauf der Raumtemperatur
Verlauf des Ladezustandes während den vorangegangen
Tagen
...
Die zur Anwendung kommenden Parameter sind sehr stark anlageabhängig. In der Praxis hat es sich auch gezeigt, dass es sich nicht lohnt
zu komplexe Prognose-Szenarien einzusetzen.
7.7 Wirtschaftlichkeitsüberlegungen
Bei Eisspeichern sind nicht nur die Investitionskosten zu berücksichtigen, sondern vor allem die Betriebskosten und dabei die Tarifstrukturen (Hoch-/Niedertarif, Grundgebühren, Gebühren für
Leistungsspitzen, ...) des Stromlieferanten.
Da diese Faktoren von Anlage zu Anlage sehr unterschiedlich ausfallen, müssen diese jeweils sehr genau beurteilt werden.
Es kann davon ausgegangen werden, dass die Kombination "Kältemaschine mit Eisspeicher" in vielen Anlagen eher tiefere Investitionskosten hat, als eine Lösung mit einer auf die maximale Kälteleistung
ausgelegten Kältemaschine. Zusätzlich lassen sich oft noch die
Betriebskosten auf Grund der Tarifstrukturen des Stromlieferanten
reduzieren.
85
8. Der Absorptions-Kreisprozess
8.1 Einleitung
Als Absorptionsprozess bezeichnet man die Aufnahme von Gasen
durch flüssige oder feste Stoffe, in Form einer physikalischen Bindung.
Eine Absorption kommt allerdings nur zustande, wenn der aufnehmende Stoff und das aufzunehmende Gas (Arbeitsstoff-Paar)
chemisch zueinander "passen", und nur bei einem bestimmten Druck-/
Temperaturverhältnis, das für jedes Arbeitsstoffpaar unterschiedlich
ist.
Ein Absorptionsprozess ist auch umkehrbar, d.h. das aufgenommene
Gas kann bei einem anderen Druck-/Temperaturverhältnis wieder ausgetrieben werden. Das Ganze lässt sich demnach als Kreisprozess
betreiben.
2
3
1
4
6
5
Fig. 50
Fig. 8-1
Absorptions-Kreisprozess mit Lösungsmittelkreis als "thermischer Verdichter"
Legende
1
2
3
4
5
6
Thermochemischer Verdichter
Verflüssiger (Kondensator)
Drossel-/Dosiergerät
Verdampfer
Nutzkreislauf als Wärmepumpe
Nutzkreislauf als Kältemaschine
Vergleicht man den Kältemittel-Kreisprozess der Absorptions- mit demjenigen der Kompressions-Kältemaschine (Kapitel 4), so erkennt man
auf den ersten Blick die vier Funktions-Komponenten:
•
•
•
•
Verdampfer (4)
Verdichter (1)
Verflüssiger (2)
Drossel-/Dosiergerät (3).
Es wird auch hier ein reines Kältemittel (z.B. Wasser) im Verdampfer
bei niedrigem Druck und externer Wärmezufuhr verdampft, der Dampf
auf höheren Druck und höhere Temperatur verdichtet, im Kondensator
unter Abgabe der Verdampfungswärme an ein externes Kühlmedium
verflüssigt und im Expansionsventil auf Niederdruck entspannt.
86
Der prinzipielle Unterschied besteht im Verdichter, wo anstelle des
Kompressors der Lösungsmittel-Kreislauf tritt, mit folgenden
Teilfunktionen:
•
•
Anstelle des Ansaugvorganges im Kompressor tritt die
Absorption des Niederdruck-Kältemitteldampfes durch ein
geeignetes, flüssiges Lösungsmittel bzw. Arbeitsstoffpaar im
Absorber.
Anstelle der Kompression und des Ausstossens des verdichteten, heissen Kältemittelgases aus dem Kompressor, wird das
mit Kältemittel angereicherte, flüssige Lösungsmittel in den
sogenannten Austreiber gefördert. Im Austreiber wird der
Lösung von aussen Wärme zugeführt. Dadurch steigen
Temperatur und Druck der Lösung an, das Kältemittel verdampft und strömt durch die Heissgasleitung des KältemittelKreislaufes zum Kondensator.
Lösungsmittel-Kreislauf ersetzt
Kompressor
Bei der Absorptionsmaschine wird also der mechanische Kompressor
durch den Lösungsmittel-Kreislauf ersetzt. Dieser wird deshalb auch
als "thermochemischer Verdichter" bezeichnet.
Zugeführte Wärme anstelle mechanischer Antriebsenergie
Alle übrigen Funktionselemente des Kältemittel-Kreislaufes, wie
Kondensator, Drossel-/Dosiergerät und Verdampfer, bleiben grundsätzlich gleich wie bei der Kompressionsmaschine. Anstelle der mechanischen Antriebsenergie, die der Kompressor benötigt, wird die zur
Aufrechterhaltung des Absorptions-Kreisprozesses benötigte Energie
in Form von Wärme zugeführt (Dampf, Heisswasser, Öl-/Gas-Brenner,
etc.). Mechanische Energie wird nur zum Antrieb der Lösungsmittelpumpe benötigt.
8.2 Einsatzbereich der AbsorptionsKältemaschinen
Der Einsatzbereich der Absorptions-Kältemaschinen deckt praktisch
den ganzen Bereich der Kolben- und Turbokompressor-Aggregate ab,
d.h. von ca. 30 kW bis über 5'000 kW Kälteleistung.
Der Entscheid, ob eine Kompressions- oder eine Absorptionsmaschine
eingesetzt werden soll, hängt weitgehend von der zur Verfügung stehenden Betriebsenergie ab. Steht beispielsweise ein Dampf- oder
Heisswasserkessel zur Verfügung, der sonst nur im Winter optimal
ausgenützt würde, ist es naheliegend, dessen freie Kapazität im Sommer zur Kälteerzeugung mit einer Absorptions-Kälteanlage zu koppeln.
Optimal ist der Einsatz einer Absorptionsmaschine dann, wenn
Abdampf aus einem Produktionsprozess oder von einer Gegendruckturbine zur Verfügung steht. Ein weiterer, interessanter Einsatz ergibt
sich aus der Kombination mit einer Turbo-Kältemaschine. Der Turbokompressor wird dabei mit einer Gegendruckturbine betrieben. Der
Niederdruckdampf aus der Gegendruckturbine beheizt anschliessend
den Austreiber der Absorptionsmaschine und wird dann als Kondensat
wieder dem Dampfkessel zugeführt.
Direkt mit Öl oder Gas beheizte Absorptionsmaschinen werden meist
als Wärmepumpen gebaut, die im Sommer auf Kühlbetrieb umgestellt
werden können.
87
Entscheidende Vorteile der Absorptionsmaschine sind schliesslich der
praktisch geräuschlose und vibrationsfreie Betrieb, sowie die einfache
Leistungsregelung von 0 – 100 %.
Nachteilig ist der relativ hohe Energieverbrauch, die hohe Kondensatorleistung und dadurch ein hoher Kühlwasserverbrauch. Oft können
diese Nachteile aber durch wesentlich niedrigere Energiekosten bei
Abwärmenutzung kompensiert werden.
8.3 Arbeitsstoffpaare
Die zur Zeit bekanntesten Arbeitsstoffpaare für AbsorptionsKältemaschinen/-Wärmepumpen sind:
-
Wasser-Lithiumbromid (LiBr)
Ammoniak (NH3)-Wasser
(mit Wasser als Kältemittel )
(mit Ammoniak als
Kältemittel)
Weitere, in Spezialanlagen verwendete und deshalb weniger bekannte
Arbeitsstoffpaare sind:
-
Ammoniak-Lithiumnitrat
-
Methylamin-Wasser
-
Methanol-Lithiumbromid
mit dem jeweils erstgenannten Stoff als Kältemittel.
Während Ammoniak (NH3) als bewährtes Kältemittel vorwiegend für
Verdampfungstemperaturen von 0 °C bis - 60 °C eingesetzt wird,
kommt für den Klimabereich heute vorwiegend das Stoffpaar WasserLithiumbromid (LiBr) zum Einsatz. Wasser lässt jedoch nur Verdampfungstemperaturen über 0 °C zu, weil es sonst gefriert.
Unterschiedliche Betriebsdrücke für
NH3-Wasser und Wasser-LiBr
Ein weiterer, wesentlicher Unterschied zwischen dem AmmoniakWasser-Kreisprozess und dem Wasser- LiBr-Kreisprozess liegt in den
Betriebsdrücken der Systeme. Während die Ammoniak-Maschinen bei
Drücken zwischen ca. 1,5 und 16 bar arbeiten, liegen bei Wasser-LiBrMaschinen die Betriebsdrücke im Verdampfer und Absorber wesentlich unter dem Atmosphärendruck, und zwar der Verdampferdruck bei
etwa 0.008 bar, entsprechend einer Verdampfungstemperatur von ca.
3 °C, und der Kondensatordruck bei ungefähr 0.1 bar entsprechend
einer Kondensationstemperatur von ca. 50 °C. Diese niedrigeren
Drücke (Vakuum) erfordern eine sehr dichte und stabile Ausführung
der Maschine.
Die Absorptions-Kältemaschine/-Wärmepumpe arbeitet mit 2 Kreisläufen, die zwar phasenweise ineinander laufen, jedoch funktionell
getrennt beschrieben werden können (Fig. 8-2). Es handelt dabei um
die folgenden Kreisläufe:
•
•
88
Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter, Kondensator,
Drossel-/Dosiergerät und Verdampfer
Lösungsmittelkreislauf der innerhalb dem Kältemittelkreislauf
die Rolle des Verdichters übernimmt
8.3.1 Kältemittelkreislauf
Aus dem Austreiber des Lösungsmittel-Kreislaufes strömt der warme
Kältemittel-Dampf mit Kondensationsdruck in den Verflüssiger, kommt
dort mit den gekühlten Rohrschlangen des Kühlmediums in Berührung
und kondensiert dabei. Die frei werdende Verdampfungswärme geht
auf das Kühlmedium über, das dadurch erwärmt wird. Diese Erwärmung des Kühlmediums entspricht der eigentlichen Heizleistung der
Wärmepumpe. Bei der Kältemaschine handelt es sich hier um die abzuführende Abwärme.
Das immer noch unter Kondensationsdruck stehende, flüssige Kältemittel wird im Drosselgerät auf Niederdruck entspannt und im Verdampfer über den Rohrschlangen versprüht. Im Verdampfer wird der
Druck so tief gehalten, dass das Kältemittel (z.B. Wasser) schon bei
+ 3 bis + 5 °C verdampft. Wenn also durch die Rohrschlangen
Kaltwasser mit einer mittleren Temperatur von ca. + 10 °C zirkuliert,
dann verdampft das Kältemittel, das mit diesen Rohrschlangen in
Berührung kommt. Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird
dem Kaltwasserkreislauf entzogen, der dadurch abgekühlt wird. Diese
Abkühlung ergibt dann die Kälteleistung der Kältemaschine. Der so
entstehende Niederdruck-Kältemittel-Dampf strömt zurück in den
Absorber des Lösungsmittel-Kreislaufes.
Fig. 8-2 Lösungs- und Kältemittel-Kreislauf des Absorptions-Kreisprozesses
8.3.2 Lösungsmittel-Kreislauf
Der Lösungsmittel-Kreislauf wird hier am Beispiel des Arbeitsstoffpaares Wasser-LiBr erklärt (Fig. 8-2). LiBr reagiert mit Wasser wie Kochsalz. Im Absorber wird das Lösungsmittel mit hoher LiBr-Konzentration versprüht. Der Kältemittel-Dampf (Wasserdampf) aus dem Verdampfer kommt dadurch mit dem Sprühnebel des Lösungsmittels in
intensiven Kontakt und wird dabei absorbiert. Bei diesem chemischen
Vorgang wird auch Reaktionswärme frei, die abgeführt werden muss.
Dies geschieht über eine Rohrschlange, durch die das gleiche Kühlmedium zirkuliert, das anschliessend auch die Kondensatorkühlung
des Kältemittel-Kreislaufes bewirkt.
Das nun mit Kältemittel "verdünnte" Lösungsmittel mit niedriger LiBrKonzentration wird durch die Lösungsmittelpumpe über den
Temperaturwechsler in den Austreiber gepumpt. Dem Austreiber
(auch "Generator" oder "Kocher" genannt) wird von aussen Wärme
zugeführt. Es kann sich dabei um eine Dampf-, Heisswasser- oder
Elektroheizung oder um eine Direktbeheizung mit Öl-, Gas- oder Feststoffverbrennung handeln. Diese Wärmezufuhr bewirkt das Ausdampfen des Kältemittels aus dem Lösungsmittel und damit auch die
erforderliche Druck- und Temperaturerhöhung.
89
Während der so entstehende Kältemittel-Dampf in den Verflüssiger
des Kältemittel-Kreislaufes strömt, wird das Lösungsmittel wieder mit
hoher LiBr-Konzentration über den Temperaturwechsler in den Absorber zurückgeführt und der Lösungsmittelkreislauf beginnt von vorne.
Im Temperaturwechsler wird das kalte Lösungsmittel, das aus dem
Absorber kommt, durch das aus dem Austreiber zurückfliessende,
warme Lösungsmittel vorgewärmt. Es handelt sich dabei also um eine
prozessinterne Wärmerückgewinnung.
8.4 Der Kreisprozess der
Absorptionsmaschine
Im Kreisprozess der Absorptionsmaschine ist neben dem Kältemittel
das Lösungsmittel im Umlauf (Arbeitsstoffpaar). Die Konzentration ξ
(Xi) des Kältemittels im Gemisch ist eine wesentliche Kenngrösse des
jeweiligen Betriebszustandes. Man benutzt deshalb für die Prozessdarstellung ein log p, 1/T-Diagramm (dies im Gegensatz zum h, log
p-Diagramm im Kompressions-Kreisprozess). Im log p, 1/T-Diagramm
stellen sich die Linien gleicher Konzentration ξ als nahezu Gerade dar.
ξ
A
ξ
ξ
R
c
0
0
Fig. 8-3
Legende
tA
tH
ξ
tc
t0
4-1
1-2
3-4
6-4
1-5
5-6
A
c
H
Absorptions-Kälteprozess im log p, 1/T-Diagramm (vereinfacht, ohne
Temperaturwechsler)
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
Absorptionstemperatur
Austreibertemperatur
Konzentration
Verflüssigungstemperatur
Verdampfungstemperatur
Pumpe
Austreiber
Absorber
Verdampfer
Verflüssiger
Drossel-/Dosiergerät (Kältemittel wird entspannt)
Fig. 8-3 zeigt schematisch den Verlauf des einfachen Prozesses (ohne
Temperaturwechsler) in einem derartigen Diagramm. Die an
Kältemittel reiche Lösung mit Konzentration ξR, tritt in den Austreiber
ein (Punkt 1). Durch Beheizung wird sie erwärmt bis zur
Prozesstemperatur tH (Punkt 2), wobei das Kältemittel ausgetrieben
wird und die Konzentration der Lösung sich auf ξA (arm an Kältemittel)
verringert. Das ausgetriebene Kältemittel erreicht die Konzentration
von praktisch ξ = 1 und wird bei der Prozesstemperatur tc verflüssigt
(Punkt 5).
90
Der Schnittpunkt von tc mit der Linie ξ = 1 bestimmt den Druck pc auf
der warmen Seite des Prozesses. Von diesem Druck wird das Kältemittel über ein Expansionsorgan entspannt auf den Druck p0, der bestimmt ist durch die gewünschte Prozesstemperatur t0 auf der kalten
Seite (Punkt 6). Die arme Lösung wird ebenfalls auf den Druck p0 entspannt und tritt in den Absorber ein (Punkt 3). Durch Aufnahme des
Kältemitteldampfes in die arme Lösung wird Verflüssigungs- und
Lösungswärme frei. Durch Kühlung bis zur Prozesstemperatur tA
(Punkt 4), wird die Aufnahmefähigkeit der Lösung bis zur Konzentration
ξR erhöht, so dass der aus dem Verdampfer (Punkt 6) kommende
Kältemitteldampf voll absorbiert werden kann.
Durch die Pumpe wird die mit Kältemittel angereicherte Lösung wieder auf den Druck pc hochgepumpt (Punkt 1).
Die Differenz ξR - ξA - die Entgasungsbreite - ist festgelegt durch die
verfügbare oder zulässige Austreibertemperatur tH und die, je nach
Kühlmedium, erreichbare Absorptionsendtemperatur tA. Je kleiner die
Entgasungsbreite, desto grösser ist der für 1 kg reinen Kältemittels
erforderliche Lösungsumlauf.
Die Entgasungsbreite wird umso kleiner, je grösser die Differenz tc - t0
bei gegebener Differenz tH - tA wird. Für grössere Temperaturdifferenzen tc - t0 sind deshalb auch hier, wie bei Kompressionsanlagen, zwei- oder mehrstufige Prozesse erforderlich .
Nachfolgend die log p, 1/T-Diagramme für die heute meist verwendeten Arbeitsstoffpaare Wasser-LiBr und NH3-Wasser.
Fig. 8-4
8.5 Wärmeverhältnis ζ
log p, 1/T-Diagramme für Arbeitsstoffpaare Wasser-LiBr und NH3-Wasser
Die charakteristische Grösse zur Beurteilung eines Absorptionsprozesses ist das sogenannte Wärmeverhältnis ζ (Zeta). Dabei wird die
erzielte Kälteleistung ins Verhältnis zur Wärmezufuhr (Antriebsenergie)
gesetzt.
Für die Kältemaschine gilt:
Wärmeverhältnis
ζK
= QO = Kälteleistung
QH Wärmezufuhr
Für die Wärmepumpe gilt:
Wärmeverhältbnis
QC
QA
QH
Q0
=
=
=
=
ζW =
QC + QA = Heizleistung =
QH
Wärmezufuhr
ζK
+1
Wärmeabgabe am Verflüssiger
Wärmeabgabe am Absorber
Wärmezufuhr im Austreiber
Kälteleistung
91
8.6 Aufbau und Ausrüstung der
Absorptions-Kältemaschine
Zur Kälteerzeugung in Klimaanlagen werden heute praktisch ausschliesslich LiBr-Maschinen eingesetzt. Solche Maschinen werden normalerweise in Zweikessel- oder in Einkessel-Bauweise (siehe 8.6.2)
ausgeführt.
Bei der Zweikessel-Bauweise besteht der eine Kessel aus Absorber
und Verdampfer und der zweite Kessel aus Austreiber und Kondensator. Bei der Einkesselbauweise sind diese 4 Funktionseinheiten in
einem grossen Kessel untergebracht.
In den beiden nun folgenden Abschnitten werden diese beiden
Maschinentypen etwas detaillierter beschrieben.
8.6.1 Die Zweikessel-Bauweise
92
Der konstruktive Aufbau der Zweikessel-Absorptionsmaschine ist aus
Fig. 8-2 (schematisch) und aus Fig. 8-5 ersichtlich. Im oberen Behälter
sind die unter höherem Druck arbeitenden Austreiber und Verflüssiger
und im unteren Behälter die mit dem niedrigeren Druck arbeitenden
Verdampfer und Absorber untergebracht.
Die Zweikessel-Maschine unterscheidet sich von der EinkesselBauweise hauptsächlich durch folgende Konstruktionsdetails:
-
unter jedem Rohrbündel ist ein separater Flüssigkeitssumpf
erforderlich
-
Längsschlitze in den beiden Kesseln dienen einer
Verminderung der Wärmeübertragung zwischen den beiden –
mit unterschiedlichen Temperaturen arbeitenden –
Prozessstufen
-
Der Höhenunterschied zwischen beiden Kesseln ermöglicht
einen natürlichen Zufluss des flüssigen Kältemittels vom
Kondensator in den Verdampfer einerseits und der LiBr-Lösung
vom Austreiber zum Absorber andererseits
Fig. 8-5
Absorptionskältemaschine in Zweikessel-Bauweise (Austreiber und
Verflüssiger oben, Absorber und Verdampfer unten)
Nachteilig kann sich bei der Zweikessel-Bauweise unter Umständen
die grössere Bauhöhe auswirken. Andererseits können aber die beiden Kessel separat transportiert und in den Bau eingebracht werden.
Der Verdampferteil des unteren Kessels wird gegen Wärmeverluste
und Schwitzwasserbildung isoliert.
Weil die Temperaturdifferenz zwischen Stillstand und Betrieb in den
Rohrbündeln über 200 K betragen kann, kommen nur die einseitig eingewalzten U-Rohrbündel in Frage, weil damit die Wärmedehnungsdifferenzen problemlos aufgefangen werden können.
8.6.1.1 Das Entlüftungs-System
8.6.1.2 Umwälzpumpen
Die wässrige LiBr-Lösung ist in Verbindung mit Sauerstoff sehr aggressiv. Ausserdem reduzieren sogenannte "nicht kondensierbare" Gase
den Wirkungsgrad des Absorptionsprozesses. Der Vakuumbetrieb
ermöglicht das Eindringen von Luft durch kleinste Undichtheiten. Ein
ausgeklügeltes Entlüftungssystem bezweckt ein periodisches
Entfernen dieser nichtkondensierbaren Gase und gibt gleichzeitig
Aufschluss darüber, wie dicht die Anlage ist. Fig. 8-6 zeigt den Aufbau
eines solchen Entlüftungssystems.
Fig. 8-6
Entlüftungssystem der Zweikesselmaschine
Legende
A
B
C
D
E
F
Entgaser
Speicherbehälter
Füllstandsanzeige
Entlüftungsflasche
Entlüftungsventil
Sekundärer Wärmetauscher
Da Wellenabdichtungen immer die Möglichkeit des Lufteintritts in die
Maschine bieten, können Lösungs- und Kaltwasserpumpen nur in vollhermetischer Bauweise verwendet werden. Die Schmierung und
Kühlung der Pumpen bzw. des Motors erfolgt durch das geförderte
Medium. Wegen der herrschenden Korrosionsgefahr werden Stator
und Rotor des Pumpenmotors mit Hauben aus rostfreiem Stahlblech
umhüllt.
93
8.6.1.3 Kühlwasser
Die Kühlwassertemperaturen sollten bei LiBr-Absorptions-Kältemaschinen prinzipiell in bestimmten Grenzen konstant gehalten werden, da ein schneller Temperaturabfall, wie er bei Kühlturmbetrieb
möglich ist, bewirken kann, dass die Lösung in der Maschine kristallisiert.
Das vom Kühlturm kommende Wasser wird mit einer Temperatur von
ca. 28 °C in den Absorber gefördert, verlässt diesen mit ca. 34 °C,
fliesst dann durch den Kondensator und verlässt diesen mit ca. 38 °C.
Durch eine entsprechende Kühlwasserregelung wird die Vorlauftemperatur auf ca. 28 °C konstant gehalten.
Bei modernen Maschinen kann in der Regel auf eine externe
Kühlwasserregelung verzichtet werden, da die Kreislauftemperaturen
durch ein internes Regelsystem automatisch stabilisiert werden.
8.6.2 Die Einkessel-Bauweise
94
Das Funktionsprinzip dieser Maschine unterscheidet sich nicht von
dem der Zweikessel-Bauweise und wird auch in den gleichen
Leistungsbereichen eingesetzt. Bei der Einkesselbauweise sind die 4
Funktionseinheiten Austreiber, Verflüssiger, Absorber und Verdampfer
in einem grossen Kessel untergebracht (Fig. 8-7). Durch diese sehr
kompakte Bauweise ergeben sich kleinere Aussenabmessungen und
niedrigere Herstellkosten als bei der Zweikessel-Bauweise.
Fig. 8-7
Absorptionskältemaschine in Einkesselbauweise ( Funktionsschema)
Legende
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Verdampfer
Kondensator
Absorber
Austreiber
Wärmetauscher
Pumpen
Kaltwasserkreislauf
Energiezufuhr
Kühlwasserkreislauf
8.6.2.1 Entlüftung
Grundsätzlich könnte das gleiche Entlüftungssystem wie bei der
Zweikessel-Bauweise auch hier angewendet werden. Weil moderne
Einkesselmaschinen aber komplett im Werk zusammengebaut, mit
geschweissten anstelle von geflanschten Rohrverbindungen ausgeführt und anschliessend einem Helium-Dichtigkeitstest unterzogen
werden, kann weniger Luft eindringen als bei den ZweikesselMaschinen. Man kommt deshalb mit einem einfacheren Entlüftungssystem aus. Es besteht aus einer sogenannten Entlüftungskammer,
die so in den Absorberteil eingesetzt wird, dass diese einen Teil des
Absorberrohrbündels einschliesst. Die Rohre im Innern dieser Entlüftungskammer werden so weniger durch den Kältemitteldampf beaufschlagt, wodurch Druck und Temperatur in dieser Kammer
niedriger bleiben als im übrigen Absorberteil. Die nichtkondensierbaren
Gase gelangen dadurch in diese Entlüftungskammer und werden von
dort mittels einer zweistufigen Vakuumpumpe periodisch abgesaugt.
8.6.3 Die zweistufige AbsorptionsKältemaschine
Bei dieser Maschine handelt es sich um eine Weiterentwicklung der
bisher vorgestellten Bauweisen. Wie in Fig. 8-8 dargestellt, verfügt
diese Maschine über zwei Austreiberstufen, wobei der ausgetriebene
Wasserdampf aus der ersten Stufe als Heizmittel der zweiten Stufe
dient, bevor er im Kondensator wieder verflüssigt wird.
Fig. 8-8
Zweistufige Absorptionskältemaschine (2. Stufe links eingerahmt)
Diese Zweistufenschaltung führt zu einer erheblichen Energieeinsparung auf der Heizseite und zu einem verminderten Kühlwasserbedarf
im Kondensator. Die Einsparung kann dabei 25 – 30 % betragen.
Allerdings ist zur Beheizung der ersten Stufe ein Heizmittel mit einer
wesentlich über 100 °C liegenden Temperatur erforderlich, damit in der
zweiten Austreiberstufe noch ein ausreichendes Temperaturgefälle von
überhitztem Kältemitteldampf zur Lösung vorhanden ist. Diese
Maschine sollte deshalb mit Dampf von ca. 9 – 11 bar, entsprechend
einer Temperatur von 170 – 180 °C betrieben werden.
8.7 Leistungsregelung der AbsorptionsKältemaschinen
Zur Leistungsregelung von LiBr-Absorptions-Maschinen werden heute
die folgenden beiden Methoden angewandt:
•
•
Drosselung der Betriebsenergie
Bypassregelung der Lösungsmittelkonzentration
95
8.7.1 Leistungsregelung durch
Drosselung der Betriebsenergie
8.7.2 Bypassregelung der
Lösungsmittelkonzentration
Durch Drosselung der Energiezufuhr zum Austreiber (siehe Fig. 8-2)
kann die Leistung der Absorptionsmaschine (z.B. in Abhängigkeit der
Kaltwasser-Vorlauftemperatur) stufenlos geregelt werden. Bei Dampf
oder Heizwasser als Betriebsenergie geschieht dies durch ein normales Durchfluss-Regelventil, das in den Vorlauf der betreffenden
Energiezufuhrleitung eingebaut wird. Mit dieser Regelmethode kann
die Leistung der Maschine bis auf ca. 10 % der Vollast reduziert werden. Dabei reduziert sich auch die Energiezufuhr annähernd proportional zur Kühllast.
Diese Regelmethode beruht auf der Änderung der Konzentration der
LiBr-Lösung. Zu diesem Zweck wird ein Drosselventil in die Verbindungsleitung zwischen Wärmetauscher (Temperaturwechsler) und
Austreiber eingebaut. Dieses Drosselventil wird in Abhängigkeit der
Temperatur der schwach konzentrierten Lösung gesteuert. Bei TeiIlast
wird die zum Austreiber fliessende, schwache LiBr-Lösung gedrosselt,
wobei der zurückgehaltene Lösungsanteil in den Absorber geleitet
wird. Die Energiezufuhr zum Austreiber wird dabei nicht gedrosselt.
Deshalb wird die durch Drosselung reduzierte Lösungsmenge im
Austreiber mehr erhitzt und dadurch stärker konzentriert. Die
Lösungszufuhr zum Austreiber kann ganz abgesperrt und dadurch die
Kälteleistung der Maschine auf Null reduziert werden
Die Bypassregelung kann also im gesamten Leistungsbereich von
0 – 100 % angewendet werden. Der Energieverbrauch liegt dabei
leicht unter der prozentualen Last, da die Wärmeaustauschflächen bei
Teillast einen spezifisch günstigeren Wirkungsgrad erreichen.
Dieses Regelverfahren erbringt somit einen etwas geringeren
Energieverbrauch im Teillastbetrieb. Die relativ hohen Anschaffungskosten für das 3-Weg-Ventil beschränken diese Regelart jedoch auf
Absorptionsmaschinen mit grösseren Kälteleistungen.
In vielen Fällen ergibt sich die wirtschaftlichste Art der Leistungsregelung aus einer Kombination der beiden Regelmethoden.
96
Lexikon
auxiliary control loop (10776)
A
ablimation line
⇒ desublimation
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Hilfsregelkreis Genus m
line
abrupt temperature change (10758)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Temperatursprung Genus m
abscissa (10663)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Definition Horizontal
axis of a chart Deutsch Abszisse Genus f
absorber (10674)
average value (10592)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Notizen This can be
the MEAN, the MEDIAN or the MODE. The German's just ain't
that precise on this point. Deutsch Mittelwert Genus m
azeotrope (10633)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English azeotropic
mixture Deutsch azeotropes Gemisch Genus n
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Absorber
Genus m
azeotropic mixture
absorbing capacity (10817)
B
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English absorptivity
Deutsch Aufnahmefähigkeit Genus f Deutsch Absorptionsvermögen Genus n
back pressure turbine (10809)
⇒ azeotrope
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Gegendruckturbine
absorption machine (10810)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Absorptionsmaschine Genus f
bearing ring seal (10688)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Gleitringdichtung Genus f
absorption refrigeration machine (10615)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English absorption
type refrigeration machine Kategorie Do not use! Deutsch
Absorptionskältemaschine Genus f
absorption refrigeration process (10672)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Siededruck
Genus m
absorption temperature (10815)
boiling temperature (10640)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Absorptionstemperatur Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English temperature
of ebullition Kategorie Do not use! Deutsch Siedetemperatur
Genus f
absorption type refrigeration machine
⇒ absorption refrigeration machine
⇒ absorbing
bypass (10795)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English bypass pipe
Deutsch Nebenschlussleitung Genus f
capacity
bypass pipe
air conditioner ⇒ air-conditioning unit
air-conditioning device
⇒ air-conditioning
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Siedelinie
Genus f
boiling pressure (10641)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Absorptionskälteprozess Genus m
absorptivity
boiling line (10646)
unit
air-conditioning unit (10699)
⇒ bypass
C
caloric (10669)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English air
conditioner English air-conditioning device Deutsch Klimagerät Genus n
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Kategorie Adj. English
calorific Kategorie Do not use! Deutsch kalorisch Kategorie
Adj.
alkyl benzene (10626)
calorific
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Alkylbenzol
Genus n
⇒ caloric
capillary tube (10719)
auxiliary condenser (10798)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kapillarrohr
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Zusatzverflüssiger Genus m Deutsch Zusatzkondensator Genus m
CFC
⇒ chlorofluorocarbon
97
change of state (10612)
conventional ballast (10579)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Aggregatzustandsänderung Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch konventionelles Vorschaltgerät Genus n Deutsch KVG Genus n
Kategorie Abkz.
chlorofluorocarbon (10625)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English CFC Kategorie
Abkz. Deutsch Fluorchlorkohlen-wasserstoff Genus m
Deutsch FCKW Genus m Kategorie Abkz.
cold box
⇒ thermal
cold store
store
⇒ thermal
store
cold-vapour refrigeration process (10671)
coolant (10714)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kühlmittel
Genus n Deutsch Kühlmedium Genus n
cooling curve (10766)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Auskühlkurve Genus f
crankcase heater (10691)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch KaltdampfKälteprozess Genus m
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kurbelgehäuseheizung Genus f
common salt (10813)
crankshaft (10689)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kochsalz
Genus n
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kurbelwelle
Genus f
compression pressure (10704)
cylinder cut-off (10771)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Verdichtungsdruck Genus m
compression refrigerating machine (10599)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Kompressionskältemaschine Genus f
compression temperature (10750)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Verdichtungstemperatur Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Zylinderabschaltung Genus f Deutsch Zylinderabstellung Genus f
Kategorie Do not use!
cylinder liner (10685)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Zylinderbuchse Genus f Deutsch Zylinderbüchse Genus f
D
dead space (10695)
compressor (10718)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Verdichter
Genus m Deutsch Kompressor Genus m
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Notizen Pump English
noxious space Notizen Cylinder Deutsch schädlicher Raum
Genus m Deutsch toter Raum Genus m
condensate (10745)
defrost (10731)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kondensat
Genus n
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Kategorie Verb
Deutsch abtauen Kategorie Verb
condensation
⇒ liquefaction
condenser coil (10717)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Verflüssigerschlange Genus f
condenser pipe (10716)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Verflüssigerrohr Genus n
connecting rod (10690)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Pleuelstange Genus f Deutsch Pleuel Genus n
control action (10744)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Regeleingriff
Genus m
98
degassing range (10818)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Entgasungsbreite Genus f
desublimation line (10649)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English ablimation
line Kategorie Do not use! Deutsch Desublimationslinie
Genus f
direct expansion cooling (10723)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch direkte
Verdampfung Genus f
direct-expansion refrigeration machine (10774)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch direktverdampfende Kältemaschine Genus f
discharge pipe (10738)
entropy (10639)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English pressure
pipe Kategorie Do not use! Deutsch Druckleitung Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Entropie
Genus f Definition Größe, die den Zustand eines makroskopischen thermodynamischen Systems beschreibt
discharge valve (10702)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Druckventil
Genus n
ester oil (10635)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Esteröl
Genus n
district heating plant (10778)
⇒ vaporisation
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Fernheizwerk Genus n
evaporation
domestic refrigerator (10698)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Verdunstungsverflüssiger Genus m
evaporative condenser (10711)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kühlmöbel
Genus n
expeller (10673)
drive energy
⇒ motive
power
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English generator
Deutsch Austreiber Genus m
drive power (10754)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Antriebsleistung Genus f
dry, saturated steam
⇒ dry
steam
F
finned-tube condenser (10715)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Lamellenverflüssiger
dry steam (10608)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English dry, saturated steam Deutsch trocken, gesättigter Dampf Genus m
flash gas (10746)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Flashgas
Genus n
E
fully hermetic compressor (10676)
electric water heater (10797)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Elektroboiler Genus m
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch vollhermetischer Kompressor Genus m
fused-state zone (10652)
electronic ballast (10576)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch elektronisches Vorschaltgerät Genus n Deutsch EVG Genus n
Kategorie Abkz.
energy balance (10753)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch energetische Bilanz Genus f Deutsch Energiebilanz Genus f
energy input (10573)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English energy use
Deutsch Energieeinsatz Genus m
energy use
⇒ energy
input
enthalpy of fusion (10655)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Schmelzenthalpie Genus f
enthalpy of vaporisation (10659)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Verdampfungsenthalpie Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Schmelzkörpergebiet Genus n
G
gear oil pump (10684)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch ZahnradÖlpumpe Genus f
generator ⇒ expeller
GHG
⇒ greenhouse
gas
global warming potential (10629)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English GWP
Kategorie Abkz. Deutsch Erderwärmungspotential Genus n
Deutsch GWP Genus n Kategorie Abkz.
greenhouse gas (10620)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English GHG Deutsch
Treibhausgas
GWP
⇒ global
warming potential
99
hydrochlorofluorocarbon (10623)
H
halogenated refrigerant (10759)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch HalogenKältemittel Genus n
HC
hydrofluorocarbon (10622)
⇒ hydrocarbon
HCFC
⇒ hydrochlorofluorocarbon
heat dissipation
heat emission
⇒ heat
⇒ heat
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English HCFC
Kategorie Abkz. Deutsch teilhalogenierter
Fluorchlorkohlenwasserstoff Genus m Deutsch H-FCKW
Genus m Kategorie Abkz.
transfer
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English HFC
Kategorie Abkz. Deutsch teilhalogenierter Fluorkohlenwasserstoff Genus m Deutsch H-FKW Genus m Kategorie
Abkz.
I
transfer
heat extraction (10596)
indirect expansion cooler ⇒ indirect expansion
evaporator
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Wärmeentzug Genus m
indirect expansion cooling (10725)
heat flow (10605)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch indirekte
Verdampfung Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Wärmefluss
Genus m
indirect expansion evaporator (10724)
heat of fusion
⇒ latent
heat of fusion
heat of reaction (10814)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English indirect
expansion cooler Deutsch Indirektverdampfer Genus m
injection valve (10761)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English reaction heat
Deutsch Reaktionswärme Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Einspritzventil Genus n
heat of solution (10816)
intake pipe (10737)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English solution heat
Deutsch Lösungswärme Genus f
heat ratio (10822)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Wärmeverhältnis Genus n Kontext: Die charakteristische Größe zur
Beurteilung eines Absorptionsprozesses ist das sogenannte
Wärmeverhältnis Zeta. Dabei wird die erzielte Kälteleistung ins
Verhältnis zur Wärmezufuhr (Antriebsenergie) gesetzt.
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English suction pipe
Kategorie Do not use! Deutsch Saugleitung Genus f Deutsch
Sauggasleitung Genus f
intake pressure (10703)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Saugdruck
Genus m
intake valve (10701)
heat transfer (10709)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Saugventil
Genus n
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English heat emission English heat dissipation Deutsch Wärmeabgabe Genus f
inverse value
HFC
⇒ hydrofluorocarbon
h-log p diagram (10636)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch h, log
p-Diagramm Genus n
⇒ reciprocal
isenthalp (10665)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Isenthalpe
Genus f Definition: Kurve, auf der Zustände gleicher Enthalpie
liegen
isentrope (10637)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Heißgasbeimischung Genus f Deutsch Heißgas-Bypass Genus n
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Isentrope
Genus f Definition: Kurve, auf der Zustände gleicher Entropie
liegen
hydrocarbon (10624)
isobar (10666)
hot gas bypass (10792)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English HC Kategorie
Abkz. Deutsch Kohlenwasserstoff Genus m Deutsch KW-Stoff
Genus m Kategorie Abkz.
100
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Isobare
Genus f Definition: Kurve, auf der Zustände gleichen Druckes
liegen
isochor ⇒ isochore
luminous efficiency (10580)
isochore (10668)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Lichtausbeute Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English isochor
Kategorie Do not use! English isometric Kategorie Do not
use! Deutsch Isochore Genus f Definition: Kurve, auf der
Zustände gleichen spezifischen Volumens liegen
isolating valve (10732)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Absperrventil Genus n
luminous intensity (10588)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Lichtstärke
Genus f
M
maximal operating pressure (10735)
isometric
⇒ isochore
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English MOP
Kategorie Abkz. Deutsch maximaler Arbeitsdruck Genus m
L
mechanical cooling (10763)
lamp holder (10578)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch technische
Kühlung Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Lampenhalterung Genus f Deutsch Lampenfassung Genus f
melting line (10644)
latent heat (10656)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Schmelzlinie Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch latente
Wärme Genus f Deutsch verborgene Wärme Genus f Kategorie
Do not use!
mirror screen luminaire (10574)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Spiegelrasterleuchte Genus f
latent heat of fusion (10604)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English heat of
fusion Deutsch Schmelzwärme Genus f
mode (10593)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Modalwert
Genus m
latent heat of solidification (10657)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Erstarrungswärme Genus f
moisture condensation (10730)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Betauung
Genus f
lighting level (10581)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Beleuchtungsstufe Genus f
molar mass (10627)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Molmasse
Genus f
limiting sensor (10777)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Begrenzungsfühler Genus m
liquefaction (10611)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English condensation
Deutsch Verflüssigung Genus f
liquid collector (10739)
MOP
⇒ maximal
operating pressure
motive power (10804)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English drive energy
Deutsch Antriebsenergie Genus f
N
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Flüssigkeitssammler Genus m
net floor area
low-loss ballast (10577)
NFA (10575)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch verlustarmes Vorschaltgerät Genus n Deutsch VVG Genus n Kategorie
Abkz.
Sachgebiet Projektmanagement Firma Landis & Staefa English
net floor area Deutsch NGF Genus f Kategorie Abkz. Deutsch
Nettogrundrissfläche Genus f Deutsch Nettogeschossfläche
Genus f
⇒ NFA
luminance (10582)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Leuchtdichte Genus f
noxious space
⇒ dead
space
101
numerical (10664)
pilot valve (10762)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Kategorie Adj. English
numerically Kategorie Advb Deutsch zahlenmässig
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Pilotventil
Genus n
numerically
⇒ numerical
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Plattenverdampfer Genus m
O
OD
plate evaporator (10729)
⇒
ozone depletion potential
plunger compressor (10683)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Tauchkolbenverdichter Genus m
OFF time (10773)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Ausschaltzeit Genus f
position feedback (10722)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English position
feedback signal Deutsch Stellungsrückmeldung Genus f
oil return (10770)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Ölrückführung Genus f Deutsch Ölrücktransport Genus m
oil sight glass (10692)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Ölschauglas
Genus n
ON/OFF control (10764)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Zweipunktbetrieb Genus m
ON time (10772)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Einschaltzeit Genus f
operating current (10751)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Betriebsstrom Genus m
operating pressure (10734)
position feedback signal ⇒ position feedback
post-injection valve (10794)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch NachEinspritzventil Genus n
pressostat (10733)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Pressostat
Genus m
pressure-enthalpy diagram (10613)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch DruckEnthalpie-Diagramm Genus n
pressure pipe ⇒ discharge pipe
pressurisation valve (10743)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Druckhalteventil Genus n
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Arbeitsdruck Genus m
R
ordinate (10667)
ratio line (10638)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Definition: vertical
axis of a chart; Deutsch Ordinate Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Verhältnislinie Genus f
overflow valve (10687)
reaction heat ⇒ heat of reaction
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Überströmventil Genus n
reciprocal (10642)
ozone depletion potential (10628)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English inverse value
Deutsch Kehrwert Genus m
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English ODP
Kategorie Abkz. Deutsch Ozonabbaupotential Genus n
Deutsch ODP Genus n Kategorie Abkz.
P
recreational bath (10595)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English recreational
swimming bath Deutsch Freizeitbad Genus n
recreational swimming bath ⇒ recreational bath
perfluorocarbon (10621)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English PFC Deutsch
Fluorkohlenwasserstoff Genus m Deutsch FKW
PFC
102
⇒ perfluorocarbon
refrigerant collector (10799)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Kältemittelsammler Genus m
refrigerant cycle (10802)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Kältemittelkreislauf Genus m
refrigerant liquid temperature (10755)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kältemittelflüssigkeitstemperatur
refrigeration compressor (10726)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kälteverdichter Genus m
refrigeration engineer (10793)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kältetechniker Genus m
refrigeration plant ⇒ refrigeration system
refrigeration system (10742)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English refrigeration
plant Deutsch Kälteanlage Genus f
refrigeration valve (10721)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kälteventil
Genus n
refrigeratng compressor (10600)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kältekompressor Genus m
reheating curve (10767)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Rückerwärmungskurve Genus f
reset transmitter (10800)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Folgegeber
Genus m
restart inhibit (10752)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Wiederanlaufsperre Genus f
rotary blade piston compressor (10680)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Zellenradverdichter Genus m
rotary compressor (10708)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Rotationsverdichter Genus m
rotary piston compressor (10677)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Rotationskolbenverdichter Genus m
rotating piston compressor (10707)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Rollkolbenverdichter Genus m
S
saturated steam (10662)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English saturated
vapour Deutsch Sattdampf Genus m
saturated vapour ⇒ saturated steam
saturated vapour line (10647)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Sattdampflinie Genus f
saturation pressure (10660)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Sättigungsdruck Genus m
saturation temperature (10661)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Sättigungstemperatur Genus f
screw compressor (10678)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Schraubenverdichter Genus m
scroll compressor (10679)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Scrollverdichter Genus m
section (10693)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English sectional
drawing Deutsch Schnittzeichnung Genus f
sectional drawing ⇒ section
selection chart (10828)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Auswahldiagramm Genus n
semi-hermetic compressor (10675)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch halbhermetischer Kompressor Genus m
sensor fluid (10748)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Fühlerflüssigkeit Genus f
shaft gland (10696)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Wellendurchführung Genus f
shell and tube condenser (10712)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Röhrenkesselverflüssiger Genus m
single-screw compressor (10705)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch einrotoriger
Schraubenverdichter Genus m
103
single-vessel absorption machine (10825)
steam boiler (10805)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch EinkesselAbsorptionsmaschine Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Dampfkessel Genus m
slider crank (10697)
steam jet refrigeration machine (10614)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Kurbelschleife Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Dampfstrahl-Kältemaschine Genus f
slugging (10747)
subcooling zone (10819)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Flüssigkeitsschlag Genus m Deutsch hydraulische Schläge Genus mpl
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Unterkühlungsgebiet Genus n
solidification line (10645)
sublimation line (10650)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Erstarrungslinie Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Sublimationslinie Genus f
solidification point (10658)
sublimation zone (10654)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Erstarrungspunkt Genus m
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Sublimationsgebiet Genus n
solid-state zone (10651)
suction control valve (10760)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Festkörpergebiet Genus n
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Saugdrossel-Regelventil Genus n
solution heat ⇒ heat of solution
suction gas control (10736)
solvent cycle (10803)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Sauggasregelung Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Lösungsmittelkreislauf Genus m
suction pipe ⇒ intake pipe
specific heat (10616)
suction-throttle control (10791)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Definition: The specific heat c is the energy (in kJ) required to heat 1 kg of a given
substance by 1 K. Deutsch spezifische Wärme Genus f
Definition: Die spezifische Wärme c ist jene Energie (in kJ), welche man benötigt, um 1 kg eines bestimmten Stoffs um 1 K zu
erwärmen.
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Saugdrosselregelung Genus f
standard pressure (10607)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Kontext: Assuming
standard pressure (atmospheric pressure at sea level, i.e. an
absolute pressure of 1.013 bar), this temperature is the boiling
point of the water. Deutsch Normaldruck Genus m Kontext:
Vorausgesetzt, dass Normaldruck (atmosphärischer Druck auf
Meereshöhe, d.h. absoluter Druck von 1,013 bar) herrscht, ist
diese Temperatur der Siedepunkt des Wassers.
standard value (10594)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Richtwert
Genus m
standby losses (10796)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Bereitschaftsverluste Genus mpl
state ⇒ state of aggregation
state of aggregation (10617)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English state Deutsch
Aggregatzustand Genus m
104
superheat (10610)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Überhitzungswärme Genus f
superheating controller (10832)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Überhitzungsregler Genus m
superheating zone (10820)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Überhitzungsgebiet Genus n
surface cooler (10831)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Oberflächenkühler Genus m
switching differential (10765)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Schaltdifferenz Genus f
switching frequency (10769)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Schaltfrequenz Genus f Deutsch Schalthäufigkeit Genus f
T
temperature-enthalpy diagram (10603)
two-vessel absorption machine (10823)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch ZweikesselAbsorptionsmaschine Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch TemperaturEnthalpie-Diagramm Genus n
U
temperature glide (10631)
ultimate absorption temperature (10821)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Temperaturgleit Genus m
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Absorptionsendtemperatur Genus f
temperature of ebullition ⇒ boiling temperature
unit of quantity (10591)
temperature oscillation (10768)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Mengeneinheit Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Temperaturschwingung Genus f
useful heat (10590)
thermal comfort (10775)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Brennwert
Genus m
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch thermische
Behaglichkeit Genus f
V
thermal heat demand (10801)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Heizwärmebedarf Genus m
thermal store (10829)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English cold store
English cold box Deutsch Kältespeicher Genus m
triple line (10648)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Tripellinie
Genus f
tube bundle condenser (10713)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Rohrbündelverflüssiger Genus m
tube bundle evaporator (10727)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Rohrbündelverdampfer Genus m Deutsch Bündelrohrverdampfer
Genus m Kategorie Do not use!
turbo chiller (10808)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch TurboKältemaschine Genus f
valve diaphragm (10749)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Ventilmembran Genus f
valve reed (10694)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Ventilplatte
Genus f
valve seat (10720)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Ventilsitz
Genus m
vaporisation (10606)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English evaporation
Deutsch Verdampfung Genus f
vaporise (10609)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Kategorie Verb
Deutsch verdampfen Kategorie Verb
vapour table (10630)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Dampftafel
Genus f
turbocompressor (10682)
W
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Turboverdichter Genus m
Wankel compressor (10681)
twin-screw compressor (10706)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Wankelverdichter Genus m
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch zweirotoriger Schraubenverdichter Genus m
waste water relief (10586)
two-stage absorption machine (10824)
Sachgebiet Projektmanagement Firma Landis & Staefa Deutsch
Abwasserbefreiung Genus f
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch zweistufige
Absorptionsmaschine Genus f
water chiller (10756)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch
Kaltwassersatz Genus m
105
water vapour table (10618)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Wasserdampftafel Genus f
wet cooler (10830)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Nasskühler
Genus m
wet steam ⇒ wet vapour
wet vapour (10643)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English wet steam
Deutsch Nassdampf Genus m
wet vapour zone (10653)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Nassdampfgebiet Genus n
working fluid (10811)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Kontext: However,
absorption only takes place if the absorbing substance and the
gas to be absorbed (working fluid pair) are chemically compatible and only at a given pressure/temperature ratio which differs
for each working fluid pair Deutsch Arbeitsstoff Genus m
Kontext: Eine Absorption kommt allerdings nur zustande, wenn
der aufnehmende Stoff und das aufzunehmende Gas
(Arbeitsstoff-Paar) chemisch zueinander "passen", und nur bei
einem bestimmten Druck-/Temperaturverhältnis, das für jedes
Arbeitsstoffpaar unterschiedlich ist.
working fluid combination ⇒ working fluid pair
working fluid pair (10812)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English working fluid
combination Deutsch Arbeitsstoffpaar Genus n
working valve (10686)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Arbeitsventil Genus n
working volume (10700)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Hubvolumen Genus n
work output (10670)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa Deutsch Arbeitsleistung Genus f Notizen Physik
Z
zeotrope (10634)
Sachgebiet Technik Firma Landis & Staefa English zeotropic
mixture Deutsch zeotropes Gemisch Genus n
zeotropic mixture ⇒ zeotrope
106
Quellennachweis
Quellenangabe
•
"Taschenbuch für Heizung
+ Klimatechnik"
Recknagel, Sprenger,
Schramek:
•
"Impulsprogramm Haustechnik"
Bundesamt für
Konjunkturfragen, Bern
•
"Der junge Kälteanlagenbauer"
Karl Breidenbach
•
"Kältetechnik" kurz und bündig
Paul Berliner
•
"Kältetechnik"
Klaus Reisner
•
"Thermodynamik"
G. Junghähnel
•
"Lehrbuch der Kältetechnik "
H.L. von Cube
•
Ökologische und physikalische
Betrachtungen zur Wärmepumpe VEW AG Dortmund
•
"Taschenbuch der Kältetechnik"
Pohlmann
•
Wundersame Reise mit dem
Molekül R134A
DWN Copeland, Berlin
•
ASHRAE Handbook 2000
HVAC Systems and Equipment
American
Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning
Engineers
•
Unterlagen Fa. Landis & Staefa
(Andres Hegglin)
Der Inhalt dieser Broschüre ist ein Auszug aus dem Trainingmodul
"B08RF - Kältetechnik" erstellt bei:
Siemens Schweiz AG
HVP
Training
Gubelstrasse 22
CH-6301 Zug
107
Siemens Schweiz AG
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International Headquarters
Gubelstraße 22
CH-6301 Zug
Tel. +41 41 724 24 24
Fax +41 41 724 35 22
Siemens Building Technologies
GmbH & Co. oHG
Friesstraße 20
DE-60388 Frankfurt/Main
Tel. +49 69 797 81 00 0
Fax +49 69 797 81 59 0
Siemens AG Österreich
Building Technologies
Breitenfurter Straße 148
AT-1231 Wien
Tel. +43 517 073 2383
Fax +43 517 073 2323
Siemens Schweiz AG
Building Technologies
Sennweidstraße 47
CH-6312 Steinhausen
Tel. +41 585 579 200
Fax +41 585 579 230
Siemens SA
Building Technologies
20, rue des Peupliers
LU-2328 Luxembourg/Hamm
Tél. +352 43 843 900
Fax +352 43 843 901
Die Informationen in diesem Dokument enthalten allgemeine Beschreibungen der technischen
Möglichkeiten, die im Einzelfall nicht immer vorliegen müssen. Die gewünschten Leistungsmerkmale
sind daher im Einzelfall bei Vertragsschluss festzulegen.
Änderungen vorbehalten • Bestell-Nr. 0-91914-de •
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www.siemens.com/buildingtechnologies