Post on 06-Feb-2018
Seite 1
Prozess-Klteanlagen
1. Klteprozess
Bei der Erzeugung von Klte ist ein thermodynamischer Kreislaufprozess notwendig. Es wird
einem Stoff/Krper Wrme entzogen und diese Wrme muss einem anderen Stoff/Krper
wieder zugefhrt werden. Zur Realisierung eines derartigen thermodynamischen
Kreisprozesses gibt es verschiedene Verfahren, die auf unterschiedlichen physikalischen
Vorgngen beruhen. Die Gebruchlichsten sind:
- Kompressionsklteprozess, unter Zufuhr mechanischer Energie
o Kaltdampfklteprozess mit Kltemitteln, bei denen verschiedene
Arbeitstemperaturen den Aggregatzustand zwischen Dampf- und
Flssigkeitsphase ndern
o Kaltluftklteprozess mit Luft als Kltemittel, ohne Aggregatzustandsnderung
o Dampfstrahlklteprozess beispielsweise mit Wasserdampf als Treibmittel und
Wasser als Kltemittel
- Sorptionsklteprozess, unter Zufuhr von Wrme-Energie
o Absorptionsklteprozess, wo das Kltemittel in einem Lsemittelkreislauf von
niedrigem auf hohes Temperaturniveau gehoben und durch Wrmezufuhr
wieder fr den Klteprozess freigesetzt wird.
o Adsorptionsklteprozess, wo das Kltemittel an einen festen Stoff angelagert
und periodisch durch Wrmezufuhr wieder freigesetzt wird. Durch zwei parallel
und wechselweise betriebene Anlagen wird ein stetiger Khlprozess erreicht.
In der Prozess-Kltetechnik kommen berwiegend Anlagen nach dem Kaltdampf-
Kompressionsklteprozess zum Einsatz. In einigen speziellen Anwendungsfllen wird auch
der Absorptionsklteprozess eingesetzt.
2. Kaltdampf-Kompressionsklteprozess
Ein mit entscheidendes Kriterium fr die Wirtschaftlichkeit von Kompressionsklteanlagen ist
die Leistungszahl (Epsilon), die sich wie folgt zusammensetzt:
P
Q0
[ 0Q = Klteleistung, P = elektrische Leistungsaufnahme]
Von vielen Herstellern werden heute statt der Leistungszahl COP-Werte (coefficient of
performance) angegeben, diese stellen inhaltlich das Gleiche dar.
Daher sollten die Kriterien fr eine effiziente Klteanlage bei einer hohen Klteleistung mit
einer geringer elektrischen Leistungsaufnahme liegen.
Seite 2
Die Effizienz von Kompressionsklteanlagen hngt im Wesentlichen von folgenden Faktoren
ab:
- Verdampfungs- und Kondensationstemperatur
- Anlagenkomponenten
- Wrmerckgewinnung
Verdampfungs- und Kondensationstemperatur
Das grte Einsparpotenzial bei Klteanlagen liegt in der optimalen Auslegung von
Verdampfungs- und Kondensationstemperatur. Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen
Verdampfung und Kondensation, desto geringer ist die Druckdifferenz, die vom Verdichter
berwunden werden muss, und somit der Energieaufwand fr den Betrieb der Anlage.
Fr eine um 1C hhere Verdampfungstemperatur wird der Energieaufwand am Verdichter um
etwa 4 Prozent gesenkt. Bei einer konstanten Khlleistung muss bei der Erhhung der
Verdampfungstemperatur der Luftdurchsatz an den Verdampfern erhht werden. Was durch
hhere Luftgeschwindigkeiten, die auch wiederum einen erhhten Energieaufwand bedeuten
oder durch grere Tauscherflchen, die wiederum mit hheren Investitionskosten verbunden
sind, realisiert wird. Es muss also ein Optimum zwischen den Betriebs- und Investitionskosten
gefunden werden.
Analog zur Verdampferauslegung bewirkt die Absenkung der Kondensationstemperatur um
1C eine Reduzierung des Verdichterenergiebedarfs um ca. 3 Prozent. Bei Einsatz von
luftgekhlten Verflssigern ist die Kondensationstemperatur von der Auentemperatur
abhngig. Speziell in den Sommermonaten bei hohen Auentemperaturen - wo die grte
Khlleistung bentigt wird - ist die Kondensationstemperatur sehr hoch, was einen hohen
Energieverbrauch nach sich zieht. Werden Verflssiger ohne Leistungsreserven auf die
genormte Auentemperatur von 32C ausgelegt, kann es bei hheren Auentemperaturen -
wie sie in der letzten Zeit oft auftraten - zu einer Verminderung der Klteleistung kommen.
Anlagenkomponenten
Kompressoren (Verdichter)
Durch die richtige Wahl des Verdichtertyps unter Bercksichtigung der Klteleistungszahl und
des Teillastverhaltens kann viel Energie eingespart werden. Am Markt werden verschiedene
Verdichtertypen angeboten. Bei kleinen Klteleistungen, 5 20 kW, kommen berwiegend
Spiral-(Scroll)-Verdichter zum Einsatz. Im Leistungsbereich darber bis ca. 500 kW werden
Hubkolbenverdichter, meist als halbhermetische Verdichter, eingesetzt. Schraubenverdichter
Seite 3
werden am Markt im Leistungsbereich zwischen 80 und 1.200 kW Klteleistung angeboten.
Darber hinaus werden Turboverdichter eingesetzt, welche bei groen Leistungen von
Hochspannungsmotoren oder direkt von Dampf- bzw. Gasturbinen angetrieben werden. Die
Leistung groer Turboverdichter liegt oberhalb einem Megawatt bis etwa 60 MW.
Bild 1: Schaltung der wichtigsten Bauteile einer Kompressionsklteanlage, rechts mit innerem Wrmebertrager (Economiser)
Kltespeicher
Wird die Kltelast nur zu Spitzenzeiten voll gefordert, knnen durch das Einbeziehen eines
Kltespeichers Leistungsspitzen vermindert und somit Kosten eingespart werden. Reine
Kaltwasserspeicher haben eine geringe Speicherfhigkeit, da sie nur die spezifische
Wrmekapazitt von 4,18 kJ/(kg*K) nutzen knnen. Die Speicherdichte liegt bei ca. 1,16
kWh/(m3*K). Fr eine Zwischenspeicherung von 20 kWhKlte bei einem t von 6K wird ein
Speichervolumen von ca. 3 m3 bentigt. Wird ein Eisspeicher eingesetzt, dessen
Speicherdichte zwischen 40 und 60 kWh/m3 liegt, da die Schmelzwrme des Wassers von 332
kJ/kg genutzt werden kann, wird nur noch ein Speichervolumen von ca. 0,4 m3 bentigt.
Investitionen in Eisspeicher sind vor allem dann sinnvoll, wenn:
die Klteleistungsspitzen an geringen Tagen/Stunden im Jahr auftreten und durch
den Eisspeicher die Klteleistung und somit Investitionskosten reduziert werden
knnen.
bei einer bestehenden Klteanlage die Klteleistung erweitert werden soll ohne
Investitionen in die Anlagentechnik
Seite 4
die elektrische Lastspitze an einem Sommertag liegt und durch die Abschaltung der
Klteanlage der zu zahlende Leistungspreis reduziert wird.
durch den Einsatz des Eisspeichers der Strombezug vergleichmigt wird und somit
die Benutzungsstunden des Strombezuges erhht werden.
der preiswerte Nachtstrom zur Klteerzeugung genutzt werden kann.
die Klteversorgung whrend eines Stromausfalls gewhrleistet werden muss.
Verflssiger
Speziell bei luftgekhlten Verflssigern ist der Verflssigungsdruck von der Auentemperatur
abhngig. Luftgekhlte Verflssiger sollten grundstzlich im Auenbereich an den Nordseiten
der Gebude oder auf dem Dach installiert sein, um den Verflssigungsdruck niedrig zu halten.
Allerdings muss wiederum bei sehr geringen Auentemperaturen der Verflssigungsdruck
ber einen Heigas-Bypass knstlich hochgehalten werden, da speziell das Expansionsventil,
aber auch der Verdichter einen Mindestdruck fr den sicheren Betrieb bentigt. Daher sollte
grundstzlich eine Verflssigungsdruckreglung eingesetzt werden.
Grnde fr eine Verflssigungsdruckreglung:
- Energieeinsparungen bis zu 20 Prozent
- stabile und gute Klteleistungen ber lngere Zeitrume
- konstantes Regelverhalten
- bessere Betriebsbedingungen der Verdichter
Die Verflssigungsdruckreglung wird durch eine Lfterdrehzahlregelung realisiert. Steigt der
Druck an, wird die Drehzahl erhht, somit auch die Khlleistung und der Druck sinkt wieder.
Lfterdrehzahlregelungen knnen durch Spannungsregler (Phasenanschnitt), Frequenz-
umformer und Ventilatoren mit EC-Technik realisiert werden.
Rckkhlung
Auch die Wahl des Khlmediums Luft oder Wasser beeinflusst den Energiebedarf. Die
Luftkhlung erfordert gegenber Rckkhlwerken oder Brunnenwasserkhlung bei gleicher
Spitzenlast-Klteleistung grere Verdichter und einen hheren Energieverbrauch der
Verdichter. Bei wassergekhlten Verflssigern wird beispielsweise ber einen Rohrbndel-
Verflssiger, bei kleineren Anlagen werden oft Koaxial-Verflssiger verwendet, die
Kondensationswrme an ein Wasserkreislaufsystem bertragen. Das Wasser wird in der
Regel durch offene oder geschlossene Verdunstungskhler rckgekhlt. Fr die
Rckkhltemperatur ist die Feuchtkugeltemperatur ausschlaggebend, welche in
Seite 5
Westdeutschland in den Sommermonaten mit 21C angegeben wird und eine Abkhlung des
Wassers bis auf 25C ermglicht.
bliche Auslegungsdaten fr den Sommer
- Wasserkhlung: Wasser aus Rckkhlwerk, Erwrmung von 27C auf 32 C,
Kondensationstemperatur ca. 37C
- Luftkhlung: Auenluft, Erwrmung von 32C auf 42C, Kondensationstemperatur ca.
50C
Fr Klteanlagen werden auch sogenannte Economiser angeboten, bei denen es zwar zu
einer geringfgigen Erhhung der Leistungsaufnahme kommt, aber zu einer deutlichen
Verbesserung der Klteleistung.
Werden beide Optimierungspotenziale ausgenutzt, Economiser und wassergekhlter
Verflssiger, ist eine Verminderung der elektrischen Leistungsaufnahme um ca. 10 Prozent
und eine Erhhung der Klteleistung um ca. 30 Prozent mglich. Was eine Verbesserung der
Leistungszahl ergibt. Geht man davon aus, dass eine Erhhung der Klteleistung nicht
notwendig ist, kann bei der Verdichterauswahl auf kleinere Leistungsklassen zurckgegriffen
werden, was die Investitionskosten verringert und natrlich